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1、第六章C/C復合材料定義：C/C復合材料是以碳（或石墨）纖維及其織物為增強材料，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復合材料。C/C復合材料發(fā)展；C/C復合材料的特性；C/C復合材料的原材料；C/C復合材料成型加工方法；C/C復合材料應用。6.1C/C復合材料的發(fā)展石墨：具有耐高溫、抗熱震、導熱好、彈性模量高、耐磨、化學惰性以及強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，對裂紋敏感。C/C復合材料：以碳纖維增強碳基體的C/C復合材料。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，大大提高了韌性和強度，降低了熱膨脹系數，尤其是因為相對密度小，具有很高的比強度和比模量。材料的發(fā)展與需求相聯系耐燒蝕材料需求：飛船返回艙和航天飛機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)境下具有高強度等優(yōu)點。可耐受10000℃的駐點溫度，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復合材料的特性C/C
3、復合材料的性能與纖維的類型、增強方向、制造條件以及基體碳的微觀結構等密切相關。力學性能熱物理性能燒蝕性能化學穩(wěn)定性6.2.1力學性能C/C復合材料強度與組分材料性質、增強材料的方向、含量以及纖維與基體界面結合程度有關；室溫強度和模量一般C/C：拉伸強度>270GPa、彈性模量>69GPa先進C/C：強度>349MPa，其中單向高強度C/C可達700MPa。（通用鋼材強度500～600MPa）高溫力學性能：室溫強度可以保持到2500℃，在1000℃以上時，強度最低的C/C的比強度也較耐熱合金和陶瓷材料的高，是當今在
4、太空環(huán)境下使用的高溫力學性能最好的材料。對熱應力不敏感：一旦產生裂紋，不會像石墨和陶瓷那樣嚴重的力學性能損失。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；導熱系數高：室溫時約為0.38～0.45cal/cm·s·℃（鐵：0.13），當溫度為1650℃時，降為0.103cal/cm·s·℃。比熱高：其值隨溫度上升而增大，因而能儲存大量的熱能，室溫比能約為0.3kcal/kg·℃（鐵：0.11）,1930℃時為0.5kcal/kg·℃。密度：<1.7～1.9
5、；熔點：4100℃。耐磨性：摩擦系數小，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、輻射等物理和化學過程，將材料表面的質量遷移帶走大量的熱量，達到耐高溫的目的。C/C的升華溫度高達3600℃，在這樣的高溫度下，通過表面升華、輻射除去大量熱量，使傳遞到材料內部的熱量相應地減少。表6-1不同材料的有效燒蝕熱的比較6.2.4化學穩(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℃會嚴重氧化。提高其耐氧化性方法—成型時加入抗氧化物質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、關節(jié)、顱蓋骨補塊和牙床的優(yōu)良替代材料；安全性和可靠性高：若用于飛機，其可靠性為傳統(tǒng)材料的數十倍。飛機用鋁合金構件從產生裂紋至破斷的時間是1mim，而C/C是51mim。表6-2C/C與宇航級石墨ATJ-S性能比較性能溫度℃T-50-221-44ATJ-5X
7、-y向Z向結晶向⊥結晶向密度241.91.83拉伸強度/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抗彎強度/MPa24250014219042.770.438.268.5T-50-221-44為三向正交細編C/C復合材料6.3C/C用組分材料選擇C/C用碳纖維選擇C/C的基體前驅體6.3.1C/C用碳纖維選擇1）碳
8、纖維堿金屬等雜質含量越低越好C/C的一個重要用途是耐燒蝕材料，鈉等堿金屬是碳的氧化催化劑；當C/C用來制造飛行器燒蝕部件時，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
