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一文詳解SGL Carbon碳/碳復合材料的加工、特性及高端應用（二）：優異力學性能

篇 首 語

德國SGL Carbon公司（西格里碳素）是全球領先的碳素石墨材料以及相關產品的制造商之一。西格里集團涵蓋了從原絲到碳纖維、織物和預浸料、再到CFRP部件成品在內的完整業務鏈。



本文簡要介紹SGL Carbon公司碳/碳復合材料的力學性能。


附：本公眾號SGL公司的原創類文章
《一文帶你了解西格里公司碳纖維》
《詳解西格里產業1：公司發展策略》
《詳解西格里產業2：汽車用碳纖維》
《詳解西格里產業3：空天用碳纖維》
《西格里碳素：專注復材應用技術》
《最新版碳纖維產品及典型應用》
《SGL碳碳復合材料：制備流程》
《SGL發展歷程及主要業務》
《碳/碳復合材料應用實例》

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德國SGL Carbon公司（西格里碳素）是全球領先的碳素石墨材料以及相關產品的制造商之一。此次系列文章將會詳細介紹該公司SIGRABOND型碳碳復合材料的加工流程、優異特性、高技術領域應用以及典型結構件設計與加工。



SIGRABOND型碳/碳復合材料的優異特性涉及內容較多，涵蓋熱性能、機械性能、耐溫波動性、耐化學性等性能，本文將首先介紹復合材料的力學性能。



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由于C/C復合材料范圍非常廣泛，因此下表1中僅列舉了幾種用于最重要領域產品的材料性能，其中包括了特殊機械特性、表面特性或穩定性。這些復合材料都可以在大多數高溫領域應用，并且是經過2000°C高溫處理制備得到。



表1 經石墨化SIGRABOND型C/C復合材料的典型力學性能指標
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圖1顯示了1601G牌號的SIGRABOND復合材料產品的性能隨浸漬和再加工操作次數的變化。一般情況下，材料性能會隨著致密化（浸漬和熱烘）數量增加而改善，即：層間剪切強度、彎曲和拉伸強度、體積密度、孔隙體積和楊氏模量等性能均會隨著熱處理的次數增加而提升。該性能提升還擴展到許多其他性能，包括導電性和導熱性、抗壓強度和耐交變載荷。但是，隨著致密化次數的增加會推高生產成本。



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圖1 當熱處理次數由1次提高到3次時，所有性能均獲得提升


在經歷載荷時，由纖維復合材料制成的部件不會突然斷裂，但當這些部件收到超過蠕變極限的應力時，它們也不會表現出金屬的塑性行為。施加在C/C復合材料上的應力最初只會導致少數纖維股斷裂，只有在反復拉伸后才會發生進一步的斷裂。這種類型的斷裂稱為準塑性斷裂。圖2顯示了1501 G牌號SIGRABOND型C/C復合材料的典型應力-應變圖，最大允許載荷是在大約0.3%的延伸率下實現的，而材料的斷裂伸長率在0.7%和1.0%之間。




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圖2 碳/碳復合材料應力應變曲線



與所有其他陶瓷或金屬高溫材料不同，碳纖維材料的強度隨著溫度的升高而增加。在高溫下，材料基本處于無應力狀態。當材料冷卻時，內部應力不斷增加，這是外部施加的任何應力的補充。這會導致室溫下強度較低，但在1000°C或2000°C下強度較高（表2）。



表2 碳/碳復合材料高溫環境下性能變化
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SIGRABOND型C/C復合材料的一個典型優異特性是其在高工作溫度下的動態強度。圖3顯示了1501 G牌號C/C復合材料在10?至10?次荷載變化后，復合材料的初始強度僅下降了約5%。



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圖3 1501 G牌號C/C復合材料在交變載荷下的耐疲勞性




碳/碳復合材料是新材料領域重點研究和開發的一類戰略性高技術材料。近年來，國防科技的快速發展對低燒蝕抗氧化碳/碳復合材料提出了耐更高溫度、更高速度和更長時間的極端要求。基于上述背景，Carbontech碳纖維及碳/碳復合材料論壇將于11月18-20日在上海跨國采購會展中心舉行，具體內容詳見鏈接。