炭炭复合材料制备工艺详解概论
碳碳复合材料的制备及研究进展
炭/ 炭复合材料的制备及研究进展摘要：综合国内外各种文献资料，总结了炭炭复合材料的用途、制备工艺，简要介绍了几种主要的致密化方法，并对炭炭复合材料的抗氧化研究、石墨化研究做了初步的介绍，最后提出了炭炭复合材料今后发展的方向.关键词：炭炭复合材料，致密化，化学气相沉积，抗氧化，石墨化.1 引言炭/ 炭复合材料是具有优异耐高温性能的结构与功能一体化工程材料。
它和其它高性能复合材料相同, 是由纤维增强相和基体相组成的一种复合结构, 不同之处是增强相和基体相均由具有特殊性能的纯碳组成[1-2]。
炭/ 炭复合材料具有低密度、高强度、低烧蚀率、高抗热震性、低热膨胀系数、零湿膨胀、不放气、在2 000 C 以内强度和模量随温度升高而增加、良好的抗疲劳性能、优异的摩擦磨损性能和生物相容性（组织成分及力学性能上均相容）、对宇宙辐射不敏感及在核辐射下强度增加等性能[1-3], 使炭/ 炭复合材料在众多领域有着广泛用途。
在发达国家，炭/ 炭复合材料已被成功用于航天飞机的机翼前缘、鼻锥、货舱门，高推动比战机发动机的涡轮，高性能火箭发动机喷管、喉衬、燃烧室等，新一代先进飞机、坦克、赛车、高速列车等的刹车材料，以及火箭、飞机的密封圈等构件[4]，同时，炭/ 炭复合材料作为生物医学材料，人造心脏瓣膜、人工骨、牙种植体及作为植入材料用于矫形是近年来的研究重点[5-7]; 作为智能材料，由于其受拉力后电阻增加，是很好的拉伸传感器，具有广阔的发展前景[8]。
炭/炭复合材料由碳纤维增强碳基体复合而成。
碳基体以热解炭的形式存在，由碳源先驱体经热解碳化而成。
炭/炭复合材料的制备工艺包括: 碳纤维及其结构的选择; 基体碳先驱物的选择; 炭/炭复合材料坯体的成型工艺; 坯体的致密化工艺以及工序间和最终产品的加工等[9]。
其中，关键技术在于坯体的致密化。
2 炭/炭复合材料的致密化工艺传统的炭/炭复合材料致密化工艺主要有化学气相沉积（CVD、化学气相渗透（CVI）和浸渍法。
碳碳复合材料
气相沉积法
－预成型体。 主要工艺参数：温度、压力、时间。 成本问题：重要的是如何尽可能缩短工艺各工序,降
低成本。
预成型体和基体碳
制备的基本思路 先将碳增强材料预先制成预成型体，然后再以基体碳填充，
逐渐形成致密的C/C复合材料。 预成型体是一个多孔体系，含有大量孔隙，即使是在用成束
碳纤维编织的预成型体中，纤维束中的纤维之间仍含有大量 的孔隙。
一、碳／碳复合材料概述
我国碳/碳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、低成本碳 /碳复合材料的研究。
目前整体研究水平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的可控性、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碳/碳 复合材料的需求。
预成型体和基体碳
树脂碳：为无定形(非 晶态)碳，在偏光显微 镜下为各向同性。
图7-l4为碳纤维／酚醛 树脂碳基复合材料的 偏光显微组织。
可以看出树脂碳在碳 化时收缩所形成的显 微开裂。
碳／碳复合材料CVD工艺
CVD反应过程 1）反应气体通过层流流动向沉积衬底的边界层扩散； 2）沉积衬底表面吸附反应气体； 3）反应气体产生反应并形成固态产物和气体产物； 4）气体产物分解吸附，并沿一边界层区域扩散； 5）产生的气体产物排出。
化学气相沉积法
在沉积法中也可用等离子弧法。这种方法已经用来制 取微细碳化物，如碳化钛、碳化钽、碳化铌等。等离 子弧法的基本过程是使氢通过等离子体发生器将氢加 热到平均30000C的高温， 再将金属氯化物蒸气和碳 氢化合物气体喷入炽热的 氢气流（火焰）中，则金 属氯化物随即被还原、碳 化，在反射墙上骤冷而得 到极细的碳化物。
炭炭复合材料_热导率_测定_概述及解释说明
炭炭复合材料热导率测定概述及解释说明1. 引言1.1 概述：炭炭复合材料是一种具有特殊结构和性能的材料，在热导率方面具有重要应用价值。
热导率是指材料传导热量的能力，它在许多领域中起着关键作用，例如电子器件散热、节能建筑等。
因此，了解炭炭复合材料的热导率及其测定方法对于进一步探索其性能和应用具有重要意义。
1.2 文章结构：本文将从几个方面对炭炭复合材料的热导率进行概述和解释说明。
首先，我们将介绍炭炭复合材料的定义和特点，包括其组成成分、微观结构及物理性质等方面。
其次，我们将详细探讨制备方法，包括碳化工艺、压制工艺等，并对各种方法进行比较和分析。
接着, 将介绍该材料在不同领域的应用情况，并阐述其优势和潜在问题。
然后，我们将给出关于测定方法的概述，包括测量原理、实验装置以及数据处理方法等内容。
1.3 目的：本文的目的是全面概述和解释炭炭复合材料的热导率及其测定方法，以促进人们对该特殊材料性能的深入了解。
通过本文的阐述，读者可以更好地理解炭炭复合材料的制备工艺、特性以及应用领域，并掌握相关测定方法。
此外，我们也希望能够为未来在该领域的进一步研究提供一些有益的启示和展望。
以上便是文章“1. 引言”部分内容撰写完毕。
2. 炭炭复合材料2.1 定义和特点炭炭复合材料是由炭素和石墨颗粒等碳质材料组成的复合材料。
它具有优异的导电性、高温稳定性、耐腐蚀性和机械强度，在多个领域都有广泛的应用。
2.2 制备方法炭炭复合材料的制备方法主要包括浸渍法、化学气相沉积法和压力过滤法等。
其中，浸渍法是最常用的方法之一。
该方法首先制备出具有良好孔隙结构的碳棉基体，然后通过浸渍方式将聚合物树脂或沥青渗透到碳棉中，最后经过高温热解处理得到了炭炭复合材料。
2.3 应用领域由于其导电性能好且能耐受高温环境，在航空航天、电子器件、汽车工业以及能源领域等都有广泛应用。
在航空航天领域，炭炭复合材料被广泛应用于导电件和隔热部件；在电子器件中，它可以用作散热材料，提高器件的散热效果；在汽车工业中，炭炭复合材料被应用于制动系统和发动机零部件等高温高压环境下的部件；而在能源领域，炭炭复合材料可用于核电站中的导热管道和隔热元件。
碳碳复合材料概述
碳碳复合材料概述第一篇：碳碳复合材料概述碳/碳复合材料碳/碳复合材料概述摘要本文介绍了碳碳复合材料的发展、工艺、特性以及应用。
关键词碳碳复合材料制备工艺性能应用１前言C/C复合材料是指以碳纤维或各种碳织物增强，或石墨化的树脂碳以及化学气相沉积（CVD）所形成的复合材料。
碳/碳复合材料在高温热处理之后碳元素含量高于99%, 故该材料具有密度低,耐高温, 抗腐蚀, 热冲击性能好, 耐酸、碱、盐,耐摩擦磨损等一系列优异性能。
此外, 碳/碳复合材料的室温强度可以保持到2500℃, 对热应力不敏感, 抗烧蚀性能好。
故该复合材料具有出色的机械特性, 既可作为结构材料承载重荷, 又可作为功能材料发挥作用, 适于各种高温用途使用[1]。
因而它广泛地应用于航天、航空、核能、化工、医用等各个领域。
２碳碳复合材料的发展碳碳复合材料是高技术新材料，自1958年碳碳复合材料问世以来，经历了四个阶段：60年代——碳碳工艺基础研究阶段，以化学气相沉积工艺和液相浸渍工艺的出现为代表； 70年代——烧蚀碳碳应用开发阶段，以碳碳飞机刹车片和碳碳导弹端头帽的应用为代表； 80年代——碳碳热结构应用开发阶段，以航天飞机抗氧化碳碳鼻锥帽和机翼前缘的应用为代表；90年代——碳碳新工艺开发和民用应用阶段，致力于降低成本，在高性能燃气涡轮发动机航天器和高温炉发热体等领域的应用。
由于碳碳具有高比强度、高比刚度、高温下保持高强度，良好的烧蚀性能、摩擦性能和良好抗热震性能以及复合材料的可设计性，得到了越来越广泛的应用。
当今,碳碳复合材料在四大类复合材料中就其研究与应用水平来说,仅次于树脂基复合材料,优先于金属基复合材料和陶瓷基复合材料,已走向工程应用阶段。
从技术发展看，碳碳复合材料已经从最初阶段的两向碳碳复合材料发展为三向、四向等多维碳碳复合材料；从单纯抗烧蚀碳碳复合材料发展为抗烧蚀—抗侵蚀和抗烧蚀—抗侵蚀—稳定外形碳碳复合材料；从但功能材料发展为多功能材料。
炭炭复合材料制备详解
C/C复合材料的制备及方法地点：山西大同大学炭研究所时间：5.31——6.3学习内容：一、C/C复合材料简述C/C复合材料是以碳纤维及其织物为增强材料，以碳为基体，通过加工处理和碳化处理制成的全碳质复合材料。
优点：抗热冲击和抗热诱导能力极强，具有一定的化学惰性，高温形状稳定，升华温度高，烧蚀凹陷低，在高温条件下的强度和刚度可保持不变，抗辐射，易加工和制造，重量轻。
缺点：非轴向力学性能差，破坏应变低，空洞含量高，纤维与基体结合差，抗氧化性能差，制造加工周期长，设计方法复杂。
二、C/C复合材料的成型技术化学气相沉积法气相沉积法（CVD法）：将碳氢化合物，如甲烷、丙烷、液化天然气等通入预制体，并使其分解，析出的碳沉积在预制体中。
技术关键：热分解的碳均匀沉积到预制体中。
影响因素：预制体的性质、气源和载气、温度和压力都将影响过程的效率、沉积碳基体的性能及均匀性。
工艺方法：温度梯度法温度梯度法工艺方法：将感应线圈和感应器的几何形状做得与预制体相同。
接近感应器的预制体外表面是温度最高的区域，碳的沉积由此开始，向径向发展。
温度梯度法的设备如下图：三、预制体的制备碳纤维预制体是根据结构工况和形状要求，编织而成的具有大量空隙的织物。
二维编织物：面内各向性能好，但层间和垂直面方向性能差；如制备的氧化石墨烯和石墨烯三维编织物：改善层间和垂直面方向性能；如热解炭四、C/C的基体的获得C/C的基体材料主要有热解碳和浸渍碳两种。
热解碳的前驱体：主要有甲烷、乙烷、丙烷、丙烯和乙烯以及低分子芳烃等；大同大学炭研究所使用的是液化天燃气。
浸渍碳的前驱体：主要有沥青和树脂五、预制体和碳基体的复合碳纤维编织预制体是空虚的，需向内渗碳使其致密化，以实现预制体和碳基体的复合。
渗碳方法：化学气相沉积法。
基本要求：基体的先驱体与预制体的特性相一致，以确保得到高致密和高强度的C/C复合材料。
化学气相沉积法制备工艺流程：碳纤维预制体→通入C、H化合物气体→加热分解、沉积→C/C复合材料。
碳碳复合材料
复合材料
C/C作为刹车盘
C/C在航空上的应用
索 引
• C/C复合材料来源于Chance-Vought由于实验室事 故，在碳纤维树脂基复合材料固化时超过规定的温
却 度，导致树脂碳化， 形成碳碳复合材料。
• 我国对此的研究和开发主要集中在航天航空等高
新技术领域，较少涉及民用高性能、低成本碳碳复
领域发展，向民用化和低成本化发展。
思考题
1.简述气相沉积法和液相浸渍法的工艺原理 2.请完整粗略复述材料合成过程 3.石墨化的原理
在坯体的研制中，发展的重点是多向织物，如三向、四向、五向或七 向等，目前是以三向织物为主。
碳纤维从X、Y、Z三个方向互成90º正 交排列，三个方向的纱线并不交织，X 和Y方向的纱线交替的叠层，Z方向的纱 线起增强作用。因此XYZ方向的纱线并 没有交织点，只有重合点，可充分发挥 织物里每个纤维的力学性能。
• 2.碳纤维(carbon fiber，简称CF) • 是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由
片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处 理而得到的微晶石墨材料。碳纤维"外柔内刚"，质量比金属铝轻，但强度 却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面 都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的 柔软可加工性，是新一代增强纤维。
• 液相浸渍工艺一般在常压或减压下进行工艺过程，达到致密预 制体 此工艺存在问题是：①工艺繁复、周期长、效率低；②液体 难以浸渍到预制体微孔中；③有些浸渍液在常压和减压下炭化收率 低，必须加压，如煤沥
• 青；④有些浸渍液炭化时粘附性过好，易于阻塞气孔口，难以达到 致密要求，如树脂
碳碳的制造工艺
碳碳的制造工艺简介碳碳（Carbon-Carbon，简称C/C）是一种由碳纤维和碳基质组成的复合材料，具有高强度、耐高温、耐腐蚀等优点，在航空航天、能源、汽车等领域有广泛的应用。
本文将介绍碳碳的制造工艺以及相关技术。
碳纤维的制备碳纤维是制造碳碳的关键材料，其制备过程主要包括聚合纤维、氧化、碳化等步骤。
首先，在聚合纤维阶段，聚丙烯或聚丙烯酸甲酯等聚合物通过纺丝成纤维，在高温、低氧环境下进行干燥和热处理，形成初步成型的聚合纤维。
然后，在氧化阶段，将聚合纤维在氧气或空气中进行热处理，使其氧化生成聚丙烯酸纤维。
最后，在碳化阶段，将聚丙烯酸纤维在高温下进行碳化处理，使其转变为碳纤维。
碳纤维具有高强度、高模量、低密度等优点，是制造碳碳材料的重要基础。
碳基质的制备碳基质是碳碳的主要组成部分，其作用是提供机械支撑和保护碳纤维。
碳基质的制备通常采用炭化树脂、炭化油等方法。
炭化树脂是一种含有碳元素较高的树脂，通常通过模压成型，在高温下进行炭化处理，形成高碳化度的碳基质。
炭化油是一种含有碳元素较高的石油产品，通过涂覆在碳纤维上，再进行热处理，也能制备碳基质。
碳基质的炭化度越高，其机械性能和耐高温性能也越好。
碳碳的制造工艺碳碳的制造工艺主要包括堆叠、热压、碳化、再热压等步骤。
堆叠堆叠是将碳纤维与碳基质按照一定的顺序和方式进行层叠组合，形成一个整体结构。
堆叠的方式有平行堆叠、绕线堆叠等。
平行堆叠是将碳纤维和碳基质平行地堆积起来，形成多层叠压结构。
绕线堆叠是将碳纤维绕在轴上，再进行层叠组合。
堆叠时需要注意碳纤维的方向和排列的均匀性，以保证碳碳的性能和质量。
热压热压是将堆叠好的碳碳放入高温高压的环境中，通过热压力将碳纤维和碳基质结合在一起。
热压时需要控制压力、温度和时间等参数，以确保材料的密实度和结合强度。
热压能够使碳碳材料形成致密的结构，提高其机械性能和耐高温性能。
碳化碳化是将热压得到的碳碳材料在高温下进行碳化处理，使其形成高度碳化的结构。
碳碳复合材料剖析课件
多功能化
研发具有光、电、磁、热等功能的碳碳复合材料，拓展其在传感器、能源、环保 等领域的应用。
制造工艺优化
低成本化
简化生产流程，降低原材料和能源消耗，实现大规模生产， 降低成本，提高市场竞争力。
环保化
碳碳复合材料剖析课 件
目录
CONTENTS
• 碳碳复合材料简介 • 碳碳复合材料的制造工艺 • 碳碳复合材料的性能分析 • 碳碳复合材料的增强机制 • 碳碳复合材料的未来发展与挑战 • 案例研究：碳碳复合材料在航空航天领
域的应用
01 碳碳复合材料简介
定义与特性
碳碳复合材料定义
高强度与轻质
由碳纤维和碳基体组成的复合材料，其中 碳纤维提供强度和刚度，碳基体起到粘结 和传递载荷的作用。
应用领域
航空航天
用于制造飞机结构件、发动机 部件和航天器部件等，提高飞
行器的性能和安全性。
汽车工业
用于制造汽车刹车片、传动轴 和气瓶等部件，提高汽车的性 能和安全性。
体育器材
用于制造高尔夫球杆、自行车 车架和弓箭等运动器材，提高 运动表现和竞技水平。
机械工业
用于制造精密机械零件、刀具 和模具等，提高机械加工的精
03 碳碳复合材料的性能分析
力学性能
高强度和模量
碳碳复合材料由于其独特的微观结构和纤 维增强机制，展现出高强度和模量，使其 成为承受高负荷和高温环境的理想选择。
各向异性
由于纤维的排列方向和编织方式，碳碳复 合材料的力学性能在不同方向上表现出差
异性。
抗疲劳性能
碳碳复合材料具有良好的抗疲劳性能，能 在反复应力作用下保持性能稳定，降低疲 劳失效的风险。
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气体分子在固体表面的吸附：
气体分子可以在固体表面上发生物理吸附和化学吸附。
物理吸附是高度可逆的过程，气体分子在固体表面的物理吸附随温度
的升高迅速减弱。
化学吸附是气体分子和固体表面的原子发生的成键作用，化学键的形
成对固体表面和气体分子双方都具有选择性。
气体分子在固体表面的化学吸附随温度的升高而增强，并且当发生脱
CH3+C2H6→CH4+C2H5 C2H5→C2H4+H CH4+H→CH3+H2
可逆（单分子）反应为 C2H6→2CH3
总反应为 C2H6→C2H4+H2
3. C2H4的次级反应 CH3+C2H4→CH4+C2H3
C2H3→C2H2+H CH4+H→CH3+H2 总反应为 C2H4→C2H2+H2 自由基链的甲基化 CH3＋C2H4→n-C3H7
高速列车
磁悬浮列车
赛车
C/C材料应用－大型制造业
C/C复合材料耐热、耐腐蚀，广泛应用于现代大型工业加 热、化工等领域。
工业热处理炉
热结构
支架
大型化工 耐蚀 耐热
换热器
反应塔
蝶架 圆衬管 叶轮
发热体
雾化管 管 片
喷嘴 支架
C/C材料应用－国家大型核能工程
C/C复合材料具有抗强辐射、耐等离子体冲刷、高导 热等优异综合性能，是“国家大科学工程－聚变实验装 置” 先进第一壁材料。
炭纤维 基体炭 孔隙
10m
炭是难熔材料,石墨的熔点高达4177℃。
优异的高温力学性能
C/C材料应用－现代交通
C/C复合材料质轻、摩擦磨损性能优异，是飞机、高速列 车、磁悬浮列车、赛车等现代交通工具最新一代制动材料。
与金属基相比，C/C 使波音757
减重550Kg 刹车副寿命提高5〜6倍
飞机用制动盘
LOGO
高性能炭/炭复合材料
提纲
1 炭/炭复合材料及其应用 2 炭/炭复合材料的制备 3 炭/炭复合材料的结构与性能 4 炭/炭复合材料快速CVI致密化技术 5 炭/炭复合材料的研究前沿
1 C/C复合材料及其应用
C/C复合材料是一种炭纤维增强炭基体的 先进复合材料。。
性能特点
低密度(约1.8 g/cm3) 高比强/比模 耐高温(3000℃) 摩擦磨损性能优异
整个CVI过程可分步骤表述如下 ：
反应气体进入反应室；
➢ 炭材料表面的活
反应气体扩散进入预制纤维多孔体；
性位是指某种气体组
反应气体分子吸附在纤维表面； 吸附分子热解成炭；
分能够在上面发生化 学吸附的碳原子。
气相副产物分子脱附并扩散排出多孔体； ➢ 活性碳原子都有
气相副产物排出反应室。
未饱和的SP单电子 或者空的成键轨道。
1atm和不同温度下烃分子、氢气、石墨、 C60和无定形碳的吉布斯自由能比较
从甲烷生成C2的主要化学反应路线(1100℃，10kPa)
甲烷热解的部分基元化学反应
1. 生成C2H6和H2的初级反应 CH4→CH3+H
CH4+H→CH3+H2 2CH3→C2H6
总反应为 2CH4→C2H6+H2 2. C2H6的次级反应
5. C3H6的次级反应 CH3+C3H6→CH4+C3H5
C3H5→CH2CCH2+H CH4+H→CH3+H2 总反应为 C3H6→CH2CCH2+H2 自由基链的甲基化为 CH3+C3H6→CH3CH2CHCH3 CH3CH2CHCH3→CH3CH2CH=CH2
+H CH4+H→CH3+H2 总反应为 C3H6+CH4→CH3 CH2CH=CH2+H2
附时，往往有新物质生成。
CVI工艺的局限性
1. 在1100℃和10kPa压强条件下，甲烷和氢气分子的平均自由程分别 为2.53μm和5.83μm。根据气体分子运动的平均自由程与孔直径的差 别大小，由浓度梯度引起的气体分子在多孔体内的扩散，可分为分子 扩散（Fick diffusion）和努森扩散（Knudsen diffusion）两种。分 子扩散通过气体分子之间的碰撞进行，努森扩散通过气体分子与孔壁 的碰撞进行。
n-C3H7→C3H6+H
CH4+H→CH3+H2 总反应为
C2H4+CH4→C3H6+H2
4. C2H2的次级反应 CH3+C2H2→CH4+C2H
C2H→C2+H 自由基链的甲基化为 CH3+C2H2→CH3CHCH CH3CHCH→CH3CCH+H
CH4+H→CH3+H2 总反应为
C2H2+CH4→CH3CCH+H 2
化学气相沉积 （CVD或CVI）
C/C复合材料
石墨化处理 （2100~2800℃）
C/C复合材料
沥青浸渍
反 复 多 次
碳化1000℃
C/C复合材料制备的关键技术 坯体的制备 致密化 石墨化 抗氧化涂层
坯体的制备
0.3±0.1
0.7±0.1
＋
炭纤维针刺整体毡(0o/90o，0.55±0.05g/cm3)
C/C
热核反应实验堆
C/C材料应用－航天工程
C/C复合材料具有十分优异的耐高温、抗烧蚀性能，是火 箭发动机喷管、翼缘、鼻锥等关键部件的首选材料。
C/C 可使运载火箭发动机
承受温度提升至3000℃以上 结构重量减轻30〜50%
运载火箭发动机喷管
C/C材料应用－现代国防建设
相比于钨渗铜
高超声速飞行器部件
均气相反应
气相热解 烃类气体
芳香烃和多 气相形核 环芳香烃
固体炭颗粒
气-固两相反应
表面吸附 烃类气体
表面化学 反应与表 面脱附
非均匀 形核
热解炭
延长气相滞留时间τ
表面扩散
表面化学反应
均气相化学反应
基体表面
气-固相边 界层
沉积速率 曲线
热解炭
热解炭的化学气相沉积是复杂的均气相化学反应 和气-固表面化学反应相互竞争作用的结果。
结构重量减轻80% 射程显著增加
导弹发动机喷管
发动机燃烧室
没有高性能C/C复合材料，就没有现代化的国防
战略、战术导弹炭/炭复合材料推进系统
重量减轻80% 射程显著增加
过渡环
喉衬
扩散段
其它应用领域
高温热防护 半导体工业 热压模具
2 C/C复合材料的制备
碳纤维ห้องสมุดไป่ตู้制体
热固性树脂 浸渍、固化
碳化 900~1500℃
细编穿刺毡
致密化
热解炭的化学气相沉积或渗透
CVI工艺是把炭纤维预制体置于专用的CVI炉中，加热至要求的温度， 通入碳源气（CH4、C2H4、C3H6、C3H8）这些气体热解并在炭纤维 上沉积炭，以填充多孔预制体中的孔隙。 它是高性能炭/炭材料实现增 密的首选工艺。
热壁式CVI
冷壁式CVI
热解炭的化学气相沉积——是指含碳气体(主要是烃类 气体)发生复杂的热解化学反应并在基体表面生成固体 炭的过程。