C/C复合材料制备、 应用、 发展趋势主讲：李晓航 组员：李晓航 杨帅 梁育静制作：梁育静C/C复合材料简介C/C复合材料是以碳（或石墨）纤维及其织物为增强材料，以碳（或石墨）为基体 ，通过加工处理和碳化处理制成的复合材 料。碳 碳 复 合 材 料增强碳纤维基体碳树脂碳沥青碳热解碳比较C/C复合材料金属耐热性；膨胀率；重量；耐腐蚀性石墨强度；韧性陶瓷韧性；粘结；耐热冲击性树脂耐热性；耐腐蚀性；耐摩擦性C/C复合材料的制备nC/C复合材料制备方法：液体浸渍分解法和 化学气相沉积法nC/C复合材料制备步骤：预制体的制备预 制体和碳基体的复合如图：碳纤维 预制体浸渍热固 性树脂碳化、 石墨化 C/C复 合材料化学气相沉积法 通入C、 H化合物 气体加热分 解、沉 积液体浸渍分解法1 预制体的制备碳纤维预制体是根据结构工况和形状要求 ，编织而成的具有大量空隙的织物。 二维编织物：面内各向性能好，但层间和垂 直面方向性能差；n三维编织物：改善层间和垂直面方向性能 ；n多向编织物：编织成四、五、七、十一向 增强的预制体，使其接近各向同性。2 预制体和碳基体的复合n碳纤维编织预制体是空虚的，需向内渗碳 使其致密化，以实现预制体和碳基体的复 合。n渗碳方法:液态浸渍热分解法、化学气相沉 积法。n基本要求:基体的先驱体与预制体的特性相 一致，以确保得到高致密和高强度的C/C复 合材料。一、 液体浸渍分解法1）浸渍用基体的先驱体选择：选择先驱 体时应考虑下列特性-黏度、碳收获率、碳 的微观结构和晶体结构。通常有热固性树 脂和沥青两大类。其中常用的有酚醛树脂 和呋喃树脂以及煤焦油沥青和石油沥青。n热固性树脂：经热解其碳的质量转化率为 50%60%；n沥青：常压下产碳率为50%左右，在 10MPa氮压和550下产碳率可高达90%。2）低压浸渍 n预制件的浸渍：通常在真空下进行，有时 为保证树脂或沥青渗入所有空隙也需施加 一定压力。n固化及碳化：若先驱体为树脂需先固化， 然后碳化。碳化在惰性气氛中进行，温度 范围为6501100；n石墨化：为提高模量有必要进行石墨化， 通常在惰性气氛炉中进行，温度范围2600 2750 。n低压浸渍很难得到高致密度的C/C，其密度 一般为1.61.85，空隙率约为810%。3）高压浸渍nPIC工艺：浸渍和碳化都在高压下进行，利 用等静压技术使浸渍和碳化都在热等静压 炉内进行。可提高产碳率降低空隙率。nPIC工艺压力对致密化的影响：当外压增加 到6.9MPa时产碳率显著增加，高密度C/C 复合材料需要51.7103.4MPa的外压。二、气相沉积法n气相沉积法（CVD法）：将碳氢化合物， 如甲烷、丙烷、天然气等通入预制体，并 使其分解，析出的碳沉积在预制体中。n技术关键：热分解的碳均匀沉积到预制体 中。n影响因素：预制体的性质、气源和载气、 温度和压力都将影响过程的效率、沉积碳 基体的性能及均匀性。n工艺方法：等温法、温度梯度法、差压法 。1）等温法n工艺过程：将预制体放入等温感应炉中加 热，导入碳氢化合物和载气，碳氢化合物 分解后，碳沉积在预制体中。n工艺控制：为使碳均匀沉积，温度应该控 制得使碳氢化合物的扩散速度低于碳的沉 积速度。n特点：该法制得的C/C中碳沉积均匀，因而 性能也较均匀。但沉积时间较长，容易使 材料表面产生热裂纹。 2）温度梯度法n工艺方法：将感应线圈和感应器的几何形 状做得与预制体相同。接近感应器的预制 体外表面是温度最高的区域，碳的沉积由 此开始，向径向发展。n特点：与等温法相比，沉积速度快，但一 炉只能处理一件，不同温度得到的沉积物 的微观结构有差别。3）差压法n工艺方法：通过在织物厚度方向上形成的 压力梯度促使气体通过植物间隙。将预制 体的底部密封后放入感应炉中等温加热， 碳氢化合物以一定的正压导入预制体内， 在预制体壁两边造成压差，迫使气体流过 空隙，加快沉积速度。C/C复合材料的应用世界各国均把C/C复合材料用作先进飞行 器高温区的主要热结构材料，其次是作为 飞机和汽车等的刹车材料。n飞行器中的应用n刹车材料方面应用n其他应用1 先进飞行器上的应用n作为高性能的重返大气层飞行器的鼻嘴和 热屏蔽材料，先进的推进装置的耐冲蚀、 尺寸稳定和热稳定材料。n图1 C/C在航天飞机上的应用n图2 C/C在战略导弹上的应用图1 C/C在航天飞机上的应用部位航天飞机表面温度C/C在航天飞机上应用部位图2 导弹鼻嘴2 刹车材料方面的应用n法国欧洲动力公司大量生产C/C刹车片，用 作飞机（如幻影式战斗机）、汽车（如赛 车）和高速火车的刹车材料。n波音747上使用C/C刹车装置，大约使机身 质量减轻了816.5kg。n日本C/C用作飞机刹车材料已有10年的历史 。日本协和式超音速客机共8个轮，刹车片 约用300kgC/C复合材料，可使飞机减轻 450kg。用作F-1赛车刹车片，可使其减轻 11kg。 3 其他方面的应用n医疗：C/C与人体组织生理上相容，弹性模 量和密度可以设计得与人骨相近，并且强 度高，可做人工骨。n工业生产：美国用作玻璃工业中的热端、 高温模具、高温真空炉内衬材料；核反应 堆零件、电触头、热密封垫和轴承。人工心脏瓣膜人造骨骼关节炉子内衬C/C复合材料的发展趋势n今后将以结构C/C复合材料为主，向功能和 多功能C/C复合材料发展；n在编制技术方面：由单向朝多向发展；n机械针织技术方面：由简单机械向高度机 械化、微机化和计算机程控全自动化发展 ；n应用方面：由先进飞行器向普通航空和汽 车、非航天高温结构领域发展，向民用化 和低成本化发展。图3 C/C可能应用于小汽车的部 位