炭/炭復(fù)合材料(C/C composites), 即炭纖維增強(qiáng)炭基體復(fù)合材料(Carbon fiber reinforced carbon matrix composites)。炭/炭復(fù)合材料作為炭材料家族中的一個(gè)重要成員, 是在1958年一次偶然的實(shí)驗(yàn)事故中發(fā)現(xiàn)的, 這也給我們了解和研究炭/炭復(fù)合材料增添了又一分神奇色彩。其基于碳原子獨(dú)特的電子排布和其類石墨結(jié)構(gòu)以及良好的生物相容性等特點(diǎn), 被認(rèn)為是理想的導(dǎo)電材料、 高溫復(fù)合結(jié)構(gòu)材料、 功能材料和生物材料, 可廣泛應(yīng)用于航空、 航天、 生物及多種民用領(lǐng)域[2-5]。

炭材料的應(yīng)用歷史源遠(yuǎn)流長, 但炭/炭復(fù)合材料的應(yīng)用卻是現(xiàn)代的事。炭/炭復(fù)合材料因?yàn)榫哂性S多其他材料無法比擬的優(yōu)異性能而越來越受到人們的重視。炭/炭復(fù)合材料作為剎車材料, 比金屬基剎車材料具有更高的摩擦因數(shù)、 更低的磨損率、 更長的使用壽命, 因而被廣泛應(yīng)用于各種型號(hào)的飛機(jī)上[6]。目前炭/炭復(fù)合材料已成功地應(yīng)用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭的喉襯、 渦輪葉片零部件、 航天飛機(jī)固體助推器、 導(dǎo)彈端頭帽、 熱交換器、 高功率電子裝置的散熱裝置和撐桿等方面[2]。但是, 炭/炭復(fù)合材料的原材料價(jià)格高、 制造工藝復(fù)雜、 技術(shù)難度大、 制備時(shí)間長限制了其應(yīng)用的范圍。

先進(jìn)復(fù)合材料主要有樹脂基、 金屬基、 陶瓷基和炭基復(fù)合材料四類, 其中樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟, 而非樹脂基復(fù)合材料則在航空耐熱結(jié)構(gòu)件等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

當(dāng)前, 在四大類復(fù)合材料中, 炭/炭復(fù)合材料的研究和應(yīng)用水平僅次于樹脂基復(fù)合材料, 優(yōu)先于金屬基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料, 尤其在航天、 航空領(lǐng)域已進(jìn)入了比較成熟的應(yīng)用階段[7]。炭/炭復(fù)合材料之所以成為了新材料領(lǐng)域中新型超高溫材料研究和開發(fā)的寵兒, 是因?yàn)槠渚哂幸韵乱恍╋@著的特征[8, 9]: 

(1)密度小。炭/炭復(fù)合材料由于其采用了多孔炭纖維坯體作增強(qiáng)體, 在后續(xù)的增密過程中容易形成殘留孔隙, 導(dǎo)致其最高密度一般為1.7~1.8 g/cm3, 低于石墨的密度, 也僅為鎳基高溫合金的1/4, 陶瓷材料的1/2, 這一點(diǎn)可以較好地滿足許多耐高溫的結(jié)構(gòu)部件或裝備輕型化的要求。

(2)力學(xué)性能極好。炭/炭復(fù)合材料的強(qiáng)度與增強(qiáng)纖維的方向、 含量、 基體炭的結(jié)構(gòu)以及纖維與基體界面的結(jié)合強(qiáng)度有關(guān)。其彈性模量取決于平行纖維軸向的方向和炭基體。軸向方向的強(qiáng)度和模量高于非軸向方向。一般炭/炭復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為270 MPa, 彈性模量大于69 GPa。先進(jìn)炭/炭復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度可達(dá)349 MPa。而且隨溫度升高(可達(dá)2200 ℃), 其強(qiáng)度不僅不降低, 甚至比室溫時(shí)還高, 這一高溫穩(wěn)定性特征是其他材料如金屬材料、 樹脂基復(fù)合材料、 金屬基復(fù)合材料、 陶瓷基復(fù)合材料等所無法比擬的。

(3)抗燒蝕性能良好。使用溫度2300~3500 K, 且燒蝕均勻, 用于短時(shí)間的燒蝕環(huán)境中, 如已被發(fā)達(dá)國家成功用于航天飛機(jī)的機(jī)翼前緣、 鼻錐、 貨艙門, 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、 喉襯、 燃燒室等構(gòu)件, 具有無與倫比的優(yōu)越性。

(4)優(yōu)異的摩擦磨損性能?；谄洳馁|(zhì)和試驗(yàn)條件綜合作用的結(jié)果, 其摩擦因數(shù)的大致范圍是0.24~0.36, 線磨損量為0.5 μm/(面·次), 作為飛機(jī)剎車材料正常著陸時(shí), 其質(zhì)量磨損率為1~4 mg/(面·次); 而且隨著剎車壓力的增加或在中止起飛的條件下, 仍能保持較高的摩擦因數(shù)(0.28~0.32), 是各種耐磨和摩擦部件的最佳候選材料?，F(xiàn)階段全世界生產(chǎn)的炭/炭復(fù)合材料和制品63%以上是應(yīng)用于剎車材料。

(5)熱容量大、 抗熱震性良好、 化學(xué)穩(wěn)定性好、 比強(qiáng)度、 比模量和斷裂韌性高等優(yōu)良性能。比熱容在室溫至2000 ℃之間為800~2000 J/(kg·K)。其在常溫下不與氧反應(yīng), 400 ℃開始氧化, 高于600 ℃會(huì)嚴(yán)重氧化; 其熔點(diǎn)低于4100 ℃; 該材料的導(dǎo)熱率隨石墨化度的提高而增大, 并與纖維的排布方向有關(guān), 一般為1.5~500 W/(m·K), 其線膨脹系數(shù)隨石墨化度的提高而降低, 并與晶體的取向度有關(guān), 一般在(0.5~1.5)×10-6/℃之間。新一代高推動(dòng)比(15~20)戰(zhàn)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪, 工作溫度2000 ℃以上, 而且要求材料強(qiáng)度高, 除了炭/炭復(fù)合材料其他材料都無能為力。此外, 還用炭/炭復(fù)合材料制造出隔熱瓦、 喇叭型管、 導(dǎo)向葉片等耐熱零部件。在機(jī)械制造領(lǐng)域, 炭/炭復(fù)合材料可以作為熱壓模具和超塑性模具材料, 但用于成本問題, 目前尚未得到推廣應(yīng)用, 但作為真空發(fā)熱體已被廣泛使用, 其使用壽命可高于石墨發(fā)熱體10倍以上, 此外, 用于發(fā)動(dòng)機(jī)活塞和活塞環(huán), 以及各種高性能密封材料也有報(bào)道。