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碳/碳(簡稱C/C)復(fù)合材料是碳纖維增強(qiáng)碳基復(fù)合材料,由碳纖維和碳基體組成。它們不僅具有碳-石墨材料的固有性質(zhì),如低密度(理論密度為2.2g/cm,實(shí)際密度通常為1.75 ~ 2.10g/cm);而且具有一系列有益的力學(xué)和熱力學(xué)性能:高溫高強(qiáng)度、高模量、良好的斷裂韌性、耐磨性和抗熱震性、低熱膨脹系數(shù)等。因此,C/C復(fù)合材料是碳-石墨材料家族中最好的材料。目前已廣泛應(yīng)用于航天飛機(jī)端蓋和機(jī)翼前緣、洲際導(dǎo)彈端部和頭錐、火箭發(fā)動機(jī)噴管、飛機(jī)剎車盤等熱防護(hù)系統(tǒng)。這表明碳/碳復(fù)合材料的制備過程包括:碳纖維及其結(jié)構(gòu)的選擇;碳前驅(qū)體的選擇;碳/碳復(fù)合材料坯體的成型工藝:坯體致密化技術(shù)、工序間加工和最終產(chǎn)品等。
1、碳纖維的選擇
一般來說,CF的性能會隨著C/C復(fù)合材料的制備過程而發(fā)生變化,加工溫度會影響纖維的性能,尤其是非石墨化纖維的性能??傊w維的選擇主要取決于纖維的成本、織物結(jié)構(gòu)、性能和工藝穩(wěn)定性。
碳纖維紗束的選擇和纖維織物結(jié)構(gòu)的設(shè)計是制造C/C復(fù)合材料的基礎(chǔ)。通過合理選擇纖維類型和織物編織參數(shù),如紗束排列取向、紗束間距、紗束體積含量等??梢愿淖僀/C復(fù)合材料的力學(xué)和熱物理性能,以滿足產(chǎn)品的性能要求。常用的CF有三種,分別是人造絲CF、聚丙烯腈(PAN)CF和瀝青CF,它們分別由原絲人造絲、聚丙烯腈(PAN)和瀝青制成。聚丙烯腈(PAN)CF是應(yīng)用最廣泛的CF,而低成本的瀝青基CF正在開發(fā)中。在國內(nèi)已經(jīng)研發(fā)成功,但尚未進(jìn)入市場。CF也可分為高強(qiáng)度CF(HT)和高模量CF(HM)。前者強(qiáng)度高,后者彈性模量高。纖維的選擇主要基于所設(shè)計的復(fù)合材料的用途和工作環(huán)境。用于增強(qiáng)C/C復(fù)合材料的纖維種類很多,重要結(jié)構(gòu)選用高強(qiáng)高模纖維。如果需要低熱導(dǎo)率,則選擇低模量CF,如粘膠基CF。