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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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。,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,1,碳纤维,碳纤维微观结构是由几乎平行于纤维轴向排列的类石墨微晶构成，这样的结构使纤维表现各向异性特征。,平行于纤维纵向的弹性模量、强度和热/电传导性能较大，而横向相应的性能要比纵向小一个数量级。,纤维横向的热膨胀系数要比纤维纵向的热膨胀系数大很多。,碳纤维碳纤维微观结构是由几乎平行于纤维轴向排列的类石墨微晶构,2,碳纤维,碳纤维的模量范围从206GPa到689GPa，强度范围从1.7GPa到4.1GPa,高模纤维比低模纤维拥有高的热传导率，高的密度和碳产率和低的热膨胀系数。,如果把低模纤维加热到石墨化温度2500K，首先模量增加，轴向排列整齐度和微晶尺度也增大。并且晶面间的距离减小，纤维收缩。,碳纤维碳纤维的模量范围从206GPa到689GPa，强度范围,3,碳纤维,连续碳纤维的制作过程是抽丝、氧化定型、碳化和石墨化。,1960s早期，采用人造纤维作为碳纤维的先驱体,利用PAN（聚丙烯腈）作为碳纤维的先驱体,利用沥青作为碳纤维的先驱体,碳纤维连续碳纤维的制作过程是抽丝、氧化定型、碳化和石墨化。,4,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。,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。,5,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致密化处理。,碳基体一般有三种碳基体先驱体,6,界面,界面的性能取决于,纤维的类型,纤维表面活性,基体的类型（树脂前驱，CVI的微观结构和沥青前驱）,基体活性,纤维体积含量,加工条件,致密化程度,纤维方向和层压板厚度。,好的界面使复合材料在纵向拉伸时破坏应变等于基体的破坏应变，很好的纤维与基体的结合降低了材料在纤维方向的性能并且使材料变脆 。,如果纤维和基体发生脱粘，复合材料会表现伪塑性（pseudo-plasticity）。,界面界面的性能取决于,7,C/C复合材料力学性能对比,通过致密化到四个周期材料的所有性能都有所改善，但是横向强度变低，没有造成层间剪切强度的降低。,横向强度,层间剪切强度,常温,石墨化温度,碳纤维增强炭化Borden SC-1008酚醛材料,6MPa,4.8MPa或更小,20.7 MPa to 24.8 MPa,碳纤维增强PPQ resin char材料,4.7MPa,3.4MPa或更小,14.5 MPa,碳纤维增强FF-26 resin char材料,5.2MPa,3.1MPa或更小,19.9 MPa,CVD碳化酚醛树脂焦碳纤维增强复合材料,14MPa到30MPa,16MPa到27MPa,C/C复合材料力学性能对比通过致密化到四个周期材料的所有性能,8,组分材料的力学性能,碳纤维,组分材料的力学性能碳纤维,9,纤维束壳的影响,纤维束壳的影响,10,碳基体,基体的有效性能直接与处理历程和浸渍方法相关。,基体的微裂纹与复合材料最后处理的温度有关。微裂纹影响复合材料内部基体的性能（剪切性能和热膨胀）。,通过热膨胀和45度拉伸试验确定与温度相关的基体材料性能。,碳基体基体的有效性能直接与处理历程和浸渍方法相关。,11,碳基体,碳基体,12,纤维预制件,纤维预制件,13,纱线,纱线,14,机织结构,机织结构,15,编织结构,编织结构,16,缠绕和编织结构对比,缠绕和编织结构对比,17,编织和机织复合材料性能,编织和机织复合材料性能,18,Hiroshi Hatta, Keisuke Taniguchi, Yasuo Kogo. Compressive strength of three-dimensionally reinforced carbon/carbon composite. Carbon 43 (2005) 351358,3D C/C 增强相位PAN基高强度型纤维，纤维体积分数48%（每个方向为16%），通过927K，1000atm，使用煤焦油沥青作为浸渍材料，然后通过2800K热处理，最后密度为1.9g/cm3。,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，对称铺层，873K HIP, 2300K在惰性气体环境下热处理，纤维体积分数为50%,Hiroshi Hatta, Keisuke Taniguc,19,压缩试验前期试做,压缩试验前期试做,20,压缩试件尺寸的影响,压缩试件尺寸的影响,21,高温压缩性能,高温压缩性能,22,Ken Goto, Hiroshi Hatta, Masato Oe, Takashi Koizumi. Tensile Strength and Deformation of a Two-Dimensional CarbonCarbon Composite at Elevated Temperatures. J. Am. Ceram. Soc., 86 12 212935 (2003),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，0/904s 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%。,利用单向CC复合材料粗略的预报纤维基体的粘接强度。,Ken Goto, Hiroshi Hatta, Masat,23,拉伸试验结果,拉伸试验结果,24,高温拉伸蠕变性能,高温拉伸蠕变性能,25,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,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：,26,基体强度与温度的依赖性,基体强度与温度的依赖性,27,纤维基体界面,界面粘接强度降低能够增强C/C复合材料的拉伸强度,纤维基体界面界面粘接强度降低能够增强C/C复合材料的拉伸强,28,Hiroshi Hatta , Ken Goto, Shinya Ikegaki, Itaru Kawahara, Mohamed S. Aly-Hassan, Hiroyuki Hamada. Tensile strength and fiber/matrix interfacial properties of 2D- and 3D-carbon/carbon composites. Journal of the European Ceramic Society 25 (2005) 535542,3D C/C 正交编织 xyz三向分别40,13,3%的纤维体积分数，纤维高强度IM600碳纤维,2D C/C 酚醛树脂板200mm *200mm *2mm 纤维体积分数60%，纤维高强度IM600碳纤维,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,Hiroshi Hatta , Ken Goto, Shin,29,界面强度测试,界面强度测试,30,致密化次数的影响,致密化次数的影响,31,致密化次数的影响,3D-C/C-2,3D-C/C-5,致密化次数的影响3D-C/C-23D-C/C-5,32,致密化次数的影响,致密化次数的影响,33,利用有限元方法预报材料的有效性能,利用有限元方法预报材料的有效性能,34,计算材料有效性能的方法有很多：刚度平均化方法，细观力学方法，有限元方法等。,组分材料的性能 材料性能,刚度平均化方法,等应力等应变假设,细观力学方法,夹杂理论,建立细观材料与宏观材料,或者细观材料之间的关系,如应力、应变等,有限元方法,是利用单元离散，通过节点与节点连接传递应力以及保持应变协调。,因此，材料性能是细观组分材料响应的宏观表现,计算材料有效性能的方法有很多：刚度平均化方法，细观力学方法，,35,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,有限元方法,模拟实验法有限元方法,36,宏观应力应变的求解方法,类实验求解法,宏观应力 = 节点反力 / 名义横截面积,体积平均方法,宏观应力分量 =,（单元积分点体积*单元积分点的应力分量）/ 代表体积单胞总体积,求和,宏观应力应变的求解方法类实验求解法求和,37,体积平均方法,该材料本构可以写为：,刚度系数,施加的非零位移边界条件,C的第一列,C的第二列,C的第三列,C的第四列,C的第五列,C的第六列,体积平均方法该材料本构可以写为：刚度系数施加的非零位移边界条,38,约束,周期边界条件,为了保持应力的连续性和位移的协调性，施加耦合位移约束对代表单胞有限元模型进行力学分析 。,约束周期边界条件,39,约束,约束,40,载荷,载荷,41,谢谢！,敬请批评指正！,谢谢！,42,
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