【技术干货】一文简述碳/碳复合材料的加工、特性及应用

1、碳/碳复合材料的结构

碳/碳(C/C)复合材料可以在增强相的不同方向(碳纤维)下制造,因此按照增强碳纤维结构可以分为:单向结构、双向结构(由多根碳纤维纱制成的布)、多向结构(3D、4D、 5D等)。

多向增强在织造结构的方向上提供了最高水平的机械性能。最简单的多方向增强包括由直碳纤维织成的3D正交结构。

2、碳/碳复合材料的制备方法

2.1 液相渗透法制备碳/碳复合材料

具体加工流程如下:
  • 制备具有所需结构和形状的碳纤维/ 石墨纤维预成型坯。

  • 液体渗透到预成型坯中:石油沥青/ 酚醛树脂 /煤焦油。

  • 热解/碳化的聚合物前驱体在1000-1830ºF(538-1000ºC)常压或高压处理。

  • 渗透-热解循环重复数次(3-10)次,直到达到所需的密度。

  • 石墨化热处理。在这一阶段,无定形碳转化为结晶石墨。处理温度可能会在2700-5400°F(1500-3000°C)范围内变化。典型的石墨化温度4530°F(2500°C)。碳/碳复合材料的石墨化会使得复合材料的弹性模量和强度增加。

2.2 化学气相沉积法制备碳/碳复合材料

具体加工流程如下:

  • 制备具有所需结构和形状的碳纤维/ 石墨纤维预成型坯。

  • 通过化学气相沉积(CVD)技术对复合材料进行致密化。在CVD工艺涉及在1800-2200ºF(982-1204ºC)温度下使用加压烃类气体(丙烷、甲烷、丙烯、乙炔、苯)预成型体的浸润。气体被热解,在纤维表面形成碳沉积。处理持续时间取决于预成型坯的厚度,气体通过该预成型坯扩散。

  • 石墨化热处理。在这一阶段,无定形碳转化为结晶石墨。处理温度可能会在2700-5400°F(1500-3000°C)范围内变化。典型的石墨化温度为4530°F(2500°C)。

通过化学气相沉积工艺制备得到的碳/碳复合材料相比于液相渗透技术,会具有更高的弹性模量和机械强度。

3、碳/碳复合材料的性能

  • 优良的抗热震性能 ;

  • 热膨胀系数低;

  • 高弹性模量(高达29000 ksi / 200 GPa);

  • 高导热率(约700 BTU * in /(hr *ft²*ºF)/ 101 W / m * K;

  • 低密度(约114 lb /ft³/ 1.83 *10³kg/m³);

  • 高强度;

  • 低摩擦系数(沿纤维方向);

  • 在非氧化气氛中具有出色的耐热性,C/C复合材料在高达5432ºF(3000ºC)的温度下仍保持其机械性能;

  • 高耐磨性;

  • 高电导率 。

4、碳/碳复合材料的氧化保护

碳/碳复合材料的主要缺点是抗氧化性低。碳材料在高于900ºF(482ºC)的温度下与氧气发生反应。以下方法用于碳/碳复合材料的氧化保护:

  • 防护涂料。碳化物、氮化物和氧化物的陶瓷涂层,可以通过化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)或等离子喷涂方法来沉积保护涂层。

  • 氧化的浸渍抑制剂无机盐、硼酸盐和硅酸盐玻璃、磷酸盐、硼的氧化物、聚硅氧烷、卤素化合物。

  • 将基体材料从碳替换为SiC,C-SiC复合材料具有出色的抗氧化性。

5、碳/碳复合材料的典型应用

  • 高性能制动系统(如高速飞机制动盘);

  • 耐火材料(例如保护管和格栅);

  • 热压模具;

  • 加热元件;

  • 涡轮喷气发动机组件(如火箭喷嘴)。

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