中间相沥青形成机理
中间相沥青的应用
高性能炭纤维 粘结剂 泡沫炭
高性能炭纤维
中间相沥青基炭纤维是将中间相沥青熔融后进行纺丝制成 纤维,由于在喷丝过程超高的杨氏模量(>900GPa)。经过 2800℃石墨化处理后的中间相沥青基炭纤维具有极佳的导 热性能
粘结剂
中间相沥青最重要的一个应用是制备高性能 C/C 复合材料 的炭基体。由于中间相沥青具有高密度,高炭化收率和易石 墨化等特点,其制备的 C/C 复合材料性能优异。使用石墨、 MgO 和中间相沥青在 600℃下烧结的氧化镁炭砖机械强度 达到 10MPa。石墨化后具有光学各向异性结构的中间相沥 青可以极大提高氧化镁炭砖的抗氧化性能。并且均匀分散
在 MgO 表面的中间相沥青提高了氧化镁炭砖在 900-1300℃
下强度。现在这种以中间相沥青作为粘结剂制备的氧化镁
炭砖已经在钢铁工业上得到大规模应用。
泡沫炭
泡沫炭是一种石墨化多孔炭材料。它是以中间相沥青为原 料，采用特殊发泡工艺经2800℃高温处理制备的。其具有 高强度(抗压强度达到 20MPa),低密度(02-0.8g/cm3),良好的 高温适应性(在惰性环境中可以耐受高达 3000℃的高温),适 中的导电和导热性能和极大比表面积的开孔结构等优异的 性能。
(2) 制备中间相的原料还可以为纯多环芳烃化合物如:萘, 蒽,甲基萘等。
中间相沥青的性质
中间相沥青在一定的温度范围内会转变为液晶态,其内部片 层状的多环芳烃大分子会以类石墨结构进行排列和自组装 从而形成向列型液晶。由于其内部的分子具有高度的取向 性,使其在高温处理时很容易石墨化。 Nhomakorabea 中间相沥青
中间相沥青由于片状多环芳烃大分子具有取向性结构,是一
碳/碳复合材料
中间相沥青的性质与应用
姓名：吴佳育 学号：2014231001
碳/碳复合材料
以碳为基体，利用碳纤维进行增强得到的碳复合材料，
叫做C/C复合材料（Carbon/Carbon Composite）
它具有良好的机械性能、耐热性、耐腐蚀性、摩擦减
振特性及热、电传导特性等特点。
质轻、比强度、比弹性模量都很高 。可用来制作火箭
在300℃～1500℃的惰性气氛(N2)中进行，炭纤维生成的主要 阶段。除去大量的氮、氢、氧等非碳元素，改变了原PAN纤维 的结构，形成了炭纤维。含碳量95%左右。
300~1500℃，N2，张力
预氧化纤 维
乱层石墨结构
(二维六边形网状结构， 层间无序，含C量>92％)
石墨化
在2000℃～3000℃的温度下，密封装置，施加压力，保护气体 (Ar)中进行。目的是使纤维结构转变为规整的石墨晶体结构，
液相浸渍法
液相浸渍法是最早使用和最常用的增密 C/C 复合材料的 方法,其工艺流程如图
沥青浸渍法
炭纤维预成型体经过沥青等浸渍剂后，经预固化，再经炭
化后获得的基体碳。
(1) 浸渍沥青相对密度与增密效果直接相关,沥青的相对密 度越大,浸渍后 C/C复合材料的增密效果越好。 (2) 浸渍沥青的相对黏度越低,浸渍剂进入炭纤维织体及气 孔的阻力越小,在达到目标增重效果时所需的温度和压力条 件越低
三维结构
四维结构
炭纤维
炭纤维 —— 由有机纤维或低分子烃气体原料在惰性气氛中 经高温 (1500º C) 碳化而成的纤维状碳化合物，其碳含量在 90%以上
碳纤维微观结构是由几乎平行于纤维轴向排列的类石墨微 晶构成，这样的结构使纤维表现各向异性特征。
平行于纤维纵向的弹性模量、强度和热/电传导性能较大， 而横向相应的性能要比纵向小一个数量级。
炭纤维
石墨微晶组成原纤维，直 径50nm左右，长度数百纳 米。原纤维呈现弯曲、彼 此交叉的许多条带状结构 组成，条带状的结构之间 存在针形空隙，大体沿纤 维轴平行排列。
炭纤维的制备
有机纤维碳化法： 将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤维，然后在惰性气氛 中高温焙烧碳化，使有机纤维失去部分碳和其他非碳原子，
与纤维轴方向的夹角进一步减小以提高碳纤维的弹性模量
致密化
成型后的预制体含有许多孔隙,密度也低,不能直接应用,须将炭 沉积于预制体,填满其孔隙,才能成为真正的结构致密、 性能优 良的碳/碳复合材料,此即致密化过程. 传统的致密化工艺大体 分为液相浸渍和化学气相沉积两种。
基体碳
典型的基体碳有热解碳（CVD碳）和浸渍碳化碳。前者是 由烃类气体的气相沉积而成；后者是合成树脂或沥青经炭 化和石墨化而得。 树脂碳和沥青碳：均是碳纤维预成型体经过浸渍树脂或沥 青等浸渍剂后，经预固化，再经碳化后获得的基体碳。
发动机的喷管、航天飞机的襟翼、飞机的制动盘等。
碳/碳复合材料
碳/碳复合材料的制备
预成型体
预成型体是一个多孔体系，含有大量空隙。如三维碳/碳复 合材料预成型体中的纤维含量仅有40%，也就是说其中空隙 就占60% 。 碳/碳复合材料的预成型体可分为单向、二维
和三维，甚至可以是多维方式，大多采用编织方法制备。
中间相沥青 —— 性质与应用
中间相沥青
中间相沥青是高分子化合物,有机化合物或者沥青,重质油 等的混合物在经过液相炭化过程中出现的缩合多环芳烃大 分子堆叠取向的中间体或这种状态。早期研究发现中间相
沥青是一种向列型液晶,其液晶分子为盘状,制备中间相沥
青的原料往往分子量较大。但是随着对中间相沥青的研究 进一步深入,人们对中间相沥青的定义也进行了新的扩展: (1) 中间相分子不一定为盘状分子,也可以为棒状分子如萘 系中间相沥青
种向列型液晶,与传统沥青相比具有高炭化收率,易石墨化, 高密度等优点。人们发现使用中间相沥青代替普通沥青浸 渍炭纤维编织体是一种高效制备高性能 C/C 复合材料的方 法,并且制备的复合材料具有极好的导热性能。科研工作者 投入了大量精力研究和制备高性能中间相沥青,并将其应用 于制备 C/C 复合材料。
CVD
化学气相沉积法(CVD)是非常成熟的制备高密度 C/C 复合 材料的工艺。其基本工艺和原理是将炭纤维编制体放入沉 积炉中,通入反应气体(如CH4等),加热至反应温度。反应气
体在受热的条件下发生热解反应生成活性基团,当其与预制
体相接触时转变为炭并沉积下来。其反应模型如下所示(以 CH4为例):
形成以碳为主要成分的纤维状物。此法用于制造连续长纤维。
气相法： 在惰性气氛中将小分子有机物(如烃或芳烃等）在高温下沉积 成纤维。此法用于制造晶须或短纤维，不能用于制造长纤维
炭纤维的制备
聚丙烯腈基炭纤维（PAN-CF)的制备工艺
预氧化 PAN纤维 200~300℃ 六元环的梯形结构
O2，张力
炭化