复合材料第章碳碳复合材料
碳碳复合材料
二、碳/碳复合材料的应用
C/C复合材料作为刹车盘
二、碳／碳复合材料的应用
2. 先进飞行器 导弹、载人飞船、航天飞机等，在再入环境时飞行器头 部受到强激波，对头部产生很大的压力，其最苛刻部位 温度可达2760℃，所以必须选择能够承受再入环境苛刻 条件的材料。 设计合理的鼻锥外形和选材，能使实际流入飞行器的能 量仅为整个热量1%～10%左右。对导弹的端头帽也要 求防热材料，在再入环境中烧蚀量低，且烧蚀均匀对称, 同时希望它具有吸波能力、抗核爆辐射性能和全天候使 用的性能。 三维编织的C/ C复合材料，其石墨化后的热导性足以满 足弹头再入时由160℃气动加热至1700℃时的热冲击要 求，可以预防弹头鼻锥的热应力过大引起的整体破坏； 其低密度可提高导弹弹头射程，已在很多战略导弹弹头 上得到应用。除了导弹的再入鼻锥，C/C 复合材料还可 作热防护材料用于航天飞机。
碳／碳复合材料CVD工艺
在CVD过程中特殊问题--防止预成型体封口。 在工艺参量控制时应使反应气体和反应生成气 体的扩散速度大于沉积速度。
预成型体和基体碳
碳／碳复合材料制备的基本思路 先将碳增强材料预先制成预成型体，然后再以基体碳填充， 逐渐形成致密的C/C复合材料。 预成型体是一个多孔体系，含有大量孔隙，即使是在用成束 碳纤维编织的预成型体中，纤维束中的纤维之间仍含有大量 的孔隙。
二、碳／碳复合材料的应用
C/C在航天领域中的应用
二、碳/碳复合材料的应用
二、碳／碳复合材料的应用
3. 固体火箭发动机喷管上的应用 C/C 复合材料自上世纪70 年代首次作为固体火箭发动机 (SRM) 喉衬飞行成功以来，极大地推动了固体火箭发动 机喷管材料的发展。 采用 C/C 复合材料的喉衬、扩张段、延伸出口锥，具有 极低的烧蚀率和良好的烧蚀轮廓, 可提高喷管效率1 %～ 3%，即可大大提高固体火箭发动机的比冲。 喉衬部一般采用多维编织的高密度沥青基C/C复合材料, 增强体多为整体针刺碳毡、多向编织结构等，并在表面 涂覆SiC以提高抗氧化性和抗冲蚀能力。 美国在此方面的应用有：①“民兵2Ⅲ”导弹发动机第三 级的喷管喉衬材料； ②“北极星”A27 发动机喷管的收 敛段;③MX 导弹第三级发动机的可延伸出口锥(三维编织 薄壁 C/C 复合材料制品)。 俄罗斯用在潜地导弹发动机的喷管延伸锥(三维编织薄壁 C/C复合材料制品) 。
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
炭_炭复合材料热膨胀性能的研究
收稿日期：２００６．叭．２５：修订日期：２００６．０５．１０ 基金项目： 国家“９７３”项目（２００６ＣＢ６００９０８） 作者简介：赵建国（１９７１一），男，博士，现为山西大同大学化学系讲 师，主要从事复合材料、新型炭材料研究以及计算机数值模拟研究， 已发表论文２０余篇，申请国家专利５项。 通讯作者： 李克智，西北工业大学材料学院教授，Ｔｅｌ：０２９．
映原子间结合能的大小，不同晶格结构类型的材料由 于原子间的结合能不同，具有不同的膨胀系数。结合 力大，热振动幅度就小，因而膨胀就小。在高温下，晶 格振动的激化会使热膨胀系数增大，随着温度的升 高，原子振动在宏观上表现出材料的热膨胀现象，即 随着温度的升高，膨胀系数增大，如图１所示。
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定热膨胀行为的材料。高温热处理是提高炭／炭复合 材料导热性能，调整摩擦性能的重要手段，本文研究 高温热处理对炭／炭复合材料热膨胀性能的影响。
１ 实验材料及方法
１．１炭／炭复合材料的制备 以天然气为前驱体，其中组分的体积含量为
９８％ｃＨ４，０．３％Ｃ，Ｈ。，０．３％ｃ。Ｈ，ｏ，０．４％其他烃类化合 物，１％Ｎ，。炭纤维毡作预制体，利用热梯度化学气相 沉积工艺来制备炭／炭复合材料‘１ ０Ｉ，所得炭／炭复合材 料的密度为１．７５９／ｃｍ３。在氩气保护下对炭／炭复合 材料试样分别进行不同的高温热处理。 １．２性能测试
８８４９５７６４，Ｅ．ｍａｉｌ：ｌｉｋｅｚｈｉｎｗｐｕ＠２６３．ｎｅｔｏ
万方数据
２ 结果与讨论
２．１炭纤维的取向对炭，炭复合材料热膨胀性能的 影响
热膨胀性能与材料的熔点、结合能和晶体的结构 有关。热膨胀系数（ＣＴＥ）受制于孤立原子相互结合 为晶体的内聚力或结合能。膨胀系数的大小直接反
碳碳复合材料的制备方法
碳碳复合材料的制备方法
碳碳复合材料的制备方法主要包括以下步骤：
增强纤维及其织物的选择：碳纤维束的选择和纤维织物的结构设计是制造C/C复合材料的基础，通过合理选择纤维种类和织物的编制参数，可以决定C/C复合材料的力学性能和热物理性能。
碳纤维预制坯体的制备：预制坯体是指按产品形状和性能要求先把纤维成型为所需结构形状的毛坯，以便进行致密化工艺。
目前C复合材料主要使用的编织工艺是三维整体多向编织，编织过程中所有编织纤维按照一定的方向排列，每根纤维沿着自己的方向偏移一定的角度互相交织构成织物，其特点是可以成型三维多向整体织物，可以有效的控制C/C复合材料各个方向上纤维的体积含量，使得C/C复合材料在各个方向发挥合理的力学性能。
C/C的致密化工艺：致密化程度和效率主要受织物结构、基体材料工艺参数的影响。
目前使用的工艺方法有浸渍碳化、化学气相沉积（CVD）、化学气相渗透（CVI）、化学液相沉积、热解等方法。
主要使用的工艺方法有两大类：浸渍碳化工艺和化学气渗透工艺。
碳碳复合材料热容-概述说明以及解释
碳碳复合材料热容-概述说明以及解释1.引言概述部分的内容可以按照以下方式来进行撰写：1.1 概述碳碳复合材料是一种由碳纤维和碳基基质构成的材料，具有轻量化、高强度、高温性能良好等优点，广泛应用于航空航天、汽车和电子等领域。
近年来，随着科技的不断发展，碳碳复合材料的热容性能逐渐受到人们的重视。
热容是指物质在吸收或释放热量过程中的温度变化能力，是评估材料热学性能的重要指标之一。
对于碳碳复合材料而言，其热容性能直接关系到其在高温环境下的稳定性和耐久性。
因此，研究碳碳复合材料的热容性能对于优化材料设计和提高材料性能具有重要的意义。
本文将对碳碳复合材料的热容性能进行全面的描述和分析。
首先，将介绍碳碳复合材料的定义和特点，包括其制备工艺、结构特征以及热学性能等方面的内容。
然后，将着重分析碳碳复合材料在高温环境下的热容性能，探讨其受热过程中温度变化规律以及热容值的计算方法。
最后，将总结热容性能对碳碳复合材料的重要性，并展望未来研究方向，以期为碳碳复合材料的制备和应用提供科学的依据和指导。
通过对碳碳复合材料热容性能的深入研究，可以对该材料的高温应用能力和性能进行更加准确的评估，并为其在未来的研究和应用中提供参考和指导。
同时，对于碳碳复合材料以及其他相关研究领域的学者和科研人员也具有一定的参考价值。
在研究过程中，我们将通过综合运用理论分析和实验验证相结合的方法，力求全面准确地揭示碳碳复合材料的热容性能，以期为相关领域的深入研究和应用提供一定的理论和实践指导。
文章结构部分的内容如下：1.2 文章结构本文主要通过以下几个方面对碳碳复合材料的热容进行探讨和分析。
首先，对碳碳复合材料的定义和特点进行介绍，以便读者能够对该材料有一个基本的了解。
其次，将重点关注碳碳复合材料的热容性能，探究其在热学方面的表现和应用。
最后，通过总结热容性能对碳碳复合材料的重要性，以及展望碳碳复合材料热容性能的未来研究方向，来对文章进行一个总结和展望。
复合材料概论 复习 重点
第一章总论一．复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。
★二．复合材料的命名和分类★1．按增强材料形态分类(1)连续纤维复合材料:作为分散相的纤维，每根纤维的两个端点都位于复合材料的边界处;(2)短纤维复合材料:短纤维无规则地分散在基体材料中制成的复合材料;(3)粒状填料复合材料:微小颗粒状增强材料分散在基体中制成的复合材料;(4)编织复合材料:以平面二维或立体三维纤维编织物为增强材料与基体复合而成的复合材料。
2. 按增强纤维种类分类(1)玻璃纤维复合材料;(2)碳纤维复合材料;(3)有机纤维(芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、高强度聚烯烃纤维等)复合材料;(4)金属纤维(如钨丝、不锈钢丝等)复合材料;(5)陶瓷纤维(如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等)复合材料。
如果用两种或两种以上纤维增强同一基体制成的复合材料称为混杂复合材料3．按基体材料分类(1)聚合物基复合材料:以有机聚合物(主要为热固性树脂、热塑性树脂及橡胶)为基体制成的复合材料;(2)金属基复合材料:以金属为基体制成的复合材料，如铝基复合材料、钛基复合材料等;(3)无机非金属基复合材料:以陶瓷材料(也包括玻璃和水泥)为基体制成的复合材料。
4.按材料作用分类(1)结构复合材料:用于制造受力构件的复合材料;(2)功能复合材料:具有各种特殊性能(如阻尼、导电、导磁、换能、摩擦、屏蔽等)的复合材料。
三．复合材料是由多相材料复合而成，其共同的特点是:★(1)可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能。
(2)可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。
例如，针对方向性材料强度的设计，针对某种介质耐腐蚀性能的设计等。
(3)可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。
四．影响复合材料性能的因素很多，主要取决于①增强材料的性能、含量及分布状况，②基体材料的性能、含量，以及③增强材料和基体材料之间的界面结合情况，作为产品还与④成型工艺和结构设计有关。
复合材料PPT
第一章
总 论
1.1 发展概况
1.2 复合材料定义、命名 和分类 1.3 复合材料的基本性能
第一章 总 论
1.1 发展概况
材料发展历史： 石器、铜器、铁器时代等 实现生产、科学目的： 新材料研究 材料科学历史： 四十多年
问 题： （1）复合产物能否为液体或气体？ （2）复合材料是不是只能是一个
连续相与一个分散相的复合？
1.2.2 命名
例：玻璃纤维增强树脂基复合材料命名
玻璃钢 玻纤增强塑料、玻璃塑料、玻璃布 层压板、玻璃纤维复合材料
命名原则：
增强材料+基体材料+复合材料
例：碳纤维环氧树脂复合材料 书写： 碳/环氧复合材料
亚短钢纤维（长度40—60mm) 短钢纤维（长度20—35mm) 超短钢纤维（长度＜15mm)
横截面形状：圆形、矩形截面 钢纤维主要品种：不锈钢、低碳钢
图 15
高架桥
1.3.6 三种复合材料性能比较 （1）使用温度、硬度 使用温度： CMC >MMC > PMC 硬 度: CMC >MMC > PMC
纤维增强树脂基复合材料：
● 基体强韧性降低裂纹扩展速度 ● 纤维对裂纹阻隔作用，使裂纹 尖端变纯或改变方向
裂纹扩展路径曲折、复杂
图12 三种材料疲劳性能比较
1—碳纤维复合材料
3—铝合金
2—玻璃钢
金属疲劳强度=20—50%抗张强度
碳纤维复合材料疲劳强度=
70—80%抗张强度
（3）减振性能好 影响自振频率因素：
1.3.2 聚合物基复合材料及主要性能
碳碳复合材料
碳／碳复合材料的分类定义:碳碳复合材料是指用碳纤维或石墨纤维为增强材料,以碳化或石墨化的树脂或用化学蒸气沉积的碳作为基体材料的复合材料。
特点:比强度大、比模量高、高温烧蚀性能好、耐热冲击、化学惰性好等优点，而且升华温度高，高温下仍能保持很高强度。
适用于高温的最佳的最佳先进复合材料。
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。
根据纤维的类型或编制方式，碳／碳复合材料可分为短纤维增强的碳／碳复合材料、单向连续纤维增强的碳／碳复合材料、层合织物(碳布重叠或原丝制毡)增强的碳／碳复合材料及三维立体编织物增强的碳／碳复合材料等多种。
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；三维织物增强的复合材料比其他几种形式的复合材料性能皆佳，整体性强，层间剪切强度高，但制造成本亦高。
由于碳在常压下不熔化，也不能溶解于任何溶剂中，因此不能直接用作基体材料。
基体制造工艺有两种。
第一种是先制成碳纤维增强热固性树脂基复合材料，然后在氧气中缓慢热分解，使树脂基体分解，并在沥青、酚醛树脂等溶液中反复进行浸渍并热解，最后只残留碳基体，得到碳／碳复合材料。
第二种是化学蒸气沉积法，即用碳氢化合物气体，如甲烷、乙炔等，在1000～1100℃下进行分解，在三维织物、碳毡、纤维缠绕件的结构空隙内进行沉积。
形成致密的碳／碳复合材料。
第一种制造方法常用的基体材料主要有沥青、酚醛、糠醛等含碳量高的树脂。
由于热分解时树脂中非碳元素的分解逸出，在基体中易产生空隙。
因此，制造时一般应利用化学蒸气沉积技术在空隙中沉积碳，以提高材料的致密性。
碳／碳复合材料与其他碳素材料一样，在空气中加热到400℃以上就会发生氧化。
即使很少量的烧蚀也会导致材料的物理性能和力学性能劣化。
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2021/2/19
石墨化原因
碳元素其外部电子结构有两种: 一种是Sp3杂化轨道，金刚石结 构 ,C一C 间为 σ键。一种是SP2杂 化,形成石墨片状结构,同一层中C一 C 为σ键层与层之间是π键。
σ键很短很强，键长约0.142nm 结 合力很强，π键相对较弱。
❖ 喷射成型是把切断的碳纤维 (约为0.025mm) 配制成碳 纤维-树脂-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。
热冲击能力很强, 不仅可用于高温环境, 而且适合 温度急剧变化的场合。其比热容高, 这对于飞机刹 车等需要吸收大量能量的应用场合非常有利。因 此可以被用作航天航空材料和刹车片材料。
2021/2/19
摩擦磨损性能 ❖ 碳/碳复合材料中碳纤维的微观组织为乱层石墨结
构, 其摩擦系数比石墨高, 特别是它的高温性能特 点, 在高速高能量条件下摩擦升温高达1000 C 以 上时, 其摩擦性能仍然保持平稳, 因此可用作刹车 片材料。
人造骨骼关节
人工心脏瓣膜
❖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。
9.2 碳/碳复合材料的成型加工方法
2021/2/19
物理性能 ❖碳/碳复合材料在高温热处理后的化学成分, 碳元素
高于99%, 像石墨一样, 具有耐酸、碱和盐的化学 稳定性。其比热容大, 热导率随石墨化程度的提高 而增大, 线膨胀系数随石墨化程度的提高而降低等。
2021/2/19
❖ 热学及烧蚀性能 ❖碳/碳复合材料导热性能好、热膨胀系数低, 因而
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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。 多向织物是研究的的重点，目前以三向织物为主，三向 织物的细编程度越高，碳/碳复合材料的性能也就越好。
碳纤维成型物
CVD渗透
预浸物
Байду номын сангаас
浸渍树脂戍 沥青
热压成型
碳化
碳/碳复合材料
短纤维与沥 青或 树脂 混合物
碳纤维成 型物
.
石墨化的碳/碳 复合材料
石墨化
❖碳/碳复合材料的成型加工方法很多，其各种工艺过
程大致可归纳为如图所示的三种方法。
2021/2/19
❖ 碳化（carbonization） 将上述成形物在隔绝空 气下热分解为碳和其他 产物。
❖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。
2021/2/19
9.1.2 碳/碳复合材料的发展
（1）. 碳/碳复合材料 (C/C)
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。
❖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 承受极高的温度和极大的加热速率。
2021/2/19
由上可知：
❖ σ键很短很强，π键相对较弱。因而导致了石墨碳 具有各向异性，但沿层面方向具有优异的电、热和 力学性能，通常情况下由于π键较弱,往往导致层与 层间的堆垛不规则或无序，形成多晶碳。
❖ 由于石墨碳的优异性能源于其有序的结构,因而将 无序结构转变为有序结构是碳/ 碳复合材料制造与 应用中非常关键。往往采用热处理等他能量输入的 方法进行石墨化转变。
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。
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力学性能 ❖ 碳/碳复合材料的力学性能主要取决于碳纤维的种
类、取向、含量和制备工艺等。单向增强的碳/碳 复合材料, 沿碳纤维长度方向的力学性能比垂直方 向高出几十倍。碳/碳复合材料的高强高模特性来 自碳纤维, 随着温度的升高, 碳/碳复合材料的强度 不仅不会降低, 而且比室温下的强度还要高。
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。
❖ 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。
2D 生产成本低 在平行于布层的方 向拉伸强度较高容 易制成大尺寸形状 复杂的部件 3D 及多向编织具 有更好的结构完整 性和各向同性
2021/2/19
❖ 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。
第9/碳复合材料
9.1碳/碳复合材料
9.1 碳/碳复合材料简介 ❖ 定义：碳/碳复合材料是指以碳纤维作为增强体，
以碳作为基体的一类复合材料。
❖ 性质：密度低、高比强度，比模量高、热传导 性低、热膨胀系数断裂韧性好、耐磨、耐烧蚀。 对宇宙辐射不敏感及在核辐射下强度增加等性 能，是所有已知材料中耐高温性最好的材料。