碳基复合材料的制备与性能研究

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精品文档 C/C复合材料的制备及方法

地点：山西大同大学炭研究所

时间：5.31——6.3

学习内容：

一、C/C复合材料简述

C/C复合材料是以碳纤维及其织物为增强材料，以碳为基体，通过加工处理和碳化处理制成的全碳质复合材料。

优点：抗热冲击和抗热诱导能力极强，具有一定的化学惰性，高温形状稳定，升华温度高，烧蚀凹陷低，在高温条件下的强度和刚度可保持不变，抗辐射，易加工和制造，重量轻。

缺点：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。

二、C/C复合材料的成型技术

化学气相沉积法

气相沉积法（CVD法）：将碳氢化合物，如甲烷、丙烷、液化天然气等通入预制体，并使其分解，析出的碳沉积在预制体中。

技术关键：热分解的碳均匀沉积到预制体中。

影响因素：预制体的性质、气源和载气、温度和压力都将影响过程的效率、沉积碳基体的性能及均匀性。

工艺方法：温度梯度法

温度梯度法

工艺方法：将感应线圈和感应器的几何形状做得与预制体相同。接近精品文档

精品文档 感应器的预制体外表面是温度最高的区域，碳的沉积由此开始，向径向发展。

温度梯度法的设备如下图：

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精品文档 三、预制体的制备

碳纤维预制体是根据结构工况和形状要求，编织而成的具有大量空隙的织物。

二维编织物：面内各向性能好，但层间和垂直面方向性能差；如制备的氧化石墨烯和石墨烯

三维编织物：改善层间和垂直面方向性能；如热解炭

四、C/C的基体的获得

C/C的基体材料主要有热解碳和浸渍碳两种。

热解碳的前驱体：主要有甲烷、乙烷、丙烷、丙烯和乙烯以及低分子芳烃等；大同大学炭研究所使用的是液化天燃气。

浸渍碳的前驱体：主要有沥青和树脂

五、预制体和碳基体的复合

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：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，以确保得到高致密和高强度的C/C复合材料。

碳碳复合材料生产工艺

碳碳复合材料是一种高性能复合材料，由碳纤维和碳基材料组成，具有高强度、高摩擦性能、高抗侵蚀能力等优点，被广泛应用于航空航天、汽车制造、船舶制造等领域。下面将介绍碳碳复合材料的生产工艺。

碳纤维制备：碳纤维是碳碳复合材料的主要增强材料，其制备过程包括原料选用、浆料制备、纤维拉丝、高温碳化等步骤。首先，选用高纯度的石墨为原料，通过碳化反应制备碳纤维前体浆料。然后，将浆料拉丝成纤维，并通过高温石墨化处理，将其转化为含有95%以上纯碳的碳纤维。

碳基材料制备：碳碳复合材料的基体材料通常选用高纯度石墨或石墨纤维，其制备过程包括预制件制备、石墨化处理、浸渍碳化等步骤。首先，将石墨材料制备成预制件，通常采用热压或化学气相沉积等方法。然后，对预制件进行高温处理，使其石墨化，提高其机械性能和耐热性。最后，通过浸渍工艺，将预制件浸渍进碳化剂中，使其形成碳基材料。

复合成型：碳纤维和碳基材料经过制备后，通过复合成型将其组合成复合材料。常见的成型方法包括层板法、缠绕法、注射法等。层板法将碳纤维和碳基材料按照一定的排布顺序叠加，并采用压制热压的方法使其复合成型。缠绕法将碳纤维按照一定的螺旋方式缠绕在模具上，并进行热压使其复合成型。注射法将碳纤维和碳基材料按照一定比例混合后注入模具中，通过热压使其固化成型。

炭化和石墨化：复合材料在固化成型后，需要进行炭化和石墨化处理，以提高其炭化度和石墨化程度。炭化过程通常采用高温石墨化处理，将复合材料在高温下进行长时间热处理，使其炭化度达到要求。石墨化过程则是通过进一步高温处理，将复合材料的炭化产物转化为石墨，提高其机械强度和导热性能。

表面处理：最后，对已经炭化和石墨化的碳碳复合材料进行表面处理，以提高其性能和抗氧化能力。常见的表面处理方法包括化学气相沉积、化学涂层、磨削抛光等。化学气相沉积是通过将材料暴露在特定气氛中，使其表面形成一层保护性的氧化物。化学涂层则是将材料表面涂覆一层抗氧化涂层，增强其抗氧化能力。磨削抛光则是通过机械方法使材料表面光滑，并去除表面缺陷。

炭 / 炭复合材料的制备及研究进展

摘要： 综合国内外各种文献资料，总结了炭炭复合材料的用途、制备工艺，简要介绍了几种 主要的致密化方法，并对炭炭复合材料的抗氧化研究、石墨化研究做了初步的介绍，最后提 出了炭炭复合材料今后发展的方向 .

关键词： 炭炭复合材料，致密化，化学气相沉积，抗氧化，石墨化 .

1 引言

炭/ 炭复合材料是具有优异耐高温性能的结构与功能一体化工程材料。它和其 它高性能复合材料相同 , 是由纤维增强相和基体相组成的一种复合结构 , 不同之处 是增强相和基体相均由具有特殊性能的纯碳组成 [1-2] 。炭 / 炭复合材料具有低密 度、高强度、低烧蚀率、高抗热震性、低热膨胀系数、零湿膨胀、不放气、在2 000 C 以内强度和模量随温度升高而增加、良好的抗疲劳性能、优异的摩擦磨损性能和 生物相容性 （组织成分及力学性能上均相容 ） 、对宇宙辐射不敏感及在核辐射下强 度增加等性能 [1-3] ,

使炭/ 炭复合材料在众多领域有着广泛用途。

在发达国家，炭 / 炭复合材料已被成功用于航天飞机的机翼前缘、鼻锥、货舱 门，高推动比战机发动机的涡轮，高性能火箭发动机喷管、喉衬、燃烧室等，新 一代先进飞机、坦克、赛车、高速列车等的刹车材料，以及火箭、飞机的密封圈 等构件[4] ，同时，炭 / 炭复合材料作为生物医学材料，人造心脏瓣膜、人工骨、牙 种植体及作为植入材料用于矫形是近年来的研究重点 [5-7] ; 作为智能材料，由于其 受拉力后电阻增加，是很好的拉伸传感器，具有广阔的发展前景 [8] 。

炭/炭复合材料由碳纤维增强碳基体复合而成。碳基体以热解炭的形式存在， 由碳源先驱体经热解碳化而成。炭 /炭复合材料的制备工艺包括 : 碳纤维及其结构 的选择;

基体碳先驱物的选择 ; 炭/炭复合材料坯体的成型工艺 ; 坯体的致密化工艺 以及工序间和最终产品的加工等 [9] 。其中，关键技术在于坯体的致密化。

碳纳米管增强铝基复合材料的制备及性能研究

纳米相增强铝基复合材料是近年迅速发展起来的一种新型材料，表现出优异的理化和力学性能。碳纳米管力学性能的理论和实验研究表明碳纳米管的韧性好，结构稳定，具有极小的尺度及优异的力学性能，是理想的一维纳米增强、增韧材料。本文通过对无压渗透条件的探索，克服了碳纳米管与熔融铝不浸润性的障碍，实现了充分渗透，使碳纳米管在铝基体中分布均匀，与铝基体结合良好，同时对碳纳米管增强铝基复合材料的微结构、维氏硬度及摩擦磨损性能进行了研究。

一． 设计与研究内容

本实验采用无压渗透法制备了碳纳米管增强铝基复合材料，并对其摩擦性能进行了研究。利用扫描电镜观察了复合材料断面的形貌，通过复合材料硬度测量和摩擦磨损实验，研究了不同碳纳米管体积分数对复合材料的硬度及摩擦磨损性能的影响。同时根据碳纳米管增强铝基复合材料的特点，对材料的性能指标进行了预测。

二． 选择基体和增强体材料的理由

基体：铝

1、低密度：铝基复合材料的密度一般在2.8左右，基本上与一般铝合金相当；

2、高的比强度（强度/密度）：颗粒增强的铝基复合材料，其强度在400～700Mpa，与一般结构钢相当；

3、高的比刚度（刚度/密度）：颗粒增强的铝及铝合金基复合材料弹性模量E约为80～140Gpa，其比刚度（E/P）比一般铝合金高约60%，是钢铁材料的1.5～2倍；

4、优良的高温性能及高的抗大气腐蚀能力：一般铝合金（如硬铝超硬铝）的强度对温度较为敏感，而铝基复合材料的强度在高于300℃时才呈快速下降趋势，300℃时短时拉伸强度仍有400Mpa以上。由于此材料的基体为铝及铝合金，故其抗大气腐蚀能力好；

5、高的耐磨性：高的耐磨性是此材料显著的特点之一，在湿摩擦（有润滑）条件下呈现出优良的耐磨性。

增强体材料：碳纳米管

1.碳纳米管的韧性好，结构稳定，具有极小的尺度及优异的力学性能，是理想的一维纳米增强、增韧材料；

2.碳纳米管均匀地分散于复合材料中，且与铝基体结合良好；