第八章_C-C复合材料
第八章-复合材料结构耐久性损伤容限设计4-3
课题第八章复合材料结构耐久性损伤容限设计（三）目的与要求提高零部件耐久性/损伤容限的特殊设计方法和材料使用因素损伤容限分析和疲劳特性概述了解耐久性/损伤容限设计实例复合材料制件的疲劳特性分析方法重点损伤容限分析和疲劳特性概述复合材料制件的疲劳特性分析方法难点复合材料制件的疲劳特性分析方法教具复习提问耐久性/损伤容限设计的特点是什么？复合材料制件的疲劳特性分析方法有哪些？新知识点考查损伤容限分析和疲劳特性布置作业课堂布置课后回忆损伤容限分析和疲劳特性？复合材料制件的疲劳特性分析方法有哪些？备注教员1.提高零部件耐久性/损伤容限的特殊设计方法1.1.损伤的极限1.1.1通常损伤程度●碳纤维复合材料存在缺陷/损伤时，因其强度下降时可能高达60%左右，因此按照损伤容限设计的结构厂采取较低的许用值进行控制，一般情况不超过4000μξ。
●零部件强度的下降必定导致系统性能的下降，设计过程中使用的降低了的许用值，必定不能充分发挥材料的最大性能，不但影响了设计的效率，而且给工艺制造过程和质量控制造成过大的裕度和能源浪费。
1.1.2当前的设计目标●为了充分发挥复合材料的潜在优势，近年来国内外提高了损伤容限，也提高设计许用值。
●从最初设计阶段、工艺制造过程和质量控制方面综合考察，要求设计许用值达到6000μξ。
●根据国外的相关报道，经过数年的科研工作，在飞机设计方面采用的复合材料构件已经达到上述要求。
✧机翼结构设计的拉、压设计许用应变值提高到6000μξ；✧剪切应变值提高10000μξ。
1.1.3设计思想●提高结构的抗损伤能力✧抑制损伤的形式；✧减少损伤范围，如减少冲击的区域；✧抑制或阻止损伤进一步发生。
●提高结构包容损伤的能力✧提高复合材料结构受损后的剩余强度和疲劳强度/疲劳寿命；✧采用更先进的复合材料成形技术，增加制件自身的性能；✧使用强度更高的体积材料和增强材料，保证“原材料”的性能；✧采用合理的浸润工艺，提高界面相的性能。
碳碳复合材料论文
碳碳复合材料论文碳／碳复合材料概述C／C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。
作为增强体的碳纤维可用多种形式和种类，既可以用短切纤维，也可以用连续长纤维及编织物。
各种类型的碳纤维都可用于C／C 复合材料的增强体。
碳基体可以是通过化学气相沉积制备的热解碳，也可以是高分子材料热解形成的固体碳。
C／C 复合材料作为碳纤维复合材料家族的一个重要成员，具有密度低、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、耐烧蚀等特点，尤其是其强度随着温度的升高，不仅不会降低反而还可能升高，它是所有已知材料中耐高温性最好的材料。
因而它广泛地应用于航天、航空、核能、化工、医用等各个领域。
C／C复合材料的致密化工艺C／C复合材料的制备工艺主要有两种方法：化学气相法(CVD 或CVl)和液相浸渍一碳化法。
前者是以有机低分子气体为前驱体，后者是以热塑性树脂(石油沥青、煤沥青、中间相沥青)或热固性树脂(呋喃、糠醛、酚醛树脂)为基体前驱体，这些原料在高温下发生一系列复杂化学变化而转化为基体碳。
为了得到更好的致密化效果，通常将化学气相法和液相浸渍一碳化法进行复合致密化，得到具有理想密度的C／C 复合材料。
1、化学气相法化学气相法(cVD或cVI)是直接在坯体孔内沉积碳，以达到填孔和增密的目的。
沉碳易石墨化，且与纤维之间的物理兼容性好，而且不会像浸渍法那样在再碳化时产生收缩，而这种方法的物理机械陛能比较好。
但在cVD过程中，如果碳在坯体表面沉积就会阻止气体向内部孔的扩散。
对于表面沉积的碳应用机械的方法除去，再进行新一轮沉积。
对于厚制品，CVD法也存在着一定的困难，而且这种方法的周期也很长。
2、液相浸渍法一碳化法液相浸渍法相对而言设备比较简单，而且这种方法适用性也比较广泛，所以液相浸渍法是制备C／C复合材料的一个重要方法。
它是将碳纤维制成的预成型体浸入液态的浸渍剂中，通过加压使浸渍剂充分渗入到预成型体的空隙中，再通过固化、碳化、石墨化等一系列过程的循环，最终得到C／C复合材料。
碳碳复合材料概述
碳碳复合材料概述第一篇：碳碳复合材料概述碳/碳复合材料碳/碳复合材料概述摘要本文介绍了碳碳复合材料的发展、工艺、特性以及应用。
关键词碳碳复合材料制备工艺性能应用１前言C/C复合材料是指以碳纤维或各种碳织物增强，或石墨化的树脂碳以及化学气相沉积（CVD）所形成的复合材料。
碳/碳复合材料在高温热处理之后碳元素含量高于99%, 故该材料具有密度低,耐高温, 抗腐蚀, 热冲击性能好, 耐酸、碱、盐,耐摩擦磨损等一系列优异性能。
此外, 碳/碳复合材料的室温强度可以保持到2500℃, 对热应力不敏感, 抗烧蚀性能好。
故该复合材料具有出色的机械特性, 既可作为结构材料承载重荷, 又可作为功能材料发挥作用, 适于各种高温用途使用[1]。
因而它广泛地应用于航天、航空、核能、化工、医用等各个领域。
２碳碳复合材料的发展碳碳复合材料是高技术新材料，自1958年碳碳复合材料问世以来，经历了四个阶段：60年代——碳碳工艺基础研究阶段，以化学气相沉积工艺和液相浸渍工艺的出现为代表； 70年代——烧蚀碳碳应用开发阶段，以碳碳飞机刹车片和碳碳导弹端头帽的应用为代表； 80年代——碳碳热结构应用开发阶段，以航天飞机抗氧化碳碳鼻锥帽和机翼前缘的应用为代表；90年代——碳碳新工艺开发和民用应用阶段，致力于降低成本，在高性能燃气涡轮发动机航天器和高温炉发热体等领域的应用。
由于碳碳具有高比强度、高比刚度、高温下保持高强度，良好的烧蚀性能、摩擦性能和良好抗热震性能以及复合材料的可设计性，得到了越来越广泛的应用。
当今,碳碳复合材料在四大类复合材料中就其研究与应用水平来说,仅次于树脂基复合材料,优先于金属基复合材料和陶瓷基复合材料,已走向工程应用阶段。
从技术发展看，碳碳复合材料已经从最初阶段的两向碳碳复合材料发展为三向、四向等多维碳碳复合材料；从单纯抗烧蚀碳碳复合材料发展为抗烧蚀—抗侵蚀和抗烧蚀—抗侵蚀—稳定外形碳碳复合材料；从但功能材料发展为多功能材料。
《CC复合材料》课件
目录
CONTENTS
• CC复合材料概述 • CC复合材料的制造工艺 • CC复合材料的性能特点 • CC复合材料的应用领域 • CC复合材料的未来发展与挑战 • CC复合材料的相关研究与文献综述
01
CHAPTER
CC复合材料概述
定义与特性
总结词
CC复合材料的定义、特性及与其他材料的比较
和适应性。
制造工艺改进
总结词
制造工艺的改进是CC复合材料发展的另一 个重要方向，通过改进制造工艺可以提高产 品质量、降低成本并实现大规模生产。
详细描述
现有的CC复合材料制造工艺可能存在一些 局限性，如生产效率低下、成本较高、产品 质量不稳定等。因此，需要不断改进制造工 艺，提高生产效率、降低成本、提高产品质 量和实现大规模生产。
估，以确保产品质量达标。
03
CHAPTER
CC复合材料的性能特点
力学性能
高强度与高刚性
CC复合材料展现出优越的抗拉、 抗压和抗弯强度，使其成为承受 重负荷和应力的理想选择。
疲劳性能优异
经过大量实验验证，CC复合材料 在重复应力作用下仍能保持稳定 的力学性能，不易出现疲劳断裂 。
损伤容限高
即使在存在缺陷或损伤的情况下 ，CC复合材料仍能保持较好的整 体力学性能。
物理性能
电绝缘性良好
01
CC复合材料具有较高的绝缘电阻和介电强度，适用于电子和电
气领域。
热稳定性好
02
CC复合材料在高温和低温环境下均能保持良好的稳定性，不易
变形或开裂。
透波性能优异
03
对于电磁波具有良好的透过性，是制造雷达罩和天线罩的理想
材料。
材料概论之复合材料
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SRM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%,即可大大提高了SRM 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、多向编织等,并在表面 涂覆SiC以提高抗氧化性和抗冲蚀能力。
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C/C复合材料
英文名：C/C Composite materials C /C复合材料是指以炭纤维或其织物为增 强相，以化学气相渗透的热解炭或液相浸 渍－炭化的树脂炭、沥青炭为基体组成的 一种纯炭多相结构。
它源于1958年，美国Chance －Vought公司由于实验室事故， 在炭纤维树脂基复合材料固化 时超过温度，树脂炭化形成 C/C复合材料
C/C复合材料的应用
1、刹车领域的应用 C/C复合材料刹车盘的实验 性研究于上世纪1973年第一次用于飞机刹车。目前， 一半以上的C/C复合材料用做飞机刹车装置。高性 能刹车材料要求高比热容、高熔点以及高温下的强 度，C/C复合材料正好是赢了这一要求，制作的飞 机刹车盘重量轻、耐高温、比热容比钢高2.5倍，同 金属刹车相比，可节省40%的结构重量。碳刹车盘 的使用寿命是金属的5~7倍，刹车力矩平稳，刹车 时噪音小，因此碳刹车盘的问世被认为是刹车材料 发展史上的一次重大的技术进步。目前法国欧洲动 力、碳工业等公司已经批量生产C/C复合材料刹车 片，英国邓禄普公司也已大量生产C/C复合材料刹 车片，用于赛车、火车和战斗机的刹车材料再入环境时飞行器 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 ℃至气动加热 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。
CC复合材料性能参数
C/C复合材料性能参数C/C热场材料与石墨热场材料性能对比C/C复合材料具有质量轻、损伤容限高、强度高等突出特点，用作热场与石墨产品比较，具有以下突出优点：（1) C/C复合材料用作热场产品，大幅度延长产品使用寿命减少更换部件的次数，从而提高设备的利用率，减少维修成本。
（2) 用作拉晶砖的坩埚时，由于石英坩埚对石墨坩埚产生较大的膨胀应力作用，石墨坩埚只好做成多瓣，或在坩埚上开热膨胀槽．而使用C/C复合材料热场产品由于不用开热膨胀槽，可以做成一个整体，可以在石英坩埚内获得更均匀的热场，可以提高成品率，而且可以避免“漏硅”事故造成的损失，据统计一次“漏硅”事故造成的设备、材料方面的损失超过10万元。
（3) C/C复合材料用作热场产品时，现有设备具有固定的，而由于C/C复台材料具有优异的性能，与石墨产品相比，可以做得更薄，从而可以利用现有设备生产尺寸更长、更大直径的产品，可节约大量新设备投资费用。
（4) 在拉制大直径的产品时，石墨热场产品成型困难，如果要制造超大大直径的石墨热场零部件其制造成本加工成本都很高，而由于C/C复合材料具有优异的性能，目前国外拉制大直径的产品时，较多地采用了C/C复合材料热场产品（5) 石墨热场产品在反复高温热震条件下易产生裂纹，微裂纹的存在改变了其热传导性能，使加热时石墨加热器的功率与硅熔体的温度场发生变化，将影响拉晶的效率和拉出的晶体的质量和品质。
而使用C/C复合材料热场产品可以克服这个缺点。
（6) C/C复合材料用作热场产品时，导热系数比石墨热场产品低很多，用做隔热保温材料隔热保温效果好，可以节约大量的电能，节省大量的电费开支，可有效的降低单(多)晶硅生产厂家的生产成本，随着全球能源供应的紧张，单(多)晶硅生产作为高耗能行业，能源消耗的降低具有较大的经济和社会意义。
碳碳复合材料(Composite materials)简介
1
碳碳复合材料 （Composite materials）
简介
材料基础培训-碳碳复合材料（Composite materials）简介
C/C复合材料
• 碳碳复合材料可以通过渗透一种碳先驱体 到碳纤维预制体中，然后再升温到大约 1000℃碳化，或者1000℃通过CVD方法， 然后经过多次浸渍、碳化或CVD，最后加 热到2000℃以上石墨化。
材料基础培训-碳碳复合材料（Composite materials）简介
碳基体
• 一般有三种碳基体先驱体
– 热塑型沥青 – 热固型树脂 – CVI方法
• 选择哪种方法的原则：很到程度上依赖于 生成复合材料部件的几何形状。
– 厚度薄的部件主要采用CVI方法； – 厚度厚的部件使用树脂或沥青渗透； – 复杂形状的几何部件使用树脂渗透。 – 一般利用混合方法对碳纤维增强复合材料进行
• CC复合材料的拉伸强度随着温度的升高而 增大的主要机制：
– 排出气体（吸收的水）的影响 – 基体强度与温度的依赖性 – 纤维基体界面 – 蠕变变形的影响 – 热应力的影响 – 纤维强度的影响
材料基础培训-碳碳复合材料（Composite materials）简介
基体强度与温度的依赖性
材料基础培训-碳碳复合材料（Composite materials）简介
因此，材料性能是细观组分材料响应的宏观表现
材料基础培训-碳碳复合材料（Composite materials）简介
有限元方法
• 模拟实验法
– 含有缺陷 – 细观结构没有周期性
• 特征体元法
– 具有周期的细观几何结构 – 细观结构复杂
材料基础培训-碳碳复合材料（Composite materials）简介
第八章 复合材料的成型加工技术分析
3.RTM工艺 树脂传递模塑
（1）工艺过程
将液态热固性树脂及固化剂，由计量设备
分别从储桶内抽出，经静态混合器混合均匀，
注入事先铺有玻璃纤维增强材料的密封模内，
经固化、脱模后加工成制品。
Pressurized Resin
Air
Air
The RTM Process
（2）特点 主要设备投资少； 生产的制品两面光滑、尺寸稳定；
5.连续缠绕成型工艺 连续纤维或带经过树脂浸胶后，按一定规律缠绕 到芯模上，然后在加热或常温下固化，制成一 定形状制品 （1）工艺过程
图 19-9
缠绕工艺流程图
（2）特点及应用 纤维能保持连续完整,按预定要求排列的规整 度和精度高; 可实现等强度设计; 比强度、比模量高; 质量较稳定，生产效率较高； 设备投资大； 适于制作承受一定内压的中空型容器，如固 体火箭发动机壳体、压力容器、大型贮罐、 管道等，还可制造异型截面型材和变截面型 材。
轻质高强
是复合材料最突出、重要的特点，也是研究
最多的特点。可以用比强度（强度/密度），
比弹性模量（弹性模量/密度）来定量描述。
性能可设计性
是复合材料区别于传统材料的根本特点之一。
可设计性是指：设计人员可根据所需制品对力学及 其它性能的要求，在结构设计的同时对材料本身进 行设计。 具体体现在以下两个方面： *力学设计——一定的强度和刚度 *功能设计——除力学性能外的其他性能
（2）离心铸造 利用铸型旋转产生的离心力使溶液中密度 不同的增强体和基体合金分离至内层或外 层形成复合铸件的工艺方法 适于管状、环状零件 （3）熔模铸造 2.真空压力浸渍法 （1）原理与过程 真空和高压惰性气体 增强材料预制件
CC复合材料性能参数
C/C复合材料性能参数C/C热场材料与石墨热场材料性能对比C/C复合材料具有质量轻、损伤容限高、强度高等突出特点，用作热场与石墨产品比较，具有以下突出优点：（1) C/C复合材料用作热场产品，大幅度延长产品使用寿命减少更换部件的次数，从而提高设备的利用率，减少维修成本。
（2) 用作拉晶砖的坩埚时，由于石英坩埚对石墨坩埚产生较大的膨胀应力作用，石墨坩埚只好做成多瓣，或在坩埚上开热膨胀槽．而使用C/C复合材料热场产品由于不用开热膨胀槽，可以做成一个整体，可以在石英坩埚内获得更均匀的热场，可以提高成品率，而且可以避免“漏硅”事故造成的损失，据统计一次“漏硅”事故造成的设备、材料方面的损失超过10万元。
（3) C/C复合材料用作热场产品时，现有设备具有固定的，而由于C/C复台材料具有优异的性能，与石墨产品相比，可以做得更薄，从而可以利用现有设备生产尺寸更长、更大直径的产品，可节约大量新设备投资费用。
（4) 在拉制大直径的产品时，石墨热场产品成型困难，如果要制造超大大直径的石墨热场零部件其制造成本加工成本都很高，而由于C/C复合材料具有优异的性能，目前国外拉制大直径的产品时，较多地采用了C/C复合材料热场产品（5) 石墨热场产品在反复高温热震条件下易产生裂纹，微裂纹的存在改变了其热传导性能，使加热时石墨加热器的功率与硅熔体的温度场发生变化，将影响拉晶的效率和拉出的晶体的质量和品质。
而使用C/C复合材料热场产品可以克服这个缺点。
（6) C/C复合材料用作热场产品时，导热系数比石墨热场产品低很多，用做隔热保温材料隔热保温效果好，可以节约大量的电能，节省大量的电费开支，可有效的降低单(多)晶硅生产厂家的生产成本，随着全球能源供应的紧张，单(多)晶硅生产作为高耗能行业，能源消耗的降低具有较大的经济和社会意义。
碳碳复合材料
3.1 物理性能
3.1.2 热学及烧蚀性能
碳/碳复合材料具有碳元素所特有的耐烧蚀、抗热震、高导热率和低膨胀系 数等性能。其导热性在常温下可与铝合金比拟；热膨胀系数远比金属低且随材 料的密度降低而降低；同时具有最好的生物相容性。
烧蚀防热是利用材料的分解、解聚、蒸发、气化及离子化等化学和物理过 程带走大量热能，并利用消耗材料本身来换取隔热效果。同时，也可利用在一 系列的变化过程中形成的隔热层，使物体内部温度不致升高。
料
壹 | 碳/碳复合材料概述 贰 | 碳/碳复合材料的制备 叁 | 碳/碳复合材料的性能 肆 | 碳/碳复合材料的应用
壹 | 碳/碳复合材料概述
1.1 简介
碳/碳复合材料是以碳(石墨)纤维为基体/增强体通过加工和碳化处理制成的全 碳质复合材料。
其全碳质结构不仅保留了纤维增强材料优异的力学性能和灵活的结构可设计性， 还兼具碳素材料诸多优点，如低密度(<2.0g/cm3)、低的热膨胀系数、高导热导电 性、优异的耐热冲击、耐烧蚀及耐摩擦性等，是如今在1650℃以上应用的少数备选 材料，最高理论温度高达2600℃，因此被认为是最有发展前途的高温材料之一。该 材料力学性能随温度升高不降反升，使其成为航空航天、汽车、医学等领域理想的 结构材料。
2.2 基体碳制备
2.2.1 化学气相沉积 (CVD)/化学气相浸透(CVI)
原理：通过气相的分解或反应生成固态物质并在某固定基体(基底)上成核、生长。 CH4(g) 加热 C(s)+2H2(g) 一般认为，CVD(CVI)经历以下过程:
• 反应气体通过层流向沉积基体的边界层扩散； • 沉积基体表面吸附反应气体，反应气体产生反应并形成固态和气体产物； • 所产生的气体产物解吸附，并沿边界层区域扩散； • 产生的气体产物排除。