康 永,柴秀娟

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

碳/碳復合材料的性能和應用進展

康 永1,柴秀娟2

(1.陜西金泰氯堿化工有限公司技術中心,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)復合材料是以碳為基體,碳纖維增強的復合材料,具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導電、傳熱和膨脹系數小等一系列優(yōu)異性能,既可作為結構材料承載重荷,又可作為功能材料發(fā)揮作用。同時,碳/碳(C/C)復合材料是一種能在超高溫條件下工作的高溫結構材料,所以在航空航天領域具有廣闊的應用前景。本文綜述了碳/碳(C/C)復合材料的制備相應力學、熱學性能,化學性能和其在各領域的應用進展。

碳/碳復合材料;石墨化度;性能;應用

碳/碳復合材料是以碳纖維及其織物為增強材料,以碳為基體,通過加工處理和碳化處理制成的全碳質復合材料。碳/碳復合材料在高溫熱處理之后碳元素含量高于99%,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/碳復合材料的室溫強度可以保持到2500℃,對熱應力不敏感,抗燒蝕性能好。故該復合材料具有出色的機械特性,既可作為結構材料承載重荷,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/碳復合材料在樹脂基復合材料,金屬基復合材料,碳/碳復合材料以及陶瓷基復合材料四大類復合材料中就其研究與應用水平來說,僅次于樹脂基復合材料,優(yōu)先于其他類復合材料,已經全面走向工程應用階段[2]。C/C復合材料是一種多相非均質混合物。這種材料的力學性能、熱物理性能及摩擦磨損性能與材料的碳結構密切相關[3-5]。石墨化度是C/C復合材料最重要的結構參數之一,通過調整、控制C/C復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復合材料研究的一個非常重要的領域。

1 C/C復合材料的特點

C/C復合材料是指以炭纖維作為增強體,以炭作為基體的一類復合材料。C/C復合材料是新材料領域中重點研究和開發(fā)的一種新型超高溫材料,它具有以下顯著特點:

(1)密度小(<2.0g/cm3),僅為鎳基高溫合金1/4,陶瓷材料的1/2,這一點對許多結構或裝備要求輕型化至關重要。

(2)高溫力學性能極佳,隨著溫度升高(可達2200℃),其強度不僅不降低,甚至比在室溫時還高,這是其它結構材料所無法比擬的。

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

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

(5)具有其它復合材料的特征,如高強度、高模量、高疲勞度和蠕變性能等。

2 C/C復合材料的性能

2.1 石墨化度與性能的關系

石墨化度對C/C復合材料力學性能的影響非常復雜,不同作者得到的結果不同,有的甚至相反。對于炭纖維,通常,隨著熱處理溫度升高,強度先升高后降低,轉折溫度點約為1900℃[10]。對于C/C材料,Granoff等[11]發(fā)現,石墨化處理使CVD熱解炭基體復合材料的彎曲強度和模量降低;而Tzeng等[12]發(fā)現,石墨化處理使酚醛樹脂炭基體復合材料的彎曲強度和模量升高;Tw ashita等[13]認為,各向同性基體C/C復合材料的強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復合材料卻相反。炭纖維的預石墨化處理對C/C力學性能也有影響[14],Serizawaa等[15]發(fā)現,炭纖維預處理溫度不同的2種C/C材料的楊氏模量隨熱處理溫度變化的趨勢相反。

2.2 C/C復合材料的力學性能

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

2.3 C/C復合材料的斷裂性能

C/C復合材料制成的構件在承受載荷的狀態(tài)下,當受力超出其蠕變極限的情況下,既不會突然折斷,也不會顯示出金屬的塑性,呈現非線性斷裂方式。加在C/C復合材料的應力起初只是造成少數纖維斷裂,只有在重復拉伸才發(fā)生失效現象。

2.4 C/C復合材料的熱彎曲強度

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

2.5 C/C復合材料的電阻率

C/C復合材料的電阻率不受重復加熱的影響,并隨石墨化程度的增大材料的電阻率降低。導電性能好,且具有屏蔽電磁波的功能,對X射線的透過性好。此外炭纖維還具有吸能減振,對振動有優(yōu)異的衰減功能。盡管生產工藝參數相同(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復合材料的導熱性

C/C復合材料的導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熱性在常溫下通常為5～150W/m·k,導熱性最大的500W/m·k的C/C復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構。C/C復合材料抗溫度波動性比其它大多數陶瓷基材料和金屬要好,同時它在高溫工作時動態(tài)強度好。這是它在高溫用途中被廣泛使用的關鍵。

2.7 C/C復合材料的氧化性能

C/C復合材料主要用于真空或保護氣氛中,氧化是在高溫下有氧氣存在的情況下發(fā)生的。C/C復合材料的氧化過程由氣體介質中的氧流動至材料邊界開始。反應氣體吸附在材料表面,通過材料本身的孔隙向材料內部擴散,以材料缺陷為活性中心,炭纖維及其炭/炭復合材料的氧化特性研究并在雜質微粒的催化作用下發(fā)生氧化反應,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。在空氣中,碳材料在300℃左右開始氧化,石墨化C/ C復合材料在350℃左右開始氧化。氧化速率也取決于基體碳的性質,孔隙度,雜質的催化氧化性能以及周圍氣體運動速率和其他組成成分(如:水分含量)。通過浸潤抗氧化劑或涂以碳化硅可改善材料的抗氧化性。具體應用中,溫度是關鍵因素,需要通過初步實驗和具體情形決定。

2.8 C/C復合材料的耐化學腐蝕性能

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

3 C/C復合材料的應用

根據炭纖維所具有的優(yōu)異性能,炭纖維廣泛應用于國民經濟的各個部門之中:

(1)航空航天是最早應用炭纖維的領域。已研制出飛機的二次結構件,如垂尾、剎車片、方向舵等炭纖維復合材料。炭纖維復合材料還可用于導彈的鼻錐體、噴管、固體火箭的發(fā)動機等。炭纖維也用于民用工業(yè)領域。

(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自韓國、日本、美國和臺灣。

(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)領域,其中30%-40%的織機使用炭纖維劍桿頭、劍桿帶。它的主要優(yōu)點在于具有良好的耐磨性、剛了勝和導電性,能保證產品的幾何尺寸穩(wěn)定。

(5)在電子工業(yè),利用炭纖維的高導電率,研制新型的JXQ-1,JXQ-2自感應式靜電消除器,該產品達到80年代國際先進水平,還利用炭纖維復合材料研制出大型電機的防電暈材料,對防止大電機啟動時產生的電暈火花,減少大電機的容積有重大意義。

(6)在汽車工業(yè),研制的炭纖維制動器已用于桑塔那小轎車及其它機動車上。炭纖維還應用于眼鏡框、音響設備、醫(yī)療器械、人體醫(yī)學、生物工程、建筑材料等領域。

4 小結

炭纖維及其炭/炭復合材料具有高比模量、高比強度、耐腐蝕、耐疲勞、耐磨損、比重輕等一系列優(yōu)異性能。廣泛應用于航空、航天、機械、化工、生物器材等領域。在一定溫度的氧化性氣氛中,炭纖維和炭/炭復合材料會與氧發(fā)生反應,并且隨著溫度的升高,氧化反應的速度加快,致使炭材料的強度降低,性能退化。因此,有關其抗氧化問題一直是各國學者持續(xù)研究的熱點。

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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

TQ 31

2010-06-12