C/C復(fù)合材料?概論

其主要特征為：

◆ 復(fù)合材料所具有的可設(shè)計(jì)性；

◆ 質(zhì)量輕，其密度為1.65－2.0g/cm3，僅為鋼的四分之一；

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

◆ 線膨脹系數(shù)小，高溫尺寸穩(wěn)定性好；

◆ 優(yōu)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，摩擦系數(shù)穩(wěn)定，并可在0.2－0.45范圍內(nèi)調(diào)整；

◆ 承載水平高，過載能力強(qiáng)，高溫下不會熔化，也不會發(fā)生粘接現(xiàn)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(dǎo)熱系數(shù)高、比熱容大，是熱庫的優(yōu)良材料；

◆ 優(yōu)異的抗疲勞能力；

◆ 具有一定的韌性；維修方便

英文名：C/C Composite materials

C/C復(fù)合材料是指以炭纖維或其織物為增強(qiáng)相，以化學(xué)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(jié)構(gòu)。它源于1958年，美國Chance－Vought公司由于實(shí)驗(yàn)室事故，在炭纖維樹脂基復(fù)合材料固化時(shí)超過溫度，樹脂炭化形成C/C復(fù)合材料。

炭/炭（C/C）復(fù)合材料是一種新型高性能結(jié)構(gòu)、功能復(fù)合材料，具有高強(qiáng)度、高模量、高斷裂韌性、高導(dǎo)熱、隔熱優(yōu)異和低密度等優(yōu)異特性，在機(jī)械、電子、化工、冶金和核能等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，并且在航天、航空和國防領(lǐng)域中的關(guān)鍵部件上大量應(yīng)用。我國對C/C復(fù)合材料的研究和開發(fā)主要集中在航天、航空等高技術(shù)領(lǐng)域，較少涉足民用高性能、低成本C/C復(fù)合材料的研究。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(jié)構(gòu)和性能可控性、可調(diào)性等基礎(chǔ)研究還相當(dāng)薄弱，難以滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對高性能C/C復(fù)合材料的需求。因此，開展高性能C/C復(fù)合材料的基礎(chǔ)研究具有重大的科學(xué)意義和社會、經(jīng)濟(jì)效益。

★清華大學(xué)

★哈爾濱工業(yè)大學(xué)

★上海大學(xué)

★中南大學(xué)

★中國科學(xué)院

★西北工業(yè)大學(xué)

★中航工業(yè)制動

★中國航天四院

★中航一院621所

1、剎車領(lǐng)域的應(yīng)用

C/C復(fù)合材料剎車盤的實(shí)驗(yàn)性研究于上世紀(jì)1973年第一次用于飛機(jī)剎車。一半以上的C/C復(fù)合材料用做飛機(jī)剎車裝置。高性能剎車材料要求高比熱容、高熔點(diǎn)以及高溫下的強(qiáng)度，C/C復(fù)合材料正好適應(yīng)了這一要求，制作的飛機(jī)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(jié)省40%的結(jié)構(gòu)重量。碳剎車盤的使用壽命是金屬的5~7倍，剎車力矩平穩(wěn)，剎車時(shí)噪音小，因此碳剎車盤的問世被認(rèn)為是剎車材料發(fā)展史上的一次重大的技術(shù)進(jìn)步。法國歐洲動力、碳工業(yè)等公司已經(jīng)批量生產(chǎn)C/C復(fù)合材料剎車片，英國鄧祿普公司也已大量生產(chǎn)C/C復(fù)合材料剎車片，用于賽車、火車和戰(zhàn)斗機(jī)的剎車材料。

2、先進(jìn)飛行器上的應(yīng)用

導(dǎo)彈、載人飛船、航天飛機(jī)等 ,在再入環(huán)境時(shí)飛行器頭部受到強(qiáng)激波， 對頭部產(chǎn)生很大的壓力，其最苛刻部位溫度可達(dá)2760℃,所以必須選擇能夠承受再入環(huán)境苛刻條件的材料。設(shè)計(jì)合理的鼻錐外形和選材，能使實(shí)際流入飛行器的能量僅為整個(gè)熱量1%～10%左右。對導(dǎo)彈的端頭帽,也要求防熱材料在再入環(huán)境中燒蝕量低，且燒蝕均勻?qū)ΨQ,同時(shí)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復(fù)合材料，其石墨化后的熱導(dǎo)性足以滿足彈頭再入時(shí)由160 ℃至氣動加熱至1700 ℃時(shí)的熱沖擊要求，可以預(yù)防彈頭鼻錐的熱應(yīng)力過大引起的整體破壞;其低密度可提高導(dǎo)彈彈頭射程，已在很多戰(zhàn)略導(dǎo)彈彈頭上得到應(yīng)用。除了導(dǎo)彈的再入鼻錐，C/ C 復(fù)合材料還可作熱防護(hù)材料用于航天飛機(jī)。

3、固體火箭發(fā)動機(jī)噴管上的應(yīng)用

C/ C 復(fù)合材料自上世紀(jì)70 年代首次作為固體火箭發(fā)動機(jī)(SRM) 喉襯飛行成功以來，極大地推動了SRM噴管材料的發(fā)展。采用 C/ C 復(fù)合材料的喉襯、擴(kuò)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。喉襯部一般采用多維編織的高密度瀝青基C/ C復(fù)合材料，增強(qiáng)體多為整體針刺碳?xì)?、多向編織?并在表面涂覆SiC以提高抗氧化性和抗沖蝕能力。美國在此方面的應(yīng)用有：①“民兵2Ⅲ”導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)第三級的噴管喉襯材料； ②“北極星”A27 發(fā)動機(jī)噴管的收斂段；③MX 導(dǎo)彈第三級發(fā)動機(jī)的可延伸出口錐(三維編織薄壁 C/ C 復(fù)合材料制品)。俄羅斯用在潛地導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)的噴管延伸錐(三維編織薄壁 C/ C復(fù)合材料制品) 。

4、C/ C 復(fù)合材料用作高溫結(jié)構(gòu)材料

由于 C/ C 復(fù)合材料的高溫力學(xué)性能，使之有可能成為工作溫度達(dá)1500～1700 ℃的航空發(fā)動機(jī)的理想材料,有著潛在的發(fā)展前景。

5、渦輪發(fā)動機(jī)

C/ C 復(fù)合材料在渦輪機(jī)及燃?xì)庀到y(tǒng) (已成功地用于燃燒室、導(dǎo)管、閥門) 中的靜止件和轉(zhuǎn)動件方面有著潛在的應(yīng)用前景,例如用于葉片和活塞，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(nèi)燃發(fā)動機(jī)

C/ C 復(fù)合材料因其密度低、優(yōu)異的摩擦性能、熱膨脹率低，從而有利于控制活塞與汽缸之間的空隙，目前正在研究開發(fā)用其制活塞。