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一文詳解SGL Carbon碳/碳復(fù)合材料的加工、特性及高端應(yīng)用（二）：優(yōu)異力學(xué)性能

篇 首 語(yǔ)

德國(guó)SGL Carbon公司（西格里碳素）是全球領(lǐng)先的碳素石墨材料以及相關(guān)產(chǎn)品的制造商之一。西格里集團(tuán)涵蓋了從原絲到碳纖維、織物和預(yù)浸料、再到CFRP部件成品在內(nèi)的完整業(yè)務(wù)鏈。



本文簡(jiǎn)要介紹SGL Carbon公司碳/碳復(fù)合材料的力學(xué)性能。


附：本公眾號(hào)SGL公司的原創(chuàng)類(lèi)文章
《一文帶你了解西格里公司碳纖維》
《詳解西格里產(chǎn)業(yè)1：公司發(fā)展策略》
《詳解西格里產(chǎn)業(yè)2：汽車(chē)用碳纖維》
《詳解西格里產(chǎn)業(yè)3：空天用碳纖維》
《西格里碳素：專(zhuān)注復(fù)材應(yīng)用技術(shù)》
《最新版碳纖維產(chǎn)品及典型應(yīng)用》
《SGL碳碳復(fù)合材料：制備流程》
《SGL發(fā)展歷程及主要業(yè)務(wù)》
《碳/碳復(fù)合材料應(yīng)用實(shí)例》

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德國(guó)SGL Carbon公司（西格里碳素）是全球領(lǐng)先的碳素石墨材料以及相關(guān)產(chǎn)品的制造商之一。此次系列文章將會(huì)詳細(xì)介紹該公司SIGRABOND型碳碳復(fù)合材料的加工流程、優(yōu)異特性、高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用以及典型結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)與加工。



SIGRABOND型碳/碳復(fù)合材料的優(yōu)異特性涉及內(nèi)容較多，涵蓋熱性能、機(jī)械性能、耐溫波動(dòng)性、耐化學(xué)性等性能，本文將首先介紹復(fù)合材料的力學(xué)性能。



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由于C/C復(fù)合材料范圍非常廣泛，因此下表1中僅列舉了幾種用于最重要領(lǐng)域產(chǎn)品的材料性能，其中包括了特殊機(jī)械特性、表面特性或穩(wěn)定性。這些復(fù)合材料都可以在大多數(shù)高溫領(lǐng)域應(yīng)用，并且是經(jīng)過(guò)2000°C高溫處理制備得到。



表1 經(jīng)石墨化SIGRABOND型C/C復(fù)合材料的典型力學(xué)性能指標(biāo)
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圖1顯示了1601G牌號(hào)的SIGRABOND復(fù)合材料產(chǎn)品的性能隨浸漬和再加工操作次數(shù)的變化。一般情況下，材料性能會(huì)隨著致密化（浸漬和熱烘）數(shù)量增加而改善，即：層間剪切強(qiáng)度、彎曲和拉伸強(qiáng)度、體積密度、孔隙體積和楊氏模量等性能均會(huì)隨著熱處理的次數(shù)增加而提升。該性能提升還擴(kuò)展到許多其他性能，包括導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性、抗壓強(qiáng)度和耐交變載荷。但是，隨著致密化次數(shù)的增加會(huì)推高生產(chǎn)成本。



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圖1 當(dāng)熱處理次數(shù)由1次提高到3次時(shí)，所有性能均獲得提升


在經(jīng)歷載荷時(shí)，由纖維復(fù)合材料制成的部件不會(huì)突然斷裂，但當(dāng)這些部件收到超過(guò)蠕變極限的應(yīng)力時(shí)，它們也不會(huì)表現(xiàn)出金屬的塑性行為。施加在C/C復(fù)合材料上的應(yīng)力最初只會(huì)導(dǎo)致少數(shù)纖維股斷裂，只有在反復(fù)拉伸后才會(huì)發(fā)生進(jìn)一步的斷裂。這種類(lèi)型的斷裂稱(chēng)為準(zhǔn)塑性斷裂。圖2顯示了1501 G牌號(hào)SIGRABOND型C/C復(fù)合材料的典型應(yīng)力-應(yīng)變圖，最大允許載荷是在大約0.3%的延伸率下實(shí)現(xiàn)的，而材料的斷裂伸長(zhǎng)率在0.7%和1.0%之間。




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圖2 碳/碳復(fù)合材料應(yīng)力應(yīng)變曲線



與所有其他陶瓷或金屬高溫材料不同，碳纖維材料的強(qiáng)度隨著溫度的升高而增加。在高溫下，材料基本處于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)材料冷卻時(shí)，內(nèi)部應(yīng)力不斷增加，這是外部施加的任何應(yīng)力的補(bǔ)充。這會(huì)導(dǎo)致室溫下強(qiáng)度較低，但在1000°C或2000°C下強(qiáng)度較高（表2）。



表2 碳/碳復(fù)合材料高溫環(huán)境下性能變化
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SIGRABOND型C/C復(fù)合材料的一個(gè)典型優(yōu)異特性是其在高工作溫度下的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度。圖3顯示了1501 G牌號(hào)C/C復(fù)合材料在10?至10?次荷載變化后，復(fù)合材料的初始強(qiáng)度僅下降了約5%。



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圖3 1501 G牌號(hào)C/C復(fù)合材料在交變載荷下的耐疲勞性




碳/碳復(fù)合材料是新材料領(lǐng)域重點(diǎn)研究和開(kāi)發(fā)的一類(lèi)戰(zhàn)略性高技術(shù)材料。近年來(lái)，國(guó)防科技的快速發(fā)展對(duì)低燒蝕抗氧化碳/碳復(fù)合材料提出了耐更高溫度、更高速度和更長(zhǎng)時(shí)間的極端要求?；谏鲜霰尘?，Carbontech碳纖維及碳/碳復(fù)合材料論壇將于11月18-20日在上海跨國(guó)采購(gòu)會(huì)展中心舉行，具體內(nèi)容詳見(jiàn)鏈接。