炭炭复合材料

炭/炭复合材料

一、综述

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点，如密度低(石墨的理论密度为2.2 g/cm3)和优异的热性能，即高的导热性、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复合材料在航空航天、核能、军事以及许多工业领域受到极大关注。

二、C/C复合材料的应用

世界各国均把C/C复合材料用作导弹及先进飞行器高温区的主要热结构材料，随着材料性能的不断改进，其应用领域逐渐拓宽。

1、航空航天领域的应用包括先进飞行器上的应用、固体火箭发动机喷管上的应用、刹车领域的应用等。

2、生物学上的应用--骨修复上C/C复合材料能控制孔隙的形态，这是很重要的特性，因为多孔结构经处理后，可使天然骨骼融入材料之中，目前C/C复合材料在临床上已有骨盘骨夹板和骨针的应用;人工心脏瓣膜中耳修复材料也有研究报道;人工齿根已取得了很好的临床应用效果。

三、性能

(1)物理性能

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优越性能。(2)力学性能

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。

(3)热学及烧蚀性能

C/C复合材料导热性能好、热膨胀系数低，因而热冲击能力很强，不仅可用于高温环境，而且适合温度急剧变化的场合。其比热容高，这对于飞机刹车等需要吸收大量能量的应用场合非常有利。

四、制备

（1）液相浸渍工艺

液相浸渍工艺是制备C/C复合材料的一种主要工艺。它是采用含炭有机物对坯体进行浸溃，然后在惰性气氛下炭化、石墨化，从而得到C/C复合材料。所需的工艺周期要短，成本要低，缺点是纤维与基体结合不好。

（2）化学气相渗积工艺

沉积炭的过程是气相碳氢分子在加热的纤维表面上“裂解”沉积出炭，副产物氢排掉。为炭填充的是纤维骨架中的空洞，整体不缩小，集体不收缩，不会产生像浸渍树脂和沥青方法中基体出现的裂纹，材料性

能特别优异。

(3)等温法

该工艺是将纤维预制体置于等温反应室内，在一定的反应压力下，让前驱体气体不断从预制体表面流过，靠气体的扩散作用，气体进入样品孔隙内发生热解反应并发生沉积。

五、C/C复合材料的结构

（1）基体炭的结构

随着炭材料研究领域的拓展与表征方法的不同，研究者对热解炭微观组织结构进行不同层次的划分。Gray等率先利用偏光显微镜对不同微观组织的热解炭进行分类，他们把热解炭分为三种基本类型：各向同性、层状、粒状或柱状结构。该分类方法被Bokros广泛用于表征流化床中不同条件下沉积在球形颗粒表面的热解炭结构。也有通过深入研究化学气相渗积法沉积在炭毡上的热解炭结构，根据热解炭在偏光显微镜下显示的消光十字，提出三种典型结构：各向同性结构，几乎没有消光十字；光滑层具有十分规则的消光十字；粗糙层具有大量不规则的消光十字。

(1)炭纤维的结构

炭纤维是纤维状的炭材料，由有机纤维原丝在1000 ℃以上的高温下炭化形成，且含碳量在90%以上的高性能纤维材料。通常采用的预制体是由聚丙烯腈(PAN)基炭纤维编织而成的。PAN基炭纤维是各项异性石墨微晶沿纤维轴向择优取向的同质多晶型复合材料体系。

但有人认为：石墨微晶的层平面在皮层沿纤维轴向排列有序，芯

部呈现褶皱的紊乱形态，并在石墨层片之间存在错综复杂的空洞系统。也有人提出的微原纤维模型认为，微原纤维是炭纤维的基体结构单元，有10～30个基体炭网面构成微原纤维，再由它沿轴向择优取向排列，堆叠成条带结构。炭纤维表面上有沟槽，沟槽宽度和深度不等，平行于纤维轴向排列。

（3）界面结构

对于C/C复合材料来说，界面层起着把施加在整体材料上的力由基体传递给炭纤维的作用。与其它纤维复合材料相比，C/C复合材料的界面结构具有以下几个特点：(1)结构多层次：C/C复合材料中存在不同层次的界面层，如炭纤维束内以及束间的纤维－基体界面，基体内不同微观结构之间的界面，基体与孔隙之间的界面等；(2)形成过程逐步完成；(3)结构强烈地依赖于原材料和工艺条件。

(4)孔隙结构

孔隙和裂纹是C/C复合材料微观结构中一个很重要的特征，孔洞和裂纹网络的优点是为渗积炭提供致密化通道。并且，这些裂纹在升温时会吸收掉一部分膨胀量，这就是C/C复合材料呈现负热膨胀效应的原因。