CC复合材料
姚祥瑞
1
目录
定义
性能
制备工艺
发展前景及用途
2
一 定义
碳/碳复合材料是复合材料的一种 ,它是以碳为基体 ,由碳纤维或其制品(碳毡或碳布)增
强的复合材料.
3
二 性能
它兼有碳的惰性和碳纤维的高强度 ,具有良好的机械性能、 耐热性、 耐腐蚀性、 磨擦
减振特性及热、电传导特性等特点.而且 ,其质轻 ,比强度和比弹性模量都很高 ,更重要的是
这种材料随着温度的升高(可达2 200 ℃)其强度不降低 ,甚至比室温条件下还高。
4
三 制备工艺
制备碳/碳复合材料主要步骤为:
预制体成型 → 致密化处理 → 最终高温热处理
5
3.1
预制体成型
在进行预制体成型前,根据所设计复合材料的应用和工作环境来选择纤维种类和编织方
式.例如 ,对重要的结构选用高强度、 高模量纤维.对要求导热系数低的则选用低模量炭纤
维 ,如粘胶基炭纤维
成型方法为用短纤维增强: (1) 压滤法; (2) 喷涂法; (3) 热压法; (4) 浇注法
用连续长纤维增强: (1) 预浸布层压、 铺压、 缠绕等做成层压板、 回转体和异形薄
壁结构; (2) 编织技术.
6
3.2
致密化处理
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(CVI)两种.
7
3.3
液相浸渍工艺
液相浸渍工艺一般在常压或减压下进行.
重复浸渍 — — — 炭化 — — — 石墨化 ,达到致密预制体.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收率低 ,必须加压
(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
8
化学气相沉积(Chemical Vapor Infiltration ,简称 CVI)工艺.有的文献称化学气相沉积工艺是
最早采用的一种致密化方法 ,其工艺过程如图2所示.主要原理是利用碳氢化合物气体在高
温下分解并沉积炭于预制体.与液相浸渍工艺相比 ,化学气相沉积工艺不仅过程便于精确控
制 ,而且所制备的材料还具有结构均匀、 完整、 致密性好、石墨化程度高等优点.目前国外
主要用等温 CVI法生产碳/碳复合材料刹车盘.
3.4
9
常规化学气相沉积方工艺(等温法)仍有许多不足:由于受到气相扩散速率和表面反应速率的
制约 ,在一个较窄的工艺条件下进行.因此 ,对沉积炭显微组织的选择余地有限 ,得到的通常
为光滑层(S L)组织 ,要想提高沉积炭温度 ,以得到粗糙层(RL)炭 ,则又易形成表面的气孔堵
死 ,以及表层和里层的密
度差提高[6 ].同时 ,等温 CVI制备碳/碳复合材料周期长(约 1 000 - 1 500 h) 、 原料气利用率
低( < 5 %) ,需要数次石墨化和机加工 ,需用大量高能耗的贵重设备 ,成本很高

3.4
10
11
(1) 因其良好的生物相容性 ,在生物医学方面 ,可作人体骨骼的替代材料 ,比如人工髋
关节、 膝关
节、 牙根等.
(2) 汽车、 赛车的制动系统.
(3) 在核反应堆中制造无线电频率限幅器.
(4) 利用其高导电率和很高尺寸稳定性 ,制造卫星通讯抛物面无线电天线反射器.
(5) 用碳/碳复合材料代替石棉制造熔融玻璃的滑道 ,其寿命可提高100倍以上.
(6) 制作高温紧固件.在700 ℃ 以上 ,金属紧固件强度很低 ,而碳/碳复合材料在高温下
呈现优异承
载能力 ,可作高温下使用的螺栓、 螺母、 垫片等.

四 发展趋势及应用
12
(7) 制作热压模具和超塑性加工模具.在陶瓷和粉未冶金生产中采用碳/碳复合材料制作热压
模
具 ,可减少模具厚度 ,缩短加热周期 ,节约能源和提高产量;用碳/碳复合材料制作钛合金超
塑性加工模
具 ,因其低膨胀性和钛合金的相容性 ,可提高成型效率 ,并减少成型时钛合金的折叠缺陷.
(8) 制作加热元件.与传统的石墨发热体强度低、 脆 ,加工与运输困难相比 ,碳/碳复合
材料的强度
高 ,韧性好 ,可减少发热体体积 ,扩大工作区.
(9) 作高温真空炉内衬材料 ,以及化工防腐蚀管道及零部件等

13