C/C复合材料

纯炭多相结构

C/C复合材料是指以炭纤维或其织物为增强相，以化学气相渗透的热解炭或液相浸渍－炭化的树脂炭、沥青炭为基体组成的一种纯炭多相结构。具有密度低、热膨胀系数低、高温力学性能好、比强度高等优点，使其成为热结构候选部件。

基本介绍

英文名：C/C Composite materials

C/C复合材料是指以炭纤维或其织物为增强相，以化学气相渗透的热解炭或液相浸渍－炭化的树脂炭、沥青炭为基体组成的一种纯炭多相结构。它源于1958年，美国Chance－Vought公司由于实验室事故，在炭纤维树脂基复合材料固化时超过温度，树脂炭化形成C/C复合材料。

炭/炭（C/C）复合材料是一种新型高性能结构、功能复合材料，具有高强度、高模量、高断裂韧性、高导热、隔热优异和低密度等优异特性，在机械、电子、化工、冶金和核能等领域中得到广泛应用，并且在航天、航空和国防领域中的关键部件上大量应用。我国对C/C复合材料的研究和开发主要集中在航天、航空等高技术领域，较少涉足民用高性能、低成本C/C复合材料的研究。整体研究还停留在对材料宏观性能的追求上，对材料组织结构和性能可控性、可调性等基础研究还相当薄弱，难以满足国民经济发展对高性能C/C复合材料的需求。因此，开展高性能C/C复合材料的基础研究具有重大的科学意义和社会、经济效益。

研院校所

★清华大学

★哈尔滨工业大学

★上海大学

★中南大学

★中国科学院

★西北工业大学

★中航工业制动

★中国航天四院

★中航一院621所

特点

C/C复合材料具有密度低、热膨胀系数低、高温力学性能好、比强度高等优点，使其成为热结构候选部件。

应用

1、刹车领域的应用

C/C复合材料刹车盘的实验性研究于上世纪1973年第一次用于飞机刹车。一半以上的C/C复合材料用做飞机刹车装置。高性能刹车材料要求高比热容、高熔点以及高温下的强度，C/C复合材料正好适应了这一要求，制作的飞机刹车盘重量轻、耐高温、比热容比钢高2.5倍，同金属刹车相比，可节省40%的结构重量。碳刹车盘的使用寿命是金属的5~7倍，刹车力矩平稳，刹车时噪音小，因此碳刹车盘的问世被认为是刹车材料发展史上的一次重大的技术进步。法国欧洲动力、碳工业等公司已经批量生产C/C复合材料刹车片，英国邓禄普公司也已大量生产C/C复合材料刹车片，用于赛车、火车和战斗机的刹车材料。

2、先进飞行器上的应用

导弹、载人飞船、航天飞机等 ,在再入环境时飞行器头部受到强激波，对头部产生很大的压力，其最苛刻部位温度可达2760℃,所以必须选择能够承受再入环境苛刻条件的材料。设计合理的鼻锥外形和选材，能使实际流入飞行器的能量仅为整个热量1%～10%左右。对导弹的端头帽,也要求防热材料在再入环境中烧蚀量低，且烧蚀均匀对称,同时希望它具有吸波能力、抗核爆辐射性能和全天候使用的性能。三维编织的 C/ C复合材料，其石墨化后的热导性足以满足弹头再入时由160 ℃至气动加热至1700 ℃时的热冲击要求，可以预防弹头鼻锥的热应力过大引起的整体破坏;其低密度可提高导弹弹头射程，已在很多战略导弹弹头上得到应用。除了导弹的再入鼻锥，C/ C 复合材料还可作热防护材料用于航天飞机。

3、固体火箭发动机喷管上的应用

C/ C 复合材料自上世纪70 年代首次作为固体火箭发动机(SRM) 喉衬飞行成功以来，极大地推动了SRM喷管材料的发展。采用 C/ C 复合材料的喉衬、扩张段、延伸出口锥，具有极低的烧蚀率和良好的烧蚀轮廓，可提高喷管效率1 %～3%,即可大大提高了SRM 的比冲。喉衬部一般采用多维编织的高密度沥青基C/ C复合材料，增强体多为整体针刺碳毡、多向编织等,并在表面涂覆SiC以提高抗氧化性和抗冲蚀能力。美国在此方面的应用有：①“民兵2Ⅲ”导弹发动机第三级的喷管喉衬材料； ②“北极星”A27 发动机喷管的收敛段；③MX 导弹第三级发动机的可延伸出口锥(三维编织薄壁 C/ C 复合材料制品)。俄罗斯用在潜地导弹发动机的喷管延伸锥(三维编织薄壁 C/ C复合材料制品) 。

4、C/ C 复合材料用作高温结构材料

由于 C/ C 复合材料的高温力学性能，使之有可能成为工作温度达1500～1700 ℃的航空发动机的理想材料,有着潜在的发展前景。

5、涡轮发动机

C/ C 复合材料在涡轮机及燃气系统 (已成功地用于燃烧室、导管、阀门) 中的静止件和转动件方面有着潜在的应用前景,例如用于叶片和活塞，可明显减轻重量 ,提高燃烧室的温度 ,大幅度提高热效率。

6、内燃发动机

C/ C 复合材料因其密度低、优异的摩擦性能、热膨胀率低，从而有利于控制活塞与汽缸之间的空隙，目前正在研究开发用其制活塞。

特征

其主要特征为：

◆ 复合材料所具有的可设计性；

◆ 质量轻，其密度为1.65－2.0g/cm3，仅为钢的四分之一；

◆ 力学特性随温度升高而增大（2200℃以前），是能在2200℃以上保持高温强度的工程材料；

◆ 线膨胀系数小，高温尺寸稳定性好；

◆ 优异的耐烧蚀性能；

◆ 损伤容限高，良好的抗热震性能；

◆ 摩擦特性好，摩擦系数稳定，并可在0.2－0.45范围内调整；

◆ 承载水平高，过载能力强，高温下不会熔化，也不会发生粘接现象；

◆ 使用寿命长，在同等条件下的磨损量约为粉末冶金刹车材料的1/3～1/7；

◆ 导热系数高、比热容大，是热库的优良材料；

◆ 优异的抗疲劳能力；

◆ 具有一定的韧性；维修方便

科研

西北工业大学李贺军院士团队针对热喷涂SiC易分解且涂层孔隙率较高等问题提出了一种新的设计理念，在ZrC-SiHfOC造粒粉末表面包覆MoSi2保护层形成核壳结构粉末，以期达到减少热喷涂过程中SiC的分解。

首先，利用3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）对ZrC-SiHfOC粉末进行了化学改性，通过物理吸附和化学接枝作用形成了ZrC-SiHfOC@MoSi2（记为Z2SH@M）核壳粉末。之后，利用超音速等离子喷涂技术在C/C复合材料表面制备ZrC-SiHfOC-MoSi2（记为Z2SH-M）复合涂层。使用热流密度约为6 MW/m2的Ar-O2等离子火焰考核其抗烧蚀性能，对比研究了改性前后涂层在更高含氧量的考核环境下的服役行为。

相关研究成果以“Ablation behavior of ZrC-SiHfOC-MoSi2 coating for carbon/carbon composites under Ar-O2plasma flame”为题发表于《Corrosion Science》。

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