炭炭复合材料制备工艺详解
复合材料概论第9章--碳碳复合材料
◆ 沉积碳
沉积碳（CVD碳）是含碳 的烷、烯、炔类有机化合物前 驱体，经热解后沉积在预制体 碳纤维上的碳。 在C/C复合材料中采用CVD /CVI工艺时，多采用的CVD碳 的前驱体多为甲烷、丙烷、乙 烯、丙稀或乙炔，有的还采用 天然气作前驱体。
在液相气化CVD（CLVD） 则采用煤油等含碳前驱体。
◆ 各种编织方法制成的预制体
◆ 三维正交预制体
三维正交碳纤维增强的C/C及其显微结构
◆ 五维预制体
◆ 飞机刹车盘预制体
◆ 导弹、火箭鼻锥、喷管编织预制体
◆ 导弹、火箭鼻锥、喷管预制体制编织
导弹、火箭鼻锥、喷管预制体制编织车间
2、基体碳
基体碳分为：树脂与沥青浸渍碳和沉积碳两种
◆ 树脂（沥青）浸渍-碳化对浸渍剂的要求 树脂（沥青）碳均是由碳纤维预制体浸渍树脂或沥青
1、力学性能——与碳材料的对比
C/C复合材料的力学性能在室温和高温下都明显高于 基体的碳材料。
2、摩擦性能
碳/碳的高温摩擦性能稳定；刹车时吸收动能高，能 显著提高飞机制动性能；密度低，并能显著减轻飞机刹 车装置的重量。
◆ 摩擦系数：0.2-0.3
高温下稳定。飞机制动过程中，刹车盘整体温度达500℃，而表面最 高温度可达1500℃以上。
随后，随着温度的升高，树脂经历脱氢，体积收缩变化不大，趋于 稳定；
当温度高于2000℃（碳化后的热处理），树脂碳乱层结构中的网平 面的排列紊乱程度有所减弱（趋向于向石墨结构方向），引起裂缝， 体积略有增加。
树脂碳因树脂的化学结构的重排困难，难于石墨化， 主要是各向同性的树脂碳。
循环浸渍－碳化曲线反映了浸渍－碳化工艺特点：
● 热固性沥青烯（BS）：不溶于石油醚，但溶于苯和甲苯； ● –树脂（ ● –树脂（
生物质热解制备碳基复合材料的研究
生物质热解制备碳基复合材料的研究生物质热解是将生物质原料在高温下进行分解和气化过程，得到可用于制备炭材料的固体残渣。
利用生物质热解制备碳基复合材料是一种绿色环保的技术，具有广阔的应用前景。
在这篇文章中，我们将深入探讨生物质热解制备碳基复合材料的研究。
一、生物质热解生物质热解是指利用高温、高压和惰性气体等条件下，将生物质原料分解和气化的一种技术。
生物质热解的基本过程是：加热生物质原料使其脱除水分和挥发分；挥发分在高温下裂解为可燃气体和有机液体；残渣经过炭化反应生成炭质产物，尤其是用于制备炭材料的固体残留物。
生物质热解前处理主要包括粉碎、筛分、干燥和除尘等工序。
二、生物质热解制备碳基复合材料的原理生物质热解制备碳基复合材料的原理是利用生物质原料的炭化反应，制备成为一种炭材料。
碳材料是一种基准材料，可用于制备过滤材料、催化剂和电极材料等，而在与其它材料复合后，可以制得一定性能的复合材料。
因此，生物质热解制备碳基复合材料，需要掌握碳化原理，合理设计复合材料结构和性能。
三、生物质选择与炭化反应生物质热解制备碳基复合材料的原料选择较为重要，主要包括木质素、纤维素、半纤维素和木质纤维等。
在生物质选择之后，需要掌握生物质的炭化反应规律。
炭化过程是生物质热解的最后一个阶段，也是制备碳基复合材料的产生过程。
当生物质接近于炭化点时，会在缺氧条件下产生炭质产物。
四、复合材料的制备制备碳基复合材料需要对原料进行炭化处理，并利用其独特的结构、性能特点进行组装，来制备满足特定要求的复合材料。
利用炭材料和其它材料相互组合，形成特殊的络合物，可以制得具有特殊性能的复合材料。
在组合过程中，还需要掌握一些复合材料领域的基本技术，如沉积、溶胶凝胶法等。
五、生物质热解制备碳基复合材料的应用生物质热解制备碳基复合材料具有广泛的应用前景，主要用于制备实用性强的复合材料。
因其具有优异的物理和化学性能，这种复合材料可用于制备电极材料、催化剂、过滤材料、光catalyst及各类磁性复合材料等。
碳碳复合材料制备工艺及研究现状
2、科研院所和企业的研发团队 及其成果
目前，国内外众多科研院所和企业都在积极开展碳碳复合材料制备工艺的研 究和开发工作。其中，中国科学院、清华大学、北京大学、浙江大学、上海交通 大学等高校和研究机构在碳碳复合材料的制备工艺方面取得了重要进展。众多企 业在碳碳复合材料的产业化方面也取得了显著成果，
（4）加工和成型：将表面处理后的碳纤维增强基体进行加工和成型，得到 所需的形状和尺寸。
2、碳碳复合材料制备中的关键 问题和解决方案
碳碳复合材料制备过程中的关键问题包括炭纤维或炭化纤维的制备、基体与 炭纤维或炭化纤维的界面结合、表面处理的效率和一致性等方面。针对这些问题， 目前的研究主要集中在以下几个方面：
研究现状
1、国家政策支持及项目进展情 况
近年来，各国政府纷纷出台相关政策和项目，支持和推动碳碳复合材料的研 究和应用。例如，中国政府在“十三五”国家科技创新规划中提出要大力发展新 型复合材料，并将碳碳复合材料列为重点发展的领域之一。同时，国内外众多科 研机构和企业也在积极投入研发和生产，推动碳碳复合材料制备工艺的发展和应 用。
引言
随着科技的不断进步，碳材料因其独特的物理、化学性质而受到广泛。特别 是纤维素碳化制备碳材料，由于其来源广泛、环保且具有优异的性能，在能源、 环保、材料等领域具有广泛的应用前景。因此，研究纤维素碳化制备碳材料的工 艺具有重要意义。
文献综述
纤维素碳化制备碳材料的研究可以追溯到20世纪60年代，随着科技的不断进 步，这一领域的研究取得了长足的进展。以前的研究主要集中在碳化温度、时间、 气氛等因素对纤维素碳化过程的影响上。近年来，研究者们还致力于探索纤维素 碳化过程中的反应机理，以及如何提高碳材料的性能。尽管取得了一定的进展， 但仍存在许多问题需要解决，例如如何提高碳材料的质量和产量，以及如何实现 工业化生产。
碳碳复合材料生产工艺
碳碳复合材料生产工艺碳碳复合材料是一种高性能复合材料，由碳纤维和碳基材料组成，具有高强度、高摩擦性能、高抗侵蚀能力等优点，被广泛应用于航空航天、汽车制造、船舶制造等领域。
下面将介绍碳碳复合材料的生产工艺。
碳纤维制备：碳纤维是碳碳复合材料的主要增强材料，其制备过程包括原料选用、浆料制备、纤维拉丝、高温碳化等步骤。
首先，选用高纯度的石墨为原料，通过碳化反应制备碳纤维前体浆料。
然后，将浆料拉丝成纤维，并通过高温石墨化处理，将其转化为含有95%以上纯碳的碳纤维。
碳基材料制备：碳碳复合材料的基体材料通常选用高纯度石墨或石墨纤维，其制备过程包括预制件制备、石墨化处理、浸渍碳化等步骤。
首先，将石墨材料制备成预制件，通常采用热压或化学气相沉积等方法。
然后，对预制件进行高温处理，使其石墨化，提高其机械性能和耐热性。
最后，通过浸渍工艺，将预制件浸渍进碳化剂中，使其形成碳基材料。
复合成型：碳纤维和碳基材料经过制备后，通过复合成型将其组合成复合材料。
常见的成型方法包括层板法、缠绕法、注射法等。
层板法将碳纤维和碳基材料按照一定的排布顺序叠加，并采用压制热压的方法使其复合成型。
缠绕法将碳纤维按照一定的螺旋方式缠绕在模具上，并进行热压使其复合成型。
注射法将碳纤维和碳基材料按照一定比例混合后注入模具中，通过热压使其固化成型。
炭化和石墨化：复合材料在固化成型后，需要进行炭化和石墨化处理，以提高其炭化度和石墨化程度。
炭化过程通常采用高温石墨化处理，将复合材料在高温下进行长时间热处理，使其炭化度达到要求。
石墨化过程则是通过进一步高温处理，将复合材料的炭化产物转化为石墨，提高其机械强度和导热性能。
表面处理：最后，对已经炭化和石墨化的碳碳复合材料进行表面处理，以提高其性能和抗氧化能力。
常见的表面处理方法包括化学气相沉积、化学涂层、磨削抛光等。
化学气相沉积是通过将材料暴露在特定气氛中，使其表面形成一层保护性的氧化物。
化学涂层则是将材料表面涂覆一层抗氧化涂层，增强其抗氧化能力。
碳碳复合材料的制备及研究进展
炭/ 炭复合材料的制备及研究进展摘要：综合国内外各种文献资料，总结了炭炭复合材料的用途、制备工艺，简要介绍了几种主要的致密化方法，并对炭炭复合材料的抗氧化研究、石墨化研究做了初步的介绍，最后提出了炭炭复合材料今后发展的方向.关键词：炭炭复合材料，致密化，化学气相沉积，抗氧化，石墨化.1 引言炭/ 炭复合材料是具有优异耐高温性能的结构与功能一体化工程材料。
它和其它高性能复合材料相同, 是由纤维增强相和基体相组成的一种复合结构, 不同之处是增强相和基体相均由具有特殊性能的纯碳组成[1-2]。
炭/ 炭复合材料具有低密度、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2 000 C 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[1-3], 使炭/ 炭复合材料在众多领域有着广泛用途。
在发达国家，炭/ 炭复合材料已被成功用于航天飞机的机翼前缘、鼻锥、货舱门，高推动比战机发动机的涡轮，高性能火箭发动机喷管、喉衬、燃烧室等，新一代先进飞机、坦克、赛车、高速列车等的刹车材料，以及火箭、飞机的密封圈等构件[4]，同时，炭/ 炭复合材料作为生物医学材料，人造心脏瓣膜、人工骨、牙种植体及作为植入材料用于矫形是近年来的研究重点[5-7]; 作为智能材料，由于其受拉力后电阻增加，是很好的拉伸传感器，具有广阔的发展前景[8]。
炭/炭复合材料由碳纤维增强碳基体复合而成。
碳基体以热解炭的形式存在，由碳源先驱体经热解碳化而成。
炭/炭复合材料的制备工艺包括: 碳纤维及其结构的选择; 基体碳先驱物的选择; 炭/炭复合材料坯体的成型工艺; 坯体的致密化工艺以及工序间和最终产品的加工等[9]。
其中，关键技术在于坯体的致密化。
2 炭/炭复合材料的致密化工艺传统的炭/炭复合材料致密化工艺主要有化学气相沉积（CVD、化学气相渗透（CVI）和浸渍法。
炭炭复合材料_热导率_测定_概述及解释说明
炭炭复合材料热导率测定概述及解释说明1. 引言1.1 概述：炭炭复合材料是一种具有特殊结构和性能的材料，在热导率方面具有重要应用价值。
热导率是指材料传导热量的能力，它在许多领域中起着关键作用，例如电子器件散热、节能建筑等。
因此，了解炭炭复合材料的热导率及其测定方法对于进一步探索其性能和应用具有重要意义。
1.2 文章结构：本文将从几个方面对炭炭复合材料的热导率进行概述和解释说明。
首先，我们将介绍炭炭复合材料的定义和特点，包括其组成成分、微观结构及物理性质等方面。
其次，我们将详细探讨制备方法，包括碳化工艺、压制工艺等，并对各种方法进行比较和分析。
接着, 将介绍该材料在不同领域的应用情况，并阐述其优势和潜在问题。
然后，我们将给出关于测定方法的概述，包括测量原理、实验装置以及数据处理方法等内容。
1.3 目的：本文的目的是全面概述和解释炭炭复合材料的热导率及其测定方法，以促进人们对该特殊材料性能的深入了解。
通过本文的阐述，读者可以更好地理解炭炭复合材料的制备工艺、特性以及应用领域，并掌握相关测定方法。
此外，我们也希望能够为未来在该领域的进一步研究提供一些有益的启示和展望。
以上便是文章“1. 引言”部分内容撰写完毕。
2. 炭炭复合材料2.1 定义和特点炭炭复合材料是由炭素和石墨颗粒等碳质材料组成的复合材料。
它具有优异的导电性、高温稳定性、耐腐蚀性和机械强度，在多个领域都有广泛的应用。
2.2 制备方法炭炭复合材料的制备方法主要包括浸渍法、化学气相沉积法和压力过滤法等。
其中，浸渍法是最常用的方法之一。
该方法首先制备出具有良好孔隙结构的碳棉基体，然后通过浸渍方式将聚合物树脂或沥青渗透到碳棉中，最后经过高温热解处理得到了炭炭复合材料。
2.3 应用领域由于其导电性能好且能耐受高温环境，在航空航天、电子器件、汽车工业以及能源领域等都有广泛应用。
在航空航天领域，炭炭复合材料被广泛应用于导电件和隔热部件；在电子器件中，它可以用作散热材料，提高器件的散热效果；在汽车工业中，炭炭复合材料被应用于制动系统和发动机零部件等高温高压环境下的部件；而在能源领域，炭炭复合材料可用于核电站中的导热管道和隔热元件。
高性能炭炭复合材料制备及性能表征PPT课件
自由基链的甲基化为
CH3+C3H6→CH3CH2CHCH3
CH3CH2CHCH3→CH3CH2CH=CH2 +H
CH4+H→CH3+H2
总反应为 C3H6+CH4→CH3
CH2CH=CH2+H2
21
均气相反应
气相热解 芳香烃和多 气相形核
烃类气体
环芳香烃
固体炭颗粒
气-固两相反应
表面吸附 烃类气体
表面化学 反应与表 面脱附
结构重量减轻80% 射程显著增加
导弹发动机喷管
发动机燃烧室
没有高性能C/C复合材料，就没有现代化的国防
10
战略、战术导弹炭/炭复合材料推进系统
重量减轻80% 射程显著增加
过渡环
喉衬
扩散段
11
其它应用领域
高温热防护 半导体工业 热压模具
12
2 C/C复合材料的制备
碳纤维预制体
热固性树脂 浸渍、固化
炭纤维 基体炭 孔隙
10m 3
炭是难熔材料,石墨的熔点高达4177℃。
4
优异的高温力学性能
5
C/C材料应用－现代交通
C/C复合材料质轻、摩擦磨损性能优异，是飞机、高速列 车、磁悬浮列车、赛车等现代交通工具最新一代制动材料。
与金属基相比，C/C 使波音757
减重550Kg 刹车副寿命提高5〜6倍
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/炭复合材料
二OO九年七月
1提纲Βιβλιοθήκη 1 炭/炭复合材料及其应用 2 炭/炭复合材料的制备 3 炭/炭复合材料的结构与性能 4 炭/炭复合材料快速CVI致密化技术 5 炭/炭复合材料的研究前沿
2
1 C/C复合材料及其应用
炭炭复合材料制备详解
C/C复合材料的制备及方法地点：山西大同大学炭研究所时间：5.31——6.3学习内容：一、C/C复合材料简述C/C复合材料是以碳纤维及其织物为增强材料，以碳为基体，通过加工处理和碳化处理制成的全碳质复合材料。
优点：抗热冲击和抗热诱导能力极强，具有一定的化学惰性，高温形状稳定，升华温度高，烧蚀凹陷低，在高温条件下的强度和刚度可保持不变，抗辐射，易加工和制造，重量轻。
缺点：非轴向力学性能差，破坏应变低，空洞含量高，纤维与基体结合差，抗氧化性能差，制造加工周期长，设计方法复杂。
二、C/C复合材料的成型技术化学气相沉积法气相沉积法（CVD法）：将碳氢化合物，如甲烷、丙烷、液化天然气等通入预制体，并使其分解，析出的碳沉积在预制体中。
技术关键：热分解的碳均匀沉积到预制体中。
影响因素：预制体的性质、气源和载气、温度和压力都将影响过程的效率、沉积碳基体的性能及均匀性。
工艺方法：温度梯度法温度梯度法工艺方法：将感应线圈和感应器的几何形状做得与预制体相同。
接近感应器的预制体外表面是温度最高的区域，碳的沉积由此开始，向径向发展。
温度梯度法的设备如下图：三、预制体的制备碳纤维预制体是根据结构工况和形状要求，编织而成的具有大量空隙的织物。
二维编织物：面内各向性能好，但层间和垂直面方向性能差；如制备的氧化石墨烯和石墨烯三维编织物：改善层间和垂直面方向性能；如热解炭四、C/C的基体的获得C/C的基体材料主要有热解碳和浸渍碳两种。
热解碳的前驱体：主要有甲烷、乙烷、丙烷、丙烯和乙烯以及低分子芳烃等；大同大学炭研究所使用的是液化天燃气。
浸渍碳的前驱体：主要有沥青和树脂五、预制体和碳基体的复合碳纤维编织预制体是空虚的，需向内渗碳使其致密化，以实现预制体和碳基体的复合。
渗碳方法：化学气相沉积法。
基本要求：基体的先驱体与预制体的特性相一致，以确保得到高致密和高强度的C/C复合材料。
化学气相沉积法制备工艺流程：碳纤维预制体→通入C、H化合物气体→加热分解、沉积→C/C复合材料。
碳碳的制造工艺
碳碳的制造工艺简介碳碳（Carbon-Carbon，简称C/C）是一种由碳纤维和碳基质组成的复合材料，具有高强度、耐高温、耐腐蚀等优点，在航空航天、能源、汽车等领域有广泛的应用。
本文将介绍碳碳的制造工艺以及相关技术。
碳纤维的制备碳纤维是制造碳碳的关键材料，其制备过程主要包括聚合纤维、氧化、碳化等步骤。
首先，在聚合纤维阶段，聚丙烯或聚丙烯酸甲酯等聚合物通过纺丝成纤维，在高温、低氧环境下进行干燥和热处理，形成初步成型的聚合纤维。
然后，在氧化阶段，将聚合纤维在氧气或空气中进行热处理，使其氧化生成聚丙烯酸纤维。
最后，在碳化阶段，将聚丙烯酸纤维在高温下进行碳化处理，使其转变为碳纤维。
碳纤维具有高强度、高模量、低密度等优点，是制造碳碳材料的重要基础。
碳基质的制备碳基质是碳碳的主要组成部分，其作用是提供机械支撑和保护碳纤维。
碳基质的制备通常采用炭化树脂、炭化油等方法。
炭化树脂是一种含有碳元素较高的树脂，通常通过模压成型，在高温下进行炭化处理，形成高碳化度的碳基质。
炭化油是一种含有碳元素较高的石油产品，通过涂覆在碳纤维上，再进行热处理，也能制备碳基质。
碳基质的炭化度越高，其机械性能和耐高温性能也越好。
碳碳的制造工艺碳碳的制造工艺主要包括堆叠、热压、碳化、再热压等步骤。
堆叠堆叠是将碳纤维与碳基质按照一定的顺序和方式进行层叠组合，形成一个整体结构。
堆叠的方式有平行堆叠、绕线堆叠等。
平行堆叠是将碳纤维和碳基质平行地堆积起来，形成多层叠压结构。
绕线堆叠是将碳纤维绕在轴上，再进行层叠组合。
堆叠时需要注意碳纤维的方向和排列的均匀性，以保证碳碳的性能和质量。
热压热压是将堆叠好的碳碳放入高温高压的环境中，通过热压力将碳纤维和碳基质结合在一起。
热压时需要控制压力、温度和时间等参数，以确保材料的密实度和结合强度。
热压能够使碳碳材料形成致密的结构，提高其机械性能和耐高温性能。
碳化碳化是将热压得到的碳碳材料在高温下进行碳化处理，使其形成高度碳化的结构。
碳碳坩埚碳化工艺
碳碳坩埚碳化工艺引言：碳碳复合材料是一种具有优异性能的高温结构材料，广泛应用于航空航天、能源等领域。
碳碳坩埚碳化工艺是制备碳碳复合材料的关键步骤之一，本文将对碳碳坩埚碳化工艺进行详细介绍。
一、碳碳复合材料概述碳碳复合材料是一种由碳纤维和炭基基体相组成的材料。
碳纤维具有高强度、低密度等优点，而炭基基体具有高温抗氧化性能。
碳碳复合材料结合了二者的优点，具有优异的耐高温、高强度和抗烧蚀性能。
二、碳碳坩埚碳化工艺流程碳碳坩埚碳化工艺是制备碳碳复合材料的重要工艺之一。
其主要流程包括坩埚制备、预热、碳化和冷却等步骤。
1. 坩埚制备碳碳坩埚是碳碳复合材料碳化过程中的反应容器，其制备需要选用高纯度的石墨材料，并通过热压等工艺形成坩埚的形状。
坩埚的形状和尺寸应根据具体工艺要求进行设计。
2. 预热在进行碳化之前，需要对碳碳坩埚进行预热处理。
预热的目的是除去坩埚内的氧化物和其他杂质，以保证碳化过程的纯净性。
预热过程通常采用高温气氛下的热处理，温度和时间应根据具体工艺要求进行控制。
3. 碳化碳化是碳碳坩埚碳化工艺的核心步骤。
碳化过程是将坩埚放置在高温炉中，在惰性气氛下进行加热，使碳纤维和炭基基体发生化学反应，生成碳化物。
碳化的温度和时间是影响碳化层质量的重要参数，需要进行精确控制。
4. 冷却碳化完成后，需要对碳碳坩埚进行冷却处理。
冷却过程应缓慢进行，以避免由于快速冷却引起的热应力，影响碳碳复合材料的性能。
冷却过程通常采用自然冷却或采用惰性气氛下的缓慢冷却。
三、碳碳坩埚碳化工艺的优势碳碳坩埚碳化工艺具有以下优势：1. 简单高效：碳碳坩埚碳化工艺相对简单，易于操作，并且可以实现批量生产，提高生产效率。
2. 提高碳化质量：通过精确控制碳化过程的温度和时间，可以提高碳化层的质量和均匀性，保证碳碳复合材料的性能。
3. 节约能源：碳碳坩埚碳化工艺在碳化过程中采用惰性气氛，避免了氧化反应的发生，减少了能源消耗。
4. 减少污染：碳碳坩埚碳化工艺在碳化过程中不产生有害气体和废水，对环境污染较小。
炭炭复合材料的液相浸渍-炭化技术
炭炭复合材料的液相浸渍-炭化技术摘要：炭/炭（C/C）复合材料，即炭纤维增强炭基体复合材料(Carbon fiber reinforced carbon composites)，因其优异的综合性能而在现代交通、航天工程、现代国防建设等领域有广泛的应用。
炭炭复合材料的制备包括炭纤维预制体制备、材料的增密、材料致密化、高温热处理等。
其中液相浸渍-炭化是预制体増密的一种方法，是炭炭复合材料致密化的重要途径。
液相浸渍-炭化的基本途径包括树脂浸渍－炭化和沥青浸渍－炭化。
本文将对液相浸渍-炭化技术及两种途径作简要介绍。
关键词：炭炭复合材料；预制体増密；液相浸渍-炭化1、炭炭复合材料概述炭/炭（C/C）复合材料，即炭纤维增强炭基体复合材料(Carbon fiber reinforced carbon composites)，其整个体系由碳元素构成，在显微结构上是一种多相非均质混合物。
由于炭炭复合材料具有质轻、高导热、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、抗强辐射、耐等离子体冲刷等优异综合性能，其在现代交通、刹车制动、军用民用飞机、大型制造业、国家大型核能工程、航天工程、现代国防建设、生物医疗器械、土木建筑领域、环境工学在一系列领域有极其的广泛应用。
炭炭复合材料的制备主要包括炭纤维预制体制备、材料的增密、材料致密化、高温热处理等。
预制体包括短纤维模压预制体、长纤维织物叠层预制体、多维编织或穿刺预制体和Novoltex细编织物预制体。
材料増密主要有化学气相渗透（CVI）和浸渍树脂/沥青炭化增密两种方法。
炭炭复合材料的基本制备工艺流程如下图所示。
2.炭炭复合材料的液相浸渍-炭化2.1液相浸渍-炭化简介液相浸渍-炭化是对炭纤维预制体进行増密的一种方法，是炭炭复合材料致密化的重要途径。
在实际应用中通常与化学气象沉积法共同使用，以达到对炭炭复合材料的致密化。
其中，浸渍是指在一定温度和压力下，使液态有机浸渍剂渗透到待浸工件的孔隙中的过程，而炭化是指在惰性气体保护下，通过热处理使有机浸渍剂（碳氢化合物）脱氢而生成炭的过程。
炭炭复合材料制备工艺详解概论
sp2
sp3
In a plane
In 3D
Bond: sp3
金刚石晶体结构
A
B
c
C
d Diamond
0
石墨晶体结构
A
石墨平面结构－SP2 B
A
c
Graphite
C60晶体
Fullerenes (C60)
无定形碳和过渡态碳
除了几种结晶形态外，碳的另一类同素异形体为无 定型碳。无定形碳一般多指炭黑、木炭、活性炭等。 实际上它们并非真正的无定形碳，而是属于微晶碳， 其成键轨道为sp2 + sp3。
气体流动方式对沉积区微气氛的影响
CVD 环节
反应气体
易于控制气体停留时间
扩散进入 孔隙内
热解、缩聚
吸附，脱H
不能控制气体停留时间
解吸 副产物扩散排出
CVI技术装备
炉膛
发热体 炭盘
径向温度
径向气体 压力
电极
进气口 逆定向流-径向热梯度CVI示意图
（发明专利：ZL00114790.0、 03105528.1）
炭纤维 基体炭 孔隙
10m
炭是难熔材料,石墨的熔点高达4177℃。
优异的高温力学性能
C/C材料应用－现代交通
C/C复合材料质轻、摩擦磨损性能优异，是飞机、高速列 车、磁悬浮列车、赛车等现代交通工具最新一代制动材料。
与金属基相比，C/C 使波音757
减重550Kg 刹车副寿命提高5〜6倍
飞机用制动盘
相对密度很难快速提高的重要原因。
炭纤 热解炭 树脂炭
复合增密C/C材料的偏光显微结构
3 C/C复合材料的结构与性能
碳的晶体结构
碳元素的原子序号为6，碳原子的6个基本电子 的轨道为1S22S22P2。由于在最多可容纳10个电子的 L壳层只有4个电子，因此，邻近碳原子间很容易通 过2S和2P轨道间的杂化形成σ和π两种强共价键。根 据电子杂化方式的不同， 碳原子可呈现SP3，SP2， SP等不同的杂化价态，并可形成不同的炭的同素异 型体－－如金刚石、石墨、富勒烯等。
炭炭复合材料
1 C/C复合材料概述炭/炭复合材料(C/C)是由炭纤维及其制品(炭毡或炭布)增强的炭纤维复合材料。
C/C的组成元素只有一个，即碳元素，因而C/C具有许多炭和石墨材料的优3)和优异的热性能，即高的导热性、低(石墨的理论密度为2.2 g/cm点，如密度低热膨胀系数以及对热冲击不敏感等特性。
作为新型结构材料，C/C还具有优异的力学性能，如高温下的高强度和模量，尤其是其随温度的升高，强度不但不降低，反而升高的特性以及高断裂韧性、低蠕变等性能。
这些特性，使C/C复合材料成为目前唯一可用于高温达2800 ℃的高温复合材料。
C/C复合材料自上世纪60年代问世以来，在航空航天、核能、军事以及许多民用工业领域受到极大关注，并得到迅速发展和广泛应用。
1.1 C/C复合材料的性能特点(1) 物理性能C/C复合材料在高温热处理后的化学成分，碳元素高于99%，像石墨一样，具有耐酸、碱和盐的化学稳定性。
其比热容大，热导率随石墨化程度的提高而增大，线膨胀系数随石墨化程度的提高而降低等。
(2) 力学性能C/C复合材料的力学性能主要取决于炭纤维的种类、取向、含量和制备工艺等。
单向增强的C/C复合材料，沿炭纤维长度方向的力学性能比垂直方向高出几十倍。
C/C复合材料的高强高模特性来自炭纤维，随着温度的升高，C/C复合材料的强度不仅不会降低，而且比室温下的强度还要高。
一般的C/C复合材料的拉伸强度大于270 MPa，单向高强度C/C复合材料可达700 MPa以上。
在1000 ℃以上，强度最低的C/C复合材料的比强度也较耐热合金和陶瓷材料的高。
C/C复合材料的断裂韧性与传统的炭材料相比，有极大的提高，其破坏方式是逐渐破坏，而不是突然破坏，因为基体炭的断裂应力和断裂应变低于炭纤维。
经表面处理的炭纤维与基体炭之间的化学键与机械键结合强度强，拉伸应力引起基体中的裂纹扩展越过纤维/基体界面，使纤维断裂，形成脆性断裂。
而未经表面处理的炭纤维与基体炭之间结合强度低，C/C复合材料受载一旦超过基体断裂裂纹尖端的能量消耗在炭纤维的基体裂纹在界面会引起基体与纤维脱粘，应变，周围区域，炭纤维仍能继续承受载荷，从而呈现非脆性断裂方式。
碳碳复合材料制备方法
碳碳复合材料制备方法
碳碳复合材料是一种由碳纤维增强体和碳基质组成的高性能复合材料，因其卓越的高温性能、高强度重量比以及良好的耐磨损和抗热震性，在航空航天、核能、汽车工业等领域有着广泛应用。
制备碳碳复合材料的方法主要有以下几种：
1.液相浸渍-炭化法：
-步骤包括：首先选择合适的碳纤维预制件（如编织布、层压板或三维编织结构），然后将其浸入树脂或其他碳前驱体溶液中进行渗透。
-接着在惰性气氛下经过预氧化处理，将树脂转化为中间相炭素或其他炭质物质。
-最后通过多级高温炭化过程，逐步去除非碳元素，使碳纤维与基质紧密结合，形成连续的碳网络。
2.热解化学气相沉积法：
-在该方法中，碳纤维预制件置于反应腔内，并通入含碳气体（如甲烷、丙烯等）。
-当气体在纤维预制件内部扩散并吸附于纤维表面时，会在高温条件下分解并在预制件内部沉积成碳，从而逐渐填充空隙形成连续的碳基质。
3.热压烧结法：
-该方法通常用于制备短切碳纤维/石墨粉末复合材料。
-首先将碳纤维和石墨粉混合均匀，然后放入模具中，在高温高压下直接进行烧结，使得纤维和粉末之间实现致密化连接。
4.碳源熔融渗透法：
-使用碳源（如聚丙烯腈、沥青等）熔融后渗透到碳纤维预制体中，随后经过一系列热处理得到碳碳复合材料。
5.真空袋灌注成型技术结合以上浸渍工艺：
-采用真空袋技术可以提高液相浸渍过程中树脂或碳前驱体的渗透效率。
碳碳复合材料讲解
03
飞机刹车 材料关键
技术
C/C复合材料产业现状
C/C复合飞机刹车材料预制体成型技术 C/C复合飞机刹车材料快速致密化技术 C/C复合飞机刹车材料的氧化防护技术 C/C复合飞机刹车材料再生修复技术
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
C/C复合材料产业现状
03
C/C复合飞机刹车材料预制体成型技术
预制体是C/C复合材料的增强骨架，它直接决定或影响着后续制备复合 材料的力学、热物理和摩擦等性能。
03
①先进碳/ 碳复合飞机刹车材料关键技术研究
先进碳/碳复合材料是我国大型飞机和高性能军机的关键刹车材料，碳/ 碳（C/C）复合材料刹车盘（简称碳盘）是飞机刹车装置普遍使用的关键器材， 它不仅是一种摩擦元件，而且是一种热库和结构元件。碳盘替换传统的钢刹 车盘可以获得明显减重以及大幅度进步刹车盘性能和使用寿命的效果，因此， 自从20世纪70年代装机首飞成功以来，目前国际上已有100余种大中型民航 客 机和先进军机采用了碳刹车技术，是否采用碳刹车装置已成为衡量现代航 空 机轮水平的重要标志之一。
03
C/C复合材料产业现状
C/C复合飞机刹车材料快速致密化技术
为了解决制备周期长这一关键题目，国外进行了大量的研发工作。 早在1994年，美国Textron公司报道，他们研发的高效工艺能在8h内制 备出碳盘样品，但主要题目是该方法一炉只能制备一个样品，至今仍未 能实现工程化。Vaidyaraman S等人研究的强制活动热梯度法能使沉积 速率进步12～30倍，但仅适用于制备外形简单的小样品（直径小于 100mm，厚度小于10mm），同样一炉只能制备一个样品，仍然无法
03
C/C复合材料产业现状
C/C复合飞机刹车材料快速致密化技术
CC复合材料制备工艺简介
CC复合材料制备⼯艺简介沥青基碳材料本⽂来源：上海皓越精彩⽂章现在开始碳基复合材料碳/碳(C/C)复合材料是碳纤维增强碳基体的复合材料, 具有⾼强⾼模、⽐重轻、热膨胀系数⼩、抗腐蚀、抗热冲击、耐摩擦性能好、化学稳定性好等⼀系列优异性能, 是⼀种新型的超⾼温复合材料。
C/C复合材料作为优异的热结构-功能⼀体化⼯程材料。
它和其他⾼性能复合材料相同，是由纤维增强相和基本相组成的⼀种复合结构，不同之处是增强相和基本相均由具有特殊性能的纯碳组成。
碳/碳复合材料主要是由碳毡、碳布、碳纤维作为增强体，⽓相沉积碳做为基体经过复合⽽制成，但是它的组成元素只有⼀个就是碳这个元素。
为了增加密度，由碳化⽽⽣成的浸渍碳或浸渍在康铜树脂(或沥青)，也就是说碳/碳复合材料是由三种碳材料复合⽽制成的。
碳碳复合材料的制造⼯艺⼀、碳碳/碳复合材料的制备过程包括增强纤维及其织物的选择、基体碳先驱体的选择、C/C预制坯体的成型、碳基体的致密化以及最终产品的加⼯检测等。
检测等1）碳纤维的选择纱束的排列取向、纱束间距、纱束体碳纤维束的选择和纤维织物的结构设计是制造C/C复合材料的基础，通过合理选择纤维种类和织物的编制参数，如纱束的排列取向、纱束间距、纱束体积含量等，可以决定C/C复合材料的⼒学性能和热物理性能。
积含量等2）碳纤维预制坯体的制备预成型结构件的加⼯⽅式主要有三种：软编、硬编和预制坯体是指按产品形状和性能要求先把纤维成型为所需结构形状的⽑坯，以便进⾏致密化⼯艺。
预成型结构件的加⼯⽅式主要有三种：软编、硬编和软硬混编。
编织⼯艺主要有：⼲纱编织、预浸渍维杆组排、细编穿刺、纤维缠绕以及三维多向整体编织等。
⽬前C复合材料主要使⽤的编织⼯艺是软硬混编。
编织⼯艺主要有：⼲纱编织、预浸渍维杆组排、细编穿刺、纤维缠绕以及三维多向整体编织等。
三维整体多向编织，编织过程中所有编织纤维按照⼀定的⽅向排列，每根纤维沿着⾃⼰的⽅向偏移⼀定的⾓度互相交织构成织物，其特点是可以成型三维多向整体织物，可以有效的控制C/C复合材料各个⽅向上纤维的体积含量，使得C/C复合材料在各个⽅向发挥合理的⼒学性能。
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延长气相滞留时间τ
表面化学反应 表面扩散
均气相化学反应
基体表面
气-固相边 界层
沉积速率 曲线
热解炭
热解炭的化学气相沉积是复杂的均气相化学反应 和气-固表面化学反应相互竞争作用的结果。
整个CVI过程可分步骤表述如下 ：
炭材料表面的活 反应气体进入反应室； 性位是指某种气体组 反应气体扩散进入预制纤维多孔体； 分能够在上面发生化 反应气体分子吸附在纤维表面； 学吸附的碳原子。 吸附分子热解成炭； 气相副产物分子脱附并扩散排出多孔体； 活性碳原子都有 未饱和的SP单电子 气相副产物排出反应室。 或者空的成键轨道。
5. C3H6的次级反应 CH3+C3H6→CH4+C3H5 C3H5→CH2CCH2+H CH4+H→CH3+H2 总反应为 C3H6→CH2CCH2+H2 自由基链的甲基化为 CH3+C3H6→CH3CH2CHCH3 CH3CH2CHCH3→CH3CH2CH=CH2 +H
CH3+C2H2→CH3CHCH
相对密度很难快速提高的重要原因。
3.
炭纤维 热解炭
树脂炭
复合增密C/C材料的偏光显微结构
3 C/C复合材料的结构与性能 碳的晶体结构
碳元素的原子序号为6，碳原子的6个基本电子 的轨道为1S22S22P2。由于在最多可容纳10个电子的 L壳层只有4个电子，因此，邻近碳原子间很容易通 过2S和2P轨道间的杂化形成σ和π两种强共价键。根 据电子杂化方式的不同， 碳原子可呈现SP3，SP2， SP等不同的杂化价态，并可形成不同的炭的同素异 型体－－如金刚石、石墨、富勒烯等。 利用含碳气体发生的气相化学反应和表面 反应技术可以制备碳的所有同素异形体。
3.4 热解炭结构的控制 影响热解炭结构的因素：
炭源气、载气、纤维表面 特性与坯体的初始密度 原 料 因 素
工 艺 因 素 温度、压力、流 量、炭源气分压
热解炭 结构
设 备 因 素 炉膛体积、温度 场、气流方式
微气氛对热解炭结构的影响
CVI过程的复杂之处在于，在反应气体吸附、热解成炭之 前，反应气体本身还将发生一系列分解和聚合的过程。
A
B
c
C
d
0
Diamond
石墨晶体结构
A
石墨平面结构－SP2
B
c
A
Graphite
C60晶体
Fullerenes (C60)
无定形碳和过渡态碳
除了几种结晶形态外，碳的另一类同素异形体为 无定型碳。无定形碳一般多指炭黑、木炭、活性炭等。 实际上它们并非真正的无定形碳，而是属于微晶碳， 其成键轨道为sp2 + sp3。
飞机用制动盘
与金属基相比，C/C 使波音757
减重550Kg 刹车副寿命提高5〜6倍
高速列车
磁悬浮列车
赛车
C/C材料应用－大型制造业
C/C复合材料耐热、耐腐蚀，广泛应用于现代大型工业加 热、化工等领域。
工业热处理炉
热结构 支架 反应塔 大型化工 耐蚀 耐热
蝶架 圆衬管 叶轮
发热体
雾化管 管 片 喷嘴 支架
热解炭结构的五 个层次：
1. 碳原子结构（SP2、SP3杂 化轨道）
2. 乱层结构（La、Lc、d002)
3. 乱层结构组织（L1、L2、 d002)
4. 织态结构
5. 宏观结构
关于炭材料的结构特征描述：
（1） 炭材料由许多大小不同的石墨烯（平面大小用L1和La表征）组成，石墨 烯内部和层间几乎不存在任何缺陷，因而保持完整的平面结构； （2） 石墨烯之间相互联结形成连续的芳香碳平面，在石墨烯联结的区域都含 有许多缺陷（五元环、空穴、杂原子和层间缺陷等），因此芳香碳平面实际 上不是平面，而是连续的曲面（平面大小用L2表征）； （3） 数目不等的芳香碳平面（平面数量用N表征）大致相互平行和大致等间距 （层间距即d002值）地堆积在一起，构成炭材料的微观结构组织（堆垛高度 Lc）; （4） 每个微观结构组织内部的芳香碳平面随机取向，层与层间的碳原子不存 在周期性位相关系； （5） 芳香碳平面之间以一定的倾斜的折叠角度相互联结，大小不同的结构组 织在空间中以不同的程度定向，构成炭材料中碳原子排列的长程序，或者称 为织态结构，简称织构（用Bacon各向异性系数BAF、定向角OA和消光角Ae来 表征）。 （6） 不同织态结构的乱层结构组织和孔隙共同构成炭材料的宏观结构。
控制气体在沉积微区停留时间是控制微气氛的关键
气体流动方式对沉积区微气氛的影响
CVD 环节
反应气体
扩散进入 孔隙内
易于控制气体停留时间 热解、缩聚
吸附，脱H
解吸
不能控制气体停留时间
副产物扩散排出
CVI技术装备
炉膛 径向气体 压力
发热体 炭盘
径向温度
炭盘 电极 进气口 逆定向流-径向热梯度CVI示意图
2.
通过CVI 在炭纤维多孔预制体内部沉积热解炭的开始阶段，孔的直 径一般都在数百微米，此时分子扩散是气体输运的主要方式；到了CVI 的后期，孔的平均直径下降到10μm以下，此时努森扩散成为主要的气 体输运方式。 由于努森扩散系数远远小于分子扩散系数，在CVI的后期，热解炭在 坯体内部的沉积变得异常缓慢，这是等温等压CVI技术致密化周期长、
延长气相滞留时间τ
气—气均 相反应
k1 炭源气
脂肪烃类物 质(C1与C2)
k2
芳烃类 物质C6
k3
稠 环 芳 烃 气相成 核 聚 集物[C6]n
碳黑
k4
k5
k6
气—固多 相反应
PyC(A)
PyC(B)
PyC(C)
Veff 60 T Po Q0 To P
碳结构石墨化随高温处理温度的变化
炭的晶体结构还与原材料密切 相关。Franklin将炭分成易石墨化 炭和难石墨化炭，以及介于两者之 间的部分易石墨化炭。如右图所示：
碳结构Franklin 模型
3.2 炭/炭复合材料的显微结构
偏 光 显 微 照 片
粗糙层(RL)结构
各向同性(ISO)结构
光滑层(SL)结构
换热器
C/C材料应用－国家大型核能工程
C/C复合材料具有抗强辐射、耐等离子体冲刷、高导 热等优异综合性能，是“国家大科学工程－聚变实验装 置” 先进第一壁材料。
C/C
热核反应实验堆
C/C材料应用－航天工程
C/C复合材料具有十分优异的耐高温、抗烧蚀性能，是火 箭发动机喷管、翼缘、鼻锥等关键部件的首选材料。
LOGO
高性能炭/炭复合材料
中南大学粉末冶金研究院
二OO九年七月
提
1 2
纲
炭/炭复合材料及其应用 炭/炭复合材料的制备 炭/炭复合材料的结ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ与性能 炭/炭复合材料快速CVI致密化技术 炭/炭复合材料的研究前沿
3 4
5
1 C/C复合材料及其应用
C/C复合材料是一种炭纤维增强炭基体的 先进复合材料。。
在结晶形碳和无定形碳之间，存在着大量的过渡 态碳，它是无定形碳向晶形碳过渡的中间产物，其结 构属乱层石墨结构。
无定形炭及过渡态炭的石墨化
石墨化——通过加热的方式把热力学非稳定态的炭材 料转变为稳态的石墨的过程。 炭/炭复合材料的重要 组元CVD热解炭属于乱层堆 积的六方晶碳型，缺乏晶体 结构的三维有序排列。经适 当高温处理，热解炭内部可 产生一种石墨晶体结构，其 晶体结构随高温处理温度变 化的示意图如左图所示。
（发明专利：ZL00114790.0、 03105528.1）
径向温度梯度、压力梯度示意图
3.5 C/C复合材料的性能
CH3+C2H6→CH4+C2H5
C2H5→C2H4+H CH4+H→CH3+H2
n-C3H7→C3H6+H
CH4+H→CH3+H2 总反应为 C2H4-+CH4→C3H6+H2 -
可逆（单分子）反应为
C2H6→2CH3 总反应为 C2H6→C2H4+H2
4. C2H2的次级反应 CH3+C2H2→CH4+C2H C2H→C2+H 自由基链的甲基化为
气体分子可以在固体表面上发生物理吸附和化学吸附。
气体分子在固体表面的吸附：
物理吸附是高度可逆的过程，气体分子在固体表面的物理吸附随温度 的升高迅速减弱。
化学吸附是气体分子和固体表面的原子发生的成键作用，化学键的形 成对固体表面和气体分子双方都具有选择性。
气体分子在固体表面的化学吸附随温度的升高而增强，并且当发生脱 附时，往往有新物质生成。
热壁式CVI
冷壁式CVI
热解炭的化学气相沉积——是指含碳气体(主要是烃类 气体)发生复杂的热解化学反应并在基体表面生成固体 炭的过程。
1atm和不同温度下烃分子、氢气、石墨、
C60和无定形碳的吉布斯自由能比较
从甲烷生成C2的主要化学反应路线(1100℃，10kPa)
甲烷热解的部分基元化学反应
过渡环
喉衬
扩散段
其它应用领域
高温热防护 半导体工业 热压模具
2 C/C复合材料的制备
碳纤维预制体
热固性树脂 浸渍、固化
化学气相沉积 （CVD或CVI）
沥青浸渍 反 复 多 次
碳化 900~1500℃
C/C复合材料
碳化1000℃
石墨化处理 （2100~2800℃）
C/C复合材料
C/C复合材料制备的关键技术 坯体的制备
性能特点
低密度(约1.8 g/cm3)
高比强/比模
耐高温(3000℃) 摩擦磨损性能优异