碳/碳復(fù)合材料的性能和應(yīng)用進(jìn)展

康 永,柴秀娟

(1.陜西金泰氯堿化工有限公司技術(shù)中心,陜西榆林,718100; 2.陜西金泰氯堿化工有限公司,陜西榆林,718100)

碳/碳復(fù)合材料的性能和應(yīng)用進(jìn)展

康 永1,柴秀娟2

(1.陜西金泰氯堿化工有限公司技術(shù)中心,陜西榆林,718100; 2.陜西金泰氯堿化工有限公司,陜西榆林,718100)

碳/碳(C/C)復(fù)合材料是以碳為基體,碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料,具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導(dǎo)電、傳熱和膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能,既可作為結(jié)構(gòu)材料承載重荷,又可作為功能材料發(fā)揮作用。同時(shí),碳/碳(C/C)復(fù)合材料是一種能在超高溫條件下工作的高溫結(jié)構(gòu)材料,所以在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文綜述了碳/碳(C/C)復(fù)合材料的制備相應(yīng)力學(xué)、熱學(xué)性能,化學(xué)性能和其在各領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展。

碳/碳復(fù)合材料;石墨化度;性能;應(yīng)用

碳/碳復(fù)合材料是以碳纖維及其織物為增強(qiáng)材料,以碳為基體,通過(guò)加工處理和碳化處理制成的全碳質(zhì)復(fù)合材料。碳/碳復(fù)合材料在高溫?zé)崽幚碇筇荚睾扛哂?9%,故該材料具有密度低,耐高溫,抗腐蝕,熱沖擊性能好,耐酸、堿、鹽,耐摩擦磨損等一系列優(yōu)異性能。此外,碳/碳復(fù)合材料的室溫強(qiáng)度可以保持到2500℃,對(duì)熱應(yīng)力不敏感,抗燒蝕性能好。故該復(fù)合材料具有出色的機(jī)械特性,既可作為結(jié)構(gòu)材料承載重荷,又可作為功能材料發(fā)揮作用,適于各種高溫用途使用[1]。

碳/碳復(fù)合材料在樹(shù)脂基復(fù)合材料,金屬基復(fù)合材料,碳/碳復(fù)合材料以及陶瓷基復(fù)合材料四大類復(fù)合材料中就其研究與應(yīng)用水平來(lái)說(shuō),僅次于樹(shù)脂基復(fù)合材料,優(yōu)先于其他類復(fù)合材料,已經(jīng)全面走向工程應(yīng)用階段[2]。C/C復(fù)合材料是一種多相非均質(zhì)混合物。這種材料的力學(xué)性能、熱物理性能及摩擦磨損性能與材料的碳結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[3-5]。石墨化度是C/C復(fù)合材料最重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)之一,通過(guò)調(diào)整、控制C/C復(fù)合材料各組元及整體的石墨化狀態(tài)、程度,可以賦予C/C復(fù)合材料不同的綜合性能,滿足不同的使用要求[6-9]。因此,石墨化研究是C/C復(fù)合材料研究的一個(gè)非常重要的領(lǐng)域。

1 C/C復(fù)合材料的特點(diǎn)

C/C復(fù)合材料是指以炭纖維作為增強(qiáng)體,以炭作為基體的一類復(fù)合材料。C/C復(fù)合材料是新材料領(lǐng)域中重點(diǎn)研究和開(kāi)發(fā)的一種新型超高溫材料,它具有以下顯著特點(diǎn):

(1)密度小(<2.0g/cm3),僅為鎳基高溫合金1/4,陶瓷材料的1/2,這一點(diǎn)對(duì)許多結(jié)構(gòu)或裝備要求輕型化至關(guān)重要。

(2)高溫力學(xué)性能極佳,隨著溫度升高(可達(dá)2200℃),其強(qiáng)度不僅不降低,甚至比在室溫時(shí)還高,這是其它結(jié)構(gòu)材料所無(wú)法比擬的。

(3)抗燒蝕性能良好,燒蝕均勻,可以用于高于3000℃的高溫,短時(shí)間燒蝕的環(huán)境中,如航天工業(yè)使用的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管,喉襯等,具有無(wú)與倫比的優(yōu)越性。

(4)摩擦磨損性能優(yōu)異,其摩擦系數(shù)小,性能穩(wěn)定,是各種耐磨和摩擦部件的最佳候選材料。

(5)具有其它復(fù)合材料的特征,如高強(qiáng)度、高模量、高疲勞度和蠕變性能等。

2 C/C復(fù)合材料的性能

2.1 石墨化度與性能的關(guān)系

石墨化度對(duì)C/C復(fù)合材料力學(xué)性能的影響非常復(fù)雜,不同作者得到的結(jié)果不同,有的甚至相反。對(duì)于炭纖維,通常,隨著熱處理溫度升高,強(qiáng)度先升高后降低,轉(zhuǎn)折溫度點(diǎn)約為1900℃[10]。對(duì)于C/C材料,Granoff等[11]發(fā)現(xiàn),石墨化處理使CVD熱解炭基體復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和模量降低;而Tzeng等[12]發(fā)現(xiàn),石墨化處理使酚醛樹(shù)脂炭基體復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和模量升高;Tw ashita等[13]認(rèn)為,各向同性基體C/C復(fù)合材料的強(qiáng)度和模量隨著熱處理溫度升高而提高,但各向異性基體C/C復(fù)合材料卻相反。炭纖維的預(yù)石墨化處理對(duì)C/C力學(xué)性能也有影響[14],Serizawaa等[15]發(fā)現(xiàn),炭纖維預(yù)處理溫度不同的2種C/C材料的楊氏模量隨熱處理溫度變化的趨勢(shì)相反。

2.2 C/C復(fù)合材料的力學(xué)性能

C/C復(fù)合材料的力學(xué)性能,主要取決于碳纖維的種類、取向、含量以及制備工藝。單向增強(qiáng)的CFC,沿碳纖維長(zhǎng)度方向的力學(xué)性能比垂直的方向高出幾十倍。CFC的高強(qiáng)高模量特性來(lái)自碳纖維,隨著溫度的升高,CFC的強(qiáng)度不降反升,而且要比室溫下的強(qiáng)度還要高。在1000℃以上,強(qiáng)度最低的CFC的比強(qiáng)度也較耐熱合金和陶瓷材料高。

2.3 C/C復(fù)合材料的斷裂性能

C/C復(fù)合材料制成的構(gòu)件在承受載荷的狀態(tài)下,當(dāng)受力超出其蠕變極限的情況下,既不會(huì)突然折斷,也不會(huì)顯示出金屬的塑性,呈現(xiàn)非線性斷裂方式。加在C/C復(fù)合材料的應(yīng)力起初只是造成少數(shù)纖維斷裂,只有在重復(fù)拉伸才發(fā)生失效現(xiàn)象。

2.4 C/C復(fù)合材料的熱彎曲強(qiáng)度

同其他陶瓷和金屬高溫材料不同的是C/C復(fù)合材料的強(qiáng)度隨溫度的升高而提高。在高溫下材料處于基本無(wú)應(yīng)力狀態(tài),隨著材料的冷卻,材料內(nèi)部的應(yīng)力逐漸形成,并產(chǎn)生一些殘余應(yīng)力。其是造成在常溫下強(qiáng)度低、而在高溫下(1000～2000℃)強(qiáng)度高的原因。

2.5 C/C復(fù)合材料的電阻率

C/C復(fù)合材料的電阻率不受重復(fù)加熱的影響,并隨石墨化程度的增大材料的電阻率降低。導(dǎo)電性能好,且具有屏蔽電磁波的功能,對(duì)X射線的透過(guò)性好。此外炭纖維還具有吸能減振,對(duì)振動(dòng)有優(yōu)異的衰減功能。盡管生產(chǎn)工藝參數(shù)相同(如:致密化處理和熱處理溫度),不同纏繞方式的管材及不同纖維排列的板材其電阻率也相差很大,比如纖維同管軸線平行排列的越少則其電阻率越高。

2.6 C/C復(fù)合材料的導(dǎo)熱性

C/C復(fù)合材料的導(dǎo)熱性受纖維的排列方向、基體碳種類以及熱處理溫度的影響。如雙向排列纖維材料的導(dǎo)熱性在常溫下通常為5～150W/m·k,導(dǎo)熱性最大的500W/m·k的C/C復(fù)合材料是專為核聚變工廠研制的,采用超高溫處理溫度并能形成極好的石墨基材結(jié)構(gòu)。C/C復(fù)合材料抗溫度波動(dòng)性比其它大多數(shù)陶瓷基材料和金屬要好,同時(shí)它在高溫工作時(shí)動(dòng)態(tài)強(qiáng)度好。這是它在高溫用途中被廣泛使用的關(guān)鍵。

2.7 C/C復(fù)合材料的氧化性能

C/C復(fù)合材料主要用于真空或保護(hù)氣氛中,氧化是在高溫下有氧氣存在的情況下發(fā)生的。C/C復(fù)合材料的氧化過(guò)程由氣體介質(zhì)中的氧流動(dòng)至材料邊界開(kāi)始。反應(yīng)氣體吸附在材料表面,通過(guò)材料本身的孔隙向材料內(nèi)部擴(kuò)散,以材料缺陷為活性中心,炭纖維及其炭/炭復(fù)合材料的氧化特性研究并在雜質(zhì)微粒的催化作用下發(fā)生氧化反應(yīng),生成的CO或CO2氣體最終從材料表面脫附。氧化的程度取決于氧氣的部分壓力,也與材料的類型有關(guān)。在空氣中,碳材料在300℃左右開(kāi)始氧化,石墨化C/ C復(fù)合材料在350℃左右開(kāi)始氧化。氧化速率也取決于基體碳的性質(zhì),孔隙度,雜質(zhì)的催化氧化性能以及周圍氣體運(yùn)動(dòng)速率和其他組成成分(如:水分含量)。通過(guò)浸潤(rùn)抗氧化劑或涂以碳化硅可改善材料的抗氧化性。具體應(yīng)用中,溫度是關(guān)鍵因素,需要通過(guò)初步實(shí)驗(yàn)和具體情形決定。

2.8 C/C復(fù)合材料的耐化學(xué)腐蝕性能

C/C復(fù)合材料耐油、耐酸、耐腐蝕性能好,與生物有很好的相容性。除了強(qiáng)氧化劑外,濃鹽酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮、堿都對(duì)其不起作用。而在高溫下,某些金屬特別是過(guò)渡金屬(如:鐵,鎳和鈷)在碳存在的情況下,會(huì)起催化作用使C/ C復(fù)合材料形成碳化物。

3 C/C復(fù)合材料的應(yīng)用

根據(jù)炭纖維所具有的優(yōu)異性能,炭纖維廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門之中:

(1)航空航天是最早應(yīng)用炭纖維的領(lǐng)域。已研制出飛機(jī)的二次結(jié)構(gòu)件,如垂尾、剎車片、方向舵等炭纖維復(fù)合材料。炭纖維復(fù)合材料還可用于導(dǎo)彈的鼻錐體、噴管、固體火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)等。炭纖維也用于民用工業(yè)領(lǐng)域。

(2)體育休閑用品炭纖維的用量占總量的80%。主要用在高爾夫球桿、釣魚桿、羽毛球拍、乒乓球拍、賽艇、自行車等。所用的炭纖維大部分來(lái)自韓國(guó)、日本、美國(guó)和臺(tái)灣。

(3)氧化纖維、炭纖維密封墊料是工業(yè)用炭纖維制品中用量最大的品種。主要用于發(fā)電廠、化工廠、化肥廠和油田等耐高壓、耐腐蝕的泵和閥。這些密封材料的功能和壽命大大優(yōu)于石棉。

(4)在紡織工業(yè)領(lǐng)域,其中30%-40%的織機(jī)使用炭纖維劍桿頭、劍桿帶。它的主要優(yōu)點(diǎn)在于具有良好的耐磨性、剛了勝和導(dǎo)電性,能保證產(chǎn)品的幾何尺寸穩(wěn)定。

(5)在電子工業(yè),利用炭纖維的高導(dǎo)電率,研制新型的JXQ-1,JXQ-2自感應(yīng)式靜電消除器,該產(chǎn)品達(dá)到80年代國(guó)際先進(jìn)水平,還利用炭纖維復(fù)合材料研制出大型電機(jī)的防電暈材料,對(duì)防止大電機(jī)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電暈火花,減少大電機(jī)的容積有重大意義。

(6)在汽車工業(yè),研制的炭纖維制動(dòng)器已用于桑塔那小轎車及其它機(jī)動(dòng)車上。炭纖維還應(yīng)用于眼鏡框、音響設(shè)備、醫(yī)療器械、人體醫(yī)學(xué)、生物工程、建筑材料等領(lǐng)域。

4 小結(jié)

炭纖維及其炭/炭復(fù)合材料具有高比模量、高比強(qiáng)度、耐腐蝕、耐疲勞、耐磨損、比重輕等一系列優(yōu)異性能。廣泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)械、化工、生物器材等領(lǐng)域。在一定溫度的氧化性氣氛中,炭纖維和炭/炭復(fù)合材料會(huì)與氧發(fā)生反應(yīng),并且隨著溫度的升高,氧化反應(yīng)的速度加快,致使炭材料的強(qiáng)度降低,性能退化。因此,有關(guān)其抗氧化問(wèn)題一直是各國(guó)學(xué)者持續(xù)研究的熱點(diǎn)。

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The Research Progress on the Carbon/Carbon Com posites'Proper ties and App lica tion s

KANG Yong1,CHA IX iu-juan2

(1 The Research Centerof Shanxi JintaiChlor-alkaliChem icalCo.LTD.,Yulin 718100,Shanxi, China;2 Shanxi JintaiChlor-alkaliChem icalCo.LTD.Yu lin 718100,Shanxi,China)

Carbon/Carbon compositeswhich is reinforced by carbon fiberbaseson carbonm atrix.Ithasa series of excellent perform ance,such as high specific strength,high specific modulus,high temperature resistance, corrosion resistance,fatigue tolerance,creep resistance,electrical conductivity,heat transfer and sm all expansion coefficient.So it can notonly be a structuralm aterial bearing heavy loads,butalso p lay a ro le as functional m aterials.M eanw hile,Carbon/Carbon(C/C)com posites exhibitexcellent structuralp roperties atelevated tem peratu res,and are considered as themostp rom ising candidatem aterials fo r high tem perature app lications such as in aviation and space flight industries.

Carbon/Carbon composites;graphitization degree;p roperties;app lications

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2010-06-12