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C/C复合材料制备成型技术有哪些?

   高性能C/C复合材料已通过产品化技术成功制备。由于碳纳米纤维的引入,它们在预制体中形成网络结构,在复合材料的孔隙中具有物理交联作用和架桥作用,使得制备的复合材料的弯曲强度、模量和层间剪切强度都有很大提高。碳含量(质量分数)为5%的复合材料的弯曲强度、模量和层间剪切分别达到157MPa、40GPa和14.5MPa,比未添加纳米碳纤维的复合材料分别提高了21.5%、33.5%和40.7%。同时,随着碳纳米纤维的加入,由于碳纳米纤维的准三维石墨结构、高长径比和大的微晶宽度,及其网络结构提供的连续声子传播通道,以及在其表面共轭π键的诱导,高温热解碳氢化合物生成的苯或多环芳烃在其生长过程中会定向堆积排列,从而热解出具有高光学活性和高石墨化的粗糙体。因此,碳纳米纤维的加入也大大改善了C/C复合材料。  

  预制体是C/C复合材料的增强骨架,直接决定或影响后期制备的复合材料的力学、热物理和摩擦性能。目前,用于制备C/C复合材料的预制体成型技术主要有三种,即短纤维树脂成型、碳纤维布层压和针刺整体毡技术。碳纤维布层压板制备的C/C复合材料主要存在原材料成本高、层间剪切强度低的缺点,而孔隙率高、界面结合弱、随机取向的短纤维增强复合材料力学性能不高。针刺整体毡增强的C/C复合材料由于纤维连续,扩散通道较多,不仅有利于快速致密化,而且为声子提供了较长的平均自由程振动通道,使其具有良好的导热性能和力学性能。所以目前国内外主要使用。为了进一步提高C/C复合材料的性能,降低其制备成本,人们正在研究在预制体成型技术中用全泡沫碳预制体代替价格昂贵的碳纤维预制体。理查德·H等人已经开始在国外尝试这项工作。国内已经制备了整体泡沫预制体,并采用化学气相渗透技术成功制备了这种C/C复合材料。材料密度达到1.4 g/cm 3,抗压强度达到23MPa。然而,预制体成型过程中的发泡、固化、碳化、高温热处理和致密化等基础理论和技术仍需进行系统深入的研究。

   同时,碳纤维具有高强度、高弹性、高刚性等优良特性,使人们对其增强复合材料充满期待。而且由于碳纳米管端面碳五元环的存在,其反应性增强,在外界高温和其他反应性物质存在的情况下,容易被其他组分渗透,从而形成复合物。基于纳米碳纤维的这些优点,国内开展了用纳米碳纤维和碳纤维增强C/C材料的研究工作。在复合材料预制体中,长纤维作为支架,是第一增强体,碳纳米纤维作为第二增强体,采用化学气相渗透。


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