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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) 。

碳碳复合材料简介

碳碳复合材料简介
(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。

碳碳复合材料ppt课件

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

《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

碳碳复合材料

碳碳复合材料

目前应用最广泛的是等温CVI 法（ICVI），具有不损伤纤维、基体碳纯度高、工艺设备简单、
可对多个形状复杂预制体同时致密化等特点，是工业生产C/C 复合材料的主要工艺手段。ICVI 工
艺致密化过程极其复杂，沉积反应发生在多孔预制体的内表面，存在气相热解、表面沉积反应
和气体扩散过程；受温度、压力、预制体空隙结构、气体的种类及滞留时间等因素的影响；存
液相浸渍工艺
工艺原理
– 以树脂或沥青为基体前驱体，将其浸渍到织物 中，然后将浸渍有树脂或沥青的织物在惰性气 氛下热处理，使树脂或沥青转化为基体碳
工艺特 – 当在制品达到一定密度后（1.7g/cm3），
需要HIP工序实现材料的高密度
三维织物研究的重点在细编织及其工艺、各向纤维的排列对材 料的影响等方面。
2.致密化二法：CVD/CVI；液相浸渍 • 碳纤维编织预制体是空虚的，需向内渗碳使其致密化，以实现预制
体和碳基体的复合。 • 渗碳方法：液态浸渍热分解法、化学气相沉积法。 • 基本要求：基体的先驱体与预制体的特性相一致，以确保得到高致
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。
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。
或石墨化的脂碳（沥青）
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。
能
特
• 一旦产生裂纹，不会像石墨和陶瓷那样严重的力学性 对热应力不 能损失
敏感
点
物理性能
热膨胀性能低：常温下为-0.4～1.8×10-6/K，仅为金属材料 的1/5～1/10；

碳碳(C、C)复合材料介绍(ppt 38页)

碳碳(C、C)复合材料介绍(ppt 38页)

连续高温炉在设计和制造使更多的选择并使用标 准品。 与耐热刚的联接板不同，C/的联接板没有热变性， 使用寿命长，可以降低托盘的更换频率，减少驴子 维修次数，提高生产效率。 此外，由于托盘本身重量的降低，保温性能的提 高，降低了搬送设备的负荷，并且大幅降低了能源 损耗。
耐热材料领域-炉内材料-保温材
和“石墨”比较 和“陶瓷”比较
更高的强度 更好的韧性，不易破碎
更好的韧性，不易破碎 不易粘结（不会胶合） 耐热冲击性好 容易加工
和“树脂”比较
良好的耐热性 良好的耐腐蚀性 高的耐摩擦性
C/C复合材料应用领域介绍
耐热材料领域
C/C复合材料 C/C金属复合材料
优良的耐热性能及低重量，可作为金属热处理过程中的工具，如烧制垫 板，料盒，以及高温炉内耐温材料。可以提高成品率及生产效率
摩擦材料领域
根据先进的制造技术，制造出的优良的耐磨产品，可用作夹具，刹车 片，火车导电架的滑板等等。
高机械性能领域
C/C复合材料和 C/CMC产品集质量轻，耐热好，热膨胀小，高强度， 高弹性等优点于一身，可满足产业界多种多样的需要。
耐热材料领域
➢产品在2000℃~2500℃下生产而成，遇热变形的状况不会发生。 ➢同时，为了使产品达到更好的耐热冲击性，产品经过了反复的热处理。 ➢产品的密度为1.6~1.7g/cm3, 产品重量是耐热钢的1/4。 ➢因为碳素纤维经过强化处理，强度是原来石墨材料的3~5倍，产品掉落也不会产生损伤。
对于连续高温炉，一般其设计和制造都会采用标准品。 当炉内运送重物时，一般会采用薄钢板。 C/C复合材料与原来的耐热刚质辊棒相比，其不同之处在 于C/C耐热性能高，不需要进行水冷。因此可以提高炉内的 保温性。并且避免水冷系统漏水的问题。 同时，由于C/C材料几乎没有热变性，可以大幅降低维修 的次数，提高生产效率。 C/C辊棒本身质量轻，能够减少炉内20~50%的能量损耗。

C、C复合材料性能特点与应用领域PPT(36张)

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。
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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。
•
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。
•
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

碳碳复合材料概述

碳碳复合材料概述

碳碳复合材料概述1概述碳／碳复合材料就是由碳纤维(或石墨纤维)为增强体,以碳(或石墨)为基体得复合材料,就是具有特殊性能得新型工程材料,也称为“碳纤维增强碳复合材料”。

碳／碳复合材料完全就是由碳元素组成,能够承受极高得温度与极大得加热速率。

它具有高得烧蚀热与低得烧蚀率,抗热冲击与在超热环境下具有高强度,被认为就是超热环境中高性能得烧蚀材料。

在机械加载时,碳／碳复合材料得变形与延伸都呈现出假塑件性质,最后以非脆性方式断裂。

它得主要优点就是:抗热冲击与抗热诱导能力极强,具有一定得化学惰性,高温形状稳定,升华温度高,烧蚀凹陷低,在高温条件下得强度与刚度可保持不变,抗辐射,易加工与制造,重量轻。

碳／碳复合材料得缺点就是非轴向力学性能差,破坏应变低,空洞含量高,纤维与基体结合差,抗氧化性能差.制造加工周期长,设计方法复杂,缺乏破坏准则。

1958年,科学工作者在偶然得实验中发现了碳／碳复合材料,立刻引起了材料科学与工程研究人员得普遍重视。

尽管碳／碳复合材料具有许多别得复合材料不具备得优异性能,但作为工程材料在最初得10年间得发展却比较缓慢,这主要就是由于碳／碳得性能在很大程度上取决于碳纤维得性能与谈集体得致密化程度。

当时各种类型得高性能碳纤维正处于研究与开发阶段,碳／碳制备工艺也处于实验研究阶段,同时其高温氧化防护技术也未得到很好得解决。

在20世纪60年代中期到70年代末期,由于现代空间技术得发展,对空间运载火箭发动机喷管及喉衬材料得高温强度提出了更高要求,以及载人宇宙飞船开发等都对碳／碳复合材料技术得发展起到了有力得推功作用。

那时,高强与高模量碳纤维已开始应用于碳／碳复合材料,克服碳／碳各向异性得编织技术也得到了发展,更为主要得就是碳／碳得制备工艺也由浸渍树脂、沥青碳化工艺发展到多种CVD沉积碳基体工艺技术。

这就是碳／碳复合材料研究开发迅速发展得阶段,并且开始了工程应用。

由于20世纪70年代碳／碳复合材料研究开发工作得迅速发展,从而带动了80年代中期碳／碳复合材料在制备工艺、复合材料得结构设计,以及力学性能、热性能与抗氧化性能等方面基础理论及方法得研究,进一步促进与扩大了碳／碳复合材料在航空航天、军事以及民用领域得推广应用。

碳碳复合材料(Composite materials)简介

碳碳复合材料(Composite materials)简介
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%。

碳碳复合材料

碳碳复合材料

碳/碳复合材料什么是碳/碳复合材料？它是碳纤维及其织物增强的碳基体复合材料，具有低密度(<2.0g/cm3)、高强度、高比模量、高导热性、低膨胀系数、摩擦性能好，以及抗热冲击性能好、尺寸稳定性高等优点，尤其是在1650℃以上应用的少数备选材料，最高理论温度更高达2600℃，因此被认为是全球最有发展前途的高温材料之一。

虽然碳/碳复合材料有很多十分优良的高温性能，但它在温度高于400℃的有氧环境中发生氧化反应，从而导致材料的性能急剧下降。

所以，碳/碳复合材料在高温有氧环境下的应用必须有氧化防护措施。

碳/碳复合材料的氧化防护主要通过以下两种途径，即在较低的温度下可以采取基体改性和表面活性点的钝化对碳/碳复合材料进行保护；随着温度的升高，则必须采用涂层的方法来隔绝碳/碳复合材料与氧的直接接触，以达到氧化防护的目的。

当前使用最多的是涂层的方法，随着科技不断进步，对碳/碳复合材料超高温性能的依赖越来越多，而在超高温条件下唯一可行的氧化防护方案只能是涂层防护。

值得一提的是，C/C基复合材料是近一些年来全球最受重视的一种更耐高温的新材料。

因为只有C/C复合材料是被认为唯一可做为推重比20以上，发动机进口温度可达1930-2227℃涡轮转子叶片的后继材料，曾经是美国21世纪重点发展的耐高温材料，尤其是全球先进工业国家拼力追求的最高战略目标。

所谓C/C基复合材料，就是碳纤维增强碳基本复合材料，它把碳的耐熔性与碳纤维的高强度及高刚性结合于一体，使其呈现出非脆性破坏。

由于C/C基复合材料具有重量轻、高强度，优越的热稳定性和极好的热传导性，因此，是当今最理想的耐高温材料，特别是在1000-1300℃的高温环境下，它的强度不仅没有下降，反而能够提高。

特别是在1650℃以下时仍然还保持着室温环境下的强度和风度。

因此C/C基复合材料在宇航制造业中具有非常大的发展潜力。

值得一提的是，C/C基复合材料在航空发动机应用的一个主要问题是抗氧化性能较差，所以，近几年美国通过采取一系列的工艺措施，让这一问题获得解决，并且逐步应用在新型发动机上。

碳碳复合材料

碳碳复合材料

碳碳复合材料
碳碳复合材料是一种由碳纤维和碳基基体组成的复合材料。

碳纤维是一种高强度、轻质的纤维材料，可以抵抗高温和
化学腐蚀。

碳基基体则提供了材料的机械强度和耐磨性能。

碳碳复合材料具有以下特点：
1. 高温耐性：碳碳复合材料能够在高达3000°C的温度下
保持其稳定性和强度。

2. 轻质高强：碳纤维的轻质性能使得碳碳复合材料具有较
高的比强度和刚度。

3. 良好的机械性能：碳碳复合材料具有优异的抗拉、压缩
和抗剪强度，使其适用于各种高性能应用。

4. 耐磨性能：碳碳复合材料具有出色的耐磨性，可用于制
造高速运动部件和摩擦材料。

5. 抗氧化性：碳碳复合材料能够抵抗氧化和腐蚀，因此可
以在恶劣的环境条件下使用。

碳碳复合材料广泛应用于航空航天、汽车制造、能源领域以及高温和特殊工程等领域。

例如，它们可以用于制造火箭喷嘴、涡轮叶片、制动系统、石油炼厂设备等。

由于其优异的性能和广泛的应用领域，碳碳复合材料被视为一种重要的高性能材料。

碳碳复合材料讲解

碳碳复合材料讲解

03
飞机刹车 材料关键
技术
C/C复合材料产业现状
C/C复合飞机刹车材料预制体成型技术 C/C复合飞机刹车材料快速致密化技术 C/C复合飞机刹车材料的氧化防护技术 C/C复合飞机刹车材料再生修复技术
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
C/C复合材料产业现状
03
C/C复合飞机刹车材料预制体成型技术
预制体是C/C复合材料的增强骨架，它直接决定或影响着后续制备复合 材料的力学、热物理和摩擦等性能。
03
①先进碳/ 碳复合飞机刹车材料关键技术研究
先进碳/碳复合材料是我国大型飞机和高性能军机的关键刹车材料，碳/ 碳（C/C）复合材料刹车盘（简称碳盘）是飞机刹车装置普遍使用的关键器材， 它不仅是一种摩擦元件，而且是一种热库和结构元件。碳盘替换传统的钢刹 车盘可以获得明显减重以及大幅度进步刹车盘性能和使用寿命的效果，因此， 自从20世纪70年代装机首飞成功以来，目前国际上已有100余种大中型民航 客 机和先进军机采用了碳刹车技术，是否采用碳刹车装置已成为衡量现代航 空 机轮水平的重要标志之一。
03
C/C复合材料产业现状
C/C复合飞机刹车材料快速致密化技术
为了解决制备周期长这一关键题目，国外进行了大量的研发工作。 早在1994年，美国Textron公司报道，他们研发的高效工艺能在8h内制 备出碳盘样品，但主要题目是该方法一炉只能制备一个样品，至今仍未 能实现工程化。Vaidyaraman S等人研究的强制活动热梯度法能使沉积 速率进步12～30倍，但仅适用于制备外形简单的小样品（直径小于 100mm，厚度小于10mm），同样一炉只能制备一个样品，仍然无法
03
C/C复合材料产业现状
C/C复合飞机刹车材料快速致密化技术

碳碳复合材料介绍

碳碳复合材料介绍

碳碳复合材料介绍
哎呀，今天老师给我们讲了一个新东西，叫做“碳碳复合材料”。

嗯，名字好像有点难，可是我听懂了点儿！老师说呀，这种材料就像是两种东西结合起来，变得更厉害更结实。

碳碳复合材料是用一种叫碳的东西做的，就像我们平时看到的黑黑的煤炭一样，特别特别坚硬。

老师还说，碳碳复合材料在很多地方都有用呢！比如说，飞飞的火箭啊，特别需要它来做外面的壳壳，这样火箭才能飞得更高更远。

而且呀，碳碳复合材料还可以在很高很高的温度下工作，不会变软软的，就像烧烤的烤架一样，能耐得住大火，真是太神奇啦！
我还在想，要是我能拿到这种材料做个玩具，那玩具一定超级耐用，摔也摔不坏！哈哈哈，好厉害哦，碳碳复合材料，真的是很神奇呢！
—— 1 —1 —。

碳碳复合材料

碳碳复合材料

碳碳复合材料碳碳复合材料是一种由碳纤维和碳基复合材料组成的复合材料。

它具有优异的力学性能和热学性能，被广泛应用于航天、航空、能源、汽车等领域。

碳纤维是碳碳复合材料的主要组成部分之一，它具有轻、强、刚、耐高温等特点。

碳纤维的强度比钢高五倍，刚度更高，而且密度只有一般钢材的四分之一。

这种优异的性能使得碳纤维成为航天航空领域中的重要材料，如制造飞机翼、导弹外壳等。

同时，碳纤维还可以用来制造汽车部件，如车身和刹车盘，以提高汽车的性能和燃油效率。

碳基复合材料是由含碳基体和碳基增强材料组成的复合材料。

它具有良好的导热性能和高温稳定性，可以在高温和极端环境下工作。

碳基复合材料通常用于制造火箭喷嘴、导弹外壳等需要耐高温和高速摩擦的部件。

此外，碳基复合材料还具有良好的耐磨性能和耐腐蚀性能，可以用于制造机械密封件和化学设备。

碳碳复合材料由碳纤维和碳基复合材料通过炭化、烧结等工艺制得。

碳纤维和碳基复合材料相结合，互补了各自的优点，形成了一种具有良好力学性能和热学性能的复合材料。

碳纤维可以增加碳基复合材料的强度和刚度，而碳基复合材料可以提高碳纤维的热传导性能和高温稳定性。

由于碳碳复合材料的优异性能，它被广泛应用于航天、航空、能源和汽车等领域。

在航天领域，碳碳复合材料可以用于制造导弹外壳、火箭喷嘴等高温高速工作的部件。

在航空领域，碳碳复合材料可以用于制造飞机翼、垂直尾翼等，提高飞机的性能和安全性。

在能源领域，碳碳复合材料可以用于制造核反应堆的导热元件，提高核反应堆的效率和安全性。

在汽车领域，碳碳复合材料可以用于制造车身和刹车盘，提高汽车的性能和燃油效率。

总之，碳碳复合材料具有优异的力学性能和热学性能，被广泛应用于航天、航空、能源和汽车等领域，对推动高科技产业的发展和提高产品性能起到了重要作用。

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17
• （1）固体火箭发动机喷管上的应用 在固体火箭发动机(SRM)中，喷管喉部的烧
蚀状态最为恶劣，因此，必须采用具有良好耐烧 蚀和抗冲刷性能的喷管喉衬材料来抵御严酷的烧 蚀环境。采用碳/碳复合材料的喉衬、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 SRM 的比冲。
3
二、碳/碳复合材料的组成及微观 结构
碳/碳复合材料的组成有两大部分: 碳纤维和基体碳。
4Leabharlann 碳纤维织物结构形式a-2D平纹 b-2D8H缎纹 c-3D径向编织 d-3D e-4D f-5D
碳纤维的增强形式有单向(1D)、双向(2D)及多向。单向
增强可在一个方向上得到最高拉伸强度的碳/碳;双向织
物提高了抗热应力性能和断裂韧性，容易制成大尺寸形
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喷管出19口锥
• （2）刹车领域的应用 碳/碳复合材料制作的飞机刹车盘重量轻、耐
温高，比热容比钢高 2.5 倍；同金属刹车材料 相比，可节省 40 %的结构重量，碳/碳复合材料 刹车盘的使用寿命是金属基的 5 7 倍，刹车力 矩平稳，刹车时噪声小，因此碳/碳复合材料刹 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 司已批量生产碳/碳 复合材料刹车片，英国邓禄 普公司也已大量生产碳/碳复合材料刹车片，用 于赛车、火车和战斗机的刹车材料。
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• 4 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 ℃以上时,其摩擦性能仍然保持平稳,这是 其它材料所不具备的。因此,碳/碳复合材料为军 用和民用飞机的刹车盘材料越来越广泛。
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四、碳/碳复合材料制备及加工
碳/碳复合材料
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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
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高温下的稳 定性比较好
碳/碳复合材料与其他材料温度上升 时比强度的比较
几种材料拉伸比强度的比较
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碳/碳复合材料和其他材料各种性能的比较
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• 3 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。碳/碳复合 材料是一种升华-辐射型烧蚀材料,且烧蚀 均匀。通过表层材料的烧蚀带走大量的热, 可阻止热流传入飞行器内部。因此该材料 被广泛用作宇航领域中的烧蚀防热材料。
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。
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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。
状复杂的部件，有广泛的应用基础。三向及多向编织具
有更好的结构完整性和各向同性 。
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三、 碳/碳复合材料的性能
• 1 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。
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• （1）液相浸渍工艺
液相浸渍工艺一般在常压或减压下进行. 工艺过程 上图所示, 液相浸渍(LPI)工艺是将碳纤维预制体置于 浸渍罐中，抽真空后充惰性气体加压使浸渍剂向预制体 内部渗透，然后进行固化或直接在高温下进行碳化，一 般需重复浸渍和碳化5～6次而完成致密化过程。此工艺 存在问题是: ( 1) 工艺繁复、周期长、效率低;(2) 液 体难以浸渍到预制体微孔中; ( 3)有些浸渍液在常压和 减压下炭化效率低,必须加压, 如煤沥青;(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。
碳/碳复合材料的主要制备步骤为：
预制体的成型
致密化处理
石墨化，其中致密化是制备碳/碳复合材
料的关键技术。
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• 致密化
成型后的预制体含有许多孔隙,密度也低,不 能直接应用,须将炭沉积于预制体,填满其孔隙, 才能成为真正的结构致密、 性能优良的碳/碳复 合材料,此即致密化过程. 传统的致密化工艺大 体分为液相浸渍和化学气相沉积两种。
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• 2 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。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。一般的碳/碳复合材料的拉伸强 度大于 270MPa, 单向高强度碳/碳复合材料可达 700MPa 以上。在1000 ℃以上,强度最低的 碳/ 碳复合材料的比强度也较耐热合金和陶瓷材料的 高。碳/碳复合材料的断裂韧性较碳材料有极大 的提高,其破坏方式是逐渐破坏, 而不是突然破 坏, 因为基体碳的断裂应力和断裂应变低于碳纤 维。
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• （2）化学气相沉积工艺
化学气相沉积(CVI)工艺是以丙烯或甲烷为原料，
其工艺过程下如图所示。在预制体内部发生多相化学反
应（如
）的致密化过程。CVI工艺的优点是材料
性能优异、工艺简单、致密化程度能够精确控制，缺点
是制备周期太长(500～600h甚至上千小时)，生产效率
很低。
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• 碳／碳复合材料的切削加工