碳碳編織復合材料介紹復制.ppt

C/C復合材料,碳碳復合材料可以通過滲透一種碳先驅體到碳纖維預制體中，然后再升溫到大約1000碳化，或者1000通過CVD方法，然后經(jīng)過多次浸漬、碳化或CVD，最后加熱到2000以上石墨化。,碳纖維,碳纖維微觀結構是由幾乎平行于纖維軸向排列的類石墨微晶構成，這樣的結構使纖維表現(xiàn)各向異性特征。 平行于纖維縱向的彈性模量、強度和熱/電傳導性能較大，而橫向相應的性能要比縱向小一個數(shù)量級。 纖維橫向的熱膨脹系數(shù)要比纖維縱向的熱膨脹系數(shù)大很多。,碳纖維,碳纖維的模量范圍從206GPa到689GPa，強度范圍從1.7GPa到4.1GPa 高模纖維比低模纖維擁有高的熱傳導率，高的密度和碳產(chǎn)率和低的熱膨脹系數(shù)。 如果把低模纖維加熱到石墨化溫度2500K，首先模量增加，軸向排列整齊度和微晶尺度也增大。并且晶面間的距離減小，纖維收縮。,碳纖維,連續(xù)碳纖維的制作過程是抽絲、氧化定型、碳化和石墨化。 1960s早期，采用人造纖維作為碳纖維的先驅體 利用PAN（聚丙烯腈）作為碳纖維的先驅體 利用瀝青作為碳纖維的先驅體,復合材料抗氧化處理,如果發(fā)生氧化，CC復合材料的性能迅速下降。當溫度高于500，碳纖維和氧氣接觸，碳纖維氧化的速度非常迅速。 當有2%-5%重量的碳纖維發(fā)生氧化，碳纖維的力學性能會降低40%-50%。 抗氧化處理 通過凈化去除催化氧化劑，鈍化反應基 加入一些元素或化合物阻止氧氣與纖維接觸 開發(fā)外部涂層技術。,碳基體,一般有三種碳基體先驅體 熱塑型瀝青 熱固型樹脂 CVI方法 選擇哪種方法的原則：很到程度上依賴于生成復合材料部件的幾何形狀。 厚度薄的部件主要采用CVI方法； 厚度厚的部件使用樹脂或瀝青滲透； 復雜形狀的幾何部件使用樹脂滲透。 一般利用混合方法對碳纖維增強復合材料進行致密化處理。,界面,界面的性能取決于 纖維的類型 纖維表面活性 基體的類型（樹脂前驅，CVI的微觀結構和瀝青前驅） 基體活性 纖維體積含量 加工條件 致密化程度 纖維方向和層壓板厚度。 好的界面使復合材料在縱向拉伸時破壞應變等于基體的破壞應變，很好的纖維與基體的結合降低了材料在纖維方向的性能并且使材料變脆 。 如果纖維和基體發(fā)生脫粘，復合材料會表現(xiàn)偽塑性（pseudo-plasticity）。,C/C復合材料力學性能對比,通過致密化到四個周期材料的所有性能都有所改善，但是橫向強度變低，沒有造成層間剪切強度的降低。,組分材料的力學性能,碳纖維,纖維束殼的影響,碳基體,基體的有效性能直接與處理歷程和浸漬方法相關。 基體的微裂紋與復合材料最后處理的溫度有關。微裂紋影響復合材料內部基體的性能（剪切性能和熱膨脹）。 通過熱膨脹和45度拉伸試驗確定與溫度相關的基體材料性能。,碳基體,纖維預制件,紗線,機織結構,編織結構,纏繞和編織結構對比,編織和機織復合材料性能,Hiroshi Hatta, Keisuke Taniguchi, Yasuo Kogo. Compressive strength of three-dimensionally reinforced carbon/carbon composite. Carbon 43 (2005) 351358,3D C/C 增強相位PAN基高強度型纖維，纖維體積分數(shù)48%（每個方向為16%），通過927K，1000atm，使用煤焦油瀝青作為浸漬材料，然后通過2800K熱處理，最后密度為1.9g/cm3。,2D C/C Torayca M40， 使用預浸纖維束方法，6K碳纖維， 利用尼龍似把纖維束固定成單向的預浸漬板，對稱鋪層，873K HIP, 2300K在惰性氣體環(huán)境下熱處理，纖維體積分數(shù)為50%,壓縮試驗前期試做,壓縮試件尺寸的影響,高溫壓縮性能,Ken Goto, Hiroshi Hatta, Masato Oe, Takashi Koizumi. Tensile Strength and Deformation of a Two-Dimensional CarbonCarbon Composite at Elevated Temperatures. J. Am. Ceram. Soc., 86 12 212935 (2003),2D C/C Torayca M40， 使用預浸纖維束方法，6K碳纖維， 利用尼龍似把纖維束固定成單向的預浸漬板，0/904s 對稱鋪層，873K HIP, 2273K在惰性氣體環(huán)境下熱處理，纖維體積分數(shù)為40%。 利用單向CC復合材料粗略的預報纖維基體的粘接強度。,拉伸試驗結果,高溫拉伸蠕變性能,CC復合材料的拉伸強度隨著溫度的升高而增大的主要機制： 排出氣體（吸收的水）的影響 基體強度與溫度的依賴性 纖維基體界面 蠕變變形的影響 熱應力的影響 纖維強度的影響,基體強度與溫度的依賴性,纖維基體界面,界面粘接強度降低能夠增強C/C復合材料的拉伸強度,Hiroshi Hatta , Ken Goto, Shinya Ikegaki, Itaru Kawahara, Mohamed S. Aly-Hassan, Hiroyuki Hamada. Tensile strength and fiber/matrix interfacial properties of 2D- and 3D-carbon/carbon composites. Journal of the European Ceramic Society 25 (2005) 535542,3D C/C 正交編織 xyz三向分別40,13,3%的纖維體積分數(shù)，纖維高強度IM600碳纖維 2D C/C 酚醛樹脂板200mm *200mm *2mm 纖維體積分數(shù)60%，纖維高強度IM600碳纖維 煤焦油瀝青真空浸漬，650攝氏度100MPa下炭化，2300攝氏度在惰性氣體下石墨化,界面強度測試,致密化次數(shù)的影響,致密化次數(shù)的影響,3D-C/C-2,3D-C/C-5,致密化次數(shù)的影響,利用有限元方法預報 材料的有效性能,計算材料有效性能的方法有很多：剛度平均化方法，細觀力學方法，有限元方法等。 組分材料的性能 材料性能,剛度平均化方法,等應力等應變假設,細觀力學方法,夾雜理論,建立細觀材料與宏觀材料 或者細觀材料之間的關系 如應力、應變等,有限元方法是利用單元離散，通過節(jié)點與節(jié)點連接傳遞應力以及保持應變協(xié)調。,因此，材料性能是細觀組分材料響應的宏觀表現(xiàn),模擬實驗法 含有缺陷 細觀結構沒有周期性 特征體元法 具有周期的細觀幾何結構 細觀結構復雜,有限元方法,宏觀應力應變的求解方法,類實驗求解法 宏觀應力 = 節(jié)點反力 / 名義橫截面