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1、碳碳复合材料的制备碳碳复合材料的制备方法方法现在学习的是第1页，共36页4.1 复合材料的基本概念和性能4.2 树脂基复合材料的制备方法4.4 陶瓷基复合材料的制备方法4.5 碳/碳复合材料的制备方法现在学习的是第2页，共36页是由碳纤维或各种碳织物增强碳，或石墨化的脂碳（沥青）以及化学气相沉积（CVD）碳所形成的复合材料，是具有特殊性能的新型工程材料。现在学习的是第3页，共36页v碳/碳复合材料由三种不同组分构成，即、和。由于它几乎完全是由元素碳组成，故能承受极高的温度和极大的加热速率。v通过碳纤维适当的取向增强，可得到通过碳纤维适当的取向增强，可得到力学性能优良力学性能优良的材料，的材料，
2、在高温时这种性能保持不变甚至某些性能指标有所提高。在高温时这种性能保持不变甚至某些性能指标有所提高。v碳碳/碳复合材料碳复合材料抗热冲击抗热冲击和和抗热导能力抗热导能力极强，且具有一定的极强，且具有一定的化化学惰性学惰性。现在学习的是第4页，共36页v 碳/碳复合材料的发展主要受宇航工业发展的影响。它具有、，和等一些列优点，被认为是一种高性能的烧蚀材料。碳/碳复合材料可以作为导弹的鼻锥，烧蚀率低且烧蚀均匀，从而提高导弹的突防能力和命中率。现在学习的是第5页，共36页v碳/碳复合材料还具有优异的和，使其在飞机刹车片和轴承等方面得到了应用；它也可以作为飞机的刹车盘。C/C在航天领域中的应用在航天领
3、域中的应用C/C作为刹车盘作为刹车盘现在学习的是第6页，共36页v 碳与，再加上碳/碳复合材料的，使之适宜制成生物构件插入到活的生物机体内作整形材料，如人造骨骼、心脏瓣膜等。人工心脏瓣膜人工心脏瓣膜人造骨骼关节人造骨骼关节现在学习的是第7页，共36页v鉴于碳/碳复合材料具有系列优异性能，它们在宇宙飞船、人造卫星、航天飞机、导弹、原子能、航空以及一般工业部门中得到了日益广泛的应用。v今后，随着生产技术的革新，产量进一步扩大，廉价沥青基碳纤维的开发及复合工艺的改进，碳/碳复合材料将会有更大的发展。现在学习的是第8页，共36页v碳碳/碳复合材料的成型加工方法很多，其各种工艺过程大致碳复合材料的成型加
4、工方法很多，其各种工艺过程大致可归纳为下图几种方法：可归纳为下图几种方法：现在学习的是第9页，共36页在沉碳和浸渍树脂或沥青之前，增强碳纤维或其织物应预先成型为一种坯体。坯体可通过、或喷射成型、以及等方法制得。v 碳纤维长丝或带缠绕碳纤维长丝或带缠绕方法，可根据不同的要求和用途选择适宜方法，可根据不同的要求和用途选择适宜的缠绕方法。的缠绕方法。现在学习的是第10页，共36页v 碳毡碳毡可由人造丝毡碳化或聚丙烯腈预氧化、碳化后制得。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，可以碳纤维在碳毡叠层后，可以碳纤维在X、Y、Z的方向三向增强，制的方向三向增强，制得三向增强毡，如下图所示。
5、得三向增强毡，如下图所示。现在学习的是第11页，共36页v喷射成型喷射成型是把切断的碳纤维是把切断的碳纤维(约为约为0.025mm)配制成碳纤维配制成碳纤维-树脂树脂-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。使其成型。现在学习的是第12页，共36页v用碳布或石墨纤维布叠层后进行针刺，可用空心细颈金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。下图是属棒引纱。下图是AVCD公司编织的坯体。公司编织的坯体。现在学习的是第13页，共36页v在坯体的研制中，发展的重点是多向织物，如三向、四在坯体的研制中，发展的重点是多向织物
6、，如三向、四向、五向或七向等，目前是以三向织物为主。向、五向或七向等，目前是以三向织物为主。碳纤维从碳纤维从X、Y、Z三个方向互三个方向互成成90正交排列，三个方向的纱线并正交排列，三个方向的纱线并不交织，不交织，X和和Y方向的纱线交替的方向的纱线交替的叠层，叠层，Z方向的纱线起增强作用。方向的纱线起增强作用。因此因此XYZ方向的纱线并没有交织点方向的纱线并没有交织点，只有重合点，可充分发挥织物里，只有重合点，可充分发挥织物里每个纤维的力学性能。每个纤维的力学性能。v 三维织物研究的重点在三维织物研究的重点在细编织细编织及其工艺、各向纤维的排列对及其工艺、各向纤维的排列对材料的影响等方面。材料
7、的影响等方面。现在学习的是第14页，共36页v 三向织物的细编程度越高，碳/碳复合材料的性能越好，尤其是作为耐烧蚀材料更是如此。细编程度常用织物的正向间距大小来衡量。，。v 在三向编织的基础上，对四向和七向编织物也进行了研究，在三向编织的基础上，对四向和七向编织物也进行了研究，四向织物是在相应于立方体的四个长对角线方向上进行编织四向织物是在相应于立方体的四个长对角线方向上进行编织，由于编织方向增多，改善了三向织物的非轴线方向的性能，由于编织方向增多，改善了三向织物的非轴线方向的性能，使材料的各部分性能超于平衡，提高了强度（主要是剪切，使材料的各部分性能超于平衡，提高了强度（主要是剪切强度），降
8、低了材料的热膨胀系数。强度），降低了材料的热膨胀系数。现在学习的是第15页，共36页碳/碳复合材料的碳基体有：-合成树脂或沥青经碳化和石墨化而得-由烃类气体的气相沉积而成 基体碳可通过化学气相沉积或浸渍高分子聚合物碳化来获得。现在学习的是第16页，共36页可归结为以下几方面：（1）把来源于煤焦油和石油的熔融沥青在加热条件下浸渍到把来源于煤焦油和石油的熔融沥青在加热条件下浸渍到碳碳/石墨纤维结构中去，随后进行热解和再浸渍。石墨纤维结构中去，随后进行热解和再浸渍。（2）已知有些树脂基体在热解后具有很高的焦化强度，热已知有些树脂基体在热解后具有很高的焦化强度，热解后的产物能够很有效地渗入较厚的纤维结
9、构，热解后必须解后的产物能够很有效地渗入较厚的纤维结构，热解后必须进行再浸渍再热解，如此反复若干次。进行再浸渍再热解，如此反复若干次。（3）通过气相（通常是用烷和氧气，有时还有少量氢气）化学通过气相（通常是用烷和氧气，有时还有少量氢气）化学沉淀法在热的基质材料（如碳沉淀法在热的基质材料（如碳/石墨纤维）上形成高强度热解石墨石墨纤维）上形成高强度热解石墨。也可以把气相化学沉积法和上述两种工艺结合起来以提高碳。也可以把气相化学沉积法和上述两种工艺结合起来以提高碳/碳复碳复合材料的物料性能。合材料的物料性能。现在学习的是第17页，共36页（4）把由上述方法制备的但仍然是多孔状的碳把由上述方法制备的但
10、仍然是多孔状的碳/碳复合材料碳复合材料在能够形成耐热结构的液态单体中浸渍，是又一种精制方法，可在能够形成耐热结构的液态单体中浸渍，是又一种精制方法，可选用的这类单体很有限，但是由四乙烯基硅酸盐和强无机酸盐催选用的这类单体很有限，但是由四乙烯基硅酸盐和强无机酸盐催化剂组成的渗透液将会产生具有良好耐热性的硅化剂组成的渗透液将会产生具有良好耐热性的硅-氧网路。硅树氧网路。硅树脂也可以起到同样的作用。脂也可以起到同样的作用。现在学习的是第18页，共36页v 用煤焦油沥青浸渍碳/石墨纤维可得碳/碳复合材料。目前已设计了一种（简称HPIC）来提高碳/碳复合材料的致密程度。v 工艺要点是：在热压罐中以大约工
11、艺要点是：在热压罐中以大约100MPa压力下浸渍复合材压力下浸渍复合材料，工艺周期如下图所示：料，工艺周期如下图所示：现在学习的是第19页，共36页现在学习的是第20页，共36页以300C/h 的升温速率从室温升到600C以20C/h 的升温速率从600C升到1000C以70C/h 的升温速率从1000C升到2500C以100C/h 的升温速率从2500C升到2700C+（025C）在2700C+（025C）下浸渍30min冷却并卸压现在学习的是第21页，共36页在碳在碳/石墨纤维结构中浸渍热解后的树脂基体，碳石墨纤维结构中浸渍热解后的树脂基体，碳/石墨纤维增强石墨纤维增强树脂在随后的再浸渍和
12、再热解中会流下越来越多的焦化沉淀物。这树脂在随后的再浸渍和再热解中会流下越来越多的焦化沉淀物。这样石墨纤维周围会出现一层碳素物质，从而形成碳样石墨纤维周围会出现一层碳素物质，从而形成碳/碳复合材料。碳复合材料。现在学习的是第22页，共36页v 采用合成树脂制备碳采用合成树脂制备碳/碳复合材料的原因：碳复合材料的原因：v 在工艺低温度和低压力下具有低粘度这点上，合成树脂比在工艺低温度和低压力下具有低粘度这点上，合成树脂比石油或煤焦油沥青强石油或煤焦油沥青强v 合成树脂的纯度比天然产物高，化学结构更容易鉴定，合成树脂的纯度比天然产物高，化学结构更容易鉴定，沥青的成分常随产地和提炼方法而异。沥青的成
13、分常随产地和提炼方法而异。比较容易得到含碳量高的树脂体系，并可能转化为耐高温比较容易得到含碳量高的树脂体系，并可能转化为耐高温的碳素产物。的碳素产物。现在学习的是第23页，共36页CVD可以用来代替碳可以用来代替碳/石墨纤维浸渍沥青或合成树脂基体的工石墨纤维浸渍沥青或合成树脂基体的工艺过程，也可以在碳艺过程，也可以在碳/石墨纤维浸渍基体之外再用石墨纤维浸渍基体之外再用CVD处理。处理。现在学习的是第24页，共36页v将 甲 烷 之 类 的 烃 类 气 体 混 合 氢、氩 之 类 的 载 气 于将 甲 烷 之 类 的 烃 类 气 体 混 合 氢、氩 之 类 的 载 气 于10001100C进行热
14、分解，在坯体的空隙中沉碳（如图所示）进行热分解，在坯体的空隙中沉碳（如图所示）。现在学习的是第25页，共36页v在沉碳之前，含碳气体中先生成一些活性基团，然后与胚体在沉碳之前，含碳气体中先生成一些活性基团，然后与胚体纤维的表面接触进行沉碳。纤维的表面接触进行沉碳。v为了得到致密的碳为了得到致密的碳/碳复合材料，在沉积过程中必须让这些碳复合材料，在沉积过程中必须让这些活性集团扩散到坯体的空隙内部，如果含碳量气体在通过坯活性集团扩散到坯体的空隙内部，如果含碳量气体在通过坯体之前生成的活性基团的速度太快，则容易形成表面涂层，体之前生成的活性基团的速度太快，则容易形成表面涂层，这对进一步渗透到内部不利
15、，有碍于内部沉碳。这对进一步渗透到内部不利，有碍于内部沉碳。现在学习的是第26页，共36页（简称PC）和是在1100C左右碳源蒸气经热解而沉积在基质材料上的碳质的总称。（简称PG）由碳氢化合物气体在17502250C沉积的碳，PG的电性能、热性能和力学性能是各向异性的，随测方向而变化。vCVD技术的通用性是显而易见的，这反映在多种多样的产物技术的通用性是显而易见的，这反映在多种多样的产物上面，例如，除了上面，例如，除了热解石墨热解石墨以外，还有钛、硅和硼的碳化物。硅以外，还有钛、硅和硼的碳化物。硅和钛的硼化物，都能利用和钛的硼化物，都能利用CVD技术来大幅度地提高碳技术来大幅度地提高碳/碳复合
16、材碳复合材料的物理性能。料的物理性能。现在学习的是第27页，共36页根据实际操作情况，目前化学气相沉积基体碳主要采用四种方法，即、和：是将坯体放在恒温的空间里（9501150C），在适当低的压力(0.1320KPa）下让烃类气体在坯体表面流过，其部分含碳气体扩散到坯体孔隙内产生热解碳，沉碳速率（2.626cm/h）取决于气体的扩散速率。现在学习的是第28页，共36页此法渗透时间长，每一周需此法渗透时间长，每一周需50120h，由于靠近坯体表面的孔，由于靠近坯体表面的孔优先被填充，生成硬壳，故在渗透过程中要进行机械加工将优先被填充，生成硬壳，故在渗透过程中要进行机械加工将其硬壳层除去，然后再继续
17、沉碳。图其硬壳层除去，然后再继续沉碳。图4-47表示表示材料的密度和材料的密度和结构结构与与沉积温度沉积温度和和压力压力之间有一定的关系。之间有一定的关系。现在学习的是第29页，共36页温度、压力、气流和炉子的几何形状都会影响热解碳和热解石温度、压力、气流和炉子的几何形状都会影响热解碳和热解石墨的沉积速率。此外，还要采用适当的工艺措施以避免造成乌墨的沉积速率。此外，还要采用适当的工艺措施以避免造成乌黑多灰的各向同性碳，因为这种碳不易石墨化。黑多灰的各向同性碳，因为这种碳不易石墨化。现在学习的是第30页，共36页与均热流类似，其过程也受气体扩散所支配，与均热流类似，其过程也受气体扩散所支配，但因
18、炉压较高，铅坯体厚度方向可形成一定的温差，图但因炉压较高，铅坯体厚度方向可形成一定的温差，图4-48是这类沉积的一例。是这类沉积的一例。此法此法沉积周期短沉积周期短，制品密度高制品密度高，性性能比均热法更好能比均热法更好。存在的问题是重。存在的问题是重复性差，不能在同一时间内加工不复性差，不能在同一时间内加工不同的坯体和多个坯体，坯体的形状同的坯体和多个坯体，坯体的形状也不能太复杂。也不能太复杂。现在学习的是第31页，共36页是在沿坯体厚度方向造成一定的压力差，反应气体被强行通过多孔坯体，如图4-49所示。此法此法沉积速度快沉积速度快，渗透时渗透时间较短间较短，沉积的碳也较均匀沉积的碳也较均匀
19、，适用于外部透气性低的部，适用于外部透气性低的部件。由于易生成表面硬层，件。由于易生成表面硬层，在沉积过程中需要中间加工在沉积过程中需要中间加工。现在学习的是第32页，共36页抽真空过程中有利于气体反应产物的排除。由于它能抽真空过程中有利于气体反应产物的排除。由于它能增加渗透深度，故适宜制造不透气的石墨材料。增加渗透深度，故适宜制造不透气的石墨材料。是一种改进了的均热法，在沉积过程中利用脉冲阀交替的充气和抽真空，图4-50为此法的示意图。现在学习的是第33页，共36页 化学气相沉积法工艺简单沉积过程中纤维不受损伤，制品的结构较均匀和完整，故致密性好，强度高。为了满足各种使用的需要，制品的密度和密度梯度也能够加以控制，所以此法近年来发展较快。现在学习的是第34页，共36页思考题：碳碳复合材料的特殊优点及应用领域现在学习的是第35页，共36页现在学习的是第36页，共36页