碳碳复合材料概述

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1、碳碳复合材料概述1概述碳/碳复合材料是由碳纤维（或石墨纤维）为增强体，以碳（或石墨）为基体的复合材料，是具有特殊性能的新型工程材料，也称为“碳纤维增强碳复合材料”。碳/碳复合材料完全是rh碳元素组成，能够承受极高的温度和极人的加热速率。它具有高的烧蚀热和低的烧蚀率，抗热冲击和在超热环境下具有高强度，被认为是超热环境中高性能的烧蚀材料。在机械加载吋,碳/碳复合材料的变形与延伸都呈现出假塑件性质，最后以非脆性方式断裂。它的主要优点是：抗热冲击和抗热诱导能力极强，具有一定的化学惰性，高温形状稳定，升华温度高，烧蚀凹陷低，在高温条件下的强度和刚度可保持不变，抗辐

2、射，易加工和制造,重量轻。碳/碳复合材料的缺点是非轴向力学性能差，破坏应变低，空洞含量高，纤维与基体结合差，抗氧化性能差.制造加工周期长，设计方法复杂，缺乏破坏准则。1958年，科学工作者在偶然的实验中发现了碳/碳复合材料，立刻引起了材料科学与工程研究人员的普遍重视。尽管碳/碳复合材料具有许多别的复合材料不具备的优异性能，但作为工程材料在最初的10年间的发展却比较缓慢，这主要是由于碳/碳的性能在很大程度上取决于碳纤维的性能和谈集体的致密化程度。当吋各种类型的高性能碳纤维正处于研究与开发阶段，碳/碳制备工艺也处于实验研究阶段，同时其高温氧化防护技术也未得到

3、很好的解决。在20世纪60年代屮期到70年代末期，由于现代空间技术的发展，对空间运载火箭发动机喷管及喉衬材料的高温强度提出了更高要求，以及载人宇宙飞船开发等都对碳/碳复合材料技术的发展起到了有力的推功作用。那吋，高强和高模量碳纤维已开始应用于碳/碳复合材料，克服碳/碳各向异性的编织技术也得到了发展，更为主要的是碳/碳的制备工艺也由浸渍树脂、沥青碳化工艺发展到多种CVD沉积碳基体工艺技术。这是碳/碳复合材料研究开发迅速发展的阶段，并且开始了工程应用。由于20世纪70年代碳/碳复合材料研究开发工作的迅速发展，从而带动了80年代屮期碳/碳复合材料在制备工艺、复

4、合材料的结构设计，以及力学性能、热性能和抗氧化性能等方面基础理论及方法的研究，进-步促进和扩大了碳/碳复合材料在航空航天、军事以及民用领域的推广应用。尤其是预成型体的结构设计和多向编织加工技术日趋发展，复合材料的高温抗氧化性能己达1700OC,复合材料的致密化工艺逐渐完善，并在快速致密化工艺方面取得了显著进展，为进一步提高复合材料的性能、降低成本和扩大应用领域奠定了基础。目前人们正在设法更有效地利用碳和石墨的特性，因为无论在低温或很高的温度下，它们都有良好的物理和化学性能。碳/碳复合材料的发展主要是受宇航工业发展的彫响，它具有高的烧蚀热•低的烧蚀率.在抗

5、热冲击和超热环境下具有高强度等一系列优点，被认为是超热环境中高性能的烧蚀材料。例如，碳/碳复合材料制作导弹的鼻锥时，烧蚀率低且烧蚀均匀，从而可提高导弹的突防能力和命屮率。碳/碳复合材料具有一系列优异性能，使它们在宁宙飞船、人造卫星、航大飞机、导弹、原子能、航空以及-•般工业部门中都得到了tl益广泛的应用。它们作为宇宙飞行器部件的结构材料和热防护材料，不仅可满足苛刻环境的要求，而且还可以大大减轻部件的重量，提高有效载荷、航程和射程。碳/碳复合材料还具有优异的耐摩擦性能和高的热导率，使其在飞机、汽车刹车片和轴承等方面得到了应用。碳与生物休之间的相容性极好，再

6、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，例如：人造骨路,心脏瓣膜等。今后，随着生产技术的革新，产量进步扩大.廉价沥青基碳纤维的开发及复合工艺的改进，使碳/碳复合材料将会有更大的发展。2碳/碳复合材料的制造工艺最早的碳/碳复合材料是rh碳纤维织物二向增强的，基体由碳收率高的热固性树脂（如酚醛树脂）热解获得。釆用增强塑料的模压技术，将二向织物与树脂制成层压体，然后将层圧体进行热处理，使树脂转变成碳或石墨。这种碳/碳复合材料在织物平面内的强度较高，在其他方向上的性能很差，但因其抗热应力性能和韧性有所改善，并且可以制

7、造尺寸大、形状复杂的零部件，因此，仍有一定用途。为了克服两向增强的碳/碳复合材料的缺点，研究开发了多向增强的碳/碳复合材料°这种复合材料可以根据需要进行材料设计，以满足某一方向上对性能的最终要求。控制纤维的方向、某一方向的体积含量、纤维I'可距和基体密度，选择不同类型的纤维、基体和工艺参数，可以得到具有需要的力学、物理及热性能的碳/碳复合材料。多向增强的碳/碳复合材料的制造分为两大步：首先是制备碳纤维预制件，然后将预制件与基体复合，即在预制件中渗入碳基体。碳/碳复合材料制备过程包扌舌增强体碳纤维及其织物的选择、基体碳先驱体的选择、碳/碳预成型体的成型工艺

8、、碳基体的致密化工艺，以及最终产品的加工、检测等环节。（1）碳纤维的选择碳纤维纱