碳/碳复合材料的应用

一、在医学上的应用

C/C复合材料具有良好的生物相容性，在医学上可用作类骨插入物，人工心脏瓣膜体的弹性模量和密度可设计成与人骨相近，强度高，可用作人工骨。

二、碳/碳复合材料的研究方向和不足。

C /C复合材料有一个致命的弱点，就是在高温氧化气氛中容易氧化。C/C复合材料抗氧化涂层技术取得了很大进展，1 650℃以下的抗氧化问题已基本解决。但仍有许多未解决的问题，成为各国研究的重点和焦点。

(1)测试条件和测试技术。C/ C复合材料多用于热结构件，实际应用环境极其恶劣。因此，在测试抗氧化涂层的性能时，尽量模拟实际环境。目前一般的测试环境都是在静态空气中，与实际环境相差很大。因此，抗氧化涂层要应用于实际，还需要进一步完善试验条件和技术。

(2)涂层系统的再利用。1981年，具有抗氧化涂层的C/ C复合材料正式用于航天飞机的头锥帽和机翼前缘。为了保证航天飞机在恶劣的空间环境中安全运行，要求抗氧化涂层具有良好的稳定性。此外，为了保证航天飞机能够多次成功起降，要求抗氧化涂层具有良好的重复使用性和可重复使用性以及高质量可靠性。

(3)寻求其他制备工艺降低成本。C/ C复合材料的制备成本已经很高了。如果涂层制备工艺复杂，周期长，会增加整个构件的制备成本，进一步限制C/ C复合材料的广泛应用。因此，寻找更合适的制备工艺也是一项非常重要的任务。  

(4)开发新的涂层系统。目前很多研究还处于实验室阶段，离实际应用还有一定距离，比如TiC/ SiC/ ZrO2- MoSi2涂层体系。

(5)高温长寿命防氧化涂层系统。发动机热部件用涂层C/ C复合材料要求高温(1 650℃ ~1 800℃)和长寿命(300 h~ 500 h)。只有采用新型涂层制备工艺制备的复合梯度涂层才能满足这一要求。另外，在1800℃以上的高温下，长期没有防氧化涂层体系实际应用的报道。G. Savage提出了1 800℃以上抗氧化涂层体系的结构设计思想:难熔氧化物/SiO2玻璃/难熔氧化物/难熔碳化物。涂层最外层为耐高温氧化物，保持高温稳定性和耐腐蚀性；氧扩散率低的二氧化硅玻璃层作为氧侵入的阻挡层，可以封闭外表面涂层中的裂纹。下层为耐高温氧化层，可与最低碳化物和第二外层SiO2发生化学和物理兼容，保持结合性能；底层是碳化物层，主要保持与上一层氧化物和C/ C复合材料的相容性，防止碳的逸出。底部碳化物的候选材料有TaC、ZrC、HfC和TiC等。，所有这些都具有低碳扩散率。另一种涂层系统是铑/铱/碳化物。Rh阻止氧扩散的能力很强，但在高温下容易与碳化物发生反应，所以必须用Ir作为隔离层将其与碳化物内层隔开。在2 100℃以下，Ir是O2和C扩散的有效阻挡层。目前，用于1 800℃以上的C/ C复合抗氧化涂层体系的应用研究正在进行中。

三、在航空航天领域的应用

  火箭的喷管是燃料燃烧产生的热能转化为动能所必需的关键部件。喷嘴的材料必须能经受以下试验:2 000 ℃~ 3 500℃的高温；热表面超高速加热引起的热冲击；高热梯度引起的热应力；高压；长期暴露在高速腐蚀性气体中等。对比C /C复合材料的性能特点，可以看出C /C复合材料是制造固体火箭发动机喷管的理想抗烧蚀耐热材料。

四、在汽车工业中的应用

汽车的质量与油耗密切相关。由碳/碳复合材料制成的各种汽车部件可以大大减轻汽车的重量。碳/碳复合材料不能广泛应用于汽车工业的主要原因是成本太高。随着生产碳/碳复合材料的技术革新和产量的扩大，其价格必然下降，将成为汽车工业的新材料。