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碳碳復(fù)合材料詳解
碳碳復(fù)合材料詳解（1）
C／C復(fù)合材料
C／C復(fù)合材料是指以碳纖維作為增強(qiáng)體，以碳作為基體的一類(lèi)復(fù)合材料。作為增強(qiáng)體的碳纖維可用多種形式和種類(lèi)，既可以用短切纖維，也可以用連續(xù)長(zhǎng)纖維及編織物。各種類(lèi)型的碳纖維都可用于C／C復(fù)合材料的增強(qiáng)體。碳基體可以是通過(guò)化學(xué)氣相沉積制備的熱解碳，也可以是高分子材料熱解形成的固體碳。C／C復(fù)合材料作為碳纖維復(fù)合材料家族的一個(gè)重要成員，具有密度低、高比強(qiáng)度比模量、高熱傳導(dǎo)性、低熱膨脹系數(shù)、斷裂韌性好、耐磨、耐燒蝕等特點(diǎn)，尤其是其強(qiáng)度隨著溫度的升高，不僅不會(huì)降低反而還可能升高，它是所有已知材料中耐高溫性最好的材料。因而它廣泛地應(yīng)用于航天、航空、核能、化工、醫(yī)用等各個(gè)領(lǐng)域。
C／C復(fù)合材料的制備工藝主要有兩種方法：化學(xué)氣相法(CVD或CVl)和液相浸漬一碳化法。前者是以有機(jī)低分子氣體為前驅(qū)體，后者是以熱塑性樹(shù)脂(石油瀝青、煤瀝青、中間相瀝青)或熱固性樹(shù)脂(呋喃、糠醛、酚醛樹(shù)脂)為基體前驅(qū)體，這些原料在高溫下發(fā)生一系列復(fù)雜化學(xué)變化而轉(zhuǎn)化為基體碳。為了得到更好的致密化效果，通常將化學(xué)氣相法和液相浸漬一碳化法進(jìn)行復(fù)合致密化，得到具有理想密度的C／C復(fù)合材料。
1、化學(xué)氣相法
化學(xué)氣相法(cVD或cVI)是直接在坯體孔內(nèi)沉積碳，以達(dá)到填孔和增密的目的。沉碳易石墨化，且與纖維之間的物理兼容性好，而且不會(huì)像浸漬法那樣在再碳化時(shí)產(chǎn)生收縮，而這種方法的物理機(jī)械陛能比較好。但在cVD過(guò)程中，如果碳在坯體表面沉積就會(huì)阻止氣體向內(nèi)部孔的擴(kuò)散。對(duì)于表面沉積的碳應(yīng)用機(jī)械的方法除去，再進(jìn)行新一輪沉積。對(duì)于厚制品，CVD法也存在著一定的困難，而且這種方法的周期也很長(zhǎng)。
2、液相浸漬法一碳化法
液相浸漬法相對(duì)而言設(shè)備比較簡(jiǎn)單，而且這種方法適用性也比較廣泛，所以液相浸漬法是制備C／C復(fù)合材料的一個(gè)重要方法。它是將碳纖維制成的預(yù)成型體浸入液態(tài)的浸漬劑中，通過(guò)加壓使浸漬劑充分滲入到預(yù)成型體的空隙中，再通過(guò)固化、碳化、石墨化等一系列過(guò)程的循環(huán)，最終得到C／C復(fù)合材料。它的缺點(diǎn)是要經(jīng)過(guò)反復(fù)多次浸漬、碳化的循環(huán)才能達(dá)到密度要求。液相浸漬法中浸漬劑的組成和結(jié)構(gòu)十分重要，它不僅影響致密化效率，而且也影響制品的機(jī)械性能和物理性能。提高浸漬劑碳化收率，降低浸漬劑的黏度一直是液相浸漬法制備C／C復(fù)合材料所要解決的重點(diǎn)課題之一。浸漬劑的高黏度和低碳化收率是目前C／C復(fù)合材料成本較高的重要原因之一。提高浸漬劑的性能不僅能提高C／C復(fù)合材料的生產(chǎn)效率，降低其成本，也可提高C／C復(fù)合材料的各種性能。C／C復(fù)合材料的抗氧化處理碳纖維在空氣中，于360℃開(kāi)始氧化，石墨纖維要略好于碳纖維，其開(kāi)始氧化的溫度為420℃，C／C復(fù)合材料的氧化溫度為450℃左右。C／C復(fù)合材料在高溫氧化性氣氛下極易氧化，并且氧化速率隨著溫度的升高迅速增大，若無(wú)抗氧化措施，在高溫氧化環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間使用C／C復(fù)合材料必將引起災(zāi)難性后果。因此，C／C復(fù)合材料的抗氧化處理已成為其制備工藝中不可缺少的組成部分。從抗氧化技術(shù)的途徑上看，可分為內(nèi)部抗氧化技術(shù)和抗氧化涂層技術(shù)。
C／C復(fù)合材料的主要兩大應(yīng)用領(lǐng)域C／C復(fù)合材料作為優(yōu)異的熱結(jié)構(gòu)、功能一體化工程材料，自1958年誕生以來(lái)，在軍工方面得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，其中最重要的用途是用于制造導(dǎo)彈的彈頭部件。由于其耐高溫、摩擦性好，目前已廣泛用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件、飛機(jī)及賽車(chē)的剎車(chē)裝置、熱元件和機(jī)械緊固件、熱交換器、航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件等。
