1、什么是C/C復(fù)合材料？

C/C復(fù)合材料，即碳纖維增強(qiáng)的碳基復(fù)合材料，它以碳纖維及其織物作為增強(qiáng)材料，以碳作為基體，通過(guò)一系列加工和碳化處理過(guò)程制造而成。C/C復(fù)合材料起源于20世紀(jì)60年代美國(guó)Chance-Vought實(shí)驗(yàn)室的意外發(fā)現(xiàn)。由于操作失誤，碳纖維在未被氧化的有機(jī)基體中熱解碳化，形成了具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)特性的材料。70年代，因其出色的耐高溫性能，C/C復(fù)合材料在航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。80年代，隨著航天飛機(jī)的使用，C/C復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)加速，成為關(guān)鍵熱結(jié)構(gòu)部件的首選材料。21世紀(jì)，隨著成本降低，C/C復(fù)合材料開(kāi)始應(yīng)用于民用領(lǐng)域，如中國(guó)商飛C919大飛機(jī)的剎車系統(tǒng)。2017年，中南大學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出能在極高溫度下抗氧化的C/C復(fù)合材料涂層，進(jìn)一步推動(dòng)了該材料的發(fā)展。C/C復(fù)合材料被認(rèn)為是新世紀(jì)最重要的材料之一。這種材料具備低密度、高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、抗熱震以及可整體成型等眾多優(yōu)異特性。正是這些特殊性能，使得碳/碳復(fù)合材料在航空和航天領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛，逐漸成為一種關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)功能一體化材料，并且其應(yīng)用范圍正在向民用和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域拓展。

2.1 短切纖維氈

將碳纖維切割成具有特定長(zhǎng)度分布的短纖維，接著將這些短纖維與液態(tài)樹(shù)脂或?yàn)r青浸漬料混合，并均勻地填充進(jìn)模具內(nèi)。通過(guò)使用壓力機(jī)壓實(shí)成型，去除多余的浸漬液，最終通過(guò)高溫固化和碳化處理，制得預(yù)制體的坯料。在預(yù)制體中，短纖維的分布和取向是隨機(jī)的。盡管操作過(guò)程簡(jiǎn)單，但其力學(xué)性能可能會(huì)相對(duì)較低。

2.2 編織

編織成型的預(yù)制體具有良好的層間性能和可設(shè)計(jì)性。然而，由于其工藝周期漫長(zhǎng)和成本高昂，工業(yè)化生產(chǎn)面臨挑戰(zhàn)，大規(guī)模應(yīng)用也較為困難。三維編織技術(shù)通過(guò)在層間方向增加碳纖維來(lái)提升材料的垂直方向強(qiáng)度，并且能夠根據(jù)不同的需求，在碳?xì)值母鱾€(gè)方向通過(guò)編織方式引入碳纖維。盡管如此，編織和生產(chǎn)過(guò)程中的成本較高，導(dǎo)致預(yù)制體坯體孔洞較大且不均勻，容易形成閉孔。

圖1 三維編織示意圖（網(wǎng)上公開(kāi)資源）

2.3 碳布鋪層

碳布鋪層預(yù)制體則是通過(guò)將長(zhǎng)纖維編織成的碳布裁剪后，在層間不同方向上疊放，達(dá)到所需厚度后進(jìn)行固定。通過(guò)液相浸漬法或化學(xué)氣相滲透等致密化工藝，使其獲得一定的強(qiáng)度，隨后在高溫下碳化得到預(yù)制坯體。這種成型周期較短，可設(shè)計(jì)性較強(qiáng)，但因其二維編織結(jié)構(gòu)，面內(nèi)力學(xué)性能優(yōu)異，而碳布層間結(jié)合力較弱，垂直于碳布的抗拉強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度較低。

2.4 針刺氈

針刺預(yù)制體技術(shù)將無(wú)紡布平鋪并按特定角度鋪層，使用具有密度和排布的倒鉤刺針垂直刺入無(wú)紡布。倒鉤刺針在下壓時(shí)將上層纖維壓入底層，拔出時(shí)纖維位置固定，形成垂直于層間的軸向纖維。針刺預(yù)制體結(jié)構(gòu)克服了二維碳布鋪層成型層間結(jié)合力弱的缺點(diǎn)，與編織成型相比，其過(guò)程更為簡(jiǎn)單，成本更低且更穩(wěn)定。坯體內(nèi)部孔隙分布均勻，致密化成型容易，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，適合產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，因此成為研究者日益關(guān)注的具有廣闊前景的技術(shù)。

圖2 針刺預(yù)制體成型示意圖

C/C復(fù)合材料由增強(qiáng)體纖維和基體碳兩種不同形態(tài)的碳組成，其制備工藝過(guò)程主要包括預(yù)制體的成型、致密化、高溫石墨化、后期機(jī)械加工、抗氧化涂層等步驟，其中致密化工藝是制備C/C復(fù)合材料的關(guān)鍵工序，直接影響材料的整體性能。C/C復(fù)合材料致密化工藝可分為液相浸漬法和化學(xué)氣相浸滲(CVI)法。

圖3 C/C復(fù)合材料致密化工藝流程圖

1）液相浸漬法

液相前驅(qū)體(瀝青、樹(shù)脂等)中瀝青浸漬液的碳轉(zhuǎn)化率較高，制備的C/C復(fù)合材料易石墨化，抗燒蝕和熱震性能好。樹(shù)脂浸漬液制備的C/C復(fù)合材料雖然密 度較低，但強(qiáng)度高，耐酸堿性強(qiáng)。液相浸漬技術(shù)相比CVI技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于碳基體硬度高、耐腐蝕、成本低、周期短、適用于制備大型樣件，缺點(diǎn)在于設(shè)備強(qiáng)度要求高、工藝復(fù)雜，需要反復(fù)浸漬、體積收縮大。

液相浸漬工藝分為低壓浸漬碳化(PIC)法和高壓浸漬碳化(HPIC)法。研究表明，低壓時(shí)，瀝青碳轉(zhuǎn)化率僅為50%左右，但在100MPa 高壓浸漬下，碳轉(zhuǎn)化率可達(dá)90%。因此高壓浸漬碳化不僅可以提升原料 的利用率，還可以提升致密化效率。高壓浸漬制備周期短，但設(shè)備復(fù)雜，成本高。

此外西北工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)了超高壓成形工藝，該工藝?yán)闷胀▔毫C(jī)施壓，可大幅度提高浸漬效率，獲得與熱等靜壓相近的浸漬碳化效果。目前應(yīng)用最多的方法為真空壓力浸漬(VPI) 法，通過(guò)抽真空使浸漬液在負(fù)壓的作用下充分浸潤(rùn)碳纖維預(yù)制體，之后施加高溫高壓使前驅(qū)體碳化生成碳基體。該方法浸漬效率高，十分有利于前驅(qū)體碳化與固化。

2）CVI法

由于CVI法制備過(guò)程可精確控制，產(chǎn)品性能優(yōu)異，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室及工業(yè)化生產(chǎn)中應(yīng)用最早和最廣的方法。但該方法制備效率低、周期長(zhǎng)、成本高。因此在近二十年內(nèi)，國(guó)內(nèi)C/C復(fù)合材料研究者不斷改進(jìn)并開(kāi)發(fā)新的CVI技術(shù)，使其成本與周期大大降低，極大滿足了我國(guó)在軍工及民用領(lǐng)域的需求。21世紀(jì)后，經(jīng)過(guò)對(duì)傳統(tǒng)等溫CVI法、熱梯度CVI法以及壓差CVI法等工藝的改進(jìn)、創(chuàng)新，我國(guó)開(kāi)發(fā)了一系列新型CVI技術(shù)，主要有：限域變溫強(qiáng)制流動(dòng)化學(xué)氣相滲透(LTCVI)法、直熱式化學(xué)氣相滲透(HCVI)法、CLVI 法。

圖4 CVI工作原理示意圖

研究者們致力于降低碳/碳復(fù)合材料的成本并增強(qiáng)其彎曲和剪切強(qiáng)度。成本降低主要通過(guò)提升浸漬效率，使用高碳產(chǎn)率液體前驅(qū)體減少浸漬次數(shù)和縮短致密化周期。C/C復(fù)合材料制備的關(guān)鍵是增密，特別是選擇合適的致密化工藝。盡管快速致密化工藝改善了傳統(tǒng)工藝的長(zhǎng)周期、低前驅(qū)體利用率和高能耗問(wèn)題，但要提高碳/碳復(fù)合材料的長(zhǎng)期超高溫耐燒蝕性能，還需結(jié)合表面改性技術(shù)。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室發(fā)表論文，介紹了一種超快速高溫沖擊（UHS）技術(shù)，用于增強(qiáng)碳/碳復(fù)合材料與金屬的界面結(jié)合。該技術(shù)在30秒內(nèi)顯著提升氧化效率，降低重量損失至3%以下，并通過(guò)形成之字形微觀結(jié)構(gòu)表面，經(jīng)釬焊處理后，增加了結(jié)合面積，提高了剪切強(qiáng)度至25.3 MPa，是未處理接頭的1.9倍。UHS技術(shù)利用焦耳熱快速加熱，比傳統(tǒng)馬弗爐加熱效率高，加熱速率可達(dá)900–1500°C/s，減少熱損傷，提高能效，并能控制溫度梯度實(shí)現(xiàn)選擇性氧化。

圖5. UHS技術(shù)實(shí)驗(yàn)流程示意圖

4.1航空航天

C/C復(fù)合材料因其出色的導(dǎo)熱性、耐高溫和抗燒蝕特性，在高溫環(huán)境下廣泛應(yīng)用，如核聚變反應(yīng)堆、高超音速飛行器、導(dǎo)彈、熱輻射器面板和電子散熱器等。許多發(fā)達(dá)國(guó)家已成功將碳/碳復(fù)合材料應(yīng)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)喉襯、發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管、航天飛機(jī)貨艙門(mén)、機(jī)翼前緣和鼻錐等關(guān)鍵部位。

圖6 C/C復(fù)合材料產(chǎn)品圖（剎車盤(pán)、火箭噴管、坩堝、航天飛機(jī)鼻錐）

在航空領(lǐng)域，碳/碳復(fù)合材料在飛機(jī)剎車盤(pán)的應(yīng)用中展現(xiàn)了其耐高溫和耐磨的顯著優(yōu)勢(shì)，已成為取代大部分粉末冶金及其他耐磨材料的首選剎車材料。其高比強(qiáng)度特性，使得碳/碳復(fù)合材料在高強(qiáng)度、低重量的結(jié)構(gòu)材料中具有顯著優(yōu)勢(shì)，顯著減輕了飛機(jī)的重量。例如，空客A310減重499kg, 空客A330減重998kg，以及麥道公司的MD-11型飛機(jī)減重900kg。美國(guó) Hitco公司在制造魚(yú)鱗片時(shí)、LTV 公司在生產(chǎn)渦輪盤(pán)和渦輪葉片時(shí)，以及通用電氣公司在生產(chǎn)JID 驗(yàn)證機(jī)的低壓渦輪盤(pán)和部分葉片時(shí)，均采用了碳/碳復(fù)合材料。

4.2 光伏熱場(chǎng)

光伏熱場(chǎng)的主要功能是在生產(chǎn)太陽(yáng)能電池時(shí)提供一個(gè)穩(wěn)定的高溫環(huán)境。在光伏熱場(chǎng)中，高溫耐熱材料的選擇和設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。C/C復(fù)合材料因其優(yōu)異的導(dǎo)熱性和耐高溫性能，成為熱場(chǎng)中常用的材料之一。這些材料不僅需要承受高溫，還要具備良好的熱穩(wěn)定性，以確保在生產(chǎn)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生變形或損壞。

為了進(jìn)一步提高光伏熱場(chǎng)的性能，研究人員不斷探索新的材料和技術(shù)。例如，通過(guò)在熱場(chǎng)材料中添加特定的摻雜劑，可以改善其導(dǎo)熱性能和耐高溫性能。此外，采用先進(jìn)的制造工藝，如化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)，可以制備出具有更高純度和均勻性的熱場(chǎng)材料，從而進(jìn)一步提升太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

圖7 以C/C復(fù)合材料和石墨制成的熱場(chǎng)主要部件

4.3半導(dǎo)體

碳/碳復(fù)合材料因其優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和導(dǎo)電性能，被廣泛應(yīng)用于制造半導(dǎo)體熱場(chǎng)部件、電極材料、散熱基板、封裝外殼以及檢測(cè)探頭等多種領(lǐng)域。這些材料在高溫環(huán)境下仍能保持良好的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性，使其成為半導(dǎo)體制造過(guò)程中不可或缺的關(guān)鍵材料。碳/碳復(fù)合材料在電子封裝和熱管理方面表現(xiàn)出色，能夠有效地傳導(dǎo)和散發(fā)熱量，從而確保電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和延長(zhǎng)使用壽命。此外，它們?cè)陔姌O材料中的應(yīng)用也極大地提升了電池和超級(jí)電容器的性能，使其具備更高的能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性。因此，碳/碳復(fù)合材料在現(xiàn)代電子和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中扮演著至關(guān)重要的角色。

圖8 半導(dǎo)體熱場(chǎng)部件（C/C復(fù)合材料）

4.4醫(yī)療領(lǐng)域

由于其出色的生物相容性和力學(xué)性能，碳/碳復(fù)合材料在醫(yī)療領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。它們不僅能夠與人體組織良好地結(jié)合，減少排斥反應(yīng)，而且其強(qiáng)度和耐久性足以滿足長(zhǎng)期植入的要求。此外，碳/碳復(fù)合材料的表面可以通過(guò)特殊處理，進(jìn)一步提高其與人體組織的相容性，促進(jìn)細(xì)胞的生長(zhǎng)和附著。碳/碳復(fù)材是外科植入物的理想材料，現(xiàn)已成功制造出人工骨骼、人工髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、心臟瓣膜等植入材料。隨著材料科學(xué)和生物工程的不斷進(jìn)步，碳/碳復(fù)合材料在醫(yī)療植入物領(lǐng)域的應(yīng)用將更加多樣化，為患者提供更加安全、有效的治療方案。

圖9 C/C復(fù)合材料制得外科植入物

（1）碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)品向高純度、大尺寸方向發(fā)展

在光伏行業(yè)及半導(dǎo)體行業(yè)，由于技術(shù)的發(fā)展及產(chǎn)品的快速迭代，硅片向高純度、大尺寸發(fā)展是其基本的趨勢(shì)，因此，高溫?zé)釄?chǎng)系統(tǒng)應(yīng)用中，碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)品向高純度、大尺寸的方向發(fā)展也是必然的趨勢(shì)。

（2）能源綠色低碳轉(zhuǎn)型持續(xù)推進(jìn)，新能源跨越式發(fā)展

黨的十八大以來(lái)，我國(guó)深入推動(dòng)能源消費(fèi)革命，加快轉(zhuǎn)變用能方式，扎實(shí)開(kāi)展重點(diǎn)地區(qū)煤炭消費(fèi)減量替代工作，加快推進(jìn)天然氣在城鎮(zhèn)燃?xì)?、工業(yè)燃料、燃?xì)獍l(fā)電、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的大規(guī)模高效科學(xué)利用，大力發(fā)展非化石能源，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化成效明顯，能源綠色低碳轉(zhuǎn)型步伐加快。

“十四五”以來(lái)，新能源實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，風(fēng)電和光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模年均增長(zhǎng)超過(guò)1億千瓦，非化石能源發(fā)電裝機(jī)容量占總裝機(jī)容量比重首次突破50%，達(dá)到53.9%，因此，碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)品面臨廣闊的市場(chǎng)空間