文档介绍：2018/10/8
碳碳/碳复合材料简介
碳/碳复合材料存在的不足
碳/碳复合材料应用及展望
主要内容
碳/碳复合材料制备工艺
2018/10/8
1. 简介
定义:碳/碳复合材料是指以碳纤维作为增强体,以碳作为基体的一类复合材料。
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。
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物理性能
碳/碳复合材料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。
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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的应用场合非常有利。因此可以被用作航天航空材料和刹车片材料。
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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 C 以上时, 其摩擦性能仍然保持平稳, 因此可用作刹车片材料。
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力学性能
碳/碳复合材料的力学性能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, 碳/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。
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碳化
短纤维与沥青或树脂混合物
预浸物
CVD渗透
石墨化
碳/碳复合材料
热压成型
浸渍树脂戍沥青
碳纤维成型物
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碳纤维成型物
石墨化的碳/碳复合材料
2018/10/8
碳化(carbonization) 将上述成形物在隔绝空气下热分解为碳和其他产物。
石墨化:利用热活化将热力学不稳定的炭原子实现由乱层结构向石墨晶体结构的有序转化。
石墨化原因
碳元素其外部电子结构有两种:一种是Sp3杂化轨道,金刚石结构,C一C 间为σ键。一种是SP2杂化,形成石墨片状结构,同一层中C一C 为σ键层与层之间是π键。
σ键很短很强, 结合力很强,π键相对较弱。
2018/10/8
由上可知:
σ键很短很强,π键相对较弱。因而导致了石墨碳具有各向异性,但沿层面方向具有优异的电、热和力学性能,通常情况下由于π键较弱,往往导致层与层间的堆垛不规则或无序,形成多晶碳。
由于石墨碳的优异性能源于其有序的结构,因而将无序结构转变为有序结构是碳/ 碳复合材料制造与应用中非常关键。往往采用热处理等他能量输入的方法进行石墨化转变。
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