材料世界新成员——碳碳复合材料

材料世界新成员——碳碳复合材料

C/C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。作为增强体的碳纤维可用多种形式和种类,既可以用短切纤维,也可以用连续长纤维及编织物。各种类型的碳纤维都可用于C/C复合材料的增强体。碳基体可以是通过化学气相沉积制备的热解碳,也可以是高分子材料热解形成的固体碳。C/C复合材料作为碳纤维复合材料家族的一个重要成员,具有密度低、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、耐烧蚀等特点,尤其是其强度随着温度的升高,不仅不会降低反而还可能升高,它是所有已知材料中耐高温性最好的材料。因而它广泛地应用于航天、航空、核能、化工、医用等各个领域。

C/C复合材料的制备工艺主要有两种方法:化学气相法(CVD或CVl)和液相浸渍一碳化法。前者是以有机低分子气体为前驱体,后者是以热塑性树脂(石油沥青、煤沥青、中间相沥青)或热固性树脂(呋喃、糠醛、酚醛树脂)为基体前驱体,这些原料在高温下发生一系列复杂化学变化而转化为基体碳。为了得到更好的致密化效果,通常将化学气相法和液相浸渍一碳化法进行复合致密化,得到具有理想密度的C/C复合材料。

1、化学气相法

化学气相法(cVD或cVI)是直接在坯体孔内沉积碳,以达到填孔和增密的目的。沉碳易manbetx网页手机登录版化,且与纤维之间的物理兼容性好,而且不会像浸渍法那样在再碳化时产生收缩,而这种方法的物理机械陛能比较好。但在cVD过程中,如果碳在坯体表面沉积就会阻止气体向内部孔的扩散。对于表面沉积的碳应用机械的方法除去,再进行新一轮沉积。对于厚制品,CVD法也存在着一定的困难,而且这种方法的周期也很长。

2、液相浸渍法一碳化法

液相浸渍法相对而言设备比较简单,而且这种方法适用性也比较广泛,所以液相浸渍法是制备C/C复合材料的一个重要方法。它是将碳纤维制成的预成型体浸入液态的浸渍剂中,通过加压使浸渍剂充分渗入到预成型体的空隙中,再通过固化、碳化、manbetx网页手机登录版化等一系列过程的循环,最终得到C/C复合材料。它的缺点是要经过反复多次浸渍、碳化的循环才能达到密度要求。液相浸渍法中浸渍剂的组成和结构十分重要,它不仅影响致密化效率,而且也影响制品的机械性能和物理性能。提高浸渍剂碳化收率,降低浸渍剂的黏度一直是液相浸渍法制备C/C复合材料所要解决的重点课题之一。浸渍剂的高黏度和低碳化收率是目前C/C复合材料成本较高的重要原因之一。提高浸渍剂的性能不仅能提高C/C复合材料的生产效率,降低其成本,也可提高C/C复合材料的各种性能。C/C复合材料的抗氧化处理碳纤维在空气中,于360℃开始氧化,manbetx网页手机登录版纤维要略好于碳纤维,其开始氧化的温度为420℃,C/C复合材料的氧化温度为450℃左右。C/C复合材料在高温氧化性气氛下极易氧化,并且氧化速率随着温度的升高迅速增大,若无抗氧化措施,在高温氧化环境中长时间使用C/C复合材料必将引起灾难性后果。因此,C/C复合材料的抗氧化处理已成为其制备工艺中不可缺少的组成部分。从抗氧化技术的途径上看,可分为内部抗氧化技术和抗氧化涂层技术。

C/C复合材料的主要两大应用领域C/C复合材料作为优异的热结构、功能一体化工程材料,自1958年诞生以来,在军工方面得到了长足的发展,其中最重要的用途是用于制造导弹的弹头部件。由于其耐高温、摩擦性好,目前已广泛用于固体火箭发动机喷管、航天飞机结构部件、飞机及赛车的刹车装置、热元件和机械紧固件、热交换器、航空发动机的热端部件等。

1. 固体火箭发动机喷管上的应用

C/C复合材料自20世纪70年代首次作为固体火箭发动机(SRM)喉衬飞行成功以来,极大地推动了SRM喷管材料的发展。采用C/C复合材料的喉衬、扩张段、延伸出口锥,具有极低的烧蚀率和良好的烧蚀轮廓,可提高喷管效率l%~3%,即可大大提高sRM的比冲。喉衬部一般采用多维编织的高密度沥青基C/C复合材料,增强体多为整体针刺碳毡、多向编织等,并在表面涂覆Sic以提高抗氧化性和抗冲蚀能力。

2、刹车领域的应用C/C复合材料刹车盘的实验性研究于1973年第一次用于飞机刹车。目前,一半以上的C/C复合材料用作飞机刹车装置。高性能刹车材料,要求高比热容、高熔点以及高温下的强度,C/C复合材料正好适应了这一要求,制作的飞机刹车盘重量轻、耐温高、比热容比钢高2.5倍;同金属刹车材料相比,可节省40%的结构重量。碳刹车盘的使用寿命是金属基的5~7倍,刹车力矩平稳,刹车时噪声小,因此碳刹车盘的问世被认为是刹车材料发展史上的一次重大的技术进步。目前法国欧洲动力、碳工业等公司已批量生产c妃复合材料刹车片,英国邓禄普公司也已大量生产C/C复合材料刹车片,用于赛车、火车和战斗机的刹车材料。


C/C复合材料的性能提高方法 1、耐烧蚀性能的提高针对固体火箭发动机喷管喉衬材料的应用,重点在于C/C复合材料的耐烧蚀性能。目前,常采用C/C渗铜(Cu)或C/C渗难熔金属碳化物(Tac、HfC、z芘)两种方法进行提高C/C复合材料的耐烧蚀性能,从而满足新一代火箭喉衬材料的需求。 2、耐摩擦磨损性能研究C/C复合材料耐摩擦磨掼陛能优异,其摩擦因6合成纤维SFC2011 No.1数适当且稳定,飞机刹车用C/C复合材料,寿命提高近5倍,刹车性能也明显高于粉末冶金刹车材料f笠-蠲。70年代中期,英国Dunlop航空公司的C/C复合材料刹车片首次在协和式飞机上试飞成功以来,得到很大发展,已广泛应用于高速军用飞机和大型高音速民用客机:F16、B737、B757、B767、B777及暴风雪等型号。目前航空刹车用C/C复合材料主要由世界上的五家公司生产,它们是法国的Messier、美国的Goodrich、Bendix、Goodyear及英国的Dunlop。

C/C复合材料不同于一般的摩擦材料,其摩擦磨损机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损理论。Kimura认为摩擦凶数高于O.4时,磨损机制主要为磨粒磨损;低于O.4,则主要为氧化磨损。Awasthi等人认为润滑膜是摩擦面的表层经破坏、滚、压等过程所形成;同时润滑膜在摩擦作用下破坏而产生剥离,形成磨屑。这些磨屑一部分会再被压成新的润滑膜,如此循环反复,另一部分磨屑贝峪破坏形成较小的磨屑,掉入空气中形成质量损失。凶此,造成磨屑的来源有二:①来自磨损开始时磨屑的大量产生;②来自润滑层破坏所产生的磨屑。此外,由于C/C—cu复合材料中含有自润滑性能的碳材料,从而在减磨材料方面的应用具有很大潜力。对C/C—cu复合材料的摩擦磨损性能进行深入研究,能够为该种材料在摩擦领域的应用提供理论依据。

C/C复合材料展望 C/C复合材料自20世纪60年代发明以来,就受到军事、航空航天、核能以及许多民用工业领域的极大关注。然而,由于C/C复合材料制造工艺复杂、技术难度大,原材料价格昂贵,产品成本长期居高不下,其用途仍然限制在一些工作条件苛刻的部位,以及其它材料不能替代的航空航天和军事领域。目前在C/C复合材料研究领域,最需要解决的问题是:研究高效、低成本、快速制备工艺方法;研究能在1 800℃以上长期使用的抗氧化涂层;研究高性能耐烧蚀C/C复合材料并应用于固体火箭喉衬材料;改进C/C复合材料的摩擦磨损性能,使之万方数据更加满足于刹车材料的应用。


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