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1、碳/碳復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)

 

碳/碳（C/C）復(fù)合材料可以在增強(qiáng)相的不同方向（碳纖維）下制造，因此按照增強(qiáng)碳纖維結(jié)構(gòu)可以分為：單向結(jié)構(gòu)、雙向結(jié)構(gòu)（由多根碳纖維紗制成的布）、多向結(jié)構(gòu)（3D、4D、 5D等）。

 

多向增強(qiáng)在織造結(jié)構(gòu)的方向上提供了最高水平的機(jī)械性能。最簡單的多方向增強(qiáng)包括由直碳纖維織成的3D正交結(jié)構(gòu)。

 

2、碳/碳復(fù)合材料的制備方法

 

2.1 液相滲透法制備碳/碳復(fù)合材料

 

具體加工流程如下：

 

制備具有所需結(jié)構(gòu)和形狀的碳纖維/ 石墨纖維預(yù)成型坯。

 

液體滲透到預(yù)成型坯中：石油瀝青/ 酚醛樹脂 /煤焦油。

 

熱解/碳化的聚合物前驅(qū)體在1000-1830ºF（538-1000ºC）常壓或高壓處理。

 

滲透-熱解循環(huán)重復(fù)數(shù)次（3-10）次，直到達(dá)到所需的密度。

 

石墨化熱處理。在這一階段，無定形碳轉(zhuǎn)化為結(jié)晶石墨。處理溫度可能會(huì)在2700-5400°F（1500-3000°C）范圍內(nèi)變化。典型的石墨化溫度4530°F（2500°C）。碳/碳復(fù)合材料的石墨化會(huì)使得復(fù)合材料的彈性模量和強(qiáng)度增加。

 

2.2 化學(xué)氣相沉積法制備碳/碳復(fù)合材料

 

具體加工流程如下：

 

制備具有所需結(jié)構(gòu)和形狀的碳纖維/ 石墨纖維預(yù)成型坯。

 

通過化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)對復(fù)合材料進(jìn)行致密化。在CVD工藝涉及在1800-2200ºF（982-1204ºC）溫度下使用加壓烴類氣體（丙烷、甲烷、丙烯、乙炔、苯）預(yù)成型體的浸潤。氣體被熱解，在纖維表面形成碳沉積。處理持續(xù)時(shí)間取決于預(yù)成型坯的厚度，氣體通過該預(yù)成型坯擴(kuò)散。

 

石墨化熱處理。在這一階段，無定形碳轉(zhuǎn)化為結(jié)晶石墨。處理溫度可能會(huì)在2700-5400°F（1500-3000°C）范圍內(nèi)變化。典型的石墨化溫度為4530°F（2500°C）。

 

通過化學(xué)氣相沉積工藝制備得到的碳/碳復(fù)合材料相比于液相滲透技術(shù)，會(huì)具有更高的彈性模量和機(jī)械強(qiáng)度。

 

3、碳/碳復(fù)合材料的性能

 

優(yōu)良的抗熱震性能 ；

 

熱膨脹系數(shù)低；

 

高彈性模量（高達(dá)29000 ksi / 200 GPa）；

 

高導(dǎo)熱率（約700 BTU * in /（hr *ft²*ºF）/ 101 W / m * K；

 

低密度（約114 lb /ft³/ 1.83 *10³kg/m³）；

 

高強(qiáng)度；

 

低摩擦系數(shù)（沿纖維方向）；

 

在非氧化氣氛中具有出色的耐熱性，C/C復(fù)合材料在高達(dá)5432ºF（3000ºC）的溫度下仍保持其機(jī)械性能；

 

高耐磨性；

 

高電導(dǎo)率 。

 

4、碳/碳復(fù)合材料的氧化保護(hù)

 

碳/碳復(fù)合材料的主要缺點(diǎn)是抗氧化性低。碳材料在高于900ºF（482ºC）的溫度下與氧氣發(fā)生反應(yīng)。以下方法用于碳/碳復(fù)合材料的氧化保護(hù)：

 

防護(hù)涂料。碳化物、氮化物和氧化物的陶瓷涂層，可以通過化學(xué)氣相沉積（CVD）、物理氣相沉積（PVD）或等離子噴涂方法來沉積保護(hù)涂層。

 

氧化的浸漬抑制劑無機(jī)鹽、硼酸鹽和硅酸鹽玻璃、磷酸鹽、硼的氧化物、聚硅氧烷、鹵素化合物。

 

將基體材料從碳替換為SiC，C-SiC復(fù)合材料具有出色的抗氧化性。

 

5、碳/碳復(fù)合材料的典型應(yīng)用

 

 

高性能制動(dòng)系統(tǒng)（如高速飛機(jī)制動(dòng)盤）；

 

耐火材料（例如保護(hù)管和格柵）；

 

熱壓模具；

 

加熱元件；

 

渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)組件（如火箭噴嘴）。