【环氧板】材料制备过程中

增材制造技术又称加成制造,是20世纪70年代末80年代初出现的快速原型技术发展而来的一种先进制造技术。

按照美国材料与试验协会(ASTM)增材制造技术委员会(F42)的定义，增材制造技术是 根据3D CAD模型数据，通过增加材料逐层制造的方式，直接制造与相应数学模型完全-致的三维模型的制造方法。其核心是将所需成型的工件通过切片处理转化成简单的2D截面组合，而不需要采用传统的加工机床。增材制造工艺涉及的技术包括CAD建模、测量技术、接口软件技术、数控技术、精密机械技术、激光技术和材料技术等。

增材制造技术的成型过程主要包括:①利用增材制造设备中的软件，沿试件高度方向进行分层切片，获得各层的2D轮廓图;②按照2D轮廓图，通过增材制造成型设备进行分层制造材料，成型一系列2D截面片层;③通过增材制造成型设备将这些片层黏结，使这些片层顺序堆积成3D试件。

目前，已出现20多种增材制造技术(也可称为固体快速无模成型技术),其中_ -些技术在机械制造、高分子材料等行业已实现商业化应用。增材制造技术拥有无可比拟的灵活性，可用于制备传统方法无法制备的复杂形状。将增材制造技术用北拓宽复合材科的应用范围，同时借助增材制造技术的独特优势有望进一步提高复合材料的

在环氧板材料制备过程中，高温石墨化处理是必不可少的一步。碳/碳复合材料的力学性能、热物理性能及摩擦、磨损性能与材料碳的结构密切相关。石墨化程度是碳材料最重要 的结构参数之一。 通过控制、 . 调控碳//碳复合材料各组元及整体的石墨化状态,可以赋予复合材料不同的综合性能，满足不同的使用要求。一般来说，随着石墨化程度的提高,材料的导电、导热性能提高,摩擦、磨损性能得到改善，但力学性能会受到损伤。因此，根据材料的使用要求，合理调控石墨化程度至关重要

碳结构的基本单元是由碳原子组成的六角网平面。在石墨中，六角网平面的堆积按ABAB-或ABCABC..的规则排列。而在经过低温处理过的焦炭、玻璃碳等中,网平面的堆积没有规则性,网平面中存在空隙、位错、杂质原子等各种缺陷，发生扭曲,不符合石墨晶体结构的堆积规则，称为乱层结构。在高温热处理下，乱层结构向理想石墨晶体结构转化,这-一过程即为石墨化转变过程。

碳材料的石墨化进程受石墨化温度和保温时间控制。在石墨化过程中，体系从外界吸收,实现乱层结构石墨晶体结构的有序转化,与此同时，原子的热运动也将导致局部的无序化。在一定温度下，这种有序无序转化达到热力学平衡石墨化进程终止。达到这种平衡状266

态的所需的时受材料的种类和石墨化温度等的影响。对于同一种材料,温度越高，这一 时间越短，此外，在有催化剂、应力或高压状态下碳材料的石墨化进程加速，可石盟化程度提高。(1)催化石墨化。石墨化是种无序向有序转变的固态反应，这种转变阻力很大,容易形成亚稳态,使石墨化难以进行。通过添加金属或金属化合物，有可能降低石墨化所需要的温度 并可提高可石墨化性能。催化石墨化是一一个 复杂的过程，目前提出的催化机理主要有2种，即溶解再析出机理和碳化物转化机理。

溶解再析出机理认为催化剂能够溶解碳,且当无序碳溶解饱和时，石墨晶体结构为过饱和，溶解的部分碳就会趋向低能级的石墨晶体结构并沉积出来。这一-过程的动力是有序碳和无序碳之间的自由能之差。碳化物转化机理认为金属元素首先和碳化合生成碳化物，然后再分解生成石墨或易石墨化的碳结构，再转化为石墨。催化石墨化效率与金属元素在碳中的分散程度有关，与催化剂的颗粒尺寸、含量、存在状态(固态、液态或气态)等也有关。

(2)应力石墨化。聚合物碳化制备碳/碳复合材料时,先驱体聚合物体积收缩,碳纤维体积膨胀,两者热膨胀的不匹配使碳纤维和基体碳之间产生局部应力。在这种应力作用下,聚合物碳层状结构取向排列且层间距减小，在石墨化过程中生成较为完善的石墨结构。应力石墨化现象多见于聚合物碳化碳/碳复合材料中,纤维与聚合物基体界面结合越好，越容易产生应力石墨化。

(3)高压石墨化。高压也可能降低石墨化所需的温度或使难以石墨化的碳发生石墨化转变。

环氧板材料，即碳纤维增强碳基体复合材料，是由碳纤维和碳基体共同组成的复合材料。碳材料高熔点的本质属性,赋予了碳/碳复合材料优异的耐热性(可以经受2000“C以上的高温)，使之成为惰性气氛下使用温度最高的材料。但碳材料的特性也决定了不能用一般无机材料或复合材料的制备方法来制备碳/碳复合材料，比如碳材料超高的耐温性不可能像金属基复合材料那样可以使用熔体浸渗法制备;碳原子之间强而稳定的共价键结构决定了碳原子在烧结过程中移动性很差,不能通过碳粉烧结手段制备。

碳/碳复合材料的制备技术主要分为两个基本步骤，即碳纤维预制体制备和预制体致密化。前一个步骤是根据产品形状和使用需求将碳纤维制成多孔纤维预制体,后一个步骤是利用液相或气相的含碳化合物先驱体热解形成基体碳，填充碳纤维预制体的孔隙，从而制得碳/碳复合材料。根据碳纤维种类(短切纤维、连续长纤维)及纤维的排布方式不同，碳纤维预制体的主要形式有单向碳纤维束、2维碳布、各种碳毡及3维或多维碳纤维编织体等。将基体碳填充到预制体孔院内的方法主要有两种,即液相浸渍碳化法和化学气相渗透(CVI)法。按照使用的含碳先驱体的不同，液相浸渍碳化法又分为两种,即聚合物浸渍碳化法和沥青浸渍碳化法。

碳/碳复合材料整个体系均由碳元素组成,其力学性能热物理性能及摩擦、磨损性能与碳相的石墨化程度密切相关。在碳/碳复合材料致密化程度达到设计要求后,对复合材料进行高湖石墨化处理通过调整、控制复合材料各组元及整体的石墨化状态，得到最终综合性能满足使用要求的环氧板材料。

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