(6)在醫(yī)用領(lǐng)域, 由于炭/炭復(fù)合材料與人體組織的極好相容性, 作為人體骨骼、 牙齒或緊固材料, 性能十分優(yōu)異。

(7)利用其導(dǎo)熱快、 密度小的特征, 把炭/炭復(fù)合材料用于電路的導(dǎo)熱極板也正處于研究和開發(fā)之中。

總之, 炭/炭復(fù)合材料由于具備以上一系列優(yōu)良特性, 進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來, 炭/炭復(fù)合材料的研究極為活躍, 更多國(guó)家逐漸進(jìn)入了這一研究領(lǐng)域, 在提高性能、 降低成本和工業(yè)化方面取得了很大進(jìn)展。炭/炭復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域也從航空、 航天領(lǐng)域擴(kuò)展到了核能、 電子、 機(jī)械、 冶金、 醫(yī)療、 汽車、 體育用品等各行各業(yè)。

1.4 炭/炭復(fù)合材料的研究必要性

炭/炭復(fù)合材料是在1958年由Chance Vought航空公司實(shí)驗(yàn)室的研究者實(shí)驗(yàn)失敗偶然得到的。該材料在最初的十年發(fā)展緩慢, 到20世紀(jì)60年代末才成為工程材料界中的一員; 從20世紀(jì)70年代起炭/炭復(fù)合材料的研究在美國(guó)和歐洲得到很大發(fā)展, 并首先在航空、 航天、 軍事工業(yè)得到了應(yīng)用。1974年英國(guó)Dunlop公司的航空分公司首次研制出了炭/炭復(fù)合材料飛機(jī)剎車盤, 并在協(xié)和號(hào)超音速飛機(jī)上試飛成功, 使每架飛機(jī)重量可以減輕544 kg, 剎車盤的使用壽命提高了5~6倍。在制定工藝方面, 炭纖維多向編制技術(shù)、 高壓液相浸漬工藝及化學(xué)氣相浸滲法(Chemical Vapor Infiltration, CVI)為有效得到高密度的炭/炭復(fù)合材料提供了工藝基礎(chǔ), 開辟了其制造、 批量生產(chǎn)和應(yīng)用的廣闊前景。

由于炭材料具有良好的生物相容性, 20世紀(jì)80年代初期, 國(guó)內(nèi)外還開展了炭/炭復(fù)合材料在生物應(yīng)用上的開發(fā), 如人造心臟瓣膜、 人造骨關(guān)節(jié)等陸續(xù)投入使用。50年來, 炭/炭復(fù)合材料在材質(zhì)、 制備工藝、 性能, 以及工程應(yīng)用等方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。

當(dāng)前研究的主要目標(biāo)是提高炭/炭復(fù)合材料性能, 降低成本, 提高抗氧化能力。通常用等溫等壓化學(xué)氣相滲透(ICVI)制備炭/炭復(fù)合材料需要幾百甚至上千小時(shí)致密坯體, 而且熱解炭很容易沉積在坯體表面, 影響內(nèi)部炭基體的沉積量, 需要反復(fù)機(jī)加工和高溫?zé)崽幚? 打開封閉的孔隙。因此, 世界各國(guó)科學(xué)家都在尋求如何在最短的時(shí)間內(nèi)高效地制備出密度高、 結(jié)構(gòu)好和密度、 結(jié)構(gòu)均勻的炭/炭復(fù)合材料。化學(xué)氣相滲透工藝(CVI)是制備高性能炭/炭復(fù)合材料過程中實(shí)現(xiàn)增密的首選途徑, 這是因?yàn)橥ㄟ^CVI增密, 不僅可以制得較高密度的產(chǎn)品, 實(shí)現(xiàn)炭基體與纖維預(yù)制體的有機(jī)結(jié)合, 還可以控制炭基體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由此, TGCVI[10, 11]、 FCVI[12]、 PCVI[13]和CLVI等新技術(shù)紛紛出現(xiàn)。從理論上講, 采用CLVI工藝后, 制備周期將降至數(shù)十小時(shí), 成本將降至原來制備成本的1%~5%[14-16]。1993年美國(guó)Textron公司利用快速致密化(RD)工藝[17], 使制備炭/炭復(fù)合材料的時(shí)間減少了100倍, 能在8 h內(nèi)生產(chǎn)出直徑33 cm、 密度達(dá)1.85 g/cm3的剎車盤, 成本降至原來的1%~5%。美國(guó)佐治亞理工大學(xué)在美國(guó)空軍的支持下改進(jìn)了制備炭/炭復(fù)合材料的方法[18], 研究了強(qiáng)制氣體流動(dòng)/熱梯度氣體滲入法, 使炭/炭復(fù)合材料的沉積速率提高了30倍。目前國(guó)外炭/炭復(fù)合材料工業(yè)技術(shù)已比較成熟, 產(chǎn)品性能穩(wěn)步改善。

成本過高是限制炭/炭復(fù)合材料廣泛應(yīng)用的首要因素, 而制造周期長(zhǎng)是導(dǎo)致炭/炭復(fù)合材料的成本難以降低的主要原因。因此近30年來, 有關(guān)快速制備炭/炭復(fù)合材料新技術(shù)的研究極為活躍, 研究思路集中在兩點(diǎn)上: 一是傳統(tǒng)工藝的改進(jìn), 如采用大容量CVI爐降低單片成本或利用大氣流量、 高壓等手段加速沉積。二是尋求新的制造技術(shù), 如美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出的FCVI技術(shù)和法國(guó)人提出的膜沸騰技術(shù)。這些新技術(shù)將炭/炭復(fù)合材料的制造周期大大縮短。