碳纤维预制体课件

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,整理课件,*,Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,航天材料一朵,奇葩,-,热结构复合材料,庞生洋,专用材料与器件研究部,热结构复合材料组,2012,年,5,月,22,日,1,整理课件,热结构复合材料简介,热结构复合材料性能、应用和主要研究机构,金属研究所热结构复合材料发展历程,两种典型热结构复合材料的制备、结构、性能,-,C/C,复合材料,-,C/SiC,复合材料,内容简介,2,整理课件,提 纲,热结构复合材料简介,典型热结构复合材料的制备、结构、性能,3,整理课件,热结构复合材料,C/C,复合材料,C/SiC,复合材料,SiC/SiC,复合材料,基体相,增强相,复合材料,=,+,纤维颗粒增强,碳基陶瓷基,UHTC,复合材料,热结构,复合材料,C/C-SiC,C/C-UHTC,C/C-coating,4,整理课件,C/C,复合材料性能特点及应用,密度低,比强度大,热导率大,膨胀系数小,抗热震优异,抗氧化性差,再入热防护,喷管 大型扩散段,飞机刹车片,使用温度可达,2800C,5,整理课件,C/C,复合材料性能特点及应用,C/C,复合材料,和“金属”比较,良好的耐热性,极小的热膨胀率,很轻的重量（只有铁的,1/5,）,良好的耐腐蚀性,和“石墨”比较,更高的强度,更好的韧性，不易破碎,和“陶瓷”比较,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,6,整理课件,C/C,复合材料在核反应堆中重大应用,7,整理课件,C/C,复合材料民用重大应用,8,整理课件,C/C,复合材料民用重大应用,炉床,风扇,加热体,炉体,承重板,保温材,保护用异形板,螺栓，螺母，垫片,9,整理课件,C/C,复合材料民用重大应用,料架,料盒,夹具,弹簧,玻璃生产线用部件,10,整理课件,密度低,比强度大,热导率大,膨胀系数小,抗热震优异,抗氧化性好,耐磨性突出,C/SiC,复合材料性能特点及应用,再入热防护,发动机鱼鳞片,涡轮 火焰稳定器,装甲板 防弹衣,空间反射镜,使用温度可达,1650C,11,整理课件,国内外主要研究和生产机构,C/C,复合材料,Messier-Bugatti,Inc,SGLGroup,Inc,Hitco Carbon Composites,Inc,中南大学,Sandia National Laboratories,Oak Ridge National Laboratories,514,厂,43,所,703,所,金属研究所,12,整理课件,国内外主要研究和生产机构,C/SiC,复合材料,NASA,USA,DLR Institute,Germany,ONERA,France,西北工业大学,SEP,France,Bordeaux University,France,金属研究所,UHTC,复合材料,University of Missouri-Rolla,USA,Institute of Science and Technology for Ceramics,Italy,哈尔滨工业大学,金属研究所,13,整理课件,金属所热结构复合材料发展历程,1972,年，在国内首先开展,CVI C/C,复合材料研究；,1990,年，在国内首先开展,CVI C/SiC,复合材料研究,(863,计划,),；,1991,年，“化学气相渗及制备新材料”获得国家科技进步二等奖；,1999,年，发明快速,CVI,制备,C/C,材料技术，获国家发明专利授权；,2003,年，采用快速,CVI,制备出,C/SiC,复合材料；,2004,年，开展,C/C,掺杂超高温陶瓷复合材料研究；,2005,年，开展,C/SiC-ZrB2,复合材料研究，制成构件，通过电弧风动试验；,2007,年，建立热结构复合材料生产体系，低成本民品,C/C,走向市场；,08,年以后，开展了,1700,以上，长期抗氧化复合材料研究；,目前研究重点是，采用多种工艺结合，制备低成本短周期的防热构件，包括喷管、防热盖板、端头等形状各异的热结构部件。,14,整理课件,金属所热结构复合材料发展历程,设计：纤维类型与增强骨架结构、基体、纤维与基体的结合,工艺：均热法、热梯度法、压差温度梯度法、直热法,CVI,性能：力学、热物理、化学、摩擦磨损及其它特殊物理性能,应用：航天防热、固体火箭喷管、飞机刹车盘、生物工程、冶金化工、核工业,SiC,涂层,C/C,材料,1987,C/SiC,复合材料,2005,C/C-SiC,纳米基复合材料,1999,C/C,材料,1999,化学气相渗,CVI,（,1972,）,C/C-SiC,梯度基型结,构功能梯度材料,1999,C/C,复合材料,1992,C/C-SiC,梯度基,复合材料,1995,C/C-SiC,纳米基复合材料,1993,C-SiC,梯度涂层,的,C/C,材料,1992,C/SiC,复合材料,1992,C/C-SiC,纳米基复合材料,1992,C/SiC,复合材料,1992,C/C-SiC,双元基复合材料,1990,C/C,材料,1972,压差温度梯度法,均热法,直热法,热梯度法,一致性沉积,共沉积,共沉积,分段沉积,C/C-SiC,梯度基型结构功能梯度材料,1992,共沉积,共沉积,分段沉积,C/C-SiC,双元基型结,构功能梯度材料,1999,C/C-SiC,纳米基复合材料,1991,C/SiC,复合材料,1992,C/C,复合材料,1976,C/ZrB,2,-SiC,复合材料,2006,一致性沉积,分段沉积,C/C-SiC,双元基型结构功能梯度材料,1992,掺杂,C/C,复合材料,2004,C/C-UHTC,复合材料,2004,功能结构一体化复合材料,2004,一致性沉积,一致性沉积,PI+,一致性沉积,15,整理课件,提 纲,热结构复合材料简介,典型热结构复合材料的制备、结构、性能,16,整理课件,制备过程,碳纤维预制体,碳纤维布针刺或碳纤维编织而成,传统化学气相渗,聚合物浸渍裂解,制备工艺,碳或碳化硅基体,前驱体浸渍裂解,液态硅浸渍,C/C,或,C/SiC,复合材料,快速化学气相渗,平纹布,4,缎纹布,5,缎纹布,SiC/SiC,复合材料制备具有工艺基础和开发能力,金属所专利技术,C/C,C/SiC,17,整理课件,传统,CVI,和快速,CVI,Reactive Gas,Exhaust Gas,Heating Element,Preform,CH,4,C,2,H,2,C,3,H,8,均热法,快速,CVI,工艺比较成熟,同炉内可放置不同样品,可实现净尺寸制备,沉积效率高、沉积时间短,可制备大厚度样品,对设备腐蚀小,克服了传统,CVI,的两大瓶颈,:,质量传输和反应动力学,18,整理课件,快速,CVI,制备,C/C,材料,0/90,无纬布,C/C,复合材料,材料致密度较高,1.7g/cm,3,残留有少量层间孔和束间孔,基本填满了纤维间的孔隙,碳基体为粗糙层和光滑层的混合,19,整理课件,C/C,复合材料快速沉积机理,自由基磁吸引作用,自由基电沉积作用,自由基脱氢聚合过程,20,整理课件,1.9 g/cm,3,PyC(002),SiC(111),SiC(200),SiC(220),SiC(311),SiC(222),2.0 g/cm,3,2.3-2.4 g/cm,3,2.3-2.4 g/cm,3,H2/MTS=0,H2/MTS=0.5,H2/MTS=1.0,H2/MTS=1.5,在,35,小时内成功,制备出大尺寸高密度,C/SiC,板材,(5002009mm,2.3-2.4g/cm,3,),快速,CVI,制备,C/SiC,材料,21,整理课件,小分子沉积机理,CH,3,SiCl,3,CH,3,+SiCl,3,G=292kJ/mol,CH,3,CH,2,+,H,G=550kJ/mol,SiCl,3,SiCl,2,+Cl,G=402kJ/mol,SiCl,2,+e*Si*+2Cl,CH,2,+e*C*+2H,ClSiCl,HC,SiCl,Cl,H,Cl,ClSiCl,SiCl,Cl,HC,H,Cl,Si C Si C Si C,C Si C Si C Si,(a)Magnetic attraction,(c),I,I,I,e,e,e,(b)Electric deposition,(c)Dehydrogen/polymerization reaction,Si,原子面,C,原子面,快速,CVI,制备,C/SiC,材料沉积机理,22,整理课件,C/C,、,C/SiC,材料性能对比,性能,单位,快速,CVI,C/C,传统,CVI,C/C,快速,CVI,C/SiC,传统,CVI,C/SiC,密度,g/cm,3,1.71,1.63,2.0-2.1,1.9,抗弯强度,MPa,145,145,163,130,抗压强度,MPa,252,172,277,276,204,热膨胀系数,10,-6,/C,0.54-1.90,0.2-1.5,1.09-1.93,0.9-1.8,热导率,W/mK,13.3-14.5,8-14,8.34-6.29,8.0-5.5,23,整理课件,C/C,Density,g/cm,3,Fiber content,%,Tensile,Flexural,MPa,E,GPa,%,MPa,E,GPa,mat,1.70,11.1,25.9,17.5,0.15,59.2,16.9,0/0weftless,1.74,28.1,277.0,74.5,0.45,454.0,65.2,0/90 weftless,1.67,28.0,85.4,35.1,0.26,145.0,25.1,0/45 weftless,1.69,28.1,53.6,20.2,0.44,122.0,17.6,0/0 twill,1.79,25.8,102,32.9,0.50,165.0,28.9,0/90 twill,1.78,26.3,58.9,23.1,0.28,157.0,27.1,0/45 twill,1.75,24.8,53.7,20.2,0.34,119.0,20.6,预制体对,C/C,力学性能的影响,24,整理课件,碳毡,C/C,0/90,无纬布,C/C,0/45,无纬布,C/C,0/45,斜纹布,C/C,400m,400m,400m,400m,纤维预制体对,C/C,材料烧蚀性能的影响,小发动机烧蚀试验,热流,12MW/m,2,2000,左右,10s,富氧煤油火焰,0,/45,无纬布,C/C,表现出最好的抗烧蚀性能，另外这四种材料在针刺纤维束和束间孔附件均形成了较大的烧蚀孔,25,整理课件,C/C,材料烧蚀过程的结构演变,15m,纤维横向,10m,纤维纵向,烧蚀机理：烧蚀优先发生在表面孔洞及针刺纤维附近，材料的烧蚀主要受氧化（扩散控制）和机械剥蚀影响,针刺纤维极易氧化，形成这种热解碳的薄壳结构，从而发生机械剥蚀。束间孔则提供了氧气向内扩散的通道，导致非均匀烧蚀,26,整理课件,C/ZrB,2,-SiC,材料微观结构,C/SiC-UHTC C/ZrB,2,-SiC,27,整理课件,提高了中温区抗氧化能力,C/SiC,C/ZrB,2,-SiC,Tang SF,et al.J Am Ceram Soc 90(2008)3320,C/ZrB,2,-SiC,在,1000,C,依赖于,B,2,O,3,C/ZrB,2,-SiC,在,1200,C,依赖于硅酸盐,C/ZrB,2,-SiC,在,1400,C,依赖于,SiO,2,C/SiC,和,C/ZrB,2,-SiC,氧化性能,28,整理课件,C/SiC,和,C/ZrB,2,-SiC,烧蚀性能,t,=20s,t,=300s,t,=650s,烧蚀后,C/ZrB,2,-SiC,C/SiC,29,整理课件,5,m,5,m,30