第四章第三节 碳基复合材料
碳基复合材料用途
碳基复合材料用途碳基复合材料是由碳纤维和树脂基体组成的复合材料。
由于其独特的性能和优势，碳基复合材料在众多领域都有广泛的应用。
碳基复合材料在航空航天领域有着重要的用途。
由于其高强度和轻质特性，碳基复合材料可以用于制造飞机和航天器的结构件，如机身、机翼和升降舵等。
相比传统的金属材料，碳基复合材料可以显著减轻飞机的重量，提高燃油效率和航程，同时还能增加飞机的稳定性和耐久性。
碳基复合材料在汽车制造领域也有广泛的应用。
由于碳基复合材料具有高强度和优异的抗冲击性能，它可以用于汽车的车身和结构件的制造。
与传统的钢铁材料相比，碳基复合材料可以减轻汽车的重量，提高燃油经济性和行驶性能。
此外，碳基复合材料还可以提供更好的防撞保护，提高乘客的安全性。
碳基复合材料在体育器材领域也得到广泛应用。
例如，碳纤维复合材料可以用于制造高尔夫球杆、网球拍和自行车车架等。
碳基复合材料的高强度和刚度可以使体育器材更加轻便和耐用，提高运动员的表现和成绩。
碳基复合材料还可以用于船舶制造、建筑结构、电子器件等领域。
在船舶制造领域，碳基复合材料可以提供良好的耐腐蚀性能和轻质化的优势，延长船舶的使用寿命。
在建筑结构领域，碳基复合材料可以用于制造高层建筑的框架和构件，提高建筑物的抗震能力和安全性。
在电子器件领域，碳基复合材料可以用于制造高性能的散热器和电子封装件，保证电子器件的工作稳定性和可靠性。
碳基复合材料具有独特的性能优势，广泛应用于航空航天、汽车制造、体育器材、船舶制造、建筑结构和电子器件等领域。
随着科技的不断进步和碳基复合材料的不断发展，相信它在各个领域的应用会越来越广泛，为人们的生活带来更多的便利和创新。
碳基复合材料制备及其性能分析
碳基复合材料制备及其性能分析随着科学技术的不断发展，材料科学也逐渐得到了广泛的发展与应用。
其中，碳基复合材料具有着优异的性能优势，在航空、航天、汽车、体育器材等领域得到了广泛的应用。
本文将介绍碳基复合材料的制备方法以及性能分析。
一、碳基复合材料的制备方法碳基复合材料是由纤维素、玻璃、碳纤维或者其他高性能材料与树脂组合而成，技术成熟的制备方法包括热固化法、热熔法和射出法。
1. 热固化法热固化法是将预制的填料与热固化树脂混合后，在温度和压力的作用下进行固化。
该方法原理简单，通过控制温度、时间和压力等因素可以实现对复合材料的可控制制。
2. 热熔法热熔法将树脂加热成液态后放置在纤维材料表面，经过加压加热凝固后，形成完整的复合材料。
相较于热固化法，该方法制备周期短，但是缺点是材料容易出现角部溶解等质量问题。
3. 射出法射出法主要是将树脂加热成液态后，通过注射的方式将树脂注入到纤维材料中，根据制品要求使用不同的加压方式，如射出密实法、压模法、旋转法等等。
该方法不仅能够制备简单的产品，同时也能够制备复杂的形状和曲线。
以上三种方法各有优劣，可根据不同的复合材料要求来选择最合适的方法进行制造。
二、碳基复合材料性能分析碳基复合材料性能优异主要体现在以下几个方面：1. 高强度由于碳纤维具有极高的强度和刚性，碳基复合材料在强度和刚性方面表现出色。
同时，与传统的金属材料相比，碳基复合材料更加轻巧，具有更高的比强度和比刚度，适用于制造对强度要求较高但是要求轻量化的产品。
2. 耐热性碳基复合材料在高温环境下表现出色，其工作温度范围较广，通常可达到800℃，对于制造高温炉、发动机、航空航天器材等具有重要作用。
3. 耐腐蚀性碳基复合材料本身的化学惰性较强，不容易被腐蚀，对氧化性介质具有很好的耐腐蚀性。
适用于制造酸性、碱性环境下的化工设备和海洋设备等。
4. 耐疲劳性由于碳基复合材料具有较高的抗疲劳性能，因此适用于制造需要经受大量反复载荷的产品，如振动设备、风力设备等。
碳基复合材料的制备和应用研究
碳基复合材料的制备和应用研究碳基复合材料具有轻质、高强度、高刚度、耐高温、抗腐蚀、绝缘性好等优良性能。
因此，在军事、航空、航天、建筑、电子、能源、环保等众多领域得到了广泛应用。
本文将就碳基复合材料的制备和应用进行探讨。
一、碳基复合材料制备技术1.炭化理论和方法碳基复合材料制备的核心是炭化理论和方法。
炭化是指在非氧化性气氛下，焦碳质原料在一定温度下经脱氢、裂解、重组和石墨化等反应过程，形成结晶度高、纯度高的碳材料。
一般采用的炭化方法有CVD、PVD、PIB等方法。
其中，CVD 方法是目前应用最广泛的碳化方法。
2.复合技术碳基复合材料是以一种或几种碳化物为基质，加入一定比例的增强材料或其它碳化物制成的复合材料。
增强材料包括碳纤维、陶瓷纤维、金属颗粒等。
在制备中采用的复合技术主要有热压、CIP和浸渍等方法。
二、碳基复合材料应用研究1.航空航天领域碳纤维增强复合材料是发展最快的一类材料之一，其具有轻质、高强度和高刚度等特点，被广泛应用于航空航天领域的结构件、燃烧器、发动机叶片等部件上。
2.建筑领域碳基复合材料具有绝缘性好、耐腐蚀、防水、易加工等优点。
在建筑领域中广泛应用于梁柱、天花板、防水材料等方面。
3.电子领域碳基复合材料具有良好的导电性，可以用于电子元器件的制造，如IC封装、热散尽器、热管和液冷器等。
4.能源领域碳基复合材料具有耐高温、抗腐蚀、导热等特点，可以用于核反应堆容器、石油化工反应器等容器的制造。
5.环保领域碳基复合材料可以替代一些传统的材料，如钢铁、水泥等，减少污染物的排放。
同时，采用碳基复合材料制造的环保产品，具有防水、防火、耐磨、地震抗震等特点，受到了国内外市场的欢迎。
三、碳基复合材料发展趋势1.制备方法的多样化随着科技的发展，制备碳基复合材料的方法越来越多样化。
例如，生物合成法、自组装法等制备方法的出现，拓展了碳基复合材料的制备技术。
2.应用领域的拓展随着碳基复合材料的性能不断提高，其应用领域将进一步拓展。
碳基复合材料的制备和应用
碳基复合材料的制备和应用碳基复合材料是一种新型的材料，其由碳纤维等稳定性较高的薄膜与聚合物等物质结合而成，具有强度高、重量轻、硬度大、抗氧化性强等优良特性，被广泛应用于航空、航天、军事、汽车等领域。
制备方法碳基复合材料的制备方法主要分为两种：CVD法和预浸法。
CVD法是通过在高温气氛中使含有碳原子的气体与基料表面反应生成碳化物，从而在基料表面形成碳基材料。
预浸法则是将碳纤维吸附于基体面，并再次涂覆一层聚合物基质，经过固化加工而形成一体化的材料。
应用领域碳基复合材料具有很高的强度和硬度，因此广泛应用于民用和军用领域。
在户外运动方面，碳纤维复合材料被应用于滑雪板、高尔夫球杆、网球球拍等项目，其优良特性为运动员提供了更好的控制力和挥击力。
在航空领域中，碳纤维复合材料在制造飞机结构零件时得到了广泛应用。
因为其轻质、高强度、刚性好，被广泛应用于制造飞机的翼尖、机身、发动机罩等部分，能够大大减小机身比重，提高飞机飞行性能。
在航天领域，碳纤维复合材料的应用也越来越广泛。
在国际空间站建造过程中，复合材料技术被广泛应用于全压壳、抗压量杆和导热结构等领域。
碳基复合材料还可以用于制造太阳能电池板，以便于为航天器提供动力。
在医学方面，碳基复合材料也具有很高的应用价值。
碳纤维合材料可以作为人体修复及骨科手术用的材料。
人工骨骼具备纤维的强度、硬度，且具备人体吸收及成长性，可以在伤口处加速骨骼修复，肯定会给患者带来很大的康复效果。
结语碳基复合材料是一种优良的材料，具有广泛的应用前景。
以其优越的性能代替传统材料，成为了多个领域的不二选择。
随着科技的发展，碳基复合材料的生产工艺不断完善和创新，其用途也会越来越广泛。
碳基复合材料
碳基复合材料
碳基复合材料是一种由碳纤维和树脂等材料混合而成的高性能复合材料，具有轻质、高强度、高刚度和耐腐蚀等优点，被广泛应用于航空航天、汽车、船舶、体育器材等领域。
在工程领域中，碳基复合材料的应用越来越受到重视，因为它能够满足对轻量化、高强度和高性能的需求。
首先，碳基复合材料具有优异的力学性能。
由于碳纤维具有很高的拉伸强度和模量，因此碳基复合材料的强度和刚度都很高，能够承受较大的载荷。
与金属材料相比，碳基复合材料的密度更低，因此在同样重量下，碳基复合材料的强度和刚度更高，能够减轻结构重量，提高整体性能。
其次，碳基复合材料具有优良的耐腐蚀性能。
由于碳纤维和树脂的化学性质稳定，不易受到腐蚀和氧化的影响，因此碳基复合材料在恶劣环境下能够保持良好的性能，具有较长的使用寿命。
这使得碳基复合材料在航空航天和海洋工程等领域得到广泛应用。
另外，碳基复合材料还具有良好的设计灵活性。
由于碳纤维可以根据需要进行编织和叠层，因此可以根据工程需求设计出不同方向的受力结构，满足复杂结构的要求。
而且碳基复合材料的成型工艺灵活多样，可以制作出各种形状和尺寸的零部件，满足不同工程的需要。
总的来说，碳基复合材料具有轻质、高强度、高刚度和耐腐蚀等优点，被广泛应用于航空航天、汽车、船舶、体育器材等领域。
随着科技的不断发展，碳基复合材料的应用前景将会更加广阔，同时也需要不断加强对其性能和工艺的研究，以满足不断提高的工程需求。
希望本文能够对碳基复合材料有所了解，并为相关领域的科研和工程应用提供一些参考和帮助。
第四章C-C复合材料的连接
短纤维复合材料的成本低，容易加工，但强度不高；
连续纤维复合材料仅在纤维方向具有较高的强度； 层合织物可在纤维平面上提供高强度和良好的抗冲击性 能，而在垂直于纤维平面的方向上力学性能较差；
第四章C/C复合材料的连接
第四章C/C复合材料的连接
第四章C/C复合材料的连接
根据增强材料与基体材料的不同，碳／碳 复合材料可分为三种：碳纤维增强碳、石 墨纤 维增强碳、石墨纤维增强石墨。
null定义：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 全碳质复合材料。 C/C复合材料发展；
4.2.2
碳/碳复合材料的扩散连接
碳／碳复合材料的扩散焊的基本思路是 通过焊接过程中的物理、化学反应，在两个被 连接件之间生成石墨或高温稳定的化合物中间 层而将被连接件连接起来，为此，必须在连接 表面上涂敷一定的中间层反应材料。 可选用的中间层反应材料有三类：锰粉、 镁粉和铝粉；Ti、Zr、Nb、Ta、Hf等与非金 属或化合物的混合物高熔点金属；B或TiSi2等 非金属。
其他性能
生物相容性好：是人体骨骼、关节、颅盖 骨补块和牙床的优良替代材料；
安全性和可靠性高：若用于飞机，其可靠 性为传统材料的数十倍。飞机用铝合金构 件从产生裂纹至破断的时间是1mim，而 C/C是51mim。
神经探针新材料：碳纳米 管/琼脂糖生物复合纤维
碳基复合材料的应用
碳基复合材料的应用
《碳基复合材料的应用》
嘿，同学们！你们知道吗？有一种超级厉害的东西叫碳基复合材料！这玩意儿可不得了，在好多好多地方都大显身手呢！
先来说说航空航天领域吧！想象一下，那些巨大的飞机和火箭，要是没有碳基复合材料，那得多笨重呀！就好比让一只老鹰背着一块大石头飞翔，能飞得起来吗？肯定不行！碳基复合材料让飞机和火箭变得更轻更强，飞得更高更远。
你想想，要是没有它，那些宇航员怎么能顺利地在太空中遨游呢？
还有汽车行业！现在不是都提倡环保节能嘛，碳基复合材料就派上大用场啦！它能让汽车变得更轻巧，跑得更快，还能节省能源。
这就好像给汽车穿上了一双超级轻便的跑鞋，跑得呼呼生风！要是没有碳基复合材料，汽车可能就像背着大包袱的蜗牛，慢吞吞的，多着急人呐！
再讲讲体育用品。
你们喜欢打篮球、打羽毛球吗？那些高质量的球拍很多都是用碳基复合材料做的哟！它让球拍更有弹性，更坚固。
就像给运动员们配上了一把锋利的宝剑，在赛场上大杀四方！没有它，运动员们可能就没法发挥出最佳水平啦。
我曾经和爸爸讨论过这个问题，我问他：“爸爸，碳基复合材料这么厉害，是不是以后啥都能用它呀？”爸爸笑着说：“孩子，也不是啥都能全靠它，但它的应用肯定会越来越广泛。
”
我又好奇地问妈妈：“妈妈，那碳基复合材料制造起来是不是很难呀？”妈妈摸摸我的头说：“是不容易，但科学家们一直在努力研究，让它变得更好更实用。
”
在我看来，碳基复合材料就像是一个神奇的魔法材料，给我们的生活带来了太多的惊喜和改变。
它让我们的世界变得更高效、更精彩！我相信，未来它还会有更多让人惊叹的应用，让我们一起期待吧！。
复合材料-第四章复合材料界面
（1）物理因素
例1 粉末冶金制备的W丝/Ni，钨在镍中有很大的固溶度，在1100℃左右使用50小时后，钨丝发生溶解，造成钨丝直径仅为原来的60%，大大影响钨丝的增强作用，如不采取措施，将产生严重后果。为此，可采用钨丝涂覆阻挡层或在镍基合金中添加少量合金元素，如钛和铝，可以起到一定的防止钨丝溶入镍基合金的作用。
如何防止碳在镍中先溶解后析出的问题，就成为获得性能稳定的Cf / Ni的关键。
例2 碳纤维增强镍基复合材料。在800℃高温下，在界面碳先溶入镍，而后又析出，析出的碳是石墨结构，密度增大而在界面留下空隙，给镍提供了渗入碳纤维扩散聚集的位置。而且随温度的提高镍渗入量增加，在碳纤维表层产生镍环，严重损伤了碳纤维，使其强度严重下降。
4.2.1 聚合物基复合材料的界面
1.界面的形成 聚合物基复合材料界面的形成可以分成两个阶段： ①基体与增强纤维的接触与浸润过程； 增强纤维优先吸附能较多降低其表面能的组分，因此界面聚合物在结构上与聚合物基体是不同的。 ②聚合物的固化阶段。聚合物通过物理的或化学的变化而固化，形成固定的界面层。
1
2
复合材料中的界面并不是一个单纯的几何面，而是一个多层结构的过渡区域，这一区域由五个亚层组成。
界面是复合材料的特征，可将界面的机能归为以下几种效应。……P61
复合材料界面设计的原则(总的原则)
界面粘结强度要保证所受的力由基体通过界面传递给增强物，但界面粘结强度过高或过弱都会降低复合材料的强度。
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酚醛树脂经碳化后转化为难石墨化的玻璃碳，耐烧蚀性
能优异；
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液相浸渍和气相沉积的填孔和堵塞图解
沥青与气孔壁有良好的润湿和粘接性，碳化后残留的碳向 孔壁收缩，有利于第二次再浸渍和再碳化， 树脂与孔壁粘接不良而自身粘接强，碳化后树脂碳与孔壁 脱粘，自身成为一团而堵塞气孔，不利于再浸渍和密度的 再提高。
2 预成形体
•
维编织为
纤维含量高，但 具有显著的各向 异性和层间易剥 离性
3D排列中纤维含 量比较少，但各向 异性和层间剥离得 到改善
3 制备工艺
3.1 化学气相沉积法
• 3.1.1 挥发 烃 甲烷、 烷、苯 它 对 质 碳 过热 积 热 孔隙 ， 达
3.1.2 CVD反应过 程
①反应气体通过层流向沉积衬底 的边界层扩散； ②沉积衬底表面吸附反应气体， 反应气体产生反应并形成固态产 物和气体产物； ③ 所产生的气体产物解吸附，并 沿一边界层区域扩散； ④ 产生的气体产物排出。
4.2 热物理性能
• C/C复 热 胀系数 属 1／10 1／5，并 剧变 温 条件 对 稳 ， 别适 温 变 空环境 • C/C复 导热系数 较高 • 热 较 ， 热 胀系数 数较 ， 级 动 车 。
高
c/c复合材料置于高温和快速加热的环境中，由于蒸发升 华和可能的热化学氧化、其部分表面可被烧蚀，但其表 面的凹陷浅，良好地保留其外形，且烧蚀均匀而对称， 碳的升华温度是3700℃，
纤维免受损伤，强度得到提高
1.2 基体树脂的选择
• 1.2.1
树
:
残碳率高、有粘性、流变性好、与碳纤维具有良好物 理相容性等特点
1.2.2 常用树脂基体
呋喃树脂、酚醛树脂、糠酮树脂等热固性树脂 石油沥青、煤焦油沥青：石油沥青等的石墨化程度高， 与碳纤维一样具有良好的物理相容性。
go
物理相容性
主要是指热膨胀系数和固化或碳化过程中的收缩行为 主要
C/C复合材料的强度下降
未经表面处理的碳纤维，两相界面粘接薄弱，基体的收缩使 两相界面脱粘，纤维不会损伤；当基体中裂纹传播到两相界 面时，薄弱界面层可缓冲裂纹传播速度或改变裂纹传播方向， 或界面剥离,使碳纤维免受损伤,复合材料的强度高
石墨化
基体树脂碳经石墨化
裂纹支化
具有一定塑性的石墨化碳
缓和或消除了集中的应力
3.1.3 工艺特点
沉积碳直接沉积在碳纤维的孔壁的表面及丝束之间 的孔隙里，有利于提高产品性能 沉积碳易石墨化，与碳纤维的物理相容性好， 所得C／C复合材料结构致密，强度高。
扩散与沉积速度对孔隙封闭影响示意图
(a)沉积速度＞扩散速度 (b)扩散速度 ＞沉积速度
3.2 预成纱工艺：工艺简化，基体与纤维结合好
不同树料的有效烧蚀热的比较
C/C
苯
烯
龙、酚醛
高硅氧/酚醛
烧蚀热（kc 11000al/kg） 14000
1730
2490
4180
4.3 化学稳定性
•
温
学稳
，
热氧
4.4 抗氧化防护
涂层法
添加抗氧化剂
涂层法是在制备好的C/C材料上进行SiC、SiN或 其它耐火材料的涂层，包括扩散法和化学气相 沉积法等。
主要工序
坯体预成形
浸渍
碳化
致密化
石墨化
抗氧化涂层
工艺过程
1 碳纤维和基体的选择
• 1.1 碳纤维 选择 1.1.1 碳纤维 备
三种,?
1.1.2 碳纤维的碱金属含量:
越少越好
?
碱金属是碳的氧化催化剂
1.1.3 表面处理
碳纤维表面处理对C／C复合材料的性能有着显著的影响，
碳化时
经过表面处理的石墨纤维M40与基体呋喃树脂的界面粘结强 度，在碳化过程中由于两相断裂应变不同而在收缩过程中纤 维受到剪切应力或被剪切断裂；同时基体收缩产生的裂纹在 通过粘结界面时，纤维产生应力集中，严重时导致纤维断裂。
3.3 自烧结性焦烧结法
•
残碳 高 为 ， 结剂，工艺 处
烧结
4 性能
• 4.1
学
密度小，抗拉强度为300一3000MPa、 抗拉模量为30一350GPa，比强度是钢的 3倍左右，在2000℃以下强度不随温度的 升高而下降，反而略有上升，模量则随 温度的上升一致增加，这是任何材料所 无法比拟的。 耐疲劳性好
站长素材 站长素材
•第三节 碳基复合材料
C/C(碳／碳)复合材料是碳纤维增强碳基体 特点: 相对密度轻(理论密度为2.28／cm3) 高温下强度、模量高，断裂韧性良好 耐磨性能优异，耐烧蚀好
随温度升高强度不仅不降低反而升高
因此在航空、航天、核能及许多民用工业领域受到 极大关注，近年来得以迅速发展和广泛应用。