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碳基复合材料研究现状及发展趋势

摘要：碳基复合材料由于其优异的各项性能在航空航天工业、能源技术、信

息技术等方面有着很好的应用前景，国内外对高性能复合材料的研究也日趋加

深，本文主要从材料的性能来分析其应用及其在未来主要领域的发展趋势。

1碳基复合材料的特点

碳纤维增强碳复合材料（碳基复合材料，C/C）是具有特殊性能的新型工程

材料，是以碳或石墨纤维为增强体，碳或石墨为基体复合而成的材料。碳基复合

材料几乎完全是由碳元素组成，故能承受极高的温度和极大的加热速度。该材料

具有极高的烧蚀热、低的烧蚀率、抗热冲击，并在超热环境下有高强度，被认为

是再入环境中高性能的抗烧蚀材料。它抗热冲击和抗烧诱导能力极强，且具有良

好的化学惰性。碳基复合材料做导弹的鼻锥时，烧蚀率低且烧蚀均匀，从而可提

高导弹的突防能力和命中率。碳基复合材料还具有优异的耐磨差性能和高的导

热，使其在飞机、汽车刹车片和轴承等方面得到应用。

碳基复合材料不仅具有其它复合材料的优点，同时又有很多独到之处。碳基

复合材料的特点如下：

（1）整个系统均由碳元素构成，由于碳原子彼此间具有极强的亲和力，使

碳基复合材料无论在低温下还是在高温下，都有很好的稳定性。同时，碳素材料

高熔点的本性，赋予了该材料优异的耐热性，可以经受住2000℃左右的高温，

是目前在惰性气氛中高温力学性能最好的材料。更重要的是碳基复合材料随着温

度的升高，其强度不降低，甚至比室温还高，这是其他材料无法比拟的。

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（2）密度低（小于2.0g/cm），仅为镍基高温合金的1/4，陶瓷材料的1/2。

（3）抗烧蚀性能良好，烧蚀均匀可以用于3000℃以上高温短时间烧蚀的

环境中，可作为火箭发动机喷管、喉衬等材料。

（4）耐摩擦，耐磨损性能优异，其摩擦系数很小，性能稳定，是各种耐磨

和摩擦部件的最佳候选材料。

（5）良好的生物相容性，具有与人体骨骼相当的密度和模量，在人体骨骼

修复与替代材料方面具有较好的应用前景。

2碳基复合材料的制备工艺

碳基复合材料制备过程包括：增强体碳纤维及其织物的选择、基体碳先驱体

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的选择、碳基复合材料预成型体的成型工艺、碳基体的致密化工艺以及最终产品

的加工、检测等。选择用何种工艺来制备碳基复合材料时，首先应根据碳基复合

材料的应用要求选择使用什么样的纤维和基体，进而确定制备工艺。

预制体是按照产品形状和性能要求先把碳纤维成型为所需结构形状的毛坯，

以便进一步进行碳基复合材料密化工艺。对于预制体的编织技术可分为机器编织

和手工编织，机器编织技术因其产品易起毛或断裂而未能得到广泛应用；手工编

织技术因其产品不存在机器编织的确定性而得到广泛的应用。目前使用较多的是

手工缠绕编织和交叉编织，比较先进的是穿刺编织技术。

碳基复合材料致密化工艺过程就是基体碳形成的过程，实质是用高质量的碳

填满碳纤维周围的空隙以获得结构、性能优良的碳基复合材料。对于致密化工艺

最常用的有两种制备工艺：化学气相渗透法和液相浸渍法。形成碳基体的先驱物

有用于化学气相沉积的碳氢化合物，如甲烷、丙烯、天然气等；有用于液相浸渍

的热固性树脂，如酚醛树脂、糖醛树脂等，热塑性沥青如煤沥青、石油沥青。化

学气相渗透（CVI）工艺就是把碳纤维织物预制体放入专用CVI炉中，加热至所

要求的温度，通入碳氢气体，这些气体分解并在织物的碳纤维周围和空隙中沉积

上碳。根据制