4.5 碳碳复合材料的制备方法

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1、第四章复合材料的制备4.1复合材料的基本概念和性能4.2树脂基复合材料的制备方法4.3金属基复合材料的制备方法4.4陶瓷基复合材料的制备方法4.5碳/碳复合材料的制备方法第四章复合材料的制备碳/碳复合材料是由碳纤维或各种碳织物增强碳，或石墨化的脂碳（沥青）以及化学气相沉积（CVD）碳所形成的复合材料，是具有特殊性能的新型工程材料。4.5碳/碳复合材料的制备方法4.5.1碳/碳复合材料的发展1.碳/碳复合材料(C/C)碳/碳复合材料由三种不同组分构成，即树脂碳、碳纤维和热解碳。由于它几乎完全是由元素碳组成，故能承受极高的

2、温度和极大的加热速率。通过碳纤维适当的取向增强，可得到力学性能优良的材料，在高温时这种性能保持不变甚至某些性能指标有所提高。碳/碳复合材料抗热冲击和抗热导能力极强，且具有一定的化学惰性。2.碳/碳复合材料的发展碳/碳复合材料的发展主要受宇航工业发展的影响。它具有高的烧灼热、低的烧蚀率，抗热冲击和超热环境下具有高强度等一些列优点，被认为是一种高性能的烧蚀材料。碳/碳复合材料可以作为导弹的鼻锥，烧蚀率低且烧蚀均匀，从而提高导弹的突防能力和命中率。碳/碳复合材料还具有优异的耐磨擦性能和高的热导率，使其在飞机刹车片和轴承等方面

3、得到了应用；它也可以作为飞机的刹车盘。C/C在航天领域中的应用C/C作为刹车盘碳与生物体之间的相容性极好，再加上碳/碳复合材料的优异力学性能，使之适宜制成生物构件插入到活的生物机体内作整形材料，如人造骨骼、心脏瓣膜等。人工心脏瓣膜人造骨骼关节鉴于碳/碳复合材料具有系列优异性能，它们在宇宙飞船、人造卫星、航天飞机、导弹、原子能、航空以及一般工业部门中得到了日益广泛的应用。今后，随着生产技术的革新，产量进一步扩大，廉价沥青基碳纤维的开发及复合工艺的改进，碳/碳复合材料将会有更大的发展。碳/碳复合材料的成型加工方法很多，其各

4、种工艺过程大致可归纳为下图几种方法：4.5.2碳/碳复合材料的成型加工方法1.胚体在沉碳和浸渍树脂或沥青之前，增强碳纤维或其织物应预先成型为一种坯体。坯体可通过长纤维（或带）缠绕、碳毡、短纤维模压或喷射成型、石墨布叠层的方向石墨纤维针刺增强以及多向织物等方法制得。碳纤维长丝或带缠绕方法，可根据不同的要求和用途选择适宜的缠绕方法。碳毡可由人造丝毡碳化或聚丙烯腈预氧化、碳化后制得。碳毡叠层后，可以碳纤维在X、Y、Z的方向三向增强，制得三向增强毡，如下图所示。喷射成型是把切断的碳纤维(约为0.025mm)配制成碳纤维-树脂-

5、稀释剂的混合物，然后用喷枪将此混合物喷涂到芯模上使其成型。用碳布或石墨纤维布叠层后进行针刺，可用空心细颈金属棒引纱。下图是AVCD公司编织的坯体。在坯体的研制中，发展的重点是多向织物，如三向、四向、五向或七向等，目前是以三向织物为主。碳纤维从X、Y、Z三个方向互成90º正交排列，三个方向的纱线并不交织，X和Y方向的纱线交替的叠层，Z方向的纱线起增强作用。因此XYZ方向的纱线并没有交织点，只有重合点，可充分发挥织物里每个纤维的力学性能。三维织物研究的重点在细编织及其工艺、各向纤维的排列对材料的影响等方面。三向织物的细编程

6、度越高，碳/碳复合材料的性能越好，尤其是作为耐烧蚀材料更是如此。细编程度常用织物的正向间距大小来衡量。正向间距越小，编织程度越高，线的烧蚀率越低。在三向编织的基础上，对四向和七向编织物也进行了研究，四向织物是在相应于立方体的四个长对角线方向上进行编织，由于编织方向增多，改善了三向织物的非轴线方向的性能，使材料的各部分性能超于平衡，提高了强度（主要是剪切强度），降低了材料的热膨胀系数。2.基体碳/碳复合材料的碳基体有：树碳--合成树脂或沥青经碳化和石墨化而得热解碳--由烃类气体的气相沉积而成两种碳的混合物基体碳可通过化学

7、气相沉积或浸渍高分子聚合物碳化来获得。加工工艺方法可归结为以下几方面：（1）把来源于煤焦油和石油的熔融沥青在加热条件下浸渍到碳/石墨纤维结构中去，随后进行热解和再浸渍。（2）已知有些树脂基体在热解后具有很高的焦化强度，热解后的产物能够很有效地渗入较厚的纤维结构，热解后必须进行再浸渍再热解，如此反复若干次。（3）通过气相（通常是用烷和氧气，有时还有少量氢气）化学沉淀法在热的基质材料（如碳/石墨纤维）上形成高强度热解石墨。也可以把气相化学沉积法和上述两种工艺结合起来以提高碳/碳复合材料的物料性能。（4）把由上述方法制备的但

8、仍然是多孔状的碳/碳复合材料在能够形成耐热结构的液态单体中浸渍，是又一种精制方法，可选用的这类单体很有限，但是由四乙烯基硅酸盐和强无机酸盐催化剂组成的渗透液将会产生具有良好耐热性的硅-氧网路。硅树脂也可以起到同样的作用。4.5.3碳/碳复合材料的制备工艺1.沥青基混合物用煤焦油沥青浸渍碳/石墨纤维可得碳/碳复合材料。目前已设计了一