陶瓷復合材料ppt課件-資料下載頁

　　

【正文】 預成型體時牽制牽制強制流動，對流動氣體產生阻力而形成壓力梯度。隨著孔隙的不斷填充，壓力梯度反而會增加。由于壓力梯度工藝中碳的沉積速率與通過預成型體的壓力降成正比，所以使用該工藝提高了沉積速度。 該工藝也存在著表面結殼和內孔隙封閉問題，需多次機加工。并局限于單件構件的生產。 2） – 3 溫度梯度工藝 利用并控制預成型體內、外兩側的溫度，并形成溫度差。由于內外兩側的擴散與沉積速度不同，內側溫度高于外側，避免了外側表面的結殼。 該工藝沉積速率明顯高于等溫工藝，可以不需多次機加工，甚至可以在大氣壓下操作。 2） – 4 其它工藝 ?（ 1）熱梯度 強制氣流法：此技術是同時采用溫度梯度和壓力梯度工藝，可使制備時間從幾周縮短到小于 24小時。 ?（ 2）脈沖氣流法：反應室周期性地被抽空和填充反應氣體，即可產生脈沖氣流，熱反應室交替處于一個大氣壓和粗真空之間。這樣反應氣體就能深入到預制體空隙中，經反應后副產品由泵排除，新鮮反應氣體容易浸滲進去。這種強制的擴散技術有利于快速填充深孔。 2） – 4 其它工藝 ?（ 3）微波加速：微波加熱是把能量直接作用到預制體上。因此能量效率很高，加熱均勻，再加上輻射與對流，在樣品表面上有熱量損失，產生了反向熱梯度。這樣，冷的反應氣體在沉積反應發生之前就滲透到熱區。因此，氣相反應優先發生在由里向外的區域。反向熱梯度可減少外表面空隙過早地被封閉?？傻玫骄鶆虻母呙芏炔牧稀２捎梦⒉铀俟に嚥皇茴A制體幾何形狀上的限制，工藝時間相當短。 2） – 4 其它工藝 （ 4）直熱式 CVI工藝 直熱式 CVI工藝具有均勻、快速的特點。其原理是在冷壁爐內，預制體直接通電被加熱，在預制體的每根纖維周圍都產生了微弱電磁場，樣品被整體加熱。再加上輻射與對流，在樣品中產生了反向熱梯度，導致從內到外熱沉積反應。特別是在脫氫 /聚合反應中形成的自由基有順磁性，容易被帶電纖維所吸引，能快速地進行表面動力學反應，使沉積速率明顯加快。使用這種技術只需幾個小時就能制備出通常 45個月才能制備的材料，而價格僅是目前均熱法的 1/3 – 1/4 。 3）液態浸漬 — 碳化工藝 ? 3） – 1 樹脂的浸漬 – 碳化工藝 酚醛樹脂是一種碳 /碳復合材料基體理想的浸漬劑?？煞忠徊椒ê投椒▋煞N工藝，主要區別是所用催化劑和參與反應的苯酚與甲醛比例的不同。 酚醛樹脂 ? 制備溶液 ? （真空）浸漬預成型體 ?預固化 ?碳化（樹脂體積收縮） ?再浸漬 ?固化 ? 碳化 ? ? 致密化（圖11 – 7）。 圖 11–7 樹脂浸漬、固化、碳化體積收縮示意圖 3） –2 瀝青浸漬 – 碳化工藝 一般在預成型體浸漬瀝青之前可先進行 CVD處理 , 以在碳纖維表面獲得 CVD碳，也可先得到低密度樹脂碳的復合材料坯料之后再采用真空浸漬瀝青方式（混合浸漬 – 碳化）進行。 瀝青碳化率的提高是隨瀝青中高分子量化合物的增加而增加；影響其碳化率的另一個重要因素是碳化時的壓力。隨著碳化時壓力的增加，瀝青的碳化率有明顯的提高。因此，為了提高瀝青碳化率，經常采用壓力瀝青浸漬 – 碳化工藝（ PIC）。在實際 PIC工藝中往往采用熱等靜壓浸漬 – 碳化工藝（ HIPIC）。經壓力瀝青浸漬 – 碳化工藝循環后，瀝青碳基 C/C復合材料的密度甚至可達 / cm3。 三、碳 /碳復合材料的界面 碳 /碳復合材料的界面和結構 碳 /碳復合材料中存在的不同纖維 /基體的界面和基體之間的界面取決于基體碳的類型。這些界面可分為： 碳纖維與沉積碳之間的界面； 沉積碳與樹脂碳或瀝青碳之間的界面； 碳纖維與瀝青碳或樹脂碳之間的界面； 瀝青碳與樹脂碳之間的界面。 基體碳與碳纖維的結合界面上有四種可能的取向（圖 11 – 8） 圖 11 – 8 基體碳與碳纖維的界面結合形式 碳 /碳復合材料的界面和結構 當 CVD碳作為基體碳與碳纖維之間的界面相時，纖維表面的空洞和缺陷得以填充，生成所謂“釘扎”結構。當纖維表面先沉積一薄層 CVD碳后再浸漬瀝青碳化，所生成的瀝青碳與 CVD碳的界面形成過度區，稱為“誘導”結構區（圖 11 – 9）。因此，碳纖維沉積 CVD碳后再浸漬瀝青碳化后的界面層結構為： 碳纖維 ?界面區 ?釘扎結構區 ? CVD碳 ?界面區?誘導結構區 ?瀝青碳 碳纖維 ?界面區 ?釘扎結構區 ? CVD碳 ?界面區 ?誘導結構區 ?瀝青碳 圖 11–9 碳纖維 CVD碳 瀝青碳界面結構示意圖 圖 11 – 10 碳纖維 瀝青碳界面結構示意圖 碳 /碳復合材料的界面和結構 ?當碳纖維直接浸漬瀝青，碳化后所形成的C/C復合材料中瀝青碳顯微結構的條帶走向基本上平行于碳纖維的軸向。這種瀝青碳的條帶結構稱為 POG結構；而預先沉積有一薄層 CVD碳的碳纖維 /瀝青碳結構的條帶走向基本上垂直于碳纖維的軸向，形成所謂 TOG結構（圖 11 – 10） C/C復合材料的顯微組織 ? C /C復合材料的基體碳可通過三種方式獲得。樹脂熱解碳化得到各向同性玻璃態樹脂碳；而瀝青則由瀝青經過脫氫、縮合，獲得瀝青中間相，再經石墨化熱處理獲得高位向排列的各向異性石墨；以及通過碳氫化合物裂解而形成 CVD沉積碳。 圖 11 – 11 CVD碳的三種顯微組織結構示意圖 2 – 1 CVD碳顯微組織 CVD碳有三種不同的顯微結構形態，即平滑層片組織、粗糙層片組織和各向同性 CVD碳（圖 11 – 11）。 CVD碳三種不同的顯微結構形態的產生與沉積碳時的工藝參數如溫度、壓力和反應氣體流量，以及更重要的反應氣體的種類有關。這三種不同的顯 微結構形態在改變工藝條件時可由一種形態轉變為另一種形態，也可能兩種形態共存。 2 – 1 CVD碳顯微組織 在形成沉積碳時，其顯微組織結構的形態取決于以下情況： （ 1）當沉積溫度較低，甲烷分壓高時，并且 C2H2 與 C6H6的比例小于 5時，不通入氫氣容易得到平滑層片組織結構的沉積碳； （ 2）當沉積溫度適中，甲烷分壓適中，稍許通入氫氣，并且 C2H2與 C6H6的比例大于 5，小于 20時，容易得到粗糙層片組織的沉積碳； （ 3）當沉積溫度較高，甲烷分壓較低時，大量通入氫氣，并且 C2H2與 C6H6的比例大于 20時，容易得到各向同性 CVD碳組織。 在實際的 CVD過程中， C/C復合材料不可能只是單一的沉積碳結構形態。 CVD碳的顯微組織影響 C/C復合材料的性能。各向同性 CVD碳相對致密度（密度）較低；而平滑層片組織有熱應力顯微開裂的傾向。因此，所期望較好的CVD碳的顯微結構為粗糙層片組織結構。 2 – 2 瀝青碳與樹脂碳的顯微結構 樹脂碳的顯微結構主要取決于熱處理溫度。當樹脂碳化后，主要形成玻璃態各向同性碳；但當樹脂碳進行高溫石墨化熱處理后，各向同性碳可轉變為各向異性的石墨形態。 一般來說，瀝青碳的顯微結構是由瀝青特性所決定。瀝青中間相轉化時形成層片結構。由于受碳纖維的表面狀態、纖維束的松緊程度，以及碳化或石墨化條件等因素的影響，中間相片層會形成扭轉彎曲的條帶疊層，同時會產生各種變形（圖 11 – 12）。 圖 11 – 12 瀝青碳中石墨層片條帶結構示意圖 2 – 2 瀝青碳與樹脂碳的顯微結構 ? 瀝青碳的片層結構的不同會對復合材料的力學、熱物理和氧化燒蝕性能產生明顯的影響。如 TOG結構易使裂紋向垂直纖維方向擴散，不利于復合材料力學性能的改善，同時也不利于復合材料的抗氧化燒蝕性能。 2 – 3 碳 /碳復合材料的裂紋和孔隙 在碳 /碳復合材料中有相當體積是由裂紋和孔隙所占有。材料中的裂紋和孔隙對復合材料的性能產生影響，如明顯降低強度和抗氧化性能等，但對材料的抗熱沖擊性能和抗振性能有積極的貢獻?？紫秾姸鹊挠绊懣捎孟率奖硎荆? ?c = ?0 e B ? 其中 ?0 為無孔隙時復合材料的強度； B為常數； ? 為孔隙率。 四、碳 /碳復合材料的抗氧化 ?碳 /碳復合材料在高于 370?C時就開始發生氧化。在高溫下是否具有可靠的抗氧化性能對碳 /碳復合材料是至關重要的。 ?目前有兩種方式用來提高其抗氧化能力。 ?一是在碳 /碳復合材料 表面 進行耐高溫材料的涂層 ； ?二是在基體中預先包含 氧化抑制劑 。