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陶瓷基复合材料是什么?

发布时间:2024-01-21 浏览量:46

  我大四快毕业了,本科学的飞行器制造工程,我们专业对复合材料的内容涉及不多,但是我找工作去了做陶瓷基复合材料的单位。虽然科研辅助接触不到啥关键的东西,可我就是想多了解点,多做点什么。我是个小白,想问的有点广,算是个系列问题吧:

  为什么说陶瓷基复合材料很先进?性能是怎样的?

  都有哪些种类?用什么材料做的?有什么区别?

  目前是用来做什么的?未来有可能用在哪些更宽的领域?

  陶瓷基复合材料是一种以陶瓷作为基体材料,以纤维,晶须或者颗粒作为增强体的复合材料。

  陶瓷基复材的先进之处在于利用了陶瓷硬度高强度高的特点,又极大提高了材料韧性,轻质高强,耐高温性能好,在金属不能耐受的温度范围内有很多的应用,包括航空航天兵器,绝对的高端领域。以C/C复合材料举例,短时寿命能用到3000℃,可以用在火箭发动机喉衬等关键部位。

  陶瓷基复材是基体与增强体的组合,基体一般有SiC,SiCN,氧化铝,碳等,纤维则是碳纤维,二氧化硅纤维,氧化铝纤维等。界面对于陶瓷基来说更为重要。陶瓷基体脆且硬,需要较软的界面使裂纹偏转,据我的了解一般沉积一层热解炭和氮化硼作为界面。

  目前用在航空航天中。讲个故事,张立同院士90年代去NASA后了解到美国做的陶瓷基复材在航天的应用和前景,回国后便一直在发展陶瓷基复材。发动机尾喷管,火箭上表层的热防护材料,现在还发展出了具有吸波隐身的功能结构一体件。

  以后有望发展出构型更复杂的,寿命更长,抗氧化和抗烧蚀性能更好的陶瓷基复合材料。如果成本工艺优化后还可以进入民用领域。

  以上主要以我本科见闻为主哈,所以涉及不算广泛。

  泻药。

  去知网,下篇综述,你就全明白了。

  祝好。

  南瓜饼子店同学说的很全面了,我从分类角度说一下。

  纤维增强的陶瓷基复合材料大体分四类,C/C复合材料,特点是无氧环境下到三千度性能依然保持的很好,主要用在航天领域的高温部位,以及航空的飞机刹车片等

  按严格的定义C/C复合材料不是陶瓷基复合材料,但由于应用场景,结构以及制备工艺都比较相似所以通常提到陶瓷基复合材料的时候都把它涵盖进去。

  再一个是碳纤维增强的陶瓷,特点是耐高温而且耐氧化,主要用作航天飞行器高温部位。

  三是氧化物纤维增强的氧化物,特点是耐高温并且热导率很低,所以常用做高温部位的隔热材料。

  四是碳化硅纤维增强的碳化硅(或者氮化硅,SiCN等),这类材料最大的优点就是有望长时间在高温有氧环境下使用。因此主要的应用前景在航空领域,主要是高性能发动机。

  当然还有很多其他的。欢迎补充。

  防弹材料通常用陶瓷和高性能纤维(芳纶,超分子量聚乙烯)复合在一起,也属于陶瓷基复合材料

  第二届碳/碳复合材料论坛12月13-15日与你相约上海

  碳/碳复合材料

  碳/碳复合材料是以碳纤维及其织物为增强体,热解碳或沥青碳等碳质材料为基体,通过一定的工艺复合而成的全碳质多相固体材料。碳/碳复合材料具有很多非常优异的性能,尤其是高温时表现较为突出,因此,在航空航天、光伏、核工业、医用材料等领域广泛应用。

  炭刹车盘副,图片来源:优材百慕

  碳/碳复合材料的制备工艺

  碳/碳复合材料的制备工艺主要包括了三个基本步骤:预制体成型、预制体致密化和石墨化处理。

  预制体成型是制备碳/碳复合材料的前提。目前常用的预制体成型方法主要有短纤维模压、长纤维织物叠层和多维编织/穿刺。

  预制体成型步骤,图片来源:金博股份招股书

  TS飞机碳刹车预制件

  图片来源:江苏天鸟高新技术股份有限公司

  预制体致密化是制备碳/碳复合材料的关键环节,只有达到一定密度的碳/碳复合材料才能具有良好的力学性能。目前碳/碳复合材料的致密化工艺可分为四种:第一种为液相浸渍-碳化(LIC)工艺,第二种为化学气相沉积(CVI)工艺,第三种为液相气化沉积(CLVI)工艺,第四种为 CVI与 LIC 复合工艺。

  石墨化处理是通过高温(1800~2800 ℃)将热力学非稳定态的碳材料转变成稳态的石墨的过程。

  不同预制体致密化工艺对比

  不同致密化工艺优缺点对比

  图片来源:刘俊峰,高效制备碳/碳复合材料的思考

  化学气相沉积工艺优点是工艺简单、增密的程度便于精确控制、不损伤纤维、可与其他致密化工艺一起使用,缺点是制备周期太长、生产效率较低。

  影响碳/碳复合材料性能的关键

  影响碳/碳复合材料性能的有如下几个方面: 碳纤维的种类碳纤维的编织方式和编织密度 基体的增密形式和密度 碳纤维和基体的界面结构 化学气相沉积热解炭的方式和织构 石墨化工艺表面涂层情况

  快速制备碳/碳复合材料

  化学气相沉积(CVI)是制造高性能碳/碳复合材料的关键工序。提高增密速度、热解炭结构的多样化和材料的抗氧化是当前制备碳/碳复合材料的三大难点课题。发达国家竞相投巨资研究开发快速 CVI工艺,除了工业化程度较高的等温CVI之外,还研发了热梯度CVI、压差CVI、液相气化渗透工艺 CLVI强迫流动 CVI、脉冲CVI等。其中美国达信公司开发的 CLVI工艺,把致密时间减少到原来的1%;美国佐治亚理工大学在美国空军支持下开发的FCVI工艺,在8~12h 内制备出空隙率仅为7%的碳/碳复合材料。对制备碳/碳 复合材料作了有益的探索。

  化学气相沉积工艺是获得高性能碳/碳复合材料的关键,界面结构和织构对碳/碳复合材料的性能影响非常大,而且化学气相沉积速度非常慢,对材料价格影响大,因此研究化学气相沉积机理,可以促进快速化学气相沉积制备,获得高性能碳/碳复合材料的制备方法。

  对于化学气相沉积工艺而言,如何减小成型周期,提高生产效率,从而做到快速制备碳/碳复合材料产品是迫切需要解决的一个难题。

  为了更好地了解碳的化学气相沉积机理与快速制备碳/碳复合材料,2021年12月13-15日在上海举行的“Carbontech第二届碳/碳复合材料论坛” 特邀 中南大学黄启忠教授 莅临本次大会,分享《碳的化学气相沉积机理与快速制备碳/碳复合材料》主题报告。

  专家介绍

  黄启忠,中南大学二级教授、博导,国务院政府津贴获得者,国家航天技术专家组成员,是《Journal of Materials Science & Technology》《新型炭材料》《高科技纤维与应用》杂志编委,《炭素技术》《炭素》杂志编委会副主任;中国复合材料学会常务理事,中国金属学会炭素分会副主任委员,中国电工技术学会碳石墨材料专业委员会副主任;在国内外发表论文200余篇,出版了专著《高性能炭/炭复合材料的制备、结构与应用》和译著《新一代航空航天热结构与材料》,获得国家技术发明一等奖等7项科技成果奖励;近年来主持了国家重大科技专项、国家973、国家863、国家支撑、国家重点基础研究、国家自然科学基金重点项目等国家级项目20多项,解决了多项国家急需。

  主要研究领域:炭的化学气相沉积与新炭材料;炭/炭复合材料;航天耐烧蚀炭/炭复合材料;燃料电池炭纸。

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