❖ 石墨化：利用热活化将 热力学不稳定的炭原子 实现由乱层结构向石墨 晶体结构的有 序转 化。
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石墨化原因
碳元素其外部电子结构有两种: 一种是Sp3杂化轨道，金刚石结 构 ,C一C 间为 σ键。一种是SP2杂 化,形成石墨片状结构,同一层中C一 C 为σ键层与层之间是π键。
σ键很短很强，键长约0.142nm 结 合力很强，π键相对较弱。
❖ 喷射成型是把切断的碳纤维 (约为0.025mm) 配制成碳 纤维-树脂-稀释剂的混合物，然后用喷枪将此混合物 喷涂到芯模上使其成型。
❖ 用碳布或石墨纤维布叠层后进行针刺，可用空心细颈 金属棒引纱。下图是AVCD公司编织的坯体。
❖ 在坯体的研制中，发展的重点是多向织物，如三向、 四向、五向或七向等，目前是以三向织物为主。
热冲击能力很强, 不仅可用于高温环境, 而且适合 温度急剧变化的场合。其比热容高, 这对于飞机刹 车等需要吸收大量能量的应用场合非常有利。因 此可以被用作航天航空材料和刹车片材料。
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摩擦磨损性能 ❖ 碳/碳复合材料中碳纤维的微观组织为乱层石墨结
构, 其摩擦系数比石墨高, 特别是它的高温性能特 点, 在高速高能量条件下摩擦升温高达1000 C 以 上时, 其摩擦性能仍然保持平稳, 因此可用作刹车 片材料。
人造骨骼关节
人工心脏瓣膜
❖鉴于碳/碳复合材料具有系列优异性能，它们在宇宙飞 船、人造卫星、航天飞机、导弹、原子能、航空以及一 般工业部门中得到了日益广泛的应用。
❖今后，随着生产技术的革新，产量进一步扩大，廉价 沥青基碳纤维的开发及复合工艺的改进，碳/碳复合材 料将会有更大的发展。
9.2 碳/碳复合材料的成型加工方法
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物理性能 ❖碳/碳复合材料在高温热处理后的化学成分, 碳元素
高于99%, 像石墨一样, 具有耐酸、碱和盐的化学 稳定性。其比热容大, 热导率随石墨化程度的提高 而增大, 线膨胀系数随石墨化程度的提高而降低等。
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❖ 热学及烧蚀性能 ❖碳/碳复合材料导热性能好、热膨胀系数低, 因而
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1. 胚体 在沉碳和浸渍树脂或沥青之前，增强碳纤维或其织
物应预先成型为一种坯体。坯体可通过长纤维（或带） 缠绕、碳毡、短纤维模压或喷射成型、石墨布叠层的方 向石墨纤维针刺增强以及多向织物等方法制得。 多向织物是研究的的重点，目前以三向织物为主，三向 织物的细编程度越高，碳/碳复合材料的性能也就越好。
碳纤维成型物
CVD渗透
预浸物
Байду номын сангаас
浸渍树脂戍 沥青
热压成型
碳化
碳/碳复合材料
短纤维与沥 青或 树脂 混合物
碳纤维成 型物
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石墨化的碳/碳 复合材料
石墨化
❖碳/碳复合材料的成型加工方法很多，其各种工艺过
程大致可归纳为如图所示的三种方法。
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❖ 碳化（carbonization） 将上述成形物在隔绝空 气下热分解为碳和其他 产物。
❖通过碳纤维适当的取向增强，可得到力学性能优良的 材料，在高温时这种性能保持不变甚至某些性能指标有 所提高。
❖碳/碳复合材料抗热冲击和抗热导能力极强，且具有 一定的化学惰性。
（2）. 碳/碳复合材料的发展
❖ 碳/碳复合材料的发展主要受宇航工业发展的影响。它 具有高的烧灼热、低的烧蚀率、抗热冲击和超热环境下 具有高强度等一些列优点，被认为是一种高性能的烧蚀 材料。
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9.1.2 碳/碳复合材料的发展
（1）. 碳/碳复合材料 (C/C)
碳/碳复合材料是由碳纤维或各种碳织物增强碳，或石 墨化的脂碳（沥青）以及化学气相沉积（CVD）碳所 形成的复合材料，是具有特殊性能的新型工程材料。
❖碳/碳复合材料由三种不同组分构成，即树脂碳、碳 纤维和热解碳。由于它几乎完全是由元素碳组成，故能 承受极高的温度和极大的加热速率。
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由上可知：
❖ σ键很短很强，π键相对较弱。因而导致了石墨碳 具有各向异性，但沿层面方向具有优异的电、热和 力学性能，通常情况下由于π键较弱,往往导致层与 层间的堆垛不规则或无序，形成多晶碳。
❖ 由于石墨碳的优异性能源于其有序的结构,因而将 无序结构转变为有序结构是碳/ 碳复合材料制造与 应用中非常关键。往往采用热处理等他能量输入的 方法进行石墨化转变。
碳/碳复合材料可以作为导弹的鼻锥，烧蚀率低且烧蚀 均匀，从而提高导弹的突防能力和命中率。
❖ 碳/碳复合材料还具有优异的耐磨擦性能和高的热导率， 使其在飞机刹车片和轴承等方面得到了应用；它也可以 作为飞机的刹车盘。
C/C在航天领域中的应用
C/C作为刹车盘
❖ 碳与生物体之间的相容性极好，再加上碳/碳复合材料 的优异力学性能，使之适宜制成生物构件插入到活的生 物机体内作整形材料，如人造骨骼、心脏瓣膜等。
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力学性能 ❖ 碳/碳复合材料的力学性能主要取决于碳纤维的种
类、取向、含量和制备工艺等。单向增强的碳/碳 复合材料, 沿碳纤维长度方向的力学性能比垂直方 向高出几十倍。碳/碳复合材料的高强高模特性来 自碳纤维, 随着温度的升高, 碳/碳复合材料的强度 不仅不会降低, 而且比室温下的强度还要高。
碳纤维从X、Y、Z三个方 向互成90º正交排列，三个方向 的纱线并不交织，X和Y方向 的纱线交替的叠层，Z方向的 纱线起增强作用。因此XYZ方 向的纱线并没有交织点，只有 重合点，可充分发挥织物里每 个纤维的力学性能。
❖ 碳纤维长丝或带缠绕方法，可根据不同的要求和用途 选择适宜的缠绕方法。
2D 生产成本低 在平行于布层的方 向拉伸强度较高容 易制成大尺寸形状 复杂的部件 3D 及多向编织具 有更好的结构完整 性和各向同性
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❖ 碳毡可由人造丝毡碳化或聚丙烯腈预氧化、碳化后制 得。碳毡叠层后，可以碳纤维在X、Y、Z的方向三 向增强，制得三向增强毡，如下图所示。
第9/碳复合材料
9.1碳/碳复合材料
9.1 碳/碳复合材料简介 ❖ 定义：碳/碳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。
❖ 性质：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。 对宇宙辐射不敏感及在核辐射下强度增加等性 能，是所有已知材料中耐高温性最好的材料。