碳碳复合材料(碳纳米管电镜图)

[协会科学文章]碳-碳复合材料：最有前途的高温材料

碳碳复合材料或碳碳复合材料是指碳纤维及其织物增强的碳基体复合材料。碳纤维作为增强材料可以以各种形式和种类使用，包括短切纤维、连续长纤维和编织物。碳基体可以是通过化学气相沉积制备的热解碳或通过聚合物材料热解形成的固体碳。碳/碳复合材料具有密度低(2.0g/cm3)、强度高、比模量高、热导率高、膨胀系数低、摩擦性能好、抗热震性好、尺寸稳定性高等优点。它是为数不多的应用于1650以上的候选材料之一，最高理论温度高达2600，因此被认为是最有前途的高温材料之一。

图1碳/碳复合材料产品

碳/碳复合材料的制备技术主要包括化学气相法和液相浸渍法。前者以有机低分子气体为前驱体，后者以沥青等热塑性树脂或酚醛树脂等热固性树脂为基体前驱体。这些原材料在高温下会发生一系列复杂的化学变化，并转化为基体碳。其中化学气相沉积法是将碳直接沉积在坯体的孔隙中，产品的物理机械性能较好，但生产周期较长。液相浸渍法是将碳纤维制成的预制件浸入液体浸渍剂中，经过固化、碳化和石墨化等一系列过程，最终得到碳/碳复合材料。其中，浸渍剂的组成和结构非常重要，不仅影响致密化效率，还影响产品的力学和物理性能。浸渍剂的高粘度和低碳化产率是碳/碳复合材料制备成本高的重要原因之一。为了获得更好的致密化效果，通常采用两种方法相结合的方法制备理想密度的碳/碳复合材料。

碳/碳复合材料作为一种集热结构和功能于一体的优良工程材料，自1958年诞生以来，在军事工业中取得了长足的进步，最重要的应用是制造导弹弹头零件。因其耐高温、摩擦性能好，已广泛应用于固体火箭发动机喷管、航天飞机结构件、飞机和赛车刹车装置、热元件和机械紧固件、热交换器、航空发动机热端部件等。其中，目前固体火箭发动机的喷管和刹车盘是碳/碳复合材料的两个主要应用领域。

自20世纪70年代首次成功用作喉衬以来，碳/碳复合材料在固体火箭发动机喷管中的应用极大地促进了固体火箭发动机喷管材料的发展。由碳/碳复合材料制成的喉衬、膨胀段和扩展出口锥具有极低的烧蚀率和良好的烧蚀轮廓，可大大提高固体火箭发动机的比冲，提高喷管效率1% ~ 3%。在制动领域，1973年首次将碳/碳复合制动盘的实验研究应用于飞机制动。目前，超过一半的碳/碳复合材料被用作飞机制动装置。由碳/碳复合材料制成的飞机刹车盘重量轻，耐高温，比热容比钢高2.5倍。与金属制动材料相比，可节省结构重量的40%，使用寿命延长5 ~ 7倍，制动力矩稳定，制动时噪音低。因此，碳制动盘的出现被认为是制动材料发展史上的一项重大技术进步。

自20世纪60年代碳/碳复合材料发明以来，它引起了军事、航空航天、核能和许多民用工业的极大关注。但由于制造工艺复杂、技术难度大、原材料昂贵、产品成本高，C/C复合材料的使用仍然局限于一些恶劣的工作条件和其他材料无法替代的航空航天、军事领域。目前，在碳/碳复合材料的研究领域，最需要解决的问题是：高效、低成本、快速制备工艺的研究；研究能在1800以上长期使用的抗氧化涂层；高性能耐烧蚀碳/碳复合材料及其在固体火箭喉衬材料中的应用研究：改善摩擦

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