《cc复合材料》PPT课件.ppt

碳碳复合材料 制作人 碳碳复合材料 E 应用 C 制备 B 性能 A 简介 D 优缺点 简介 定义 碳碳复合材料 c ccompositeorcarbon carboncompositematerial 是指以碳纤维作为增强体 以碳作为基体的一类复合材料 碳碳复合材料由三种不同组分构成 即树脂碳 碳纤维和热解碳 由于它几乎是由元素碳构成 故能承受极高的温度和极大的加热速率 性质 密度低 高比强度 比模量高 热传导性低 热膨胀系数断裂韧性好 耐磨 耐烧蚀 对宇宙辐射不敏感及在核辐射下强度增加等性能 是所有已知材料中耐高温性最好的材料 碳碳复合材料的性能 物理性能碳碳复合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 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应用场合非常有利 因此可以被用作航天航空材料和刹车片材料 碳碳复合材料的性能 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 其摩擦性能依然保持平稳 因此可用作刹车片材料 力学性能其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 碳 碳复合材料的高强高模特性来自碳纤维 随着温度的升高 你 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 碳碳复合材料的制备工艺 碳碳复合材料的成型加工方法很多 其各种工艺过程大致可归纳为下图几种方法 碳纤维成型物预浸物短纤维与沥青或树脂混合物 CVD渗透 碳化 石墨化的碳碳复合材料 热压成型 喷射成型 浸渍树脂成沥青 碳 碳复合材料 石墨化 制备过程中的几个重要环节 预成型体 基体碳 树脂 沥青 浸渍 碳化工艺 CVD CVI工艺 1 预成型体 C C复合材料制备的基本思路是将碳纤维作增强材料 预先制成多孔隙的预制体 然后再以碳基体填充空隙 逐渐制成C C复合材料 预制体 preform 或预成型体 是采用编织方式成2维 3维或多维 带30 70 孔隙的碳纤维层 板 体等形状 也可以用浸渍树脂或沥青的碳纤维直接进行编织 有些是采用编织好的层状 2维 或碳毡迭层 并在Z向进行穿刺制成碳纤维预制体 总之 C C复合材料的性能 形状取决于预制体的形状和碳纤维的分布方式 各种编织方法制成的预制体 三维正交预制体 五维预制体 图片 2 基体碳 基体碳分为 树脂与沥青浸渍碳和沉积碳两种 树脂 沥青 浸渍 碳化对浸渍剂的要求 树脂 沥青 碳均是由碳纤维预制体浸渍树脂或沥青浸渍剂后 经固化 再经碳化后所获得的基体碳 C C复合材料浸渍剂的选择原则 碳化率 焦化率 希望碳化率高 提高效率粘度 易于浸润碳纤维 并易于流入预制体孔隙碳化后能否形成开孔形裂缝或孔隙碳化后强度 碳化后收缩是否破坏预制体的结构显微结构 是否有利于C C复合材料的性能价格 符合上述条件 价格越便宜越好 树脂与沥青碳化特性 酚醛与呋喃树脂碳化特性酚醛与呋喃树脂可经高温热解后碳化 所形成的碳为无定形碳微晶结构 乱层结构 偏光下呈各同向性 无偏光效应 一般 树脂碳属硬碳或难石墨化的碳 树脂与沥青碳化特性 沥青碳化特性沥青是由多种多环芳香烃碳氢化合物所组成 一般分为 热固性沥青烯 BS 不溶于石油醚 但溶于苯和甲苯 树脂 BI 不溶于苯和甲苯 但溶于喹啉或吡啶 树脂 QI 不溶于喹啉或吡啶 高分子量芳香族化合物 沥青碳化率 0 95QI 0 85 BI QI 0 3 0 5 BS 沥青的压力碳经历以下历程 低分子量物质的挥发气化 脱氢 缩合 裂化和分子的重排 并形成平面形芳环分子 各向同性的液态沥青在400 以上形成液晶中间相 中间相又畸变变形 聚集并固化成层状排列的分子结构的碳 这种层状排列的分子结构的碳 在2000 2500 易形成各向异性的碳 易石墨化 沉积碳沉积碳是含碳的烷 烯 炔类有机化合物前驱体 经热解后沉积在预制体碳纤维上的碳 在C C复合材料中采用CVD CVI工艺时 多采用的CVD碳的前驱体多为甲烷丙烷 乙烯 丙烯或乙炔 有的还采用天然气作为前驱体 在液相气化CVD CLVD 则采用煤油等含碳前驱体 沉积碳 沉积碳是通过CVD CVI将热解碳沉积在预制体碳纤维表面 并不断沉积增厚 CVD CVI工艺原理可有以下过程 反应气体通过层流渗透进预制体孔隙 开孔 并沿着碳纤维表面 沉积衬底 的便界层扩散纤维表面吸附反应气体 反应气体在沉积衬底上发生热解反应反应生成的固态碳沉积在碳纤维表面上所产生的气体在沉积衬底解吸附 冰岩边界层区域向孔隙开口处扩散所产生的反应生成的气体排出 3 树脂浸渍碳化工艺 4 CVD CVI工艺 Processingofcarbon carboncompositrsbychemicalvapordeposition CVD process MultipleCycles CarbonFiber Preform CVD C CComposite C C复合材料CVD CVI工艺的种类主要有 等温法压力梯度法温度梯度法化学液气相沉积法 等温CVD法 等温工艺也称为恒温法 是目前C C复合材料制备中最常用的方法 等温法是指预制体在经CVD碳填充时 整个预制体处于同一温度下 等温法突出特点是可以生产大型C C复合材料构件 并可同一炉生产多件 等温法又分为 真空等温法和压力等温法两者的区别在于CVD炉内压力影响CVD法沉积的工艺参量 温度压力反应气体流量及浓度 CVD CVI其他工艺 等温CVD工艺的最大缺点是沉积速度慢 C C复合材料达到设计的致密度往往需要经过反复CVD 出炉 机加工等工序 需要1000 2000小时才能完成 而且由于沉积速度慢 反应气体的利用率非常低 需回收分离 因此 等温工艺造成C C复合材料的成本非常高 为了提高CVD沉积速度 作为等温工艺的改进 提出了以下一些改进的工艺 压力梯度CVD工艺温度梯度CVD工艺压力 温度梯度CVD工艺CLVD等工艺 压力梯度工艺 压力梯度CVD工艺是利用反应气体通过预制体时的强制流动 预制体对流动气体产生阻力 在预制体上下 内外形成压力梯度 工艺特点 随着反应气体压力的增加 扩散速度及反应速度加快 沉积速度加快孔隙开口端由于气体流动加快后 不易密封 并随着孔隙沉积碳的不断沉积填充 预制体上下 内外的压力梯度增大压力梯度的增大 有进一步提高了反应 沉积速度 温度梯度工艺 温度梯度工艺是利用预制体内发热体形成预制体内外温度梯度 造成反应气体在内 外侧的扩散及沉积速度不同 从而避免了预制体外层表面的结壳 而内侧则提高沉积速度工艺特点 CVD炉加热需采用感应加热方式预制体多为空心筒体或椎体 内有石墨模具 做发热体 预制体需采用导热性较低的纤维沉积碳沉积由预制体内道外逐渐填充 首先是靠近发热体内侧沉积通过反应气体流量及压力控制 形成预制体内外较大温差 化学液气相沉积法 CLVD CLVD工艺是29世纪80年代首先由法国发明的 开拓了制备C C复合材料的新思路 并迅速的到重视 CLVD是预制体浸泡在业态前驱体中 通过加热 是预制体孔隙中的液态前驱体气化 裂解沉积 而不是直接由气相扩散渗透后裂解沉积 CLVD工艺致密化的过程实际上是气固表面的多相化学反应 是一种特殊形式的CVD工艺 传统CVD工艺主要是扩散传质 而CLVD工艺中先驱体的传输主要为流动传输 因此具有很高热解碳沉积速率 CLVD原理示意图 CLVD致密化过程 将预制体浸渍于液态烃先驱体中 如环己烷 煤油等 将整个系统加热至液态先驱体沸点 液态烃沸腾 气化热损失使预制体外表面一侧温度下降而发热体接触的内表面仍保持高温在预制体内部产生较大的温度梯度当加热到一定的温度梯度后 预制体内侧高温区烃就会发生裂解反应沉积出热解碳随着反映的进行 致密化前沿从预制体内侧逐渐向外推移 最后完成预制体的致密化 前驱体液态烃的选择原则 含碳量高 不含或少含杂原子 纯度较高沸点适中较低热解温度 物质结构中含有活性基团高残碳率 成本低 无毒或毒性小考虑到大量异构体存在 前驱体的碳原子数以6 8个为好 如环己烷 煤油 航煤3 柴油 0 三种燃油低分子烃混合物 成分复杂 沸点偏高些 但价格便宜 来源广泛 常用作CLVD液态前驱体 CLVD加热方式 CLVD加热方式主要有两种 电阻式加热和感应式加热电阻式加热电阻式加热即对预制体直接通电加热特点 效率高 速度快 可以直接对工件进行加热 达到形成温度梯度的目的 感应式加热感应式加热是通过电磁感应方式加热 因此首先受热的是预制体内部 热量由内向外传递 形成温度梯度特点 对前驱体无任何导电要求 安全性也大大提高 但发热效率和升温速度要差一些 碳碳复合材料存在的不足 高温氧化气氛下极易氧化碳复合材料生产的成本较高大尺寸制造工艺也有待提高目前在C C复合材料研究领域亟待解决的问题 研究高效 低成本的 快速制备的工艺方法 研究能在1800 以上长期使用的抗氧化涂层 研究高性能耐烧蚀C C复合材料并应用于固体火箭喉衬材料 改进C C复合材料的摩擦磨损性能 使之更加满足于刹车材料的应用 特性 尽管碳 碳复合材料有诸多优良的高温性能 但它在温度高于400 的有氧环境中发生氧化反应 导致材料的性能急剧下降 因此 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 目前使用最多的是涂层的方法 随着技术的不断进步 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 应用及发展 碳 碳复合材料由于其独特的性能 已广泛应用于航空航天 汽车工业 医学等领域 碳碳复合材料的发展主要受宇航工业发展的影响 它具有高的灼烧热 低的烧蚀率抗热冲击和超热环境下具有高强度等一系列优点 被认为是一种高性能的的烧蚀材料 除此之外 还广泛应用于汽车工业 医学等领域 碳碳复合材料坩埚 碳复合材料刹车盘 人造骨骼与人造心脏瓣膜