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    材料世界新成員——碳碳復合材料

    材料世界新成員——碳碳復合材料

    C/C復合材料是指以碳纖維作為增強體,以碳作為基體的一類(lèi)復合材料。作為增強體的碳纖維可用多種形式和種類(lèi),既可以用短切纖維,也可以用連續長(cháng)纖維及編織物。各種類(lèi)型的碳纖維都可用于C/C復合材料的增強體。碳基體可以是通過(guò)化學(xué)氣相沉積制備的熱解碳,也可以是高分子材料熱解形成的固體碳。C/C復合材料作為碳纖維復合材料家族的一個(gè)重要成員,具有密度低、高比強度比模量、高熱傳導性、低熱膨脹系數、斷裂韌性好、耐磨、耐燒蝕等特點(diǎn),尤其是其強度隨著(zhù)溫度的升高,不僅不會(huì )降低反而還可能升高,它是所有已知材料中耐高溫性最好的材料。因而它廣泛地應用于航天、航空、核能、化工、醫用等各個(gè)領(lǐng)域。

    C/C復合材料的制備工藝主要有兩種方法:化學(xué)氣相法(CVD或CVl)和液相浸漬一碳化法。前者是以有機低分子氣體為前驅體,后者是以熱塑性樹(shù)脂(石油瀝青、煤瀝青、中間相瀝青)或熱固性樹(shù)脂(呋喃、糠醛、酚醛樹(shù)脂)為基體前驅體,這些原料在高溫下發(fā)生一系列復雜化學(xué)變化而轉化為基體碳。為了得到更好的致密化效果,通常將化學(xué)氣相法和液相浸漬一碳化法進(jìn)行復合致密化,得到具有理想密度的C/C復合材料。

    1、化學(xué)氣相法

    化學(xué)氣相法(cVD或cVI)是直接在坯體孔內沉積碳,以達到填孔和增密的目的。沉碳易石墨化,且與纖維之間的物理兼容性好,而且不會(huì )像浸漬法那樣在再碳化時(shí)產(chǎn)生收縮,而這種方法的物理機械陛能比較好。但在cVD過(guò)程中,如果碳在坯體表面沉積就會(huì )阻止氣體向內部孔的擴散。對于表面沉積的碳應用機械的方法除去,再進(jìn)行新一輪沉積。對于厚制品,CVD法也存在著(zhù)一定的困難,而且這種方法的周期也很長(cháng)。

    2、液相浸漬法一碳化法

    液相浸漬法相對而言設備比較簡(jiǎn)單,而且這種方法適用性也比較廣泛,所以液相浸漬法是制備C/C復合材料的一個(gè)重要方法。它是將碳纖維制成的預成型體浸入液態(tài)的浸漬劑中,通過(guò)加壓使浸漬劑充分滲入到預成型體的空隙中,再通過(guò)固化、碳化、石墨化等一系列過(guò)程的循環(huán),最終得到C/C復合材料。它的缺點(diǎn)是要經(jīng)過(guò)反復多次浸漬、碳化的循環(huán)才能達到密度要求。液相浸漬法中浸漬劑的組成和結構十分重要,它不僅影響致密化效率,而且也影響制品的機械性能和物理性能。提高浸漬劑碳化收率,降低浸漬劑的黏度一直是液相浸漬法制備C/C復合材料所要解決的重點(diǎn)課題之一。浸漬劑的高黏度和低碳化收率是目前C/C復合材料成本較高的重要原因之一。提高浸漬劑的性能不僅能提高C/C復合材料的生產(chǎn)效率,降低其成本,也可提高C/C復合材料的各種性能。C/C復合材料的抗氧化處理碳纖維在空氣中,于360℃開(kāi)始氧化,石墨纖維要略好于碳纖維,其開(kāi)始氧化的溫度為420℃,C/C復合材料的氧化溫度為450℃左右。C/C復合材料在高溫氧化性氣氛下極易氧化,并且氧化速率隨著(zhù)溫度的升高迅速增大,若無(wú)抗氧化措施,在高溫氧化環(huán)境中長(cháng)時(shí)間使用C/C復合材料必將引起災難性后果。因此,C/C復合材料的抗氧化處理已成為其制備工藝中不可缺少的組成部分。從抗氧化技術(shù)的途徑上看,可分為內部抗氧化技術(shù)和抗氧化涂層技術(shù)。

    C/C復合材料的主要兩大應用領(lǐng)域C/C復合材料作為優(yōu)異的熱結構、功能一體化工程材料,自1958年誕生以來(lái),在軍工方面得到了長(cháng)足的發(fā)展,其中最重要的用途是用于制造導彈的彈頭部件。由于其耐高溫、摩擦性好,目前已廣泛用于固體火箭發(fā)動(dòng)機噴管、航天飛機結構部件、飛機及賽車(chē)的剎車(chē)裝置、熱元件和機械緊固件、熱交換器、航空發(fā)動(dòng)機的熱端部件等。

    1. 固體火箭發(fā)動(dòng)機噴管上的應用

    C/C復合材料自20世紀70年代首次作為固體火箭發(fā)動(dòng)機(SRM)喉襯飛行成功以來(lái),極大地推動(dòng)了SRM噴管材料的發(fā)展。采用C/C復合材料的喉襯、擴張段、延伸出口錐,具有極低的燒蝕率和良好的燒蝕輪廓,可提高噴管效率l%~3%,即可大大提高sRM的比沖。喉襯部一般采用多維編織的高密度瀝青基C/C復合材料,增強體多為整體針刺碳氈、多向編織等,并在表面涂覆Sic以提高抗氧化性和抗沖蝕能力。

    2、剎車(chē)領(lǐng)域的應用C/C復合材料剎車(chē)盤(pán)的實(shí)驗性研究于1973年第一次用于飛機剎車(chē)。目前,一半以上的C/C復合材料用作飛機剎車(chē)裝置。高性能剎車(chē)材料,要求高比熱容、高熔點(diǎn)以及高溫下的強度,C/C復合材料正好適應了這一要求,制作的飛機剎車(chē)盤(pán)重量輕、耐溫高、比熱容比鋼高2.5倍;同金屬剎車(chē)材料相比,可節省40%的結構重量。碳剎車(chē)盤(pán)的使用壽命是金屬基的5~7倍,剎車(chē)力矩平穩,剎車(chē)時(shí)噪聲小,因此碳剎車(chē)盤(pán)的問(wèn)世被認為是剎車(chē)材料發(fā)展史上的一次重大的技術(shù)進(jìn)步。目前法國歐洲動(dòng)力、碳工業(yè)等公司已批量生產(chǎn)c妃復合材料剎車(chē)片,英國鄧祿普公司也已大量生產(chǎn)C/C復合材料剎車(chē)片,用于賽車(chē)、火車(chē)和戰斗機的剎車(chē)材料。


    C/C復合材料的性能提高方法 1、耐燒蝕性能的提高針對固體火箭發(fā)動(dòng)機噴管喉襯材料的應用,重點(diǎn)在于C/C復合材料的耐燒蝕性能。目前,常采用C/C滲銅(Cu)或C/C滲難熔金屬碳化物(Tac、HfC、z芘)兩種方法進(jìn)行提高C/C復合材料的耐燒蝕性能,從而滿(mǎn)足新一代火箭喉襯材料的需求。 2、耐摩擦磨損性能研究C/C復合材料耐摩擦磨摜陛能優(yōu)異,其摩擦因6合成纖維SFC2011 No.1數適當且穩定,飛機剎車(chē)用C/C復合材料,壽命提高近5倍,剎車(chē)性能也明顯高于粉末冶金剎車(chē)材料f笠-蠲。70年代中期,英國Dunlop航空公司的C/C復合材料剎車(chē)片首次在協(xié)和式飛機上試飛成功以來(lái),得到很大發(fā)展,已廣泛應用于高速軍用飛機和大型高音速民用客機:F16、B737、B757、B767、B777及暴風(fēng)雪等型號。目前航空剎車(chē)用C/C復合材料主要由世界上的五家公司生產(chǎn),它們是法國的Messier、美國的Goodrich、Bendix、Goodyear及英國的Dunlop。

    C/C復合材料不同于一般的摩擦材料,其摩擦磨損機理既具有一般摩擦材料的共性,又具有自己的特性。目前仍未有完整的摩擦磨損理論。Kimura認為摩擦兇數高于O.4時(shí),磨損機制主要為磨粒磨損;低于O.4,則主要為氧化磨損。Awasthi等人認為潤滑膜是摩擦面的表層經(jīng)破壞、滾、壓等過(guò)程所形成;同時(shí)潤滑膜在摩擦作用下破壞而產(chǎn)生剝離,形成磨屑。這些磨屑一部分會(huì )再被壓成新的潤滑膜,如此循環(huán)反復,另一部分磨屑貝峪破壞形成較小的磨屑,掉入空氣中形成質(zhì)量損失。兇此,造成磨屑的來(lái)源有二:①來(lái)自磨損開(kāi)始時(shí)磨屑的大量產(chǎn)生;②來(lái)自潤滑層破壞所產(chǎn)生的磨屑。此外,由于C/C—cu復合材料中含有自潤滑性能的碳材料,從而在減磨材料方面的應用具有很大潛力。對C/C—cu復合材料的摩擦磨損性能進(jìn)行深入研究,能夠為該種材料在摩擦領(lǐng)域的應用提供理論依據。

    C/C復合材料展望 C/C復合材料自20世紀60年代發(fā)明以來(lái),就受到軍事、航空航天、核能以及許多民用工業(yè)領(lǐng)域的極大關(guān)注。然而,由于C/C復合材料制造工藝復雜、技術(shù)難度大,原材料價(jià)格昂貴,產(chǎn)品成本長(cháng)期居高不下,其用途仍然限制在一些工作條件苛刻的部位,以及其它材料不能替代的航空航天和軍事領(lǐng)域。目前在C/C復合材料研究領(lǐng)域,最需要解決的問(wèn)題是:研究高效、低成本、快速制備工藝方法;研究能在1 800℃以上長(cháng)期使用的抗氧化涂層;研究高性能耐燒蝕C/C復合材料并應用于固體火箭喉襯材料;改進(jìn)C/C復合材料的摩擦磨損性能,使之萬(wàn)方數據更加滿(mǎn)足于剎車(chē)材料的應用。


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