复合材料第七章 碳-碳、微晶玻璃及水泥基复合材料

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1、1.1概述石墨：耐高温、抗热震、导热性好、弹性模量高、化学惰性好、强度随温度的升高而增加韧性差、对裂纹非常敏感碳/碳：碳纤维（毡、布）增强碳基体性能特点：保持石墨优良性能克服石墨缺点（韧性、强度提高）研制历史：约20世纪60年代11.2碳/碳复合材料的制备工艺1.2.1预成型体预成型体：典型多孔体系（含有大量空隙）三维碳/碳预成型体空隙约60%常见类型：单向、二维、三维、多维编织法制备（计算机控制编织）2图7.1多维编织的碳/碳复合材料预成型体结构31.2.2基体碳（1）CVD碳制备原理：CVD法（甲烷、丙烷、丙烯、乙炔、天然气）CH4（g）C

2、（s）+2H2（g）沉积类型：950~1100C热解碳1750~2700C热解石墨（2）树脂或沥青碳制备原理：预制体浸渍树脂或沥青、预固化、碳化4树脂或沥青浸渍剂选择原则：（1）碳化率高（减少浸渍次数，提高效率）（2）粘度适中（易于浸渍到预制成型体中内部）（3）热解碳化时形成张开型裂缝或空隙（利于多次浸渍）（4）碳化后收缩不破坏预制体结构、形状（5）形成的显微结构有益于材料性能51.3碳/碳复合材料的抗氧化1.3.1碳/碳复合材料的氧化碳的氧化行为：2C（s）+O2（g）=2CO（g）2CO（g）+O2（g）=2CO2（g）氧化控制机制：化学

3、反应机制控制（低温，热力学）反应气体扩散控制（高温，动力学）区分温度范围：约600~800C6氧化动力学：抛物线型（开始阶段）直线关系（一定时间以后）影响氧化的因素：（1）氧化温度及时间；（2）反应气体流量；（3）氧化材料表面积；（4）材料组成及纤维结构71.3.2碳/碳复合材料的氧化保护原理（1）抑制法抑制剂：容易氧化形成玻璃态的物质典型制剂：B2O3、B4C、ZrB2作用原理：氧化形成硼酸盐玻璃（粘度、熔点低，易流动）（隔开碳与氧的接触和防止氧扩散）使用范围：600C以下氧化防护与高温涂层结合，进行复合抗氧化保护8（2）防氧化涂层法与C/

4、C具有适当热膨胀匹配具有低的氧扩散渗透率与C/C具有适当的粘附性与C/C具有良好相容性具有低的挥发性图7.2C/C复合材料防氧化涂层要求91.4碳/碳复合材料的性能力学性能：优异的高温力学性能（强度随温度升高而升高）高断裂韧性、低蠕变、耐烧蚀、抗热震（目前唯一可用于高温达2800C的高温复合材料）表7.1典型三维正交增强C/C复合材料性能10物理性能：密度低、高热导性（可与铝合金比拟）低热膨胀系数（远比金属低）对热冲击不敏感良好的生物相容性摩擦性能：优异的摩擦磨损性能碳纤维乱层石墨结构（高的摩擦系数）石墨层状结构（低的摩擦系数）改变基体碳石墨化

5、程度就可以获得适中的摩擦系数111.5碳/碳复合材料的应用性能特点：比性能优异，应用前景广阔。使用缺点：价格贵，高温下长期使用易氧化。应用领域：航空航天、军事、生物等领域。应用举例：航空航天领域（航天飞机的鼻锥和机翼前沿等）军事领域（战略导弹引擎、洲际导弹端头帽等）生物领域（人工骨头，如膝关节、髋关节）122.1微晶玻璃基体微晶玻璃：玻璃与晶体共存的均匀多晶材料（玻璃陶瓷）（加入晶核剂，在玻璃中形成晶核并长大）结构特点：晶相结构+玻璃结构性能特点：具有玻璃和陶瓷的特点（一般由晶相、玻璃相及其数量决定）机械强度优于玻璃、大多数陶瓷和某些金属13微晶

6、玻璃基复合材料性能改进：加入增强纤维或晶须，可实现性能改进增强要求：热膨胀系数和弹性模量的匹配化学相容性界面合适的剪切强度增强体表面良好惰性（防止液态基体的腐蚀）主要增强体：C、SiC、Al2O3142.2碳纤维/微晶玻璃复合材料碳纤维：强度高、模量高、密度低。C/LAS：强度、模量明显改善，抗热震性、抗冲击性良好，断裂韧性明显提高（纤维拔出和裂纹偏转）表7.2碳纤维/锂铝硅（LAS）微晶玻璃复合材料性能对比152.3碳化硅纤维/微晶玻璃复合材料C/微晶玻璃：力学性能良好，但高温抗氧化性能差SiC/微晶玻璃：优异的高温性能、韧性（接近延性材料）表

7、7.3碳化硅纤维/微晶玻璃复合材料性能162.4氧化铝纤维/微晶玻璃复合材料优点：极好的高温抗氧化性能、良好的电绝缘性缺点：韧性较低（界面结合过强所致）2.5微晶玻璃基复合材料的应用性能特点：密度小、耐腐蚀、热稳定性好、热膨胀系数小主要应用：汽车工业（发动机零部件）军工领域（屏蔽材料、战车发动机部件等）。17§3水泥基复合材料3.1概述3.1.1水泥的定义和分类（1）水泥的定义凡细磨成粉末状，加入适量水后成为塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石等散粒或纤维材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料，即为水泥。18（2）水泥的分类通用

8、水泥：普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥专用水泥：油井水泥、砌筑水泥特性水泥：快硬硅酸盐水泥、低热矿渣硅