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• （1）固体火箭发动机喷管上的应用 在固体火箭发动机(SRM)中，喷管喉部的烧
蚀状态最为恶劣，因此，必须采用具有良好耐烧 蚀和抗冲刷性能的喷管喉衬材料来抵御严酷的烧 蚀环境。采用碳/碳复合材料的喉衬、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 1 % ~3 %，即可大大提高 SRM 的比冲。
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二、碳/碳复合材料的组成及微观 结构
碳/碳复合材料的组成有两大部分: 碳纤维和基体碳。
4Leabharlann 碳纤维织物结构形式a-2D平纹 b-2D8H缎纹 c-3D径向编织 d-3D e-4D f-5D
碳纤维的增强形式有单向(1D)、双向(2D)及多向。单向
增强可在一个方向上得到最高拉伸强度的碳/碳;双向织
物提高了抗热应力性能和断裂韧性，容易制成大尺寸形
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喷管出19口锥
• （2）刹车领域的应用 碳/碳复合材料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/碳复合材料 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/碳复合材料刹 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 司已批量生产碳/碳 复合材料刹车片，英国邓禄 普公司也已大量生产碳/碳复合材料刹车片，用 于赛车、火车和战斗机的刹车材料。
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• 4 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 ℃以上时,其摩擦性能仍然保持平稳,这是 其它材料所不具备的。因此,碳/碳复合材料为军 用和民用飞机的刹车盘材料越来越广泛。
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四、碳/碳复合材料制备及加工
碳/碳复合材料
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碳/碳复合材料
• 一、概述 • 二、碳/碳复合材料的组成及微观结构 • 三、碳/碳复合材料的性能 • 四、碳/碳复合材料制备及其加工 • 五、碳/碳复合材料的应用 • 六、碳/碳复合材料的氧化及防氧化 • 七、碳/碳复合材料的研究方向和不足
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一、概述
C/ C 复合材料是目前新材料领域 重点研究和开发的一种新型超高温热结 构材料,密度小、比强度大、线膨胀系数 低( 仅为金属的1/ 5~ 1/ 10) 、热导率 高、耐烧蚀、耐磨性能良好。特别是C/ C 复合材料在1 000℃~ 2 300℃ 时强度 随温度升高而升高, 是理想的航空航天 及其它工业领域的高温材料
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高温下的稳 定性比较好
碳/碳复合材料与其他材料温度上升 时比强度的比较
几种材料拉伸比强度的比较
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碳/碳复合材料和其他材料各种性能的比较
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• 3 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。碳/碳复合 材料是一种升华-辐射型烧蚀材料,且烧蚀 均匀。通过表层材料的烧蚀带走大量的热, 可阻止热流传入飞行器内部。因此该材料 被广泛用作宇航领域中的烧蚀防热材料。
据文献报导，车削该复合材的料所得到 的切削用量各要素对切削力的影响规律与 切削一般脆性材料的基本一致。虽然基体 硬度较低，切削力数值不大，但材料中硬 质点对刀具的磨损比较严重，故选用CBN为 宜。因材料为脆性，故切屑常呈粉末状， 必须用吸屑法来排屑。
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五、碳/碳复合材料的应用
碳/碳 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 动的热端部件等。
状复杂的部件，有广泛的应用基础。三向及多向编织具
有更好的结构完整性和各向同性 。
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三、 碳/碳复合材料的性能
• 1 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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• （1）液相浸渍工艺
液相浸渍工艺一般在常压或减压下进行. 工艺过程 上图所示, 液相浸渍(LPI)工艺是将碳纤维预制体置于 浸渍罐中，抽真空后充惰性气体加压使浸渍剂向预制体 内部渗透，然后进行固化或直接在高温下进行碳化，一 般需重复浸渍和碳化5～6次而完成致密化过程。此工艺 存在问题是: ( 1) 工艺繁复、周期长、效率低;(2) 液 体难以浸渍到预制体微孔中; ( 3)有些浸渍液在常压和 减压下炭化效率低,必须加压, 如煤沥青;(4)有些浸渍 液炭化时粘附性过好,易于阻塞气孔口,难以达到致密要 求,如树脂。
碳/碳复合材料的主要制备步骤为：
预制体的成型
致密化处理
石墨化，其中致密化是制备碳/碳复合材
料的关键技术。
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• 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。
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• 2 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。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。一般的碳/碳复合材料的拉伸强 度大于 270MPa, 单向高强度碳/碳复合材料可达 700MPa 以上。在1000 ℃以上,强度最低的 碳/ 碳复合材料的比强度也较耐热合金和陶瓷材料的 高。碳/碳复合材料的断裂韧性较碳材料有极大 的提高,其破坏方式是逐渐破坏, 而不是突然破 坏, 因为基体碳的断裂应力和断裂应变低于碳纤 维。
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• （2）化学气相沉积工艺
化学气相沉积(CVI)工艺是以丙烯或甲烷为原料，
其工艺过程下如图所示。在预制体内部发生多相化学反
应（如
）的致密化过程。CVI工艺的优点是材料
性能优异、工艺简单、致密化程度能够精确控制，缺点
是制备周期太长(500～600h甚至上千小时)，生产效率
很低。
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• 碳／碳复合材料的切削加工