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1、炭炭/炭复合材料及其制备炭复合材料及其制备炭/炭复合材料及其发展进程C/C复合材料是炭纤维增强炭基复合材料的简称，是由纤维增强相和基体相组成的一种复合结构。C/C复合材料是1958年在ChanceVought航空公司实验室偶然得到的。自七十年代，在美国和欧洲得到很大发展，在制定工艺方面，炭纤维多向编制技术、高压液相浸渍工艺及化学气相浸渗法（CVI）为有效得到高密度的C/C复合材料提供了工艺基础，开辟了其制造、批量生产和应用的广阔前景。八十年代以来，C/C复合材料的研究极为活跃，前苏联、日本等国也都进入了这一先进领域，在提高性能、快速致密化工艺研究以及扩大其应用等方面取得了很大进展，成为新世纪的
2、关键新材料之一。炭/炭复合材料的主要性能特点及其应用一、C/C复合材料的主要性能特点： 低密度、高强度、低烧蚀率、高抗热震性、低热膨胀系数、零湿膨胀、不放气、在2000以内强度和模量随温度升高而增加、良好的抗疲劳性能、优异的摩擦磨损性能和生物相容性(组织成分及力学性能上均相容)、对宇宙辐射不敏感及在核辐射下强度增加等性能。二、C/C复合材料的主要应用领域1. 刹车制动中的应用： C/C复合材料是理想的摩擦材料。大部分军用和民用飞机及一些高级赛车均采用C/C复合材料制造刹车装置。世界上生产的 C/C复合材料中按体积计算有63%用于制造飞机的刹车装置。2. 航天领域上的应用： 航空器在受热最严峻的
3、部位一般采用C/C复合材料制造，如固体火箭发动机的喷管、导弹鼻锥帽，这些部件的工作温度高达3000。3.航空发动机上的应用:C/C复合材料能在高温下长时间稳定可靠地工作，用这种材料制造的涡轮发动机叶片代表着当前C/C复合材料的工艺水平。4.生物医学上的应用:碳元素有良好的生物相容性，C/C复合材料承继了这种特性，可作为牢固的材料用作高应力下的外科植入物，现已成功的在人体内植入了C/C复合材料制造的人工关节。5.其它方面的应用:如C/C复合材料可以用于制造核反应堆中的无线电频率限幅器、卫星上的通讯反射器、内燃机的活塞、高温玻璃控制工具、高温紧固件、热压模、超塑性金属模具以及体育器材等。炭/炭复合
4、材料的主要性能特点及其应用炭/炭复合材料的制备炭纤维或其织物预制增强体炭纤维或其织物预制增强体化学气相沉化学气相沉积（CVD或或CVI）热固性树脂热固性树脂浸渍、固化浸渍、固化沥青浸渍沥青浸渍炭化炭化900-1500C/C复合材料复合材料炭化炭化1000石墨化石墨化处理理（2100-2800）C/C复合材料复合材料制制备备流流程程及及工工艺艺炭纤维是制造C/C复合材料最主要的原材料之一。常用炭纤维有聚丙烯腈(PAN)炭纤维和沥青基(Pitch)炭纤维,聚丙烯腈基炭纤维应用最为广泛。炭纤维的选择主要基于所设计的复合材料的应用和工作环境，用于增强C/C复合材料的纤维有多种，对重要的结构选用高强、高
5、模纤维；对导热系数要求低则选用低模量炭纤维。预制体是指按照产品的形状和性能要求，把炭纤维预先制成所需形状的毛坯。一般按增强方式分为短纤维增强预制体、连续长纤维增强预制体和长短纤维复合增强预制体。炭/炭复合材料的制备炭纤维预制体的致密化决定了制备C/C复合材料的成本和性能。致密化过程中的关键因素为：一、速率和效率：即如何在尽可能短的时间里和用尽可能低的成本获得尽可能高的密度；二、基体炭的结构：即得到的基体炭结构应满足使用要求；三、材料密度和基体炭结构的均匀性。实用的C/C复合材料均应满足以上几点。一般常用致密化工艺有液相浸渍工艺和化学气相渗透(CVI)工艺。炭/炭复合材料的制备一、液相浸渍工艺：
6、液相浸渍工艺是将碳纤维预制体置于树脂或沥青等有机物中进行浸渍，并用热处理方法在惰性气氛中将有机物炭化的过程。为使浸渍剂的炭转化率高且结构缺陷少，要求含炭有机物应具备如下要求：1、残炭率高，减少浸渍炭化次数，减少炭化过程的收缩；2、炭化时应有低的蒸汽压，使分解形成的低分子产物并不挥发掉，而是进一步环化。3、炭化不应过早地转变为坚硬的固态。4、固化后树脂、沥青的热变形温度高。5、固化、炭化时不易封闭坯体的孔隙通道。炭/炭复合材料的制备二、化学气相渗透(CVI)工艺：化学气相渗透(CVI)工艺是一种在控制条件下向多孔的炭纤维预制体内部空间进行沉积的涂层工艺。CVI工艺过程是把预制体置于专用CVI炉中
7、，加热至所需温度，通入碳源气体(如CH4、C3H6等)进行热解沉积，以填充炭纤维预制体中的孔隙的过程。CVI工艺增密过程中，炭纤维成为了热解炭生长的天然核心，二者之间结合得非常紧密,而且随着沉积的进行，热解炭通过桥接把纤维连为一体，使整个坯体形成一个高强高模的材料实体；其次，CVI热解炭的微观结构可以通过调节工艺参数来调控，以获得满足各种性能要求的热解炭的结构。CVI基体炭由于与纤维结合紧密、结构可调，因此是制备高性能C/C复合材料的首选方法。炭/炭复合材料的制备总结及展望尽管C/C复合材料有许多优异的性能和如此广阔的用途,但目前由于价格的原因,其用途仍限制在一些工作条件苛刻的部位,以及其它材料不能代替的航空航天和军事领域,而且用得最多的还是飞机的刹车片。因此,为了扩大它在民用领域的应用,需要在如下两方面继续做出努力:(1)研究新的成型工艺,缩短生产周期,降低成本。(2)形成规模化生产,与树脂基或陶瓷基复合材料形成一定的竞争力。
