文档介绍：碳/碳复合材料与纳米增强体
1
C/C 复合材料
1. 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。
增强剂----碳(石墨)纤维或其织物
基体----碳或石墨
复合材料组成----全碳质材料
C/C复合材料的概述
2
石墨: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)
除能保持碳(石墨)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。
2. 为什么需要这样的复合材料
3
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。
在非氧化环境下耐热可保持在2000℃以上,是再入环境中的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,~。
4
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;
(1)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900MPa。(通用钢材强度500~600MPa)。
(2)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,是当今在太空环境下使用的高温力学性能最好的材料。
(3)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。
5
化学稳定性
(1)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一样的化学稳定性。
(2)耐腐蚀性
C/C像石墨一样具有耐酸、碱和盐的化学稳定性。
(3)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
7
C/C复合材料的制备
C/C用碳纤维选择
C/C的基体前驱体
8
1. C/C的增强材料----碳纤维选择
1)碳纤维碱金属等杂质含量越低越好
原因: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。碱金属含量<50mg/kg的超纯碳纤维的研制也正在进行中。
9
2)对性能要求
采用高模量中强或高强中模量碳纤维制造C/C。
不仅强度和模量的利用率高,而且具有优异的热性能。
例如:选用高模量型或中模量系列纤维。
由于优异的石墨层平面和较好的择优取向,抗氧化性能不仅优于通用的乱层石墨结构碳纤维,而且热膨胀系数小,可减小浸渍碳化过程中产生的收缩以及减少因收缩而产生的裂纹。
1. C/C的增强材料----碳纤维选择
10