碳碳复合材料-应用领域简介.39页PPT

(9) 作高温真空炉内衬材料 ,以及化工防腐蚀管道
及零部件等
四 发展趋势及应用
(1) 因其良好的生物相容性 ,在生物医学方面 ,可作人体骨 骼的替代材料 ,比如人工髋关节、 膝关 节、 牙根等.
(2) 汽车、 赛车的制动系统. (3) 在核反应堆中制造无线电频率限幅器. (4) 利用其高导电率和很高尺寸稳定性 ,制造卫星通讯抛物 面无线电天线反射器. (5) 用碳/碳复合材料代替石棉制造熔融玻璃的滑道 ,其寿命 可提高100倍以上. (6) 制作高温紧固件.在700 ℃ 以上 ,金属紧固件强度很低 , 而碳/碳复合材料在高温下呈现优异承 载能力 ,可作高温下使用的螺栓、 螺母、 垫片等.
(7) 制作热压模具和超塑性加工模具.在陶瓷和粉未冶金 生产中采用碳/碳复合材料制作热压模 具 ,可减少模具厚度 ,缩短加热周期 ,节约能源和提高产 量;用碳/碳复合材料制作钛合金超塑性加工模 具 ,因其低膨胀性和钛合金的相容性 ,可提高成型效率 , 并减少成型时钛合金的折叠缺陷.
(8) 制作加热元件.与传统的石墨发热体强度低、 脆 ,加工与运输困难相比 ,碳/碳复合材料的强度 高 ,韧性好 ,可减少发热体体积 ,扩大工作区.
CC复合材料
Байду номын сангаас姚祥瑞
目录
• 定义 • 性能 • 制备工艺 • 发展前景及用途
一 定义
• 碳/碳复合材料是复合材料 的一种 ,它是以碳为基体 ,由 碳纤维或其制品(碳毡或碳布) 增强的复合材料.
二 性能
• 它兼有碳的惰性和碳纤维的高 强度 ,具有良好的机械性能、 耐 热性、 耐腐蚀性、 磨擦减振特 性及热、电传导特性等特点.而 且 ,其质轻 ,比强度和比弹性模 量都很高 ,更重要的是这种材料 随着温度的升高(可达2 200 ℃) 其强度不降低 ,甚至比室温条件 下还高。

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

❖ （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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(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：
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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
.

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
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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

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。
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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
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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

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。
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。
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。
预制体；
高温和HIP下，沥青中挥发分进 行碳化，同时防止沥青流出预 制体；

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
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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
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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
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谢 谢！
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•
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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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利用单向CC复合材料粗 略的预报纤维基体的粘 接强度。
材料基础培训-碳碳复合材料（Compos
材料基础培训-碳碳复合材料（Composite materials）简介
高温拉伸蠕变性能
材料基础培训-碳碳复合材料（Composite materials）简介
煤焦油沥青真空浸渍，650摄氏 度100MPa下 炭 化， 2300 摄氏度 在惰性气体下石墨化
材料基础培训-碳碳复合材料（Composite materials）简介
界面强度测试
材料基础培训-碳碳复合材料（Composite materials）简介
致密化次数的影响
材料基础培训-碳碳复合材料（Composite materials）简介
复合材料抗氧化处理
• 如果发生氧化，CC复合材料的性能迅速下 降。当温度高于500℃，碳纤维和氧气接触， 碳纤维氧化的速度非常迅速。
• 当有2%-5%重量的碳纤维发生氧化，碳纤 维的力学性能会降低40%-50%。
• 抗氧化处理
– 通过净化去除催化氧化剂，钝化反应基 – 加入一些元素或化合物阻止氧气与纤维接触 – 开发外部涂层技术。
材料基础培训-碳碳复合材料（Composite materials）简介
压缩试件尺寸的影响
材料基础培训-碳碳复合材料（Composite materials）简介
高温压缩性能
材料基础培训-碳碳复合材料（Composite materials）简介
2D C/C Torayca M40， 使用预浸纤维束方法， 6K碳纤维， 利用尼龙 似把纤维束固定成单向 的预浸渍板，[0/90]4s 对 称 铺 层 ， 873K HIP, 2273K 在 惰 性 气 体 环 境 下热处理，纤维体积分 数为40%。

保温毡
加热体
1.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；
2.在编制技术方面：由单向朝多向发展；
3.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；
4.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。
1.C/C除含有少量的氢、氮和微量金属元素外，几 乎99%以上都是元素C，因此它具有和C一样的化学 稳定性。
2.耐腐蚀性：C/C像石墨一样具有耐酸、碱和
盐的化学稳定性；
3.氧化性能：C/C在常温下不与氧作用，开始
氧化温度为400℃，高于600℃会严重氧化。提高 其耐氧化性方法—成型时加入抗氧化物质或表面加 碳化硅涂层。
青；④有些浸渍液炭化时粘附性过好，易于阻塞 气孔口，难以达到致密要求，如树脂
由于上述原因，后来发展了高压浸渍炭化工艺 （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），所使用的压力皆超过2MPa， 此工艺对设备要求高，操作要求严格，且导致成 本上升
碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高， 密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温， 耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热 膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过 性好。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。
力学性能 热物理性能 烧蚀性能 化学稳定性
• 一般C/C：拉伸强度>270GPa、弹性模量>69GPa
• 先进C/C：强度>349MPa，其中单向高强度C/C可
室温，强度和 模量
达700MPa。（通用钢材强度500～600MPa）