碳碳的力学性能特.ppt

目录 1.碳纤维的力学性能特点 前言 碳碳复合材料具有许多突出的优点： 密度低、热膨胀系数低、热导率高、抗热 冲击性能优异、高比强度、高弹性模量、 有较高的断裂韧性和好的疲劳性能及抗蠕 变性能。 1.碳纤维的力学性能 1.1拉伸强度 碳纤维属于脆性材料，拉伸强度是各类缺陷及其分布的函数。 δ2=(2Eγa/∏C）（Griffith公式) 裂纹等缺陷在碳纤维里随机分布，脆性材料体积越大，包含缺陷的几率也越大。 所以，长度一定的碳纤维，直径愈细，包含大缺陷的几率越小，拉伸强度高。 1.2弹性模量 碳纤维的弹性模量主要取决于石墨层对碳纤维轴的择优取向，择优取向是指石墨微晶在空间的轴向分布状态，其大小可用石墨微晶层片的法线与纤维轴之间的夹角表示。择优取向度愈高，模量就越高。 1.3压缩强度 碳纤维的石墨微晶愈大，石墨片层堆叠越整齐，Lc越大，模量越高，石墨片层压缩强度愈低。 所以在生产碳纤维过程中控制微晶尺寸即细晶化是提高压缩强度的根本措施。 1.4碳纤维的发展趋势 1）拉伸强度在不断提高； 2）研制高强度兼高模量的碳纤维； 结晶取向最佳化，以提高弹性模量； 各类缺陷最少化，以提高拉伸强度； 控制结晶尺寸，以提高压缩强度； 3）制取均质碳纤维； 4）大丝束碳纤维得到迅速发展。 2.碳碳的室温力学性能 2.1拉伸性能 该试样是从 作为飞机发动机尾喷管材料的三维碳碳复合材料板条上截取下来并加工成型 石墨材料与碳碳复合材料拉伸性能的比较 从以上图表可以看出，碳碳复合材料与石墨材料相比，继承了碳纤维的高强度，克服了石墨材料的脆性，表现了良好的韧性，其断裂功远大于石墨材料，这是有碳碳复合材料的特殊结构决定的。 石墨材料一个裂纹的扩展会导致材料最终断裂，而碳碳材料则不然，它具有固有的非均匀性和结构复杂性。 a) 脆性材料拉伸断裂前只有弹性变形，没有塑性变形阶段，发生突然断裂。 b)金属塑性材料，在拉伸断裂前塑性变形较大。金属材料塑性变形的方式是滑移和孪生。 C)碳碳的拉伸曲线与金属塑性材料有些相似，出现出“假塑性-弹性变形”现象。 2.2弯曲性能 不同材料密度的3DC/C弯曲性能 密度较高的5#式样，断裂前载荷与位移呈线性关系，材料一旦破环，应力快速下降，表现明显的脆断特征。 密度较低的3#式样，材料经过最大载荷以后，应力呈现阶梯性缓慢降低，具有明显韧性断裂特征。 密度最低的1#式样，则表现更良好的塑性破坏特征，呈现出“假塑性-弹性变形”断裂特征 弯曲破坏特征 不同密度的3DC/C的断裂特征不仅表现在弯曲载荷-位移曲线上，也表现在破坏形貌上。 材料密度对弯曲强度，模量影响很大；密度高时，纤维与基体强界面结合，材料破坏为纤维束交织点处的拉伸断裂；密度低时，材料破坏为纤维束基体的剪切破坏。 2.3碳/碳的疲劳行为 碳碳复合材料具有良好的抗疲劳性能。 疲劳机理：碳碳复合材料的疲劳过程伴随着裂纹的扩展和闭合。裂缝体积在不断的循环过程中增加了，很可能在局部区域超过基体的断裂强度，结果形成小微粒，随着局部区域断裂过程的进行，基体以层状从复合材料上脱落。 3.碳碳的高温力学性能 碳碳复合材料具有独特的力学性能及碳质材料优异热性能，且高温下强度保持高、优异的抗蠕变性能，是理想的高温结构材料。 随温度的升高，碳碳复合材料的强度不断增加，至1200°达到最大，然后逐渐下降，其力学性能在2000°的高温下仍能保持不变甚至比室温还高。2000°以上时，强度持续下降，塑性增加。 3.3碳碳的高温持久性能 单向碳碳复合材料在不同温度承受相同载荷的寿命值如下表： 从上表可以看出，单向碳碳复合材料的高温持久性能高于室温，并随温度升高而升高。其原因在于单向碳碳复合材料在高于1700°的惰性环境下拉伸，纤维和热解碳都发生后石墨化，强度升高，自然高温持久强度升高，反映在一定载荷的断裂寿命上。 4.碳碳力学性能的影响因素 4.1 界面 碳碳的强度受界面影响较大。碳纤维与碳基体结合过强，复合材料发生脆性断裂，拉伸强度较低。界面强度过低，基体不能把载荷传递到纤维，纤维容易拔出，拉伸模量和剪切强度较低。只有界面结合强度适中，才能使碳碳复合材料具有较高的拉伸强度和断裂应变。 4.2增强纤维 碳碳复合材料的强度与增强纤维的方向和含量有关，在纤维方向上有较高的拉伸强度和抗弯强度，但在垂直于纤维方向上剪切强度低、力学性能差。 单向碳纤维增强的碳碳复合材料，沿碳纤维长度方向力学性能比垂直方向高出好几十倍。 4.3抗氧化涂层 涂层对碳碳复合材料的力学性能的影响分为静态影响和动态影响。 经涂层工艺后，碳碳的弯曲破坏由塑性转变为脆性。 涂层C/C C/C