碳碳复合材料详解

碳碳复合材料详解（1）
　　C／C复合材料

　　C／C复合材料是指以碳纤维作为增强体，以碳作为基体的一类复合材料。作为增强体的碳纤维可用多种形式和种类，既可以用短切纤维，也可以用连续长纤维及编织物。各种类型的碳纤维都可用于C／C复合材料的增强体。碳基体可以是通过化学气相沉积制备的热解碳，也可以是高分子材料热解形成的固体碳。C／C复合材料作为碳纤维复合材料家族的一个重要成员，具有密度低、高比强度比模量、高热传导性、低热膨胀系数、断裂韧性好、耐磨、耐烧蚀等特点，尤其是其强度随着温度的升高，不仅不会降低反而还可能升高，它是所有已知材料中耐高温性最好的材料。因而它广泛地应用于航天、航空、核能、化工、医用等各个领域。

　　C／C复合材料的制备工艺主要有两种方法：化学气相法(CVD或CVl)和液相浸渍一碳化法。前者是以有机低分子气体为前驱体，后者是以热塑性树脂(石油沥青、煤沥青、中间相沥青)或热固性树脂(呋喃、糠醛、酚醛树脂)为基体前驱体，这些原料在高温下发生一系列复杂化学变化而转化为基体碳。为了得到更好的致密化效果，通常将化学气相法和液相浸渍一碳化法进行复合致密化，得到具有理想密度的C／C复合材料。

　　1、化学气相法

　　化学气相法(cVD或cVI)是直接在坯体孔内沉积碳，以达到填孔和增密的目的。沉碳易石墨化，且与纤维之间的物理兼容性好，而且不会像浸渍法那样在再碳化时产生收缩，而这种方法的物理机械陛能比较好。但在cVD过程中，如果碳在坯体表面沉积就会阻止气体向内部孔的扩散。对于表面沉积的碳应用机械的方法除去，再进行新一轮沉积。对于厚制品，CVD法也存在着一定的困难，而且这种方法的周期也很长。

　　2、液相浸渍法一碳化法

　　液相浸渍法相对而言设备比较简单，而且这种方法适用性也比较广泛，所以液相浸渍法是制备C／C复合材料的一个重要方法。它是将碳纤维制成的预成型体浸入液态的浸渍剂中，通过加压使浸渍剂充分渗入到预成型体的空隙中，再通过固化、碳化、石墨化等一系列过程的循环，最终得到C／C复合材料。它的缺点是要经过反复多次浸渍、碳化的循环才能达到密度要求。液相浸渍法中浸渍剂的组成和结构十分重要，它不仅影响致密化效率，而且也影响制品的机械性能和物理性能。提高浸渍剂碳化收率，降低浸渍剂的黏度一直是液相浸渍法制备C／C复合材料所要解决的重点课题之一。浸渍剂的高黏度和低碳化收率是目前C／C复合材料成本较高的重要原因之一。提高浸渍剂的性能不仅能提高C／C复合材料的生产效率，降低其成本，也可提高C／C复合材料的各种性能。C／C复合材料的抗氧化处理碳纤维在空气中，于360℃开始氧化，石墨纤维要略好于碳纤维，其开始氧化的温度为420℃，C／C复合材料的氧化温度为450℃左右。C／C复合材料在高温氧化性气氛下极易氧化，并且氧化速率随着温度的升高迅速增大，若无抗氧化措施，在高温氧化环境中长时间使用C／C复合材料必将引起灾难性后果。因此，C／C复合材料的抗氧化处理已成为其制备工艺中不可缺少的组成部分。从抗氧化技术的途径上看，可分为内部抗氧化技术和抗氧化涂层技术。

　　C／C复合材料的主要两大应用领域C／C复合材料作为优异的热结构、功能一体化工程材料，自1958年诞生以来，在军工方面得到了长足的发展，其中最重要的用途是用于制造导弹的弹头部件。由于其耐高温、摩擦性好，目前已广泛用于固体火箭发动机喷管、航天飞机结构部件、飞机及赛车的刹车装置、热元件和机械紧固件、热交换器、航空发动机的热端部件等。