碳碳复合材料31551PPT课件
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碳碳复合材料ppt课件
循环浸渍－碳化曲线反映了浸渍－碳化工艺特点：
❖ 在进行1～3次浸渍碳化时，复合材料的密度增加较快， 从预制体密度（约1.2～1.3g/cm3）增加到1.6g/cm3以上；
❖ 从第四次循环浸渍碳化开始，则每次复合材料的密度增 加相对较慢。
❖ 为了减少浸渍－碳化次数，提高浸渍碳化效率和改善复 合材料的性能，一般采用真空压力浸渍工艺，形成了压 力浸渍碳化工艺（PIC, Pressure Impregnation Carbonization）。并且在沥青液态浸渍－碳化工艺中得 到应用。
沥青碳化率＝0.95QI＋0.85(BI-QI)+(0.3-0.5)BS
因此，沥青的碳化率随高分子量芳香族化合物的含量增加而增加。 最高的碳化率达90％，但与碳化时的压力有关。当碳化压力增强时， 低分子量物质挥发气化，并在压力下热解得到固态沥青碳。
★ 沥青碳化特性
★ 沥青碳化特性
沥青的压力碳化经历以下过程：
沥青液态压力浸渍－碳化 工艺是在常压、250℃下先浸 渍，然后在此温度下加压至 100MPa压力下继续浸渍，再 此压力下经650℃碳化。
同样需经历多次PIC工艺 使/C复合材料致密化。
● HIPIC工艺
HIPIC工艺是热等静压浸 渍碳化工艺（Hot Isostatic Pressure Carbonization）,即 在等静压炉中进行PIC工艺。
沥青、树脂浸渍-碳化与CVD裂解碳填充孔隙的区别
C/C复合材料CVD/CVI工艺的种类主要有：
❖ 等温 (Isothermal)法； ❖ 压力梯度 (Pressure gradient)法； ❖ 温度梯度(Thrmal gradient)法； ❖ 化学液气相沉积法（Chemical Liquid Vapour
《碳碳复合材料简介》课件
高强度与高刚度
具有出色的强度和刚度，适用 于要求高强度和轻质化的领域。
良好的耐损性
具有优异的耐磨、耐热疲劳和 耐腐蚀性能。
碳碳复合材料的应用领域
1
航空航天
广泛应用于飞机结构、发动机部件和导弹热防护等领域。
2
能源工业
用于核电站中的炭碳复合材料管道和储罐，以及燃烧器等高温设备。
3
汽车工业
用于制造高性能汽车制动系统、排气系统和座椅结构。
碳碳复合材料的优势与局限性
优势
高温性能卓越，具有较高的强度和刚度。
局限性
制备工艺复杂，生产成本较高。
碳碳复合材料的发展趋势
随着技术的进步，碳碳复合材料将继续发展，更广泛地应用于航空航天、能 源、汽车等领域。同时，制备工艺将更加成熟，并不断降低生产成本。
结论和总结
碳碳复合材料具有独特的优点，是一种重要的高性能材料。它在航空航天、能源和汽车工业等领域发挥着重要 作用，并有着广阔的发展前景。
《碳碳复合材料简介》 PPT课件
碳碳复合材料是一种由碳纤维和炭素基体组成的高性能复合材料。它具有高 强度、高刚度、高温性能和优异的耐损性。
什么是碳碳复合材料
碳碳复合材料是一种由碳纤维和炭素基体组成的复合材料。碳纤维提供高强 度和高刚度，炭素基体则提供高温抗氧化性能。
碳碳复合材料的制备方法
1 化学气相沉积 (CVD)
通过化学反应在碳纤维表 面沉积炭素来制备碳碳复 合材料。
2 航空电弧加热法 (AIR) 3 热解石墨化 (HTI)
利用航空电弧对碳纤维进 行加热，使其与炭素基体 结合。
先将碳纤维石墨化，然后 与绿石墨和残余碳反应形 成碳碳复合材料。
碳碳复合材料的性质与特点
高性能炭炭复合材料制备及性能表征PPT课件
自由基链的甲基化为
CH3+C3H6→CH3CH2CHCH3
CH3CH2CHCH3→CH3CH2CH=CH2 +H
CH4+H→CH3+H2
总反应为 C3H6+CH4→CH3
CH2CH=CH2+H2
21
均气相反应
气相热解 芳香烃和多 气相形核
烃类气体
环芳香烃
固体炭颗粒
气-固两相反应
表面吸附 烃类气体
表面化学 反应与表 面脱附
结构重量减轻80% 射程显著增加
导弹发动机喷管
发动机燃烧室
没有高性能C/C复合材料，就没有现代化的国防
10
战略、战术导弹炭/炭复合材料推进系统
重量减轻80% 射程显著增加
过渡环
喉衬
扩散段
11
其它应用领域
高温热防护 半导体工业 热压模具
12
2 C/C复合材料的制备
碳纤维预制体
热固性树脂 浸渍、固化
炭纤维 基体炭 孔隙
10m 3
炭是难熔材料,石墨的熔点高达4177℃。
4
优异的高温力学性能
5
C/C材料应用－现代交通
C/C复合材料质轻、摩擦磨损性能优异，是飞机、高速列 车、磁悬浮列车、赛车等现代交通工具最新一代制动材料。
与金属基相比，C/C 使波音757
减重550Kg 刹车副寿命提高5〜6倍
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/炭复合材料
二OO九年七月
1提纲Βιβλιοθήκη 1 炭/炭复合材料及其应用 2 炭/炭复合材料的制备 3 炭/炭复合材料的结构与性能 4 炭/炭复合材料快速CVI致密化技术 5 炭/炭复合材料的研究前沿
2
1 C/C复合材料及其应用
碳碳复合材料
据文献报导，车削该复合材的料所得到 的切削用量各要素对切削力的影响规律与 切削一般脆性材料的基本一致。虽然基体 硬度较低，切削力数值不大，但材料中硬 质点对刀具的磨损比较严重，故选用CBN为 宜。因材料为脆性，故切屑常呈粉末状， 必须用吸屑法来排屑。
16
五、碳/碳复合材料的应用
碳/碳 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头 部件 由于其耐高温，摩擦性好，目前已 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 动的热端部件等。
• （4）寻求其它制备工艺降低成本 碳/碳复合
材料制备成本已经很高, 如果涂层制备工艺复杂、
周期长, 就会额外增加整个部件的制备成本, 这
样就会更大限制碳/碳 复合材料的广泛应用; 因
此寻求更合适的制备工艺, 也是一项很重要的任
务。
30
碳/碳复合材料工艺技术装备及应 用项目的第一完成人孙晋良院士
研究出来的碳/碳喉衬材料为我国 国防、航天事业的发展作出了重要
碳/碳复合材料
1
碳/碳复合材料
• 一、概述 • 二、碳/碳复合材料的组成及微观结构 • 三、碳/碳复合材料的性能 • 四、碳/碳复合材料制备及其加工 • 五、碳/碳复合材料的应用 • 六、碳/碳复合材料的氧化及防氧化 • 七、碳/碳复合材料的研究方向和不足
2
一、概述
C/ C 复合材料是目前新材料领域 重点研究和开发的一种新型超高温热结 构材料,密度小、比强度大、线膨胀系数 低( 仅为金属的1/ 5~ 1/ 10) 、热导率 高、耐烧蚀、耐磨性能良好。特别是C/ C 复合材料在1 000℃~ 2 300℃ 时强度 随温度升高而升高, 是理想的航空航天 及其它工业领域的高温材料
16
五、碳/碳复合材料的应用
碳/碳 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头 部件 由于其耐高温，摩擦性好，目前已 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 动的热端部件等。
• （4）寻求其它制备工艺降低成本 碳/碳复合
材料制备成本已经很高, 如果涂层制备工艺复杂、
周期长, 就会额外增加整个部件的制备成本, 这
样就会更大限制碳/碳 复合材料的广泛应用; 因
此寻求更合适的制备工艺, 也是一项很重要的任
务。
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碳/碳复合材料工艺技术装备及应 用项目的第一完成人孙晋良院士
研究出来的碳/碳喉衬材料为我国 国防、航天事业的发展作出了重要
碳/碳复合材料
1
碳/碳复合材料
• 一、概述 • 二、碳/碳复合材料的组成及微观结构 • 三、碳/碳复合材料的性能 • 四、碳/碳复合材料制备及其加工 • 五、碳/碳复合材料的应用 • 六、碳/碳复合材料的氧化及防氧化 • 七、碳/碳复合材料的研究方向和不足
2
一、概述
C/ C 复合材料是目前新材料领域 重点研究和开发的一种新型超高温热结 构材料,密度小、比强度大、线膨胀系数 低( 仅为金属的1/ 5~ 1/ 10) 、热导率 高、耐烧蚀、耐磨性能良好。特别是C/ C 复合材料在1 000℃~ 2 300℃ 时强度 随温度升高而升高, 是理想的航空航天 及其它工业领域的高温材料
第15章碳／碳复合材料
1 预制件的制造 1．1 碳纤维的选择 碳纤维的选择根据材料的用途、使用的环境得到易于渗碳的 预制件。 碳纤维纱上涂覆薄涂层的目的是为编织方便、改善纤维与基 体的相容性。 用作结构材料时选择高强度和高模量的纤维，纤维的模量越 高，复合材料的导热性越好、密度越大、膨胀系数越低。 纱的粗细决定着基体结构的精细性。 总之，价格、纺织形态、性能及制造的稳定性等因素来选用 碳纤维。
表6 煤焦油沥青的典型性能
表7
酚醛树脂的典型性能
绝大多数热固性树脂在较低温度(＜250℃)聚合成高度交联的、不 熔的非晶固体;热解时成玻璃态碳，在3000℃时也不能转变成石墨 ，碳收率约50％～56％，低于煤焦油沥青，加压碳化并不使碳收 率增加，密度也较低(＜1．5I／cm3)，酚醛树脂的收缩率可达20 ％，将严重影响两向增强的碳／碳复合材料的性能。 收缩对多向复合材料性能的影响比两向复合材料小。加张力及先 在400℃～600℃范围内碳化，然后再石墨化都有助于转变成石墨 结构。 沥青是热塑性的，软化点约为400℃，用沥青作基体的先驱体可归 纳成下面若干要点：0.1MPa下的碳收率约为50％；在大于或等于 10MPa压力下碳化，有些沥育的碳收率可高达90％，焦碳结构为石 墨态，密度高(～28／cm3）,碳化时加压将影响焦碳的微观结构。
(2)穿刺织物结构 用两向织物代替三向干纱编织预制件中x、y方向上的 纱便得穿刺织物结构。 制法是将二向织物层设计穿在垂直(z向)的金属杆上， 然后用未浸过或浸过树脂的碳纤维纱并经固化的碳纤 维-树脂杆换下金属杆即得最终预制件。 在z、y方向用不同的织物，z向也可用各种类型的纱。 表2～5中给出了 x y 向的织物、z向的纤维形式、穿 刺织物预制件的特性及与三向正交干纱编织须制件的 比较。
从表9可见，表面处理的高模量碳纤维碳／碳复合材料 的性能优于高强碳纤维复合材料。 随着纤维体积含量的增加，复合材料的强度和模量也 随之提高，上纱的股数过多时模量仍呈上升趋势，强 度却有所下降，因为在制造预制件时，在比较窄的地 方引入如此多的纤维密易使纤维断裂。 纤维含量相等时，用树脂预固化的纱作预制件制得的 碳／碳复合材料的强度高于用于纱作预制件的复合材 料，因为纤维的损伤较小。
C、C复合材料性能特点与应用领域PPT(36张)
内燃发动机
密度低、优异的摩擦性能、热膨胀率低 有利于控制活塞与汽缸之间的空隙
发热元件
强度高,韧性好,耐高温,可减少发热体 体积,扩大工作区
31
4.5 生物学上的应用 生物相容性好,强度高,耐疲劳,韧性好 在生物体内稳定,不被腐蚀 与骨的弹性模量接近,具有良好的生心脏瓣膜
33
5、C/C复合材料研究展望
航天领域
普通航空和其他一般工业领域
发展方向：双元复合向多元复合
研究重点：控制孔隙的最佳数量,提高高温下的抗氧化性能, 降低成本
34
谢 谢！
35
•
1、有时候，我们活得累，并非生活过于刻薄，而是我们太容易被外界的氛围所感染，被他人的情绪所左右。
•
2、身材不好就去锻炼，没钱就努力去赚。别把窘境迁怒于别人，唯一可以抱怨的，只是不够努力的自己。
•
7、时间就像一张网，你撒在哪里，你的收获就在哪里。纽扣第一颗就扣错了，可你扣到最后一颗才发现。有些事一开始就是错的，可只有到最后才不得不承认。
•
8、世上的事，只要肯用心去学，没有一件是太晚的。要始终保持敬畏之心，对阳光，对美，对痛楚。
•
9、别再去抱怨身边人善变，多懂一些道理，明白一些事理，毕竟每个人都是越活越现实。
•
3、大概是没有了当初那种毫无顾虑的勇气，才变成现在所谓成熟稳重的样子。
•
4、世界上只有想不通的人，没有走不通的路。将帅的坚强意志，就像城市主要街道汇集点上的方尖碑一样，在军事艺术中占有十分突出的地位。
•
5、世上最美好的事是：我已经长大，父母还未老;我有能力报答，父母仍然健康。
•
6、没什么可怕的，大家都一样，在试探中不断前行。
19
碳碳复合材料剖析课件
通过优化材料成分和结构设计，提高碳碳复合材料的力学性能、热性能和化学稳 定性，以满足更广泛的应用需求。
多功能化
研发具有光、电、磁、热等功能的碳碳复合材料，拓展其在传感器、能源、环保 等领域的应用。
制造工艺优化
低成本化
简化生产流程，降低原材料和能源消耗，实现大规模生产， 降低成本，提高市场竞争力。
环保化
碳碳复合材料剖析课 件
目录
CONTENTS
• 碳碳复合材料简介 • 碳碳复合材料的制造工艺 • 碳碳复合材料的性能分析 • 碳碳复合材料的增强机制 • 碳碳复合材料的未来发展与挑战 • 案例研究：碳碳复合材料在航空航天领
域的应用
01 碳碳复合材料简介
定义与特性
碳碳复合材料定义
高强度与轻质
由碳纤维和碳基体组成的复合材料，其中 碳纤维提供强度和刚度，碳基体起到粘结 和传递载荷的作用。
应用领域
航空航天
用于制造飞机结构件、发动机 部件和航天器部件等，提高飞
行器的性能和安全性。
汽车工业
用于制造汽车刹车片、传动轴 和气瓶等部件，提高汽车的性 能和安全性。
体育器材
用于制造高尔夫球杆、自行车 车架和弓箭等运动器材，提高 运动表现和竞技水平。
机械工业
用于制造精密机械零件、刀具 和模具等，提高机械加工的精
03 碳碳复合材料的性能分析
力学性能
高强度和模量
碳碳复合材料由于其独特的微观结构和纤 维增强机制，展现出高强度和模量，使其 成为承受高负荷和高温环境的理想选择。
各向异性
由于纤维的排列方向和编织方式，碳碳复 合材料的力学性能在不同方向上表现出差
异性。
抗疲劳性能
碳碳复合材料具有良好的抗疲劳性能，能 在反复应力作用下保持性能稳定，降低疲 劳失效的风险。
多功能化
研发具有光、电、磁、热等功能的碳碳复合材料，拓展其在传感器、能源、环保 等领域的应用。
制造工艺优化
低成本化
简化生产流程，降低原材料和能源消耗，实现大规模生产， 降低成本，提高市场竞争力。
环保化
碳碳复合材料剖析课 件
目录
CONTENTS
• 碳碳复合材料简介 • 碳碳复合材料的制造工艺 • 碳碳复合材料的性能分析 • 碳碳复合材料的增强机制 • 碳碳复合材料的未来发展与挑战 • 案例研究：碳碳复合材料在航空航天领
域的应用
01 碳碳复合材料简介
定义与特性
碳碳复合材料定义
高强度与轻质
由碳纤维和碳基体组成的复合材料，其中 碳纤维提供强度和刚度，碳基体起到粘结 和传递载荷的作用。
应用领域
航空航天
用于制造飞机结构件、发动机 部件和航天器部件等，提高飞
行器的性能和安全性。
汽车工业
用于制造汽车刹车片、传动轴 和气瓶等部件，提高汽车的性 能和安全性。
体育器材
用于制造高尔夫球杆、自行车 车架和弓箭等运动器材，提高 运动表现和竞技水平。
机械工业
用于制造精密机械零件、刀具 和模具等，提高机械加工的精
03 碳碳复合材料的性能分析
力学性能
高强度和模量
碳碳复合材料由于其独特的微观结构和纤 维增强机制，展现出高强度和模量，使其 成为承受高负荷和高温环境的理想选择。
各向异性
由于纤维的排列方向和编织方式，碳碳复 合材料的力学性能在不同方向上表现出差
异性。
抗疲劳性能
碳碳复合材料具有良好的抗疲劳性能，能 在反复应力作用下保持性能稳定，降低疲 劳失效的风险。
高性能炭炭复合材料制备及性能表征PPT课件
C2H3→C2H2+H CH4+H→CH3+H2 总反应为 C2H4→C2H2+H2 自由基链的甲基化 CH3＋C2H4→n-C3H7
n-C3H7→C3H6+H
CH4+H→CH3+H2 总反应为
C2H4+CH4→C3H6+H2
20
4. C2H2的次级反应 CH3+C2H2→CH4+C2H
C2H→C2+H
CH4+H→CH3+H2 2CH3→C2H6
总反应为 2CH4→C2H6+H2 2. C2H6的次级反应
CH3+C2H6→CH4+C2H5 C2H5→C2H4+H CH4+H→CH3+H2
可逆（单分子）反应为 C2H6→2CH3
总反应为 C2H6→C2H4+H2
3. C2H4的次级反应 CH3+C2H4→CH4+C2H3
成对固体表面和气体分子双方都具有选择性。
气体分子在固体表面的化学吸附随温度的升高而增强，并且当发生脱
附时，往往有新物质生成。
24
CVI工艺的局限性
1. 在1100℃和10kPa压强条件下，甲烷和氢气分子的平均自由程分别 为2.53μm和5.83μm。根据气体分子运动的平均自由程与孔直径的差别 大小，由浓度梯度引起的气体分子在多孔体内的扩散，可分为分子扩 散（Fick diffusion）和努森扩散（Knudsen diffusion）两种。分子 扩散通过气体分子之间的碰撞进行，努森扩散通过气体分子与孔壁的 碰撞进行。
可使运载火箭发动机承受温度提升至3000以上结构重量减轻30?50cc材料应用现代国防建设cc材料应用现代国防建设没有高性能cc复合材料就没有现代化的国防相比于钨渗铜结构重量减轻80射程显著增加导弹发动机喷管导弹发动机喷管发动机燃烧室发动机燃烧室高超声速飞行器部件高超声速飞行器部件高超声速飞行器部件高超声速飞行器部件战略战术导弹炭炭复合材料推进系统战略战术导弹炭炭复合材料推进系统重量减轻80射程显著增加过渡环扩散段其它应用领域其它应用领域cc复合材料的制备碳纤维预制体化学气相沉积cvd或cvi热固性树脂浸渍固化沥青浸渍碳化9001500cc复合材料碳化1000石墨化处理21002800cc复合材料坯体的制备致密化石墨化抗氧化涂层cc复合材料制备的关键技术坯体的制备炭纤维针刺整体毡003010701细编穿刺毡热解炭的化学气相沉积或渗透cvi工艺是把炭纤维预制体置于专用的cvi炉中加热至要求的温度通入碳源气ch4c2h4c3h6c3h8这些气体热解并在炭纤维上沉积炭以填充多孔预制体中的孔隙
n-C3H7→C3H6+H
CH4+H→CH3+H2 总反应为
C2H4+CH4→C3H6+H2
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4. C2H2的次级反应 CH3+C2H2→CH4+C2H
C2H→C2+H
CH4+H→CH3+H2 2CH3→C2H6
总反应为 2CH4→C2H6+H2 2. C2H6的次级反应
CH3+C2H6→CH4+C2H5 C2H5→C2H4+H CH4+H→CH3+H2
可逆（单分子）反应为 C2H6→2CH3
总反应为 C2H6→C2H4+H2
3. C2H4的次级反应 CH3+C2H4→CH4+C2H3
成对固体表面和气体分子双方都具有选择性。
气体分子在固体表面的化学吸附随温度的升高而增强，并且当发生脱
附时，往往有新物质生成。
24
CVI工艺的局限性
1. 在1100℃和10kPa压强条件下，甲烷和氢气分子的平均自由程分别 为2.53μm和5.83μm。根据气体分子运动的平均自由程与孔直径的差别 大小，由浓度梯度引起的气体分子在多孔体内的扩散，可分为分子扩 散（Fick diffusion）和努森扩散（Knudsen diffusion）两种。分子 扩散通过气体分子之间的碰撞进行，努森扩散通过气体分子与孔壁的 碰撞进行。
可使运载火箭发动机承受温度提升至3000以上结构重量减轻30?50cc材料应用现代国防建设cc材料应用现代国防建设没有高性能cc复合材料就没有现代化的国防相比于钨渗铜结构重量减轻80射程显著增加导弹发动机喷管导弹发动机喷管发动机燃烧室发动机燃烧室高超声速飞行器部件高超声速飞行器部件高超声速飞行器部件高超声速飞行器部件战略战术导弹炭炭复合材料推进系统战略战术导弹炭炭复合材料推进系统重量减轻80射程显著增加过渡环扩散段其它应用领域其它应用领域cc复合材料的制备碳纤维预制体化学气相沉积cvd或cvi热固性树脂浸渍固化沥青浸渍碳化9001500cc复合材料碳化1000石墨化处理21002800cc复合材料坯体的制备致密化石墨化抗氧化涂层cc复合材料制备的关键技术坯体的制备炭纤维针刺整体毡003010701细编穿刺毡热解炭的化学气相沉积或渗透cvi工艺是把炭纤维预制体置于专用的cvi炉中加热至要求的温度通入碳源气ch4c2h4c3h6c3h8这些气体热解并在炭纤维上沉积炭以填充多孔预制体中的孔隙
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❖ （1）摩擦与减磨材料 ❖ （2）烧蚀材料 ❖ （3）隔热、导热材料 ❖ （4）热结构材料 ❖ （5）生物材料
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12
(1)摩擦与减摩材料 飞机刹车盘
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13
刹车部件需满足以下设计条件： 刹车片材料的要求：
.
14
Carbon/carbon brake used on the Boeing 767 airplane
(3)隔热、导热材料
保温毡(隔热)
.
20
发热体(导热)
电路基板(导热)
笔记本电脑散热器（导热）
.
21
(4)热结构材料
工业热处理炉
大型化工
热结构 支架
耐蚀 耐热
换热. 器
反应塔
蝶架 圆衬管 叶轮
发热体
雾化管 管 片
喷嘴 支架
22
坩埚
轴承
.
23
支架
甲板
搅拌架
绞链
.
24
(5)生物材料
人工心脏瓣膜 人工骨骼 口腔修复材料
.
15
战车、高速列车、汽车用刹车片
.
16
密封材料
电刷材料
.
17
(2)烧蚀材料
固体火箭发动机喷管
喷管结构简化，部件数量减少30%以上，极大地提高喷管的可靠性 C/C喷管轻质，大幅度减轻喷管结构质量，可减重30~50%
.
18
导弹、航天飞机头锥和翼缘
C/C复合材料轻质、耐高温、稳定性和可靠性高
.
19
.
28
◆ 各种编织方法制成的预制体
.
29
◆ 三维正交预制体
三维正交碳纤维增强的C/C及其显微结构
.
30
◆ 五维预制体
.
31
◆ 飞机刹车盘预制体
.
32
◆ 导弹、火箭鼻锥、喷管编织预制体
.
33
◆ 导弹、火箭鼻锥、喷管预制体编织
导弹、火箭鼻锥、喷管预制体编织车间
.
34
2、基体碳
基体碳分为：树脂与沥青浸渍碳和沉积碳两种
尚有巨大的民用潜在需求
.
25
四、碳/碳复合材料的制备
.
26
碳/碳复合材料制备工艺中 几个重要的环节：
❖ 预成型体 ❖ 基体碳 ❖ 树脂（沥青）浸渍－碳化工艺 ❖ CVD/CVI工艺
.
27
1、预成型体
C/C复合材料制备的基本思路是将碳纤维作增强材料， 预先制成多孔隙的预制体，然后再以碳基体填充孔隙， 逐渐制成C/C复合材料。
C/C复合材料出现后，很快得到重视，并应用到宇航、 火箭、导弹、航空等高技术领域，并在其它领域也开始得 到应用。
.
3
C/C是由Cf或Cf制品（布、毡、织物）增强碳基体的碳 基复合材料。
C/C组成元素只有C，因而具有碳材料(包括石墨)的优点：
● 密度低； ● 高的导热性； ● 低的热膨胀系数(CTE)； ● 超高温力学性能； ● 对热冲击不敏感等
.
7
.
8
1、力学性能——与碳材料的对比
C/C复合材料的力学性能在室温和高温下都明显高于 基体的碳材料。
.
9
2、摩擦性能
碳/碳的高温摩擦性能稳定；刹车时吸收动能高，能 显著提高飞机制动性能；密度低，并能显著减轻飞机刹 车装置的重量。
◆ 摩擦系数：0.2-0.3
高温下稳定。飞机制动过程中，刹车盘整体温度达500℃，而表面最 高温度可达1500℃以上。
.
35
.
36
◆ 树脂（沥青）浸渍-碳化对浸渍剂的要求
树脂（沥青）碳均是由碳纤维预制体浸渍树脂或沥青浸 渍剂后，经固化、再经碳化后所获得的基体碳。C/C复合材 料浸渍剂的选择原则：
★ 碳化率（焦化率）：希望碳化率高，提高效率； ★ 粘度：易于浸润碳纤维，并易于流入预制体孔隙； ★ 碳化后能否形成开孔形裂缝或孔隙； ★ 碳化后强度：碳化后收缩是否破坏预制体的结构； ★ 显微结构：是否有利于C/C复合材料的性能 ★ 价格：符合上述条件，价格越便宜越好。
预制体（Preform，或预成型体）是采用编织方式成 2维、3维或多维，带30～70％孔隙的碳纤维层、板、体 等形状。也可以用浸渍树脂或沥青的碳纤维直接进行编 织。有些是采用编织好的层状（2维）或碳毡迭层，并在 Z向进行穿刺制成碳纤维预制体。
总之，C/C复合材料的性能、形状取决于预制体的形 状和碳纤维的分布方式。
但C材料最大的弱点是易氧化，一般在375℃以上就开始 有明显的氧化现象。所以C/C在高温下使用必须经过抗氧化 处理。
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碳/碳复合材料首先是由碳纤维制成多孔隙的预制体， 然后采用浸渍树脂（或沥青）炭化，或者采用化学气相沉 积/渗透（CVD/CVI）的方式将多孔预制体中孔隙填充而 获得的。
根据实际应用构件的形状和使用要求，设计预制体的 构成，可以得到不同结构的碳/碳复合材料。例如二维、 三维（三维正交，三维编织）等碳/碳复合材料构件。
◆ 动能吸收:820-1050kJ/kg
过去采用钢/金属陶瓷刹车盘，动能吸收为300-500kJ/kg，
◆ 飞机起落次数：1500-3000次
钢/金属陶瓷刹车盘仅800-1000架次
◆飞机刹车装置减重
Boeing-747，减重635kg；A-320减重550kg
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三、碳/碳复合材料的应用
将碳/碳复合材料表面形成SiC，可以获得一种梯度 “陶瓷碳/碳复合材料”。
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二、碳/碳复合材料性能
1、力学性能——常温性能
高性能单向增强和正交增强C/C的性能
典型三维正交C/C的性能
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6
1、力学性能——高温性能
在非氧化性气氛中，碳/碳复合材料可以在2800℃ 下仍然保持其强度，这是所有结构材料（金属、陶瓷） 无法做到的。而且，高温下，碳/碳复合材料的强度甚 至还有所提高。
第六章 碳/碳复合材料
（Carbon-Carbon Composites）
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主要内容
一、碳/碳复合材料简介 二、碳/碳复合材料性能 三、碳/碳复合材料应用 四、碳/碳复合材料制备工艺 五、碳/碳复合材料组织及界面 六、碳/碳复合材料抗氧化性能 七、气相碳化在新能源中的应用
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一、碳/碳复合材料简介
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树脂与沥青特性
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◆ 树脂与沥青碳化特性
★ 酚醛及呋喃树脂碳化特性
酚醛及呋喃树脂经高温热解后碳化，所形成的碳为无定形碳微晶结 构、乱层结构）。
偏光下呈各向同性，无偏光效应。一般，树脂碳属硬碳或不易（难） 石墨化的碳。
碳/碳复合材料（C/C）是复合材料大家族中的重要一员。
非常值得一提的是，C/C的发现是带有偶然性的。 1958 年美国一家航空公司研究所在进行Cf增强树脂基复合材料 实验时，意外之中将树脂碳化，得到一种碳材料。研究人 员未进行处理，而是当作一种新材料－Cf/C进行研究，并 开发出一系列C/C复合材料。
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(1)摩擦与减摩材料 飞机刹车盘
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刹车部件需满足以下设计条件： 刹车片材料的要求：
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Carbon/carbon brake used on the Boeing 767 airplane
(3)隔热、导热材料
保温毡(隔热)
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发热体(导热)
电路基板(导热)
笔记本电脑散热器（导热）
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(4)热结构材料
工业热处理炉
大型化工
热结构 支架
耐蚀 耐热
换热. 器
反应塔
蝶架 圆衬管 叶轮
发热体
雾化管 管 片
喷嘴 支架
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坩埚
轴承
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支架
甲板
搅拌架
绞链
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(5)生物材料
人工心脏瓣膜 人工骨骼 口腔修复材料
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战车、高速列车、汽车用刹车片
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密封材料
电刷材料
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(2)烧蚀材料
固体火箭发动机喷管
喷管结构简化，部件数量减少30%以上，极大地提高喷管的可靠性 C/C喷管轻质，大幅度减轻喷管结构质量，可减重30~50%
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导弹、航天飞机头锥和翼缘
C/C复合材料轻质、耐高温、稳定性和可靠性高
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◆ 各种编织方法制成的预制体
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◆ 三维正交预制体
三维正交碳纤维增强的C/C及其显微结构
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◆ 五维预制体
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◆ 飞机刹车盘预制体
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◆ 导弹、火箭鼻锥、喷管编织预制体
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◆ 导弹、火箭鼻锥、喷管预制体编织
导弹、火箭鼻锥、喷管预制体编织车间
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2、基体碳
基体碳分为：树脂与沥青浸渍碳和沉积碳两种
尚有巨大的民用潜在需求
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四、碳/碳复合材料的制备
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碳/碳复合材料制备工艺中 几个重要的环节：
❖ 预成型体 ❖ 基体碳 ❖ 树脂（沥青）浸渍－碳化工艺 ❖ CVD/CVI工艺
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1、预成型体
C/C复合材料制备的基本思路是将碳纤维作增强材料， 预先制成多孔隙的预制体，然后再以碳基体填充孔隙， 逐渐制成C/C复合材料。
C/C复合材料出现后，很快得到重视，并应用到宇航、 火箭、导弹、航空等高技术领域，并在其它领域也开始得 到应用。
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3
C/C是由Cf或Cf制品（布、毡、织物）增强碳基体的碳 基复合材料。
C/C组成元素只有C，因而具有碳材料(包括石墨)的优点：
● 密度低； ● 高的导热性； ● 低的热膨胀系数(CTE)； ● 超高温力学性能； ● 对热冲击不敏感等
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1、力学性能——与碳材料的对比
C/C复合材料的力学性能在室温和高温下都明显高于 基体的碳材料。
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2、摩擦性能
碳/碳的高温摩擦性能稳定；刹车时吸收动能高，能 显著提高飞机制动性能；密度低，并能显著减轻飞机刹 车装置的重量。
◆ 摩擦系数：0.2-0.3
高温下稳定。飞机制动过程中，刹车盘整体温度达500℃，而表面最 高温度可达1500℃以上。
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◆ 树脂（沥青）浸渍-碳化对浸渍剂的要求
树脂（沥青）碳均是由碳纤维预制体浸渍树脂或沥青浸 渍剂后，经固化、再经碳化后所获得的基体碳。C/C复合材 料浸渍剂的选择原则：
★ 碳化率（焦化率）：希望碳化率高，提高效率； ★ 粘度：易于浸润碳纤维，并易于流入预制体孔隙； ★ 碳化后能否形成开孔形裂缝或孔隙； ★ 碳化后强度：碳化后收缩是否破坏预制体的结构； ★ 显微结构：是否有利于C/C复合材料的性能 ★ 价格：符合上述条件，价格越便宜越好。
预制体（Preform，或预成型体）是采用编织方式成 2维、3维或多维，带30～70％孔隙的碳纤维层、板、体 等形状。也可以用浸渍树脂或沥青的碳纤维直接进行编 织。有些是采用编织好的层状（2维）或碳毡迭层，并在 Z向进行穿刺制成碳纤维预制体。
总之，C/C复合材料的性能、形状取决于预制体的形 状和碳纤维的分布方式。
但C材料最大的弱点是易氧化，一般在375℃以上就开始 有明显的氧化现象。所以C/C在高温下使用必须经过抗氧化 处理。
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碳/碳复合材料首先是由碳纤维制成多孔隙的预制体， 然后采用浸渍树脂（或沥青）炭化，或者采用化学气相沉 积/渗透（CVD/CVI）的方式将多孔预制体中孔隙填充而 获得的。
根据实际应用构件的形状和使用要求，设计预制体的 构成，可以得到不同结构的碳/碳复合材料。例如二维、 三维（三维正交，三维编织）等碳/碳复合材料构件。
◆ 动能吸收:820-1050kJ/kg
过去采用钢/金属陶瓷刹车盘，动能吸收为300-500kJ/kg，
◆ 飞机起落次数：1500-3000次
钢/金属陶瓷刹车盘仅800-1000架次
◆飞机刹车装置减重
Boeing-747，减重635kg；A-320减重550kg
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三、碳/碳复合材料的应用
将碳/碳复合材料表面形成SiC，可以获得一种梯度 “陶瓷碳/碳复合材料”。
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二、碳/碳复合材料性能
1、力学性能——常温性能
高性能单向增强和正交增强C/C的性能
典型三维正交C/C的性能
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6
1、力学性能——高温性能
在非氧化性气氛中，碳/碳复合材料可以在2800℃ 下仍然保持其强度，这是所有结构材料（金属、陶瓷） 无法做到的。而且，高温下，碳/碳复合材料的强度甚 至还有所提高。
第六章 碳/碳复合材料
（Carbon-Carbon Composites）
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1
主要内容
一、碳/碳复合材料简介 二、碳/碳复合材料性能 三、碳/碳复合材料应用 四、碳/碳复合材料制备工艺 五、碳/碳复合材料组织及界面 六、碳/碳复合材料抗氧化性能 七、气相碳化在新能源中的应用
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一、碳/碳复合材料简介
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树脂与沥青特性
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◆ 树脂与沥青碳化特性
★ 酚醛及呋喃树脂碳化特性
酚醛及呋喃树脂经高温热解后碳化，所形成的碳为无定形碳微晶结 构、乱层结构）。
偏光下呈各向同性，无偏光效应。一般，树脂碳属硬碳或不易（难） 石墨化的碳。
碳/碳复合材料（C/C）是复合材料大家族中的重要一员。
非常值得一提的是，C/C的发现是带有偶然性的。 1958 年美国一家航空公司研究所在进行Cf增强树脂基复合材料 实验时，意外之中将树脂碳化，得到一种碳材料。研究人 员未进行处理，而是当作一种新材料－Cf/C进行研究，并 开发出一系列C/C复合材料。