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《碳纖維復(fù)合材料》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。
1、第六章C/C復(fù)合材料定義：C/C復(fù)合材料是以碳（或石墨）纖維及其織物為增強(qiáng)材料，以碳（或石墨）為基體，通過加工處理和碳化處理制成的全碳質(zhì)復(fù)合材料。C/C復(fù)合材料發(fā)展；C/C復(fù)合材料的特性；C/C復(fù)合材料的原材料；C/C復(fù)合材料成型加工方法；C/C復(fù)合材料應(yīng)用。6.1C/C復(fù)合材料的發(fā)展石墨：具有耐高溫、抗熱震、導(dǎo)熱好、彈性模量高、耐磨、化學(xué)惰性以及強(qiáng)度隨溫度升高而增加等性能，是優(yōu)異的適合于惰性氣體環(huán)境和燒蝕環(huán)境的高溫材料。但韌性差，對(duì)裂紋敏感。C/C復(fù)合材料：以碳纖維增強(qiáng)碳基體的C/C復(fù)合材料。它除能保持碳（石墨
2、）原來的優(yōu)良性能外，又能克服它的缺點(diǎn)，大大提高了韌性和強(qiáng)度，降低了熱膨脹系數(shù)，尤其是因?yàn)橄鄬?duì)密度小，具有很高的比強(qiáng)度和比模量。材料的發(fā)展與需求相聯(lián)系耐燒蝕材料需求：飛船返回艙和航天飛機(jī)的鼻嘴最高溫度分別為1800℃和1650℃。C/C具有高燒蝕熱、低的燒蝕率、抗熱沖擊和超熱環(huán)境下具有高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。可耐受10000℃的駐點(diǎn)溫度，在非氧化環(huán)境下可保持在2000℃以上。是再入環(huán)境中高性能的理想燒蝕材料。高溫耐磨材料需求：C/C是唯一能在極高溫度下使用的摩阻材料，且密度僅為1.7～1.9。6.2C/C復(fù)合材料的特性C/C
3、復(fù)合材料的性能與纖維的類型、增強(qiáng)方向、制造條件以及基體碳的微觀結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)。力學(xué)性能熱物理性能燒蝕性能化學(xué)穩(wěn)定性6.2.1力學(xué)性能C/C復(fù)合材料強(qiáng)度與組分材料性質(zhì)、增強(qiáng)材料的方向、含量以及纖維與基體界面結(jié)合程度有關(guān)；室溫強(qiáng)度和模量一般C/C：拉伸強(qiáng)度>270GPa、彈性模量>69GPa先進(jìn)C/C：強(qiáng)度>349MPa，其中單向高強(qiáng)度C/C可達(dá)700MPa。（通用鋼材強(qiáng)度500～600MPa）高溫力學(xué)性能：室溫強(qiáng)度可以保持到2500℃，在1000℃以上時(shí)，強(qiáng)度最低的C/C的比強(qiáng)度也較耐熱合金和陶瓷材料的高，是當(dāng)今在
4、太空環(huán)境下使用的高溫力學(xué)性能最好的材料。對(duì)熱應(yīng)力不敏感：一旦產(chǎn)生裂紋，不會(huì)像石墨和陶瓷那樣嚴(yán)重的力學(xué)性能損失。6.2.2物理性能熱膨脹性能低：常溫下為-0.4～1.8×10-6/K，僅為金屬材料的1/5～1/10；導(dǎo)熱系數(shù)高：室溫時(shí)約為0.38～0.45cal/cm·s·℃（鐵：0.13），當(dāng)溫度為1650℃時(shí)，降為0.103cal/cm·s·℃。比熱高：其值隨溫度上升而增大，因而能儲(chǔ)存大量的熱能，室溫比能約為0.3kcal/kg·℃（鐵：0.11）,1930℃時(shí)為0.5kcal/kg·℃。密度：<1.7～1.9
5、；熔點(diǎn)：4100℃。耐磨性：摩擦系數(shù)小，具有優(yōu)異的耐磨擦磨損性能，是各種耐磨和摩擦部件的最佳候選材料。6.2.3燒蝕性能燒蝕性能：在高溫高壓氣流沖刷下，通過材料發(fā)生的熱解、氣化、融化、升華、輻射等物理和化學(xué)過程，將材料表面的質(zhì)量遷移帶走大量的熱量，達(dá)到耐高溫的目的。C/C的升華溫度高達(dá)3600℃，在這樣的高溫度下，通過表面升華、輻射除去大量熱量，使傳遞到材料內(nèi)部的熱量相應(yīng)地減少。表6-1不同材料的有效燒蝕熱的比較6.2.4化學(xué)穩(wěn)定性C/C除含有少量的氫、氮和微量金屬元素外，幾乎99%以上都是元素C，因此它具有和C
6、一樣的化學(xué)穩(wěn)定性。耐腐蝕性：C/C像石墨一樣具有耐酸、堿和鹽的化學(xué)穩(wěn)定性；氧化性能：C/C在常溫下不與氧作用，開始氧化溫度為400℃，高于600℃會(huì)嚴(yán)重氧化。提高其耐氧化性方法—成型時(shí)加入抗氧化物質(zhì)或表面加碳化硅涂層。6.2.5其他性能生物相容性好：是人體骨骼、關(guān)節(jié)、顱蓋骨補(bǔ)塊和牙床的優(yōu)良替代材料；安全性和可靠性高：若用于飛機(jī)，其可靠性為傳統(tǒng)材料的數(shù)十倍。飛機(jī)用鋁合金構(gòu)件從產(chǎn)生裂紋至破斷的時(shí)間是1mim，而C/C是51mim。表6-2C/C與宇航級(jí)石墨ATJ-S性能比較性能溫度℃T-50-221-44ATJ-5X
7、-y向Z向結(jié)晶向⊥結(jié)晶向密度241.91.83拉伸強(qiáng)度/MPa24250014028012623139.654.330.543.4抗拉模量/GPa24250059.440.952.430.511.711.27.87.4斷裂延伸率/%2425000.180.20.20.210.452.00.542.2抗彎強(qiáng)度/MPa24250014219042.770.438.268.5T-50-221-44為三向正交細(xì)編C/C復(fù)合材料6.3C/C用組分材料選擇C/C用碳纖維選擇C/C的基體前驅(qū)體6.3.1C/C用碳纖維選擇1）碳
8、纖維堿金屬等雜質(zhì)含量越低越好C/C的一個(gè)重要用途是耐燒蝕材料，鈉等堿金屬是碳的氧化催化劑；當(dāng)C/C用來制造飛行器燒蝕部件時(shí)，飛行器飛行過程中由于熱燒蝕而在尾部形成含鈉離子流，易被探測(cè)和跟蹤，突防和生存能力受到威脅。制造C/C的碳纖維堿金屬含量要求<100mg/kg，目前黏膠基碳纖維和PAV基碳纖維（特別是石墨纖維）堿金屬含量均滿足要求。堿金屬含量<50mg/kg的超純碳纖
