碳基复合材料在机械工程中的应用

碳基复合材料在机械工程中的应用碳基复合材料，及其性质、用途碳基复合材料在各领域中的应用碳基复合材料的发展趋势与前景。顾名思义，碳基复合材料就是以碳纤维(织物)或碳化硅等陶瓷纤维(织物)为增强体，以碳为基体的复合材料。碳基复合材料的定义碳基复合材料的简介碳/碳复合材料是六十年代发展起来约一种新型耐高温材料，它是由增强碳和基体碳所组成的多相材料。增强碳可以是不同类型的碳(或石墨)纤维及其织物。在碳/碳复合材料中起着骨架和增强剂的作用。基体碳起粘接作用，目前的基体碳可以是树脂碳、沥青碳和沉积碳。碳/碳复合材料目前在国外已经被公认是高级载入飞行器鼻锥和固体火箭发动机喷营等关键部位最理想的耐烧蚀、防热材料。碳/碳复合材料的工程应用也日趋成熟。现己用于美国民兵Ⅲ洲际导弹弹头，全碳/碳化的火箭发动机喷管也成功地通过了试验。碳基复合材料的性质比重小；化学稳定性高；耐热性好（非氧化性气氛）；导电、导热性能好；耐腐蚀性好。碳基复合材料的优缺点优点缺点高温形状稳定升华温度高烧蚀凹陷低平行于增强方向具有高强度和高刚度在高温条件下的强度和刚度可保持不变抗热应力抗热冲击力学性能为假塑性抗裂纹传播非脆性破坏衰弱脉冲化学惰性重量轻抗辐射性能可调整原材料为非战略材料易制造和加工材料：非轴向性能差破坏应变低空洞含量高洞分布不均匀纤维与基体结合差导热系数高抗氧化能力差抗颗粒浸蚀性差成本高加工：制造加工周期长可还原性差设计：设计与工程性能受限制缺乏破坏准则设计方法复杂环境特征曲线复杂各向异性尚无较好的非破坏检验方法使用经验不足链接与接头困难碳基复合材料的应用航天技术方面在航天飞机机翼和尾翼的前缘由于使用了碳/碳材料．大大地减轻了航天飞机的重量。全碳/碳化固体火箭发动机喷管是今后的发展方向。碳/碳材料还可以制作液体火箭发动机的喷喉。在卫星和飞船上还大量地用碳/碳材料制作热防护罩，航空工业方面英、美、法等国家制造的碳/碳刹车盘，为飞机提供了磨擦制动，能控制飞机在地面运动的方向和速度。碳/碳刹车盘不仅用于高性能的军用飞机，并已投入民用航线使用，如：协和号飞机。这种刹车盘比钢刹车盘强度高，刚性好，可以节省约50%的重量，操作安静，着陆次数可提高5-6倍。在医疗上的应用已经用碳/碳复合材料制成了人工心瓣膜。碳基复合材料在各领域中的应用碳/碳复合材料是一种新型高温材料,具有重量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸振性好等一系列优异性能。该材料的密度不到2.0g/cm3,仅为镍基高温合金的1/4,陶瓷材料的1/2,尤其是这种材料随着温度升高(可达2200℃)其强度不仅不降低,甚至比室温还高,这是其它材料所无法比拟的独特的性能。碳/碳复合材料的研制工作，可追溯到20世纪60年代初。1961年在日本首先用聚丙烯腈（PAN）原丝制成高性能碳纤维。1963年英国的研究人员发明用牵引法提高纤维结构的取向，进一步提高了碳纤维的强度和弹性模量。到60年代末，提高碳纤维性能和生产效率的办法日趋完善。高强度、超高强度、高模量和高强中模量的碳纤维形成规模生产并开始商品化。碳纤维年耗量(2004年10月德国汉堡国际碳纤维会议)近年来,美、俄、法等国家又开发了许多混杂其它材料的新型碳/碳材料,以满足不同的特殊使用要求：在碳/碳材料中混入Si3N4、SiC、TiC、TaO、TaC等粉末,以提高碳/碳材料抗粒子侵蚀性能。更新的弹头鼻锥防热材料是针刺细编织物在穿刺或编织过程中加入改进性能的组分,如耐熔金属丝、耐侵蚀粒子等,这样可大大改进抗粒子侵蚀性能,达到“全天候”的目的。此外,四向或更多向碳基复合材料也是研制发展的方向,由于采用了交错网络结构和增加了增强方向数,不仅增加了各向同性、提高了抗侵蚀能力,也改进了耐烧蚀性。1.航天航空航空领域的材料体系更强调性能与可靠性的综合,先进复合材料的应用不仅具有减重的效益,而且还使飞机结构的其他性能得到提升。例如复合材料的气动剪裁技术可显著提高结构效率;整体成形技术可有效减少连接,提高结构可靠性,降成本;复合材料耐腐蚀抗疲劳特点可降低维护成本。随着新一代航空航天器向高超声速方向的发展,苛刻的超高温服役环境对材料及结构的承载与防热提出了严峻考验,碳/碳复合材料是适应这种需求的重要候选材料。碳/碳复合材料从碳纤维增强相结构可分为碳毡C/C和多向编织C/C复合材料。作为一种新型战略材料,在美、俄、法、英、日等国家,其研制发展主要由空军、海军或政府预算中给予支持,因此,碳/碳复合材料的国防专用性和强烈的军事背景使其研制和使用具有高度的机密性。碳基防热复合材料主要用于烧蚀防热和热结构,较好地解决了轻质化、抗热震、耐侵蚀等技术难题。图复合材料在民机上的应用国外自1980年的F-18军机开始,最新研究的歼击机全部采用复合材料机翼,而且在机身上也大量采用先进复合材料,占结构重量的25%～50%。如第四代机中的F22复合材料占结构重量的25%,法国Rafale占40%,瑞典JAS39占30%,欧洲EF2000则大于40%,美国的杀手锏武器B2轰炸机占50%。民机上的复合材料用量也有大幅度提高。波音B777共用复合材料9.9吨,占结构总重的11%;“梦想飞机”B787用复合材料将达50%;A380大型客机可容纳乘客500～650人,仅碳纤维复合材料用量就达32吨左右,加上其他各种复合材料,总用量在25%左右,开创了大型民机大量使用复合材料的先河。1.1碳/碳复合材料刹车盘减重方面：从宏观上分析,碳/碳复合材料刹车盘的优越之处主要源于其本身密度小,耐高温的特点,由于其密度小、使用碳/碳盘后可以使每架飞机重量大大减轻。如：空中客车A310减重499kg,A300-600减重590kg,A330及A340减重998kg，麦道公司的MD-11减重900kg。优异的高温性能：一架飞机刹车摩擦引起的温升高达500℃以上,尤其是最苛刻的起飞紧急刹车引起的温升超过1000℃,一架波音747-400的刹车系统在起飞中紧急刹车时会产生1.75×108kgm的功,一些刹车元件将达到熔点,此时碳/碳材料的耐高温性能就显示了极大的优越性。就微观结构而言,石墨晶体属于层状结构,碳原子排列于一系列相距较远(0.3414nm)的原子面上,在各层面上的碳原子按正六角形排列,原子在同层之内的结合力远远大于层间结合力,邻层之间的结合键能明显较低,容易滑移,摩擦阻力小,而薄片层内的碳原子在滑动时却不会溃散,有较大的承载能力。同时碳/碳材料又不属于纯石墨结构,碳/碳复合材料中碳纤维和热解碳的微观组织属于乱层石墨结构,因而摩擦系数比石墨高。碳纤维一方面起着增强基体的作用,使刹车盘具有足够的强度和刚度,同时由于其石墨化度不高,提高了摩擦系数,因此通过调整碳/碳材料碳纤维的体积含量可以得到既有足够强度又有适中摩擦系数的碳/碳盘,通过改变基体热解碳的石墨化度还可以进一步改善其摩擦磨损性能。从而使碳/碳刹车盘具有合适的摩擦系数和很好的耐磨性。采用碳/碳盘后更换周期大幅度延长,一个周期可达到1500～3000个起落,寿命提高5～6倍国外现状目前世界上已有60余种飞机采用了碳/碳刹车装置。欧美公司生产的民航飞机的刹车系统已逐渐用碳/碳盘取代钢盘,如空中客车公司的所有飞机都采用了碳/碳刹车装置。美国从事航空机轮和碳刹车装置的专业公司：Hitco、联信公司的Bendix公司、ABS、B.F.Goodrich以及碳化硅公司、联合碳化物公司等。法国研制碳/碳刹车装置的：欧洲动力装置公司、米西尔-西班牙-毕加第公司、洛林碳业公司、国营宇航公司、化物公司等。日本从事碳/碳刹车材料研制工作的：萱场工业公司、东邦贝斯纶公司和东京工业材料研究所等。英国主要研制和生产碳/碳刹车装置的公司：邓禄普公司等。国内现状我国从70年代初开始研制碳/碳刹车装置,先后参与此项工作的有：兰州碳素厂、514厂、上海碳素厂、烟台冶金新材料研究所、西北工业大学等。其中采用的工艺方法主要为CVD法，在致密化工艺、增强体准备、性能控制等方面,取得了一些成绩。研制出了某型飞机碳/碳盘样件、BAe146碳/碳盘样件、碳/碳盘的缩比件。并进行了性能及结构方面的研究,尤其在摩擦磨损机理、石墨化度的影响及提高石墨化度的方法等方面进行了较深入的探讨,提出了高摩擦性能碳/碳材料的模型。1.2碳/碳复合材料发动机热端随航空事业的发展,对航空发动机推重比有越来越高的要求,而提高新型发动机推重比的关键是提高热效率,其实现办法是提高空气压缩比和提高涡轮进气温度。因此,航空涡轮发动机和工业涡轮发动机涡轮进气温度将会有更大的提高,这就对发动机热端部件的材料提出了越来越高的要求,能够在1600～2000℃高温下正常工作的材料只有碳/碳复合材料。特殊功能:(1)在1600℃以上仍能保持强度不降低;(2)减轻发动机重量,提高推重比;(3)减少冷空气消耗,提高发动机效率;(4)提高工作温度,提高发动机的热效率。国外现状近几年来,世界各发达国家正在把碳/碳复合材料逐步应用在发动机构件上美国已把这种材料用在F100飞机发动机喷嘴和加力燃烧室喷管上;Hitco公司已制成了鱼鳞片;LTV公司制造出了涡轮叶片和盘整体部件,并在1760℃温度下进行了地面超转试验;通用电气公司JID验证机低压涡轮部分用碳/碳材料制造出涡轮叶片和盘整体部件,运转温度1649℃,比一般涡轮高出555℃,而且不用气冷,已试验成功；法国、德国、俄罗斯也已分别制造出燃烧室喷油杆,涡轮转子外环等零件。近几年来西北工业大学开展了一些研究工作,主要进展有以下几个方面:(1)针对碳/碳复合材料生产周期长、工艺难度大、成本居高不下的问题,开发了两种新的成形工艺法,即超高压成形工艺和快速气相沉积工艺,(2)为解决碳/碳材料的氧化问题,通过在基体中添加的SiO2、ZrO2,Al2O3等,研究了基体改性对抗氧化的影响(3)在超高温性能测试及评价方面,已研究了单向碳/碳复合材料在1900～2300℃的持久强度和蠕变特征,(4)在应用研究方面,制备出了微型发动机尾喷管、叶片样件、高温保护套管等，研究了多种制件的成形工艺方法。国内现状2.火箭发动机碳纤维复合材料制造的壳体具有强度高、刚度大、尺寸稳定等特点，因此，碳纤维复合材料可用于新型陆基机动同体洲际导弹一、二、三级发动机壳体、新一代中程地地战术导弹发动机壳体。碳纤维增强复合材料在火箭发动机上主要用作推力室喷管材料,一是用作固定的喷管延伸段,二是用作可移动的喷管延伸段(可延伸喷管)。除此之外,小推力室也可整体用这种材料制造。固体发动机喷管属于非冷却型,工作环境极其恶劣。特别是喉部的高温、高压二相流燃气的机械冲刷、化学侵蚀和热冲击十分严厉,材料选择是现代固体火箭推进的重大关键技术。早期的喷管多使用复合型结构,即以金属或高强度玻璃钢为结构材料,高熔点金属或优质石墨为耐热—吸热材料,烧蚀型增强塑料为绝热材料。其结构复杂,配合界面多,质量大,工艺周期长,也增加了不可靠度。80年代以来,发展高性能固体发动机的主攻方向由“高能”转向“轻质、可控”,,高性能发动机喷管冲质比要求已达到150000N·s/kg以上。正是性能优异的多向编织碳/碳材料的涌现,从根本上解决了这个矛盾,实现了喷管技术的飞跃。先进固体发动机喷管材料应用现状：随着航空航天飞行器各项陛能的不断提高，对结构件所用材料的要求也越来越高。国外发动机壳体目前的主要应用方向是采用碳纤维缠绕壳体，使发动机质量比有较大提高。而国内目前尚没有碳纤维缠绕的固体发动机壳体，所用树脂基体的耐热性也不高，壳体外层的热防护涂层也增加了壳体的消极质量。为此应给予经费支持，尽快开展高性能耐热基体材料、高性能碳纤维在固体发动机壳体上的应用等方面的研究，早日实现碳纤维增强复合材料同体发动机白防热壳体的应用，提高武器系统的综合性能。3.其它：①钓鱼杆现年产量约1200万只，年碳纤维用量1200t；②高尔夫球杆随着轻量化和长尺寸化的要求，现已占碳纤维体育用品用途的50％，年碳纤维用量为2000t；③网球拍的年市场规模约为450万只，年碳纤维用量约500t；④人造卫星结