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第六章 C/C复合材料
定义：C/C复合材料是以碳（或石墨）纤维及其织物为增强材料，以碳（或石墨）为基体，通过加工处理和碳化处理制成的全碳质复合材料。
C/C复合材料发展；
C/C复合材料的特性；
C/C复合材料的原材料；
C/C复合材料成型加工方法；
C/C复合材料应用。
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C/C复合材料的发展
石墨：具有耐高温、抗热震、导热好、弹性模量高、耐磨、化学惰性以及强度随温度升高而增加等性能，是优异的适合于惰性气体环境和烧蚀环境的高温材料。但韧性差，对裂纹敏感。
C/C复合材料：以碳纤维增强碳基体的C/C复合材料。它除能保持碳（石墨）原来的优良性能外，又能克服它的缺点，大大提高了韧性和强度，降低了热膨胀系数，尤其是因为相对密度小，具有很高的比强度和比模量。
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材料的发展与需求相联系
耐烧蚀材料需求：飞船返回舱和航天飞机的鼻嘴最高温度分别为1800 ℃和1650℃。 C/C 具有高烧蚀热、低的烧蚀率、抗热冲击和超热环境下具有高强度等优点。可耐受10000℃的驻点温度，在非氧化环境下可保持在2000℃以上。是再入环境中高性能的理想烧蚀材料。
高温耐磨材料需求：C/C是唯一能在极高温度下使用的摩阻材料，～。
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C/C复合材料的特性
C/C复合材料的性能与纤维的类型、增强方向、制造条件以及基体碳的微观结构等密切相关。
力学性能
热物理性能
烧蚀性能
化学稳定性
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力学性能
C/C复合材料强度与组分材料性质、增强材料的方向、含量以及纤维与基体界面结合程度有关；
室温强度和模量
一般C/C：拉伸强度>270GPa、弹性模量>69GPa
先进C/C：强度>349MPa，其中单向高强度C/C可达700MPa。（通用钢材强度500～600MPa）
高温力学性能：室温强度可以保持到2500℃，在1000℃以上时，强度最低的C/C的比强度也较耐热合金和陶瓷材料的高，是当今在太空环境下使用的高温力学性能最好的材料。
对热应力不敏感：一旦产生裂纹，不会像石墨和陶瓷那样严重的力学性能损失。
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物理性能
热膨胀性能低：常温下为-～×10-6/K，仅为金属材料的1/5～1/10；
导热系数高：～ cal/cm·s·℃（铁：），当温度为1650℃时， cal/cm·s·℃。
比热高：其值随温度上升而增大，因而能储存大量的热能， kcal/kg·℃（铁：）,1930℃ kcal/kg·℃。
密度：<～；
熔点：4100℃。
耐磨性：摩擦系数小，具有优异的耐磨擦磨损性能，是各种耐磨和摩擦部件的最佳候选材料。
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烧蚀性能
烧蚀性能：在高温高压气流冲刷下，通过材料发生的热解、气化、融化、升华、辐射等物理和化学过程，将材料表面的质量迁移带走大量的热量，达到耐高温的目的。
C/C的升华温度高达3600℃，在这样的高温度下，通过表面升华、辐射除去大量热量，使传递到材料内部的热量相应地减少。
表6-1 不同材料的有效烧蚀热的比较
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化学稳定性
C/C除含有少量的氢、氮和微量金属元素外，几乎99%以上都是元素C，因此它具有和C一样的化学稳定性。
耐腐蚀性：C/C像石墨一样具有耐酸、碱和盐的化学稳定性；
氧化性能：C/C在常温下不与氧作用，开始氧化温度为400℃，高于600℃会严重氧化。提高其耐氧化性方法—成型时加入抗氧化物质或表面加碳化硅涂层。
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其他性能
生物相容性好：是人体骨骼、关节、颅盖骨补块和牙床的优良替代材料；
安全性和可靠性高：若用于飞机，其可靠性为传统材料的数十倍。飞机用铝合金构件从产生裂纹至破断的时间是1mim，而C/C是51mim。
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表6-2 C/C与宇航级石墨ATJ-S性能比较
性能
温度 ℃
T-50-221-44
ATJ-5
X-y向
Z向
结晶向
⊥结晶向
密度
24


拉伸强度/MPa
24
2500
140
280
126
231




抗拉模量/GPa
24
2500








断裂延伸率/%
24
2500