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C/ C復合材料是一種新型的超高溫熱結構材料，主要在新材料領域進行研究和開發(fā)。它密度低、比強度高、線膨脹系數(shù)低(僅為金屬的1/ 5~ 1/ 10)、熱導率高、耐燒蝕、耐磨性好。特別是C/ C復合材料的強度在1 000℃~ 2 300℃范圍內隨著溫度的升高而增加，是航空航天等工業(yè)領域的理想高溫材料[1~ 7]。
C/ C復合材料是一種耐高溫性能優(yōu)異的結構與功能一體化的工程材料。與其他高性能復合材料一樣，是由纖維增強相和基體相組成的復合結構，但不同的是增強相和基體相都是由具有特殊性能的純碳組成[8.9]
關鍵詞:C/C復合材料發(fā)展高性能成型、加工、化學沉積、航空航天和易氧化
1.碳/碳復合材料的發(fā)展
C/C復合材料的首次出現(xiàn)是1958年在Chance Vought航空公司的實驗室偶然獲得的。當測量有機基質復合材料中C纖維的含量時，有機基質沒有被氧化，而是被熱解，從而獲得C基質。結果發(fā)現(xiàn)復合材料具有結構特征，于是C/C復合材料誕生了。
C/C復合材料技術在前十幾年發(fā)展非常緩慢，直到60年代末才成為工程材料的新成員。自20世紀70年代以來，它在美國和歐洲取得了很大進展，隨著C纖維多向編織技術、高壓液體浸漬技術和化學氣相浸漬(CVI)的引入，有效地獲得了高密度C/C復合材料，為其制造、批量生產和應用開辟了廣闊的前景。20世紀80年代以來，C/C復合材料的研究非常活躍，前蘇聯(lián)、日本等國也進入了這一前沿領域，在提高性能、快速致密化工藝研究和拓展應用方面取得了很大進展。
1.涂層系統(tǒng)的再利用。1981年，具有抗氧化涂層的C/ C復合材料正式用于航天飛機的頭錐帽和機翼前緣。為了保證航天飛機在惡劣的空間環(huán)境中安全運行，要求抗氧化涂層具有良好的穩(wěn)定性。此外，為了保證航天飛機能夠多次成功起降，要求抗氧化涂層具有良好的重復使用性和可重復使用性以及高質量可靠性。
2.尋求其他制備工藝降低成本。C/ C復合材料的制備成本已經(jīng)很高了。如果涂層制備工藝復雜，周期長，會增加整個構件的制備成本，進一步限制C/ C復合材料的廣泛應用。因此，尋找更合適的制備工藝也是一項非常重要的任務。
3.開發(fā)新的涂層系統(tǒng)。目前很多研究還處于實驗室階段，離實際應用還有一定距離，比如TiC/ SiC/ ZrO2- MoSi2涂層體系。
4.高溫長壽命防氧化涂層系統(tǒng)。發(fā)動機熱部件對涂層C/ C復合材料的要求是高溫(1 650℃ ~1 800℃)和長壽命(300 h~ 500 h) [15]。只有采用新型涂層制備工藝制備的復合梯度涂層才能滿足這一要求。此外，長期以來，在1 800℃以上的高溫下，防氧化涂層體系的實際應用未見報道。G. Savage提出了1 800℃以上抗氧化涂層體系的結構設計思想:難熔氧化物/SiO2玻璃/難熔氧化物/難熔碳化物。涂層最外層為耐高溫氧化物，保持高溫穩(wěn)定性和耐腐蝕性；氧擴散率低的二氧化硅玻璃層作為氧侵入的阻擋層，可以封閉外表面涂層中的裂紋。下層為耐高溫氧化層，可與最低碳化物和第二外層SiO2發(fā)生化學和物理兼容，保持結合性能；底層是碳化物層，主要保持與上一層氧化物和C/ C復合材料的相容性，防止碳的逸出。底部碳化物的候選材料有TaC、ZrC、HfC和TiC等。，所有這些都具有低碳擴散率。另一種涂層系統(tǒng)是銠/銥/碳化物[16]。Rh阻止氧擴散的能力很強，但在高溫下容易與碳化物發(fā)生反應，所以必須用Ir作為隔離層將其與碳化物內層隔開。在2 100℃以下，Ir是O2和C擴散的有效阻擋層。目前，用于1 800℃以上的C/ C復合抗氧化涂層體系的應用研究正在進行中。
5.測試條件和測試技術。C/ C復合材料多用于熱結構件，實際應用環(huán)境極其惡劣。因此，在測試抗氧化涂層的性能時，盡量模擬實際環(huán)境。目前一般的測試環(huán)境都是在靜態(tài)空氣中，與實際環(huán)境相差很大。因此，如果要將抗氧化涂層應用于實際，有必要進一步改進試驗條件和試驗技術。
7.碳/碳復合材料的特性
C/ C復合材料具有低密度、高強度、高比模量、低燃速、高抗熱震性、低熱膨脹系數(shù)、零濕膨脹、不放氣、強度和模量在2 000℃內隨溫度升高而增加、良好的抗疲勞性能、優(yōu)異的摩擦磨損性能和生物相容性(組織成分和力學性能相容)、對宇宙輻射不敏感以及在核輻射下強度增加等性能[10]。特別是C /C復合材料的強度隨著溫度的升高不降反升，使其作為高性能發(fā)動機熱端部件并用于高超音速飛行器的熱防護系統(tǒng)具有無可比擬的優(yōu)勢[12]。
8.在航天領域的應用
火箭的噴管是燃料燃燒產生的熱能轉化為動能所必需的關鍵部件。噴嘴的材料必須能經(jīng)受以下試驗:2 000 ℃~ 3 500℃的高溫；熱表面超高速加熱引起的熱沖擊；高熱梯度引起的熱應力；高壓；長期暴露在高速腐蝕性氣體中等。對比C /C復合材料的性能特點，可以看出C /C復合材料是制造固體火箭發(fā)動機噴管的理想抗燒蝕耐熱材料。
9.在汽車工業(yè)中的應用
汽車的質量與油耗密切相關。由碳/碳復合材料制成的各種汽車部件可以大大減輕汽車的重量。
碳/碳復合材料不能廣泛應用于汽車工業(yè)的主要原因是成本太高。隨著生產碳/碳復合材料的技術革新和產量的擴大，其價格必然下降，將成為汽車工業(yè)的新材料。
10.在醫(yī)學上的應用
C/C復合材料具有良好的生物相容性，在醫(yī)學上可用作類骨插入物，人工心臟瓣膜體的彈性模量和密度可設計成與人骨相近，強度高，可用作人工骨。
11.碳/碳復合材料的研究方向和不足。
C /C復合材料有一個致命的弱點，就是在高溫氧化氣氛中容易氧化。C/ C復合材料抗氧化涂層技術取得了很大進展，1 650℃以下的抗氧化問題已基本解決。但仍有許多未解決的問題，成為各國研究的重點和焦點。
