一文详解SGL Carbon碳/碳复合材料的加工、特性及高端应用（二）：优异力学性能

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德国SGL Carbon公司（西格里碳素）是全球领先的碳素石墨材料以及相关产品的制造商之一。西格里集团涵盖了从原丝到碳纤维、织物和预浸料、再到CFRP部件成品在内的完整业务链。



本文简要介绍SGL Carbon公司碳/碳复合材料的力学性能。


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德国SGL Carbon公司（西格里碳素）是全球领先的碳素石墨材料以及相关产品的制造商之一。此次系列文章将会详细介绍该公司SIGRABOND型碳碳复合材料的加工流程、优异特性、高技术领域应用以及典型结构件设计与加工。



SIGRABOND型碳/碳复合材料的优异特性涉及内容较多，涵盖热性能、机械性能、耐温波动性、耐化学性等性能，本文将首先介绍复合材料的力学性能。



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由于C/C复合材料范围非常广泛，因此下表1中仅列举了几种用于最重要领域产品的材料性能，其中包括了特殊机械特性、表面特性或稳定性。这些复合材料都可以在大多数高温领域应用，并且是经过2000°C高温处理制备得到。



表1 经石墨化SIGRABOND型C/C复合材料的典型力学性能指标
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图1显示了1601G牌号的SIGRABOND复合材料产品的性能随浸渍和再加工操作次数的变化。一般情况下，材料性能会随着致密化（浸渍和热烘）数量增加而改善，即：层间剪切强度、弯曲和拉伸强度、体积密度、孔隙体积和杨氏模量等性能均会随着热处理的次数增加而提升。该性能提升还扩展到许多其他性能，包括导电性和导热性、抗压强度和耐交变载荷。但是，随着致密化次数的增加会推高生产成本。



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图1 当热处理次数由1次提高到3次时，所有性能均获得提升


在经历载荷时，由纤维复合材料制成的部件不会突然断裂，但当这些部件收到超过蠕变极限的应力时，它们也不会表现出金属的塑性行为。施加在C/C复合材料上的应力最初只会导致少数纤维股断裂，只有在反复拉伸后才会发生进一步的断裂。这种类型的断裂称为准塑性断裂。图2显示了1501 G牌号SIGRABOND型C/C复合材料的典型应力-应变图，最大允许载荷是在大约0.3%的延伸率下实现的，而材料的断裂伸长率在0.7%和1.0%之间。




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图2 碳/碳复合材料应力应变曲线



与所有其他陶瓷或金属高温材料不同，碳纤维材料的强度随着温度的升高而增加。在高温下，材料基本处于无应力状态。当材料冷却时，内部应力不断增加，这是外部施加的任何应力的补充。这会导致室温下强度较低，但在1000°C或2000°C下强度较高（表2）。



表2 碳/碳复合材料高温环境下性能变化
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SIGRABOND型C/C复合材料的一个典型优异特性是其在高工作温度下的动态强度。图3显示了1501 G牌号C/C复合材料在10⁶至10⁷次荷载变化后，复合材料的初始强度仅下降了约5%。



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图3 1501 G牌号C/C复合材料在交变载荷下的耐疲劳性




碳/碳复合材料是新材料领域重点研究和开发的一类战略性高技术材料。近年来，国防科技的快速发展对低烧蚀抗氧化碳/碳复合材料提出了耐更高温度、更高速度和更长时间的极端要求。基于上述背景，Carbontech碳纤维及碳/碳复合材料论坛将于11月18-20日在上海跨国采购会展中心举行，具体内容详见链接。