一文了解碳/碳复合材料的加工、特性及应用

1.碳/碳复合材料的结构

碳/碳（C/C）复合材料可以在增强相的不同方向（碳纤维）下制造，因此按照增强碳纤维结构可以分为：单向结构、双向结构（由多根碳纤维纱制成的布）、多向结构（3D、4D、 5D等）。

多向增强在织造结构的方向上提供了最高水平的机械性能。最简单的多方向增强包括由直碳纤维织成的3D正交结构。

2.碳/碳复合材料的制备方法

（1）液相渗透法制备碳/碳复合材料

具体加工流程如下：

▼制备具有所需结构和形状的碳纤维/ 石墨纤维预成型坯。

▼液体渗透到预成型坯中：石油沥青/ 酚醛树脂 /煤焦油。

▼热解/碳化的聚合物前驱体在1000-1830oF（538-1000oC）常压或高压处理。

▼渗透-热解循环重复数次（3-10）次，直到达到所需的密度。

▼石墨化热处理。在这一阶段，无定形碳转化为结晶石墨。处理温度可能会在2700-5400°F（1500-3000°C）范围内变化。典型的石墨化温度4530°F（2500°C）。碳/碳复合材料的石墨化会使得复合材料的弹性模量和强度增加。

（2）化学气相沉积法制备碳/碳复合材料

具体加工流程如下：

▼制备具有所需结构和形状的碳纤维/ 石墨纤维预成型坯。

▼通过化学气相沉积（CVD）技术对复合材料进行致密化。在CVD工艺涉及在1800-2200oF（982-1204oC）温度下使用加压烃类气体（丙烷、甲烷、丙烯、乙炔、苯）预成型体的浸润。气体被热解，在纤维表面形成碳沉积。处理持续时间取决于预成型坯的厚度，气体通过该预成型坯扩散。

▼石墨化热处理。在这一阶段，无定形碳转化为结晶石墨。处理温度可能会在2700-5400°F（1500-3000°C）范围内变化。典型的石墨化温度为4530°F（2500°C）。

通过化学气相沉积工艺制备得到的碳/碳复合材料相比于液相渗透技术，会具有更高的弹性模量和机械强度。

3.碳/碳复合材料的性能

?优良的抗热震性能 ；

?热膨胀系数低；

?高弹性模量（高达29000 ksi / 200 GPa）；

?高导热率（约700 BTU * in /（hr *ft2*oF）/ 101 W / m * K；

?低密度（约114 lb /ft3/ 1.83 *103kg/m3）；

?高强度；

?低摩擦系数（沿纤维方向）；

?在非氧化气氛中具有出色的耐热性，C/C复合材料在高达5432oF（3000oC）的温度下仍保持其机械性能；

?高耐磨性；

?高电导率 。

4.碳/碳复合材料的氧化保护

碳/碳复合材料的主要缺点是抗氧化性低。碳材料在高于900oF（482oC）的温度下与氧气发生反应。以下方法用于碳/碳复合材料的氧化保护：

?防护涂料。碳化物、氮化物和氧化物的陶瓷涂层，可以通过化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）或等离子喷涂方法来沉积保护涂层。

?氧化的浸渍抑制剂无机盐、硼酸盐和硅酸盐玻璃、磷酸盐、硼的氧化物、聚硅氧烷、卤素化合物。

?将基体材料从碳替换为SiC，C-SiC复合材料具有出色的抗氧化性。

5.碳/碳复合材料的典型应用

?高性能制动系统（如高速飞机制动盘）；

?耐火材料（例如保护管和格栅）；

?热压模具；

?加热元件；

?涡轮喷气发动机组件（如火箭喷嘴）。