C/C複合材料

英文名：C/C Composite materials

C/C複合材料是指以炭纖維或其織物為增強相，以化學氣相滲透的熱解炭或液相浸漬－炭化的樹脂炭、瀝青炭為基體組成的一種純炭多相結構。它源於1958年，美國Chance－Vought公司由於實驗室事故，在炭纖維樹脂基複合材料固化時超過溫度，樹脂炭化形成C/C複合材料。

炭/炭（C/C）複合材料是一種新型高性能結構、功能複合材料，具有高強度、高模量、高斷裂韌性、高導熱、隔熱優異和低密度等優異特性，在機械、電子、化工、冶金和核能等領域中得到廣泛應用，並且在航天、航空和國防領域中的關鍵部件上大量應用。我國對C/C複合材料的研究和開發主要集中在航天、航空等高技術領域，較少涉足民用高性能、低成本C/C複合材料的研究。目前整體研究還停留在對材料宏觀性能的追求上，對材料組織結構和性能可控性、可調性等基礎研究還相當薄弱，難以滿足國民經濟發展對高性能C/C複合材料的需求。因此，開展高性能C/C複合材料的基礎研究具有重大的科學意義和社會、經濟效益。

★清華大學

★上海大學

★中南大學

★中國科學院

★西北工業大學

★中航工業制動

★中國航天四院

★中航一院621所

其主要特徵為：

◆ 複合材料所具有的可設計性；

◆ 質量輕，其密度為1.65－2.0g/cm3，僅為鋼的四分之一；

◆ 力學特性隨溫度升高而增大（2200℃以前），是目前唯一能在2200℃以上保持高溫強度的工程材料；

◆ 線膨脹係數小，高溫尺寸穩定性好；

◆ 優異的耐燒蝕性能；

◆ 損傷容限高，良好的抗熱震性能；

◆ 摩擦特性好，摩擦係數穩定，並可在0.2－0.45範圍內調整；

◆ 承載水平高，過載能力強，高溫下不會熔化，也不會發生粘接現象；

◆ 使用壽命長，在同等條件下的磨損量約為粉末冶金剎車材料的1/3～1/7；

◆ 導熱係數高、比熱容大，是熱庫的優良材料；

◆ 優異的抗疲勞能力；

◆ 具有一定的韌性；維修方便

1、剎車領域的應用

C/C複合材料剎車盤的實驗性研究於上世紀1973年第一次用於飛機剎車。目前，一半以上的C/C複合材料用做飛機剎車裝置。高性能剎車材料要求高比熱容、高熔點以及高溫下的強度，C/C複合材料正好是贏了這一要求，製作的飛機剎車盤重量輕、耐高溫、比熱容比鋼高2.5倍，同金屬剎車相比，可節省40%的結構重量。碳剎車盤的使用壽命是金屬的5~7倍，剎車力矩平穩，剎車時噪音小，因此碳剎車盤的問世被認為是剎車材料發展史上的一次重大的技術進步。目前法國歐洲動力、碳工業等公司已經批量生產C/C複合材料剎車片，英國鄧祿普公司也已大量生產C/C複合材料剎車片，用於賽車、火車和戰鬥機的剎車材料。

2、先進飛行器上的應用

導彈、載人飛船、太空梭等 ,在再入環境時飛行器頭部受到強激波，對頭部產生很大的壓力，其最苛刻部位溫度可達2760℃,所以必須選擇能夠承受再入環境苛刻條件的材料。設計合理的鼻錐外形和選材，能使實際流入飛行器的能量僅為整個熱量1%～10%左右。對導彈的端頭帽，也要求防熱材料在再入環境中燒蝕量低，且燒蝕均勻對稱，同時希望它具有吸波能力、抗核爆輻射性能和全天候使用的性能。三維編織的 C/ C複合材料，其石墨化后的熱導性足以滿足彈頭再入時由160 ℃至氣動加熱至1700 ℃時的熱衝擊要求，可以預防彈頭鼻錐的熱應力過大引起的整體破壞；其低密度可提高導彈彈頭射程，已在很多戰略導彈彈頭上得到應用。除了導彈的再入鼻錐，C/ C 複合材料還可作熱防護材料用於太空梭。

3、固體火箭發動機噴管上的應用

C/ C 複合材料自上世紀70 年代首次作為固體火箭發動機(SRM) 喉襯飛行成功以來，極大地推動了SRM噴管材料的發展。採用 C/ C 複合材料的喉襯、擴張段、延伸出口錐，具有極低的燒蝕率和良好的燒蝕輪廓，可提高噴管效率1 %～3%,即可大大提高了SRM 的比沖。喉襯部一般採用多維編織的高密度瀝青基C/ C複合材料，增強體多為整體針刺碳氈、多向編織等，並在表面塗覆SiC以提高抗氧化性和抗沖蝕能力。美國在此方面的應用有：①“民兵2Ⅲ”導彈發動機第三級的噴管喉襯材料； ②“北極星”A27 發動機噴管的收斂段；③MX 導彈第三級發動機的可延伸出口錐(三維編織薄壁 C/ C 複合材料製品)。俄羅斯用在潛地導彈發動機的噴管延伸錐(三維編織薄壁 C/ C複合材料製品) 。

4、C/ C 複合材料用作高溫結構材料

由於 C/ C 複合材料的高溫力學性能，使之有可能成為工作溫度達1500～1700 ℃的航空發動機的理想材料，有著潛在的發展前景。

5、渦輪發動機

C/ C 複合材料在渦輪機及燃氣系統 (已成功地用於燃燒室、導管、閥門) 中的靜止件和轉動件方面有著潛在的應用前景，例如用於葉片和活塞，可明顯減輕重量 ,提高燃燒室的溫度 ,大幅度提高熱效率。

6、內燃發動機

C/ C 複合材料因其密度低、優異的摩擦性能、熱膨脹率低，從而有利於控制活塞與汽缸之間的空隙，目前正在研究開發用其制活塞。