碳碳复合材料论文

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小组成员：方状，蔡雄，黄凯，徐睿昭班级：国际学院纺织工程1103班摘要：碳/碳复合材料作为一种先进的复合材料，具冇重量轻，模量高，比强度大，热膨胀系数低，耐高温，耐热冲击，耐腐蚀，吸震性好等一系列优点，在航空航天，汽车领域已有广泛的应用.本文通过对这种复合材料在行业屮的广泛应用及现状分析，对W内市场的问题与前景进行了探讨。关键字：碳纤维增强体性能应用一、C/C复合材料的发展历史20世纪60年代初门本首先用聚丙烯腈(PAN)原丝制成高性能碳纤维。1963年英国的研究人员发明用牵引法提高纤维结构的取向，进一步提高丫碳纤维的强度和弹性模量。到60年代末，提高碳纤维性能和产生效率的办法H趋完善。高强度，超高强度，高模量和高强中模量的碳纤维形成规模生产并幵始商品化。现在C/C复合材料不仅在高科技方面应用广泛，而且它也渗透都我们平常生活的点点滴滴屮。二、C/CS合材料的定义：C/Cg合材料是指以碳纤维作为增强体，以碳作为基体的一类复合材料。而碳纤维是由杏机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料；基体为复合材料屮起到粘接增强体成为整体丼转递载荷到增强体的主要纟II分之一。作为增强体的碳纤维可用多种形式和种类，既可以用短切纤维，也可以用连续长纤维及编织物。各种类型的碳纤维都可用于C/C复合材料的增强体。碳基体可以是通过化学气相沉积制备的热解碳，也可以是高分子材料热解形成的M体碳。C/C复合材料作为碳纤维复合材料家族的一个重要成员，再宥密度低、高比强度比模量、高热传导性、低热膨胀系数、断裂韧性好、耐磨、耐烧蚀等特点，尤其是其强度随着温度的升高，不仅不会降低反而还可能升高，它是所奋已知材料屮耐高温性最好的材料。因而它广泛地应用于航天、航空、核能、化工、医用等各个领域。三、C/C复合材料的特征：其主要特征宥1.合材料所具冇的吋设计性； 1.量较，其密度为1.65—2.0g/cm3，仅为钢的四分之一；2.学特性随温度升高而增大（2200°C以前），是目前唯一能在220（TC以上保持高温强度的工程材料；4线膨胀系数小，高温尺寸稳定性好；5异的耐烧蚀性能；6损伤容限高，良好的抗热震性能：C/C复合材料的性能：1.力学性能C/C复合材料不仅密度小，而且抗拉强度和弹性模量高于-•般碳素材料，因此碳纤维的增强效果十分明显，同吋，挠曲强度也高于一般碳素材料2.热物理性能C/CS合材料具有良好的尺寸稳定性，其热膨胀系数小（仅为金域材料的1/5-1/10）,高温热应力小，热导率高。C/C复合材料的比热高，随温度上升而増大，因此能储存大量热能。C/C复合材料的抗热震性很大，为各类石墨制品的1倍-40倍。四、C/C复合材料的性能1.力学性能：C/C复合材料不仅密度小，而且抗拉强度和弹性模量高于一般碳素材料，因此碳纤维的增强效果十分明显，同时，挠曲强度也高于一般碳素材料2.热物理性能：C/C复合材料具冇良好的尺寸稳定性，其热膨胀系数小（仅为金属材料的i/5-ino）,高温热应力小，热导率高。C/C复合材料的比热高，随温度上升而增大，因此能储存大量热能。C/C复合材料的抗热震性很大，为各类石墨制品的1倍-40倍。3耐烧蚀性能：C/C复合材料有效烧蚀率高，材料烧蚀时能带走大量热。经高温石墨化后，C/C复合材料的烧蚀性能将更加优异。C/C复合材料暴露于高温和快速加热环境屮，由于蒸发升华和可能的热化学氣化，使其部分表面可以被烧蚀。但其表面的問陷浅，良好地保持其外形，且烧蚀均匀和对称，因此，广泛应用作耐烧4.化学稳定性：C/CS合材料具有和碳一样的化学稳定性，C/CS合材料的最大缺点是耐氧化性能差，易腐蚀材料。五，复合材料的组成结构主要成分拈：碳纤维骨架和碳基体。 而碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微品石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构，如下图所示图2-1-1乱层石墨结构首先我们先要了解碳纤维化学性质碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维。其中含碳量高于99°%的称石墨纤维。A前应用较普遍的碳纤维主耍是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。碳纤维的制造包括纤维纺丝、热稳定化（预氧化）、碳化、石墨化等4个过程。其间伴随的化学变化包括，脱氢、环化、氧化及脱氧等基体的作用：基体为复合材料中起到粘接增强体成为整体并转递载荷到增强体的主耍组分之一。碳（石墨）基体使用温度在有抗氧化措施的条件下可超过2000°C。C/C复合材料的基体材料冇热解碳和浸渍碳两种。1.热解碳主要是甲烷、乙烷、丙烷和乙烯以及低分子芳烃等组成，经高温列举生成碳。2.浸渍碳主耍冇沥青和树脂组成。热解碳原料来源丰富，质量可靠，品种多，且成木低，选材范围广。A.a：C/C复合材料的应用C/C复合材料的主要两大应用领域C/C复合材料作为优异的热结构、功能一体化工程材料，自1958年诞生以来，在军工方面得到了长足的发展，其中最重要的用 途是用于制造导弹的弹尖部件。由于其耐高温、摩擦性好，目前己广泛用于固体火箭发动机喷管、航天飞机结构部件、飞机及赛车的刹车装置、热元件和机械紧固件、热交换器、航空发动机的热端部件等。1、固体火箭发动机喷管上的应用c/C复合材料自20世纪70年代首次作为固体火箭发动机(SRM)喉衬飞行成功以來，极大地推动了SRM喷管材料的发展。采用C/C复合材料的喉衬、扩张段、延仲出口锥，具冇极低的烧蚀率和良好的烧蚀轮廓，町提高喷管效率1%〜3%，即可大大提高sRM的比冲。喉衬部一般采用多维编织的高密度沥青基C/C复合材料，增强体多为整体针刺碳毡、多句编织等，并在表面涂覆Sic以提高抗氧化性和抗冲蚀能力。2、刹车领域的应用：C/C复合材料刹车盘的实验性研究于1973年第一次用于飞机刹车。0前，一半以上的C/C复合材料用作飞机刹车装置。高性能刹车材料，要求高比热容、高熔点以及高温下的强度，C/C复合材料正好适应了这一要求，制作的飞机刹车盘重量轻、耐温高、比热容比钢高2.5倍；同金属刹车材料相比，可节右40%的结构重量。碳刹车盘的使用寿命是金属基的5〜7倍，刹车力矩平稳，刹车时噪声小，因此碳刹车盘的问世被认为是刹车材料发展史上的一次重大的技术进步。目前法国欧洲动力、碳工、Ik等公司已批量生产c妃复合材料刹车片，英国邓禄普公司也已大量生产C/C复合材料刹车片，用于赛车、火车和战斗机的刹车材料。六.b:C/C复合材料的性能的提高方法1、耐烧蚀性能的提高针对固体火箭发动机喷管喉衬材料的应用，重点在于C/C复合材料的耐烧蚀性能。目前，常采用C/C渗铜(Cu)或C/C渗难熔金属碳化物(Tac、HfC、z«s)两种方法进行提高C/C复合材料的耐烧蚀性能，从而满足新一代火箭喉衬材料的需求。2、耐摩擦磨损性能研究C/C复合材料耐摩擦磨掼陛能优异，K摩擦因6合成纤维SFC2011No.1数适当且稳定，飞机刹车用C/C复合材料，寿命提高近5倍，刹车性能也明显高于粉末冶金刹车材料f笠-蠲。70年代中期，英国Diwlop航空公司的C/C复合材料刹车片首次在协和式飞机上试飞成功以来，得到很大发展，已 广泛应用于高速军用飞机和大型高音速民用客机:F16、B737、B757、B767及暴风雪等型号。目前航空刹车用C/C复合材料主要由世界上的五家公司生产，它们是法国的Messier、美国的Goodrich、Bendix、Goodyear及英国的Dunlop。七、C/C复合材料发展趋势展望C/C复合材料自20世纪60年代发明以来，就受到军事、航空航天、核能以及许多民用工业领域的极大关注。然而，由于C/C复合材料制造工艺复杂、技术难度大，原材料价格昂贵，产品成本长期居高不K，其用途仍然限制在一些工作条件苛刻的部位，以及其它材料不能替代的航空航天和军事领域。目前在C/C复合材料研究领域，最需要解决的问题是：研究高效、低成木、快速制备工艺方法；研究能在1800°C以上L<:期使用的抗氧化涂层；研究高性能耐烧蚀C/C复合材料并应用于14体火箭喉衬材料；改进c/c复合材料的摩擦磨损性能，使之万方数据更加满足于刹车材料的应用；C/C复合材料与人体硬组织宥优异的生物相容性，其弹性模量与人体骨接近，在人体承重骨替换领域具冇广阔的应用前景有关C/C复合材料的基木理论问题，如界面结合，断裂行为，高温性能的研究，仍有待进一步完善。另外一些和关的领域如碳碳复合材料的无损检测，质量评价，力学模型，计算，设计等问题也有待解决。参考文献【1】沈曾民，新型碳材料【M】-化学工业出版社，2003：9-470.【2】白瑞成。李贺军，李克智等.工艺因素对毗复合材料IcVI致密化的影响.材料科学与工程学报，2008,26(6)：827—831.【3】陈少杰，张教强，郭银明.榭碳复合材料高温抗氧化涂层的研究进展.腐蚀与防护，2009,30(10)：738—741.【4】刘扬.C/C复合材料抗高温氧化涂层研制及抗氧化性能研斛D】.北京化工大学，200&【5】储双杰，侨生惴.扬峥等.碳，碳复合材料的氧化与防护【J】.材料工程，1992.5：43—56.【6】付前刚，李贺军。李克智等.C/C复合材料防氧化涂Msic麟C一M0Si2的制备与抗氧化性能硼.金属学报.2009,45(4):503—506.