碳碳编织复合材料介绍演示课件.ppt

C C复合材料 碳碳复合材料可以通过渗透一种碳先驱体到碳纤维预制体中 然后再升温到大约1000 碳化 或者1000 通过CVD方法 然后经过多次浸渍 碳化或CVD 最后加热到2000 以上石墨化 碳纤维 碳纤维微观结构是由几乎平行于纤维轴向排列的类石墨微晶构成 这样的结构使纤维表现各向异性特征 平行于纤维纵向的弹性模量 强度和热 电传导性能较大 而横向相应的性能要比纵向小一个数量级 纤维横向的热膨胀系数要比纤维纵向的热膨胀系数大很多 碳纤维 碳纤维的模量范围从206GPa到689GPa 强度范围从1 7GPa到4 1GPa高模纤维比低模纤维拥有高的热传导率 高的密度和碳产率和低的热膨胀系数 如果把低模纤维加热到石墨化温度2500K 首先模量增加 轴向排列整齐度和微晶尺度也增大 并且晶面间的距离减小 纤维收缩 碳纤维 连续碳纤维的制作过程是抽丝 氧化定型 碳化和石墨化 1960s早期 采用人造纤维作为碳纤维的先驱体利用PAN 聚丙烯腈 作为碳纤维的先驱体利用沥青作为碳纤维的先驱体 复合材料抗氧化处理 如果发生氧化 CC复合材料的性能迅速下降 当温度高于500 碳纤维和氧气接触 碳纤维氧化的速度非常迅速 当有2 5 重量的碳纤维发生氧化 碳纤维的力学性能会降低40 50 抗氧化处理通过净化去除催化氧化剂 钝化反应基加入一些元素或化合物阻止氧气与纤维接触开发外部涂层技术 碳基体 一般有三种碳基体先驱体热塑型沥青热固型树脂CVI方法选择哪种方法的原则 很到程度上依赖于生成复合材料部件的几何形状 厚度薄的部件主要采用CVI方法 厚度厚的部件使用树脂或沥青渗透 复杂形状的几何部件使用树脂渗透 一般利用混合方法对碳纤维增强复合材料进行致密化处理 界面 界面的性能取决于纤维的类型纤维表面活性基体的类型 树脂前驱 CVI的微观结构和沥青前驱 基体活性纤维体积含量加工条件致密化程度纤维方向和层压板厚度 好的界面使复合材料在纵向拉伸时破坏应变等于基体的破坏应变 很好的纤维与基体的结合降低了材料在纤维方向的性能并且使材料变脆 如果纤维和基体发生脱粘 复合材料会表现伪塑性 pseudo plasticity C C复合材料力学性能对比 通过致密化到四个周期材料的所有性能都有所改善 但是横向强度变低 没有造成层间剪切强度的降低 组分材料的力学性能 碳纤维 纤维束壳的影响 碳基体 基体的有效性能直接与处理历程和浸渍方法相关 基体的微裂纹与复合材料最后处理的温度有关 微裂纹影响复合材料内部基体的性能 剪切性能和热膨胀 通过热膨胀和45度拉伸试验确定与温度相关的基体材料性能 碳基体 纤维预制件 纱线 机织结构 编织结构 缠绕和编织结构对比 编织和机织复合材料性能 HiroshiHatta KeisukeTaniguchi YasuoKogo Compressivestrengthofthree dimensionallyreinforcedcarbon carboncomposite Carbon43 2005 351 358 3DC C增强相位PAN基高强度型纤维 纤维体积分数48 每个方向为16 通过927K 1000atm 使用煤焦油沥青作为浸渍材料 然后通过2800K热处理 最后密度为1 9g cm3 2DC CToraycaM40 使用预浸纤维束方法 6K碳纤维 利用尼龙似把纤维束固定成单向的预浸渍板 对称铺层 873KHIP 2300K在惰性气体环境下热处理 纤维体积分数为50 压缩试验前期试做 压缩试件尺寸的影响 高温压缩性能 KenGoto HiroshiHatta MasatoOe TakashiKoizumi TensileStrengthandDeformationofaTwo DimensionalCarbon CarbonCompositeatElevatedTemperatures J Am Ceram Soc 86 12 2129 35 2003 2DC CToraycaM40 使用预浸纤维束方法 6K碳纤维 利用尼龙似把纤维束固定成单向的预浸渍板 0 90 4s对称铺层 873KHIP 2273K在惰性气体环境下热处理 纤维体积分数为40 利用单向CC复合材料粗略的预报纤维基体的粘接强度 拉伸试验结果 高温拉伸蠕变性能 CC复合材料的拉伸强度随着温度的升高而增大的主要机制 排出气体 吸收的水 的影响基体强度与温度的依赖性纤维基体界面蠕变变形的影响热应力的影响纤维强度的影响 基体强度与温度的依赖性 纤维基体界面 界面粘接强度降低能够增强C C复合材料的拉伸强度 HiroshiHatta KenGoto ShinyaIkegaki ItaruKawahara MohamedS Aly Hassan HiroyukiHamada Tensilestrengthandfiber matrixinterfacialpropertiesof2D and3D carbon carboncomposites JournaloftheEuropeanCeramicSociety25 2005 535 542 3DC C正交编织xyz三向分别40 13 3 的纤维体积分数 纤维高强度IM600碳纤维2DC C酚醛树脂板200mm 200mm 2mm纤维体积分数60 纤维高强度IM600碳纤维煤焦油沥青真空浸渍 650摄氏度100MPa下炭化 2300摄氏度在惰性气体下石墨化 界面强度测试 致密化次数的影响 致密化次数的影响 3D C C 2 3D C C 5 致密化次数的影响 利用有限元方法预报材料的有效性能 计算材料有效性能的方法有很多 刚度平均化方法 细观力学方法 有限元方法等 组分材料的性能 材料性能 刚度平均化方法 等应力等应变假设 细观力学方法 夹杂理论 建立细观材料与宏观材料或者细观材料之间的关系如应力 应变等 有限元方法是利用单元离散 通过节点与节点连接传递应力以及保持应变协调 因此 材料性能是细观组分材料响应的宏观表现 模拟实验法含有缺陷细观结构没有周期性特征体元法具有周期的细观几何结构细观结构复杂 有限元方法 宏观应力应变的求解方法 类实验求解法宏观应力 节点反力 名义横截面积体积平均方法宏观应力分量 单元积分点体积 单元积分点的应力分量 代表体积单胞总体积 求和 体积平均方法 该材料本构可以写为 约束 周期边界条件为了保持应力的连续性和位移的协调性 施加耦合位移约束对代表单胞有限元模型进行力学分析 约束 载荷 。