材料世界新成員——碳碳復合材料

材料世界新成員——碳碳復合材料

C/C復合材料是指以碳纖維作為增強體,以碳作為基體的一類復合材料。作為增強體的碳纖維可用多種形式和種類,既可以用短切纖維,也可以用連續長纖維及編織物。各種類型的碳纖維都可用于C/C復合材料的增強體。碳基體可以是通過化學氣相沉積制備的熱解碳,也可以是高分子材料熱解形成的固體碳。C/C復合材料作為碳纖維復合材料家族的一個重要成員,具有密度低、高比強度比模量、高熱傳導性、低熱膨脹系數、斷裂韌性好、耐磨、耐燒蝕等特點,尤其是其強度隨著溫度的升高,不僅不會降低反而還可能升高,它是所有已知材料中耐高溫性最好的材料。因而它廣泛地應用于航天、航空、核能、化工、醫用等各個領域。

C/C復合材料的制備工藝主要有兩種方法:化學氣相法(CVD或CVl)和液相浸漬一碳化法。前者是以有機低分子氣體為前驅體,后者是以熱塑性樹脂(石油瀝青、煤瀝青、中間相瀝青)或熱固性樹脂(呋喃、糠醛、酚醛樹脂)為基體前驅體,這些原料在高溫下發生一系列復雜化學變化而轉化為基體碳。為了得到更好的致密化效果,通常將化學氣相法和液相浸漬一碳化法進行復合致密化,得到具有理想密度的C/C復合材料。

1、化學氣相法

化學氣相法(cVD或cVI)是直接在坯體孔內沉積碳,以達到填孔和增密的目的。沉碳易石墨化,且與纖維之間的物理兼容性好,而且不會像浸漬法那樣在再碳化時產生收縮,而這種方法的物理機械陛能比較好。但在cVD過程中,如果碳在坯體表面沉積就會阻止氣體向內部孔的擴散。對于表面沉積的碳應用機械的方法除去,再進行新一輪沉積。對于厚制品,CVD法也存在著一定的困難,而且這種方法的周期也很長。

2、液相浸漬法一碳化法

液相浸漬法相對而言設備比較簡單,而且這種方法適用性也比較廣泛,所以液相浸漬法是制備C/C復合材料的一個重要方法。它是將碳纖維制成的預成型體浸入液態的浸漬劑中,通過加壓使浸漬劑充分滲入到預成型體的空隙中,再通過固化、碳化、石墨化等一系列過程的循環,最終得到C/C復合材料。它的缺點是要經過反復多次浸漬、碳化的循環才能達到密度要求。液相浸漬法中浸漬劑的組成和結構十分重要,它不僅影響致密化效率,而且也影響制品的機械性能和物理性能。提高浸漬劑碳化收率,降低浸漬劑的黏度一直是液相浸漬法制備C/C復合材料所要解決的重點課題之一。浸漬劑的高黏度和低碳化收率是目前C/C復合材料成本較高的重要原因之一。提高浸漬劑的性能不僅能提高C/C復合材料的生產效率,降低其成本,也可提高C/C復合材料的各種性能。C/C復合材料的抗氧化處理碳纖維在空氣中,于360℃開始氧化,石墨纖維要略好于碳纖維,其開始氧化的溫度為420℃,C/C復合材料的氧化溫度為450℃左右。C/C復合材料在高溫氧化性氣氛下極易氧化,并且氧化速率隨著溫度的升高迅速增大,若無抗氧化措施,在高溫氧化環境中長時間使用C/C復合材料必將引起災難性后果。因此,C/C復合材料的抗氧化處理已成為其制備工藝中不可缺少的組成部分。從抗氧化技術的途徑上看,可分為內部抗氧化技術和抗氧化涂層技術。

C/C復合材料的主要兩大應用領域C/C復合材料作為優異的熱結構、功能一體化工程材料,自1958年誕生以來,在軍工方面得到了長足的發展,其中最重要的用途是用于制造導彈的彈頭部件。由于其耐高溫、摩擦性好,目前已廣泛用于固體火箭發動機噴管、航天飛機結構部件、飛機及賽車的剎車裝置、熱元件和機械緊固件、熱交換器、航空發動機的熱端部件等。

1. 固體火箭發動機噴管上的應用

C/C復合材料自20世紀70年代首次作為固體火箭發動機(SRM)喉襯飛行成功以來,極大地推動了SRM噴管材料的發展。采用C/C復合材料的喉襯、擴張段、延伸出口錐,具有極低的燒蝕率和良好的燒蝕輪廓,可提高噴管效率l%~3%,即可大大提高sRM的比沖。喉襯部一般采用多維編織的高密度瀝青基C/C復合材料,增強體多為整體針刺碳氈、多向編織等,并在表面涂覆Sic以提高抗氧化性和抗沖蝕能力。

2、剎車領域的應用C/C復合材料剎車盤的實驗性研究于1973年第一次用于飛機剎車。目前,一半以上的C/C復合材料用作飛機剎車裝置。高性能剎車材料,要求高比熱容、高熔點以及高溫下的強度,C/C復合材料正好適應了這一要求,制作的飛機剎車盤重量輕、耐溫高、比熱容比鋼高2.5倍;同金屬剎車材料相比,可節省40%的結構重量。碳剎車盤的使用壽命是金屬基的5~7倍,剎車力矩平穩,剎車時噪聲小,因此碳剎車盤的問世被認為是剎車材料發展史上的一次重大的技術進步。目前法國歐洲動力、碳工業等公司已批量生產c妃復合材料剎車片,英國鄧祿普公司也已大量生產C/C復合材料剎車片,用于賽車、火車和戰斗機的剎車材料。


C/C復合材料的性能提高方法 1、耐燒蝕性能的提高針對固體火箭發動機噴管喉襯材料的應用,重點在于C/C復合材料的耐燒蝕性能。目前,常采用C/C滲銅(Cu)或C/C滲難熔金屬碳化物(Tac、HfC、z芘)兩種方法進行提高C/C復合材料的耐燒蝕性能,從而滿足新一代火箭喉襯材料的需求。 2、耐摩擦磨損性能研究C/C復合材料耐摩擦磨摜陛能優異,其摩擦因6合成纖維SFC2011 No.1數適當且穩定,飛機剎車用C/C復合材料,壽命提高近5倍,剎車性能也明顯高于粉末冶金剎車材料f笠-蠲。70年代中期,英國Dunlop航空公司的C/C復合材料剎車片首次在協和式飛機上試飛成功以來,得到很大發展,已廣泛應用于高速軍用飛機和大型高音速民用客機:F16、B737、B757、B767、B777及暴風雪等型號。目前航空剎車用C/C復合材料主要由世界上的五家公司生產,它們是法國的Messier、美國的Goodrich、Bendix、Goodyear及英國的Dunlop。

C/C復合材料不同于一般的摩擦材料,其摩擦磨損機理既具有一般摩擦材料的共性,又具有自己的特性。目前仍未有完整的摩擦磨損理論。Kimura認為摩擦兇數高于O.4時,磨損機制主要為磨粒磨損;低于O.4,則主要為氧化磨損。Awasthi等人認為潤滑膜是摩擦面的表層經破壞、滾、壓等過程所形成;同時潤滑膜在摩擦作用下破壞而產生剝離,形成磨屑。這些磨屑一部分會再被壓成新的潤滑膜,如此循環反復,另一部分磨屑貝峪破壞形成較小的磨屑,掉入空氣中形成質量損失。兇此,造成磨屑的來源有二:①來自磨損開始時磨屑的大量產生;②來自潤滑層破壞所產生的磨屑。此外,由于C/C—cu復合材料中含有自潤滑性能的碳材料,從而在減磨材料方面的應用具有很大潛力。對C/C—cu復合材料的摩擦磨損性能進行深入研究,能夠為該種材料在摩擦領域的應用提供理論依據。

C/C復合材料展望 C/C復合材料自20世紀60年代發明以來,就受到軍事、航空航天、核能以及許多民用工業領域的極大關注。然而,由于C/C復合材料制造工藝復雜、技術難度大,原材料價格昂貴,產品成本長期居高不下,其用途仍然限制在一些工作條件苛刻的部位,以及其它材料不能替代的航空航天和軍事領域。目前在C/C復合材料研究領域,最需要解決的問題是:研究高效、低成本、快速制備工藝方法;研究能在1 800℃以上長期使用的抗氧化涂層;研究高性能耐燒蝕C/C復合材料并應用于固體火箭喉襯材料;改進C/C復合材料的摩擦磨損性能,使之萬方數據更加滿足于剎車材料的應用。


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