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炭炭复合材料的制备及研究进展

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摘要：综合国内外各种文献资料，总结了炭炭复合材料的用途、制备工艺，简要介绍了几种主要的致密

化方法，并对炭炭复合材料的抗氧化研究、石墨化研究做了初步的介绍，最后提出了炭炭复合材料今后

发展的方向.

关键词：炭炭复合材料，致密化，化学气相沉积，抗氧化，石墨化.

1引言

炭/炭复合材料是具有优异耐高温性能的结构与功能一体化工程材料。它和其它高

性能复合材料相同,是由纤维增强相和基体相组成的一种复合结构,不同之处是增强

相和基体相均由具有特殊性能的纯碳组成[1-2]。炭/炭复合材料具有低密度、高强度、

低烧蚀率、高抗热震性、低热膨胀系数、零湿膨胀、不放气、在2000C以内强度和模

量随温度升高而增加、良好的抗疲劳性能、优异的摩擦磨损性能和生物相容性（组织

成分及力学性能上均相容）、对宇宙辐射不敏感及在核辐射下强度增加等性能[1-3],

使炭/炭复合材料在众多领域有着广泛用途。

在发达国家，炭/炭复合材料已被成功用于航天飞机的机翼前缘、鼻锥、货舱门，

高推动比战机发动机的涡轮，高性能火箭发动机喷管、喉衬、燃烧室等，新一代先进

飞机、坦克、赛车、高速列车等的刹车材料，以及火箭、飞机的密封圈等构件[4]，同

时，炭/炭复合材料作为生物医学材料，人造心脏瓣膜、人工骨、牙种植体及作为植

入材料用于矫形是近年来的研究重点[5-7];作为智能材料，由于其受拉力后电阻增加，

是很好的拉伸传感器，具有广阔的发展前景[8]。

炭/炭复合材料由碳纤维增强碳基体复合而成。碳基体以热解炭的形式存在，由碳

源先驱体经热解碳化而成。炭/炭复合材料的制备工艺包括:碳纤维及其结构的选择;

基体碳先驱物的选择;炭/炭复合材料坯体的成型工艺;坯体的致密化工艺以及工序间

和最终产品的加工等[9]。其中，关键技术在于坯体的致密化。

2炭/炭复合材料的致密化工艺

传统的炭/炭复合材料致密化工艺主要有化学气相沉积（CVD、化学气相渗透

（CVI）和浸渍法。国内外对这三种方法的研究比较多且比较成熟，因此，目前仍是制

备炭/炭复合材料的主要工艺。同时，随着炭/炭复合材料的重要性日益凸

现，各种新的制备工艺也开始出现，如快速化学液气相沉积（CLVD、快速CVI

致密化技术等。

2.1化学气相沉积法（CVD）

CV工艺是最早采用的一种炭/炭复合材料致密化工艺，它以烃类气体（甲烷、丙

烯、天然气等）为碳源，以氮气或氩气为惰性载体，通过扩散进入增强体织物结构的

空隙中，在高温条件下热解，并沿空隙通道壁的气/固相界面上产生碳沉积。CV工

艺条件（包括烃类气体种类、沉积温度、压力、碳源气体的浓度、流量等）控制所形

成的基体碳微观结构的性能，进而影响复合材料性能。CV碳的微观结构可能出现

［］

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SC

的组织有三种：各相同性组织（ISO）、粗糙柱状组织（RC和平滑柱状组织（。在

碳碳复合材料中，基体碳不同的组织结构所占比例不同而影响制品的最终性能。的

CV

一般原理是：

［］

11

（a）碳源气体反应物由惰性气体输送到坯体孔隙和碳纤维表面（或基体表面）;

（b）气体反应物在碳纤维表面（或基体表面）吸附;（c）被吸附的碳源气体在碳

纤维表面（或基体表面）进行扩散和化学反应;（d）反应后的气态物从碳纤维表面

）；（（）

（或基体表面脱附e）脱附的气态物从碳纤