碳纤维复合材料

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1、第六章C/C复合材料定义：C/C复合材料是以碳（或石墨）纤维及其织物为增强材料，以碳（或石墨）为基体，通过加工处理和碳化处理制成的全碳质复合材料。C/C复合材料发展；C/C复合材料的特性；C/C复合材料的原材料；C/C复合材料成型加工方法；C/C复合材料应用。6.1C/C复合材料的发展石墨：具有耐高温、抗热震、导热好、弹性模量高、耐磨、化学惰性以及强度随温度升高而增加等性能，是优异的适合于惰性气体环境和烧蚀环境的高温材料。但韧性差，对裂纹敏感。C/C复合材料：以碳纤维增强碳基体的C/C复合材料。它除能保持碳（石墨

2、）原来的优良性能外，又能克服它的缺点，大大提高了韧性和强度，降低了热膨胀系数，尤其是因为相对密度小，具有很高的比强度和比模量。材料的发展与需求相联系耐烧蚀材料需求：飞船返回舱和航天飞机的鼻嘴最高温度分别为1800℃和1650℃。C/C具有高烧蚀热、低的烧蚀率、抗热冲击和超热环境下具有高强度等优点。可耐受10000℃的驻点温度，在非氧化环境下可保持在2000℃以上。是再入环境中高性能的理想烧蚀材料。高温耐磨材料需求：C/C是唯一能在极高温度下使用的摩阻材料，且密度仅为1.7～1.9。6.2C/C复合材料的特性C/C

3、复合材料的性能与纤维的类型、增强方向、制造条件以及基体碳的微观结构等密切相关。力学性能热物理性能烧蚀性能化学稳定性6.2.1力学性能C/C复合材料强度与组分材料性质、增强材料的方向、含量以及纤维与基体界面结合程度有关；室温强度和模量一般C/C：拉伸强度>270GPa、弹性模量>69GPa先进C/C：强度>349MPa，其中单向高强度C/C可达700MPa。（通用钢材强度500～600MPa）高温力学性能：室温强度可以保持到2500℃，在1000℃以上时，强度最低的C/C的比强度也较耐热合金和陶瓷材料的高，是当今在

4、太空环境下使用的高温力学性能最好的材料。对热应力不敏感：一旦产生裂纹，不会像石墨和陶瓷那样严重的力学性能损失。6.2.2物理性能热膨胀性能低：常温下为-0.4～1.8×10-6/K，仅为金属材料的1/5～1/10；导热系数高：室温时约为0.38～0.45cal/cm·s·℃（铁：0.13），当温度为1650℃时，降为0.103cal/cm·s·℃。比热高：其值随温度上升而增大，因而能储存大量的热能，室温比能约为0.3kcal/kg·℃（铁：0.11）,1930℃时为0.5kcal/kg·℃。密度：<1.7～1.9

5、；熔点：4100℃。耐磨性：摩擦系数小，具有优异的耐磨擦磨损性能，是各种耐磨和摩擦部件的最佳候选材料。6.2.3烧蚀性能烧蚀性能：在高温高压气流冲刷下，通过材料发生的热解、气化、融化、升华、辐射等物理和化学过程，将材料表面的质量迁移带走大量的热量，达到耐高温的目的。C/C的升华温度高达3600℃，在这样的高温度下，通过表面升华、辐射除去大量热量，使传递到材料内部的热量相应地减少。表6-1不同材料的有效烧蚀热的比较6.2.4化学稳定性C/C除含有少量的氢、氮和微量金属元素外，几乎99%以上都是元素C，因此它具有和C

6、一样的化学稳定性。耐腐蚀性：C/C像石墨一样具有耐酸、碱和盐的化学稳定性；氧化性能：C/C在常温下不与氧作用，开始氧化温度为400℃，高于600℃会严重氧化。提高其耐氧化性方法—成型时加入抗氧化物质或表面加碳化硅涂层。6.2.5其他性能生物相容性好：是人体骨骼、关节、颅盖骨补块和牙床的优良替代材料；安全性和可靠性高：若用于飞机，其可靠性为传统材料的数十倍。飞机用铝合金构件从产生裂纹至破断的时间是1mim，而C/C是51mim。表6-2C/C与宇航级石墨ATJ-S性能比较性能温度℃T-50-221-44ATJ-5X

7、-y向Z向结晶向⊥结晶向密度241.91.83拉伸强度/MPa24250014028012623139.654.330.543.4抗拉模量/GPa24250059.440.952.430.511.711.27.87.4断裂延伸率/%2425000.180.20.20.210.452.00.542.2抗弯强度/MPa24250014219042.770.438.268.5T-50-221-44为三向正交细编C/C复合材料6.3C/C用组分材料选择C/C用碳纤维选择C/C的基体前驱体6.3.1C/C用碳纤维选择1）碳

8、纤维碱金属等杂质含量越低越好C/C的一个重要用途是耐烧蚀材料，钠等碱金属是碳的氧化催化剂；当C/C用来制造飞行器烧蚀部件时，飞行器飞行过程中由于热烧蚀而在尾部形成含钠离子流，易被探测和跟踪，突防和生存能力受到威胁。制造C/C的碳纤维碱金属含量要求<100mg/kg，目前黏胶基碳纤维和PAV基碳纤维（特别是石墨纤维）碱金属含量均满足要求。碱金属含量<50mg/kg的超纯碳纤