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了解C/C復(fù)合材料的制備以及用途
C/C復(fù)合材料是指以碳纖維作為增強(qiáng)體,以碳作為基體的一類復(fù)合材料。作為增強(qiáng)體的碳纖維可用多種形式和種類,既可以用短切纖維,也可以用連續(xù)長纖維及編織物。各種類型的碳纖維都可用于C/C復(fù)合材料的增強(qiáng)體。碳基體可以是通過化學(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(fù)合材料作為碳纖維復(fù)合材料家族的一個重要成員,具有密度低、高比強(qiáng)度比模量、高熱傳導(dǎo)性、低熱膨脹系數(shù)、斷裂韌性好、耐磨、耐燒蝕等特點(diǎn),尤其是其強(qiáng)度隨著溫度的升高,不僅不會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(yīng)用于航天、航空、核能、化工、醫(yī)用等各個領(lǐng)域。
C/C復(fù)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(jī)低分子氣體為前驅(qū)體,后者是以熱塑性樹脂(石油瀝青、煤瀝青、中間相瀝青)或熱固性樹脂(呋喃、糠醛、酚醛樹脂)為基體前驅(qū)體,這些原料在高溫下發(fā)生一系列復(fù)雜化學(xué)變化而轉(zhuǎn)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(fù)合致密化,得到具有理想密度的C/C復(fù)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(nèi)沉積碳,以達(dá)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,而且不會像浸漬法那樣在再碳化時產(chǎn)生收縮,而這種方法的物理機(jī)械陛能比較好。但在cVD過程中,如果碳在坯體表面沉積就會阻止氣體向內(nèi)部孔的擴(kuò)散。對于表面沉積的碳應(yīng)用機(jī)械的方法除去,再進(jìn)行新一輪沉積。對于厚制品,CVD法也存在著一定的困難,而且這種方法的周期也很長。
2、液相浸漬法一碳化法
液相浸漬法相對而言設(shè)備比較簡單,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(fù)合材料的一個重要方法。它是將碳纖維制成的預(yù)成型體浸入液態(tài)的浸漬劑中,通過加壓使浸漬劑充分滲入到預(yù)成型體的空隙中,再通過固化、碳化、石墨化等一系列過程的循環(huán),最終得到C/C復(fù)合材料。它的缺點(diǎn)是要經(jīng)過反復(fù)多次浸漬、碳化的循環(huán)才能達(dá)到密度要求。液相浸漬法中浸漬劑的組成和結(jié)構(gòu)十分重要,它不僅影響致密化效率,而且也影響制品的機(jī)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(fù)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(fù)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(fù)合材料的生產(chǎn)效率,降低其成本,也可提高C/C復(fù)合材料的各種性能。C/C復(fù)合材料的抗氧化處理碳纖維在空氣中,于360℃開始氧化,石墨纖維要略好于碳纖維,其開始氧化的溫度為420℃,C/C復(fù)合材料的氧化溫度為450℃左右。C/C復(fù)合材料在高溫氧化性氣氛下極易氧化,并且氧化速率隨著溫度的升高迅速增大,若無抗氧化措施,在高溫氧化環(huán)境中長時間使用C/C復(fù)合材料必將引起災(zāi)難性后果。因此,C/C復(fù)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(nèi)部抗氧化技術(shù)和抗氧化涂層技術(shù)。