張旭輝，謝英姿，張澤旭，張靈玉，胡振英，侯衛(wèi)權(quán)

（1.西安超碼科技有限公司,西安 710025；2.西安航天復(fù)合材料研究所，西安 710089）

1 引言

炭/炭復(fù)合材料是以炭纖維為增強(qiáng)體、以碳為基體的一種耐高溫復(fù)合材料，具有質(zhì)量輕，強(qiáng)度和彈性高的特點(diǎn)，導(dǎo)熱性好，高溫下強(qiáng)度不下降反而升高、熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定，能夠耐受2000℃的高溫[1]。和“金屬”比較，具有良好的耐熱性，極小的熱膨脹率，很輕的重量（只有鐵的1/5），良好的耐腐蝕性；和“石墨”比較，具有更高的強(qiáng)度，更好的韌性，不易破碎；和“陶瓷”比較，韌性好，耐熱沖擊性好，容易加工[2]；因其優(yōu)異的綜合性能廣泛用于耐熱、高力學(xué)性能領(lǐng)域，比如脫蠟、金屬熱處理、炭/炭材料熱處理、粉末冶金、玻璃行業(yè)等各樣條件下使用的料框、吊架、夾具，使用溫度大都在1 400℃～2 600℃范圍內(nèi)，鋼材料因在1 400℃以上變形、熔化，高溫下起不到支撐、矯形、承載產(chǎn)品等作用；石墨材料在高溫下能保持高的強(qiáng)度，可隨產(chǎn)品一起經(jīng)歷高溫處理，但質(zhì)脆韌性低，極易斷裂。鑒于炭/炭復(fù)合材料的優(yōu)異綜合性能，可制作成高溫環(huán)境下承載產(chǎn)品的工具，是目前唯一可和產(chǎn)品一起經(jīng)歷高溫處理且不破壞的裝載工具[3]。

本文以研制高溫純化爐用裝料料架為目標(biāo)，結(jié)合炭/炭復(fù)合材料的的優(yōu)異綜合性能，設(shè)計(jì)制備出了高溫爐用炭/炭料架，并對(duì)炭/炭料架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、微觀形貌、熱學(xué)性能以及力學(xué)性能進(jìn)行了研究。

2 料架設(shè)計(jì)、制備及性能表征

2.1 炭/炭復(fù)合材料料架設(shè)計(jì)

炭/炭復(fù)合材料料架主要由料盤、上下支座、支腿、底座等組件配合組成。設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。

圖1 炭/炭料架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of carbon/carbon frame structure

2.2 炭/炭復(fù)合材料料架的制備

炭/炭料架各部件制備工藝如下：預(yù)制體采用無捻連續(xù)炭纖維織成的無緯炭布與網(wǎng)胎交替疊層針刺而成，纖維體積分?jǐn)?shù)達(dá)到37%，經(jīng)數(shù)周期化學(xué)氣相滲透（CVI）和液相樹脂浸漬/炭化相結(jié)合的致密工藝，致密后經(jīng)一定溫度處理制得炭/炭復(fù)合材料坯體，最終密度達(dá)到1.55g/cm3以上。

2.3 性能表征

2.3.1 微觀形貌

利用JSM-6460LV掃描電子顯微鏡對(duì)材料斷口形貌進(jìn)行觀察。

2.3.2 熱學(xué)性能

利用DIL402C熱膨脹測(cè)定儀，按GB/T4339-2008測(cè)試線膨脹系數(shù)，測(cè)試溫度為室溫-800℃，試樣尺寸為Φ6mm×25mm。

利用NETZS公司LFA457型號(hào)熱常數(shù)測(cè)定儀，按GJB1201·1-1991標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試熱擴(kuò)算率、比熱容，并計(jì)算得到熱導(dǎo)率，測(cè)試溫度室溫-800℃，試樣尺寸為Ф10mm×3mm。

2.3.3 力學(xué)性能

按照Q/Gb97-92在DSS-10T-S型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)制備的炭/炭復(fù)合材料料架測(cè)試X-Y向的彎曲性能；按照GB1994-80,測(cè)試了壓縮性能。其中拉伸試樣尺寸Φ15mm×52mm，其中彎曲試樣尺寸為55mm×10mm×4mm，壓縮試樣尺寸為20mm×20mm×20mm。

3 結(jié)果與討論

3.1 微觀形貌分析

炭/炭復(fù)合材料料架SEM形貌見圖2。

圖2 （a）（b）（c）（d）炭/炭料架微觀形貌Fig.2 SEM images of carbon-carbon composite frame

由圖2可看出，炭/炭復(fù)合材料料架由炭纖維、樹脂炭和熱解炭組成，（a）中熱解炭主要包裹在纖維周圍，圍繞垂直炭纖維沉積形成柱狀沉積炭，與炭纖維界面結(jié)合緊密,而樹脂炭主要填充纖維束間隙與熱解炭包裹的炭纖維結(jié)合成一個(gè)牢固的整體。熱解炭與樹脂炭不同的沉積、包裹方式，使炭/炭材料整體一致性較強(qiáng)。圖c、d為試樣彎曲破壞斷面，可看出斷面并非整體斷裂，存在纖維拔出現(xiàn)象，呈韌性斷裂形貌。

3.2 熱學(xué)性能

表1 炭/炭復(fù)合材料料架的熱學(xué)性能Table1 Thermal properties of carbon-carbon composite frame

炭/炭復(fù)合材料料架熱膨脹系數(shù)隨溫度變化曲線見圖3,炭/炭復(fù)合材料料架導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化曲線見圖4。

圖3 炭/炭料架熱膨脹系數(shù)隨溫度變化曲線Fig.3 Curve of heat expansion coefficients and temperature of Carbon/carbon composite frame

圖4 炭/炭料架熱導(dǎo)率隨溫度變化曲線Fig.4 Curve of thermal properties and temperature of carbon/carbon composite frame

如圖3可見炭/炭復(fù)合材料料架熱膨脹系數(shù)隨著測(cè)試溫度的增加呈上升趨勢(shì)，可看出200℃前出現(xiàn)負(fù)膨脹，200℃-800℃熱膨脹系數(shù)隨著溫度的增加呈線性增加，主要是因?yàn)樵诘蜏仉A段升溫時(shí)，纖維鋪層方向，基體炭中碳原子因其自身的震動(dòng)而使間距減小，體積收縮，而在結(jié)構(gòu)中有骨架作用的炭纖維則因溫度低而膨脹較小，結(jié)果收縮量大于膨脹量，使炭/炭復(fù)合材料表現(xiàn)為收縮，隨著溫度升高，膨脹量大于收縮量，因此在高溫區(qū)熱膨脹系數(shù)表現(xiàn)為正值，近似線性增加。

如圖4隨著測(cè)試溫度上升，炭/炭復(fù)合材料料架熱導(dǎo)率增加。炭/炭復(fù)合材料和石墨材料具備相同熱傳遞機(jī)理，熱傳遞均由晶格振動(dòng)即聲子機(jī)制控制，聲子的平均自由程決定著熱擴(kuò)散性能，在不同的溫度區(qū)域進(jìn)行不同的聲子擴(kuò)算歷程。在低溫下，聲子濃度小，聲子平均自由程與晶體微晶尺寸La值大體相等。在中等溫度，聲子在晶體邊界或缺陷散射，熱導(dǎo)的提高與溫度呈平方關(guān)系，并當(dāng)溫度接近非傳導(dǎo)性最大溫度時(shí)，熱導(dǎo)提高到最大。超過該溫度，將以聲子-聲子或碰撞擴(kuò)散為主，聲子平均自由程減少，熱導(dǎo)率將降低[4]。因炭/炭復(fù)合材料料架高溫處理溫度偏低，石墨化度低，而且因材料是由纖維、基體和孔隙組成的多相結(jié)構(gòu)，提高了聲子擴(kuò)散，降低聲子-聲子或者聲子碰撞機(jī)制出現(xiàn)可能性，熱傳導(dǎo)由聲子擴(kuò)散和聲子在晶體邊界或缺陷散射控制，因此，在室溫-800℃測(cè)試范圍內(nèi)，炭/炭復(fù)合材料料架隨著測(cè)試溫度升高，由熱激發(fā)聲子擴(kuò)散濃度增加，熱導(dǎo)率增加。

3.3 力學(xué)性能

試樣的力學(xué)性能見表2。

表2 炭/炭復(fù)合材料料架的力學(xué)性能Table2 Mechanical properties of carbon-carbon composite frame

圖5是料架試樣的彎曲性能變化曲線，開始階段為明顯的線性關(guān)系，在達(dá)到最大載荷后，曲線呈現(xiàn)有波折的下降的趨勢(shì)，表明試樣為明顯的韌性斷裂，具有“假塑性”特性，之后突然下降，表明存在一定的脆性特性。

圖5 彎曲載荷-位移曲線Fig.5 Load-extension curves of carbon-carbon composite frame

3.4 力學(xué)校核

由于炭/炭復(fù)合材料的特性，材料在高溫下的力學(xué)性能優(yōu)于室溫，且在2200℃時(shí)呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)峰值，該料架擬在2000℃環(huán)境下使用，故產(chǎn)品力學(xué)校核可用室溫力學(xué)性能數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)。

炭/炭料架主要部件為料盤、上下支座、支腿、底座四部分。

經(jīng)過檢測(cè)，純化爐料架所使用的炭/炭復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度的為220MPa，抗彎強(qiáng)度為125MPa；取安全系數(shù)為2，則有σ壓=110MPa，σ彎=62.5MPa對(duì)各部件最大承載能力進(jìn)行如下計(jì)算：

3.4.1 料盤力學(xué)校核

（1）支撐板

支撐板形狀如下圖所示：

圖6 支撐板示意圖Fig.6 Diagram of bracing plate

通過受力分析可知，支撐板下方有支撐條等間距的為支撐板提供支撐力，且整個(gè)支撐板受到的壓力接近均勻分布，可近似的認(rèn)為支撐板各處收到的壓力相等。因此影響其承載能力的因素主要為抗壓強(qiáng)度及承力面積。

根據(jù)圖紙尺寸，由壓強(qiáng)計(jì)算公式σ=F/S可計(jì)算出支撐板可承受的最大壓力 F支撐板=σ壓*S總。其中，S總為四根支撐板上表面積的總和。則由設(shè)計(jì)圖紙可知，其總面積為：S總=[1380*80+（1234+1150）*80/2]*2≈0.4m2

由此可知，支撐板可承受的最大壓力：F支撐板=σ壓*S總=110MPa*0.4m2=4.4*107N

（2）支撐條

支撐條形狀如下圖所示：

圖7 支撐條示意圖Fig.7 Diagram of bracing bar

根據(jù)整個(gè)料盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)支撐條進(jìn)行受力分析后可知，支撐條主要為兩端受到支撐環(huán)提供的支撐力的作用，上端面整體受到近似均勻分布的壓力。因此，影響其承載能力的因素主要為抗彎強(qiáng)度。由以下公式：

均布載荷q=F/l 最大彎矩M=1/8*q*l2最大彎曲應(yīng)力σ彎=M/W 抗彎截面系數(shù)

其中：q-均布載荷，F(xiàn)-壓力，l-長(zhǎng)度，σ彎-抗彎強(qiáng)度，M-彎矩，W-抗彎截面系數(shù)，b-寬度，h-高度。

可承受的最大壓力F支撐條=（4*b*h2*σ彎）/（3*l）

由設(shè)計(jì)圖紙可知，支撐條最大長(zhǎng)度l=1378mm，則單根支撐條可承受的最大壓力

六根支撐條可承受的總壓力：F支撐條=F單*4=1481.6N*4=8888.4N

（3）支撐環(huán)

支撐條形狀如下圖所示：

圖8 支撐環(huán)示意圖Fig.8 Diagram of bracing ring

根據(jù)支撐環(huán)的形狀特征，對(duì)其進(jìn)行受力分析。其主要承力部分為放置支撐條和支撐板的凹槽，主要受力為支撐條、支撐板產(chǎn)生的壓力，影響其承載能力的因素主要為材料的抗壓強(qiáng)度及承力面積。

根據(jù)圖紙尺寸，由壓強(qiáng)計(jì)算公式σ=F/S可計(jì)算出支撐環(huán)可承受的最大壓力 F支撐環(huán)=σ壓*S槽。其中，S槽為支撐條上所有凹槽表面積的總和。則由設(shè)計(jì)圖紙可計(jì)算出，其總面積為：S槽≈28.96cm2≈2.896*10-3 m2

由此可知，支撐環(huán)可承受的最大壓力：F支撐環(huán)=σ壓*S總=110MPa*2.896*10-3 m2≈3.18*105N

3.4.2 上、下支座力學(xué)校核

上、下支座形狀如下圖所示：

圖9 支座示意圖Fig.9 Diagram of bearing

根據(jù)支座的形狀特征，對(duì)其進(jìn)行受力分析。其主要承受的力為壓力，影響其承載能力的因素主要為材料的抗壓強(qiáng)度及承力面積。其承力面分別為支撐環(huán)接觸面及與支腿接觸面。由設(shè)計(jì)圖紙可知，其與支撐環(huán)接觸面積：S接1=60mm*32mm=1 920mm2，與支腿接觸面積：S接2=50mm*50mm=2500mm2

與支撐環(huán)接觸部位壓強(qiáng)較大，以該位置接觸面積為基準(zhǔn)，可計(jì)算單個(gè)支座可承受的最大壓力：F支座1=σ壓*S接1=110MPa*1 920mm2=2.11*105N

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，每層均有8個(gè)支座，則每層支座可承受的最大壓力為：F支座=F下支座1*8≈1.6*106N

3.4.3 支腿力學(xué)校核

支腿形狀如下圖所示：

圖10 支腿示意圖Fig.10 Diagram of leg

根據(jù)支腿的形狀特征，對(duì)其進(jìn)行受力分析。其主要承受來自兩端的壓力，影響其承載能力的因素主要為材料的抗壓強(qiáng)度及承力面積。

由設(shè)計(jì)圖紙可知，其承力面積為：S支腿=50mm*50mm=2500mm2

由此可知，單個(gè)支腿可承受的最大壓力：F支腿1=σ壓*S支腿=110MPa*2 500mm2=2.75*105N

根據(jù)設(shè)置圖紙，每層均有8個(gè)支腿，則每層支腿可承受的最大壓力為：F支腿=F支腿1*8≈2.2*106N

3.4.4 底座力學(xué)校核

底座形狀如下圖所示：

圖11 底座示意圖Fig.11 Diagram of base

根據(jù)底座的形狀特征，對(duì)其進(jìn)行受力分析。其主要承受來自凹槽中支撐環(huán)的壓力，影響其承載能力的因素主要為材料的抗壓強(qiáng)度及承力面積。

由設(shè)計(jì)圖紙可知，其承力面積為：S底座=50*50=2500mm2

由此可知，單個(gè)底座可承受的最大壓力：F底座1=σ壓*S底座=110MPa*2500mm2=2.75*105N

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，每層均有8個(gè)支腿，則每層支腿可承受的最大壓力為：F底座=F底座1*8≈2.2*106N

3.4.5 各部件自重計(jì)算

根據(jù)圖紙?zhí)峁┑某叽鐢?shù)據(jù)，可計(jì)算出每個(gè)零部件的體積大小，由于純化爐支架整體全部由炭/炭復(fù)合材料制作，其密度要求為1.55g/cm3。因此，可以通過密度公式計(jì)算得出：ρ=M/V 其中，ρ-密度，M-質(zhì)量，V-體積。使用設(shè)計(jì)圖紙尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算可得出以下結(jié)果：

料盤質(zhì)量（包括支撐板、支撐環(huán)、支撐條）M料≈76.9kg

下支座質(zhì)量 M下≈0.38kg

上支座質(zhì)量 M上≈0.38kg

支腿質(zhì)量 M支≈2.17kg

料架整體自重 M自≈76.9*3+（0.38+0.38+2.17）*8*2=277.58kg

3.4.6 最大承載能力分析

根據(jù)上述計(jì)算計(jì)算可知：

料盤中可承受壓力上限最小的部件為支撐條（8888.4N），即每層料盤最大可放置8888.4÷9.8≈907kg的物品。

上支座、支腿、下支座三個(gè)部件中，可承受壓力上限最小的部件為上支座和下支座（1.6*106N），即每層上、下支座最大可支撐1.6*106÷9.8≈1.6*105kg物品。

底座可承受壓力上限為2.2*106N，即底座最大可支撐2.2*106÷9.8≈2.2*105kg物品。

當(dāng)三層料盤均滿載，即每層料盤均勻放置907kg物品時(shí)，每層結(jié)構(gòu)實(shí)際承受的重量如下：

第一層下支座：907kg+76.9kg+0.38kg*8+2.17kg*8=1004.3kg＜1.6*105kg

第二層下支座：2*1004.3kg+0.38kg*8=2011.64kg＜1.6*105kg

底 座：2011.64kg+907kg+76.9kg=2995.54kg＜2.2*105kg

由此可知，該純化爐支架每層最大可均勻承載907kg物料，三層最大可均勻承載共計(jì)2 721kg物料。

4 結(jié)論

（1）經(jīng)過對(duì)炭/炭料架各部件強(qiáng)度進(jìn)行核算，產(chǎn)品使用時(shí)可承載2.7噸的使用要求，且由于炭/炭復(fù)合材料的特性，該料架可作為2 000℃高溫環(huán)境下的承載工裝。

（2）從前述炭/炭料架力學(xué)性能可以看出，該產(chǎn)品的斷裂模式表現(xiàn)出一定的脆性和韌性的結(jié)合，在長(zhǎng)時(shí)間使用出現(xiàn)韌性斷裂特征時(shí)需停止使用。