碳／碳复合材料的性能和应用进展
T1000 级碳纤维及其复合材料研究与应用进展
摘要本文介绍了T1000 级碳纤维的发展历程，综述了T1000 级碳纤维及其复合材料的研究及应用情况，指出了国产T1000 级碳纤维应用研究需要关注的问题。
1引言碳纤维是一种碳元素组成占总质量90％以上，具有高强度、高模量、耐高温等优点的纤维材料。
最早可追溯至18 世纪的爱迪生和斯旺，1959年日本首先发明了聚丙烯腈（PAN）基碳纤维，而当下碳纤维的核心技术和产能被日本、美国以及一些欧洲发达国家和地区掌控。
T1000 级碳纤维作为碳纤维中的高端产品，在航空航天领域有着极大的用途。
高性能碳纤维的研究可以改善固体火箭发动机消极质量、提升载药量、提高质量比，对于先进武器的发展研究以及航天探索有重大意义。
目前国外已经大量使用T1000 级碳纤维的缠绕容器和固体火箭发动机壳体，因此开展国产T1000级碳纤维及其复合材料的应用研究迫在眉睫。
碳纤维的制备包括物理、化学、材料科学等多个领域的内容，总体分为纺丝原液的聚合、聚丙烯腈原丝的纺制、预氧化和碳化三个步骤，有众多因素需要调控。
根据缺陷理论和最弱连接理论，制备过程中产生的缺陷是影响碳纤维性能的主要因素，为保证碳纤维的性能，需要对每个工艺流程中工艺参数精准调控，由于加工过程中的各参数之间相互作用十分复杂，且目前一些工艺流程中的实际形成和演变机理不明，也使得高性能碳纤维，尤其是T1000 级碳纤维的研制有很大困难。
T1000 级碳纤维的研究主要包括碳纤维本身性能的研究、碳纤维复合材料的改性研究、碳纤维复合材料使用性能的研究几个方面。
由于T1000 级碳纤维本身的高性能、价格昂贵等原因，且国产T1000 级碳纤维还没有正式投入应用的报道，在实际应用方面主要介绍国外T1000 级碳纤维在航空航天以及其他领域的应用情况。
2T1000 级碳纤维性能研究现状1962 年正式开展PAN 基碳纤维的研制，1986 年研制出T1000G 碳纤维。
2014 年 3 月，通过碳化精细控制技术在纳米层级内控制纤维结构，成功研发出T1100G 碳纤维，2017 年 6 月强度由6600MPa 更新至7000MPa，目前东丽已完成了T1200 碳纤维的量产。
碳纤维复合材料力学性能研究进展
包 装 工 程第44卷 第21期 ·36·PACKAGING ENGINEERING 2023年11月收稿日期：2023-05-30基金项目：国家自然科学基金（12172344） *通信作者碳纤维复合材料力学性能研究进展段裕熙，张凯*，徐伟芳，陈军红，龚芹（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川 绵阳 621999）摘要：目的 综述碳纤维复合材料这一热结构材料的力学性能研究进展，推进碳纤维复合材料的研制和应用。
方法 采用文献调研法，梳理和汇总国内外有关碳纤维复合材料力学性能的研究内容，对二维复合材料、针刺复合材料及三维编织复合材料3种结构进行性能影响因素分析。
结论 影响碳纤维复合材料静态和动态力学性能的因素主要有温度、应变率、密度等，提出应进一步开展碳纤维复合材料在多因素耦合及高温动态性能方面的研究。
关键词：碳纤维复合材料；静态力学性能；动态力学性能；三维编织复合材料 中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1001-3563(2023)21-0036-10 DOI ：10.19554/ki.1001-3563.2023.21.005Mechanical Property of Carbon Fiber CompositesDUAN Yu-xi , ZHANG Kai *, XU Wei-fang , CHEN Jun-hong , GONG Qin(Institute of Systems Engineering, China Academy of Engineering Physics, Sichuan Mianyang 621999, China) ABSTRACT: The work aims to explore recent advancements in the mechanical properties of carbon fiber composites for thermal structural applications, with the objective of promoting the development and utilization of carbon fiber composites. Through a comprehensive literature review, the current research status on the mechanical properties of carbon fiber composites was summarized, and the factors affecting the static and dynamic mechanical properties of 2D composites, needled composites, and 3D woven composites were analyzed. The results indicate that factors affecting the static and dynamic mechanical properties of carbon fiber composites include temperature, strain rate, density, et al. And further investigations are necessary in multi-factor coupling and high temperature dynamic properties of carbon fiber composites. KEY WORDS: carbon fiber composite; static mechanical properties; dynamic mechanical properties; three-dimensional weaving composite碳纤维由有机纤维经过一系列热处理转化而成，它是含碳量高于90%的无机高性能纤维，既具有碳材料的固有本征，又兼具纺织纤维的柔软可加工性。
碳纤维复合材料应用研究报告进展
碳纤维复合材料的应用研究进展姜楠＜湖北大学材料科学与工程学院，武汉430062）摘要：本文概述了碳纤维复合材料vCFRP）的性能特点和应用研究进展。
简要介绍了碳纤维复合材料在大飞机制造业，深海油气田，非织造设备等方面的应用情况，碳纤维复合材料湿热性能和抗氧化烧蚀技术的研究进展以及国内外的研究状况。
关键词：碳纤维复合材料大飞机深海油气田非织造设备湿热性能抗氧化烧蚀技术应用研究1前言碳纤维复合材料＜CFRP）自20世纪50年代面世以来就主要用于军工，航天，航空等尖端科学技术领域，其高强、高模、轻质、耐热、抗腐蚀等独特的性能使其在飞机、火箭、导弹、人造卫星等方面发挥了巨大作用。
随着CFRP材料性能的不断完善和提高，其优越的性能逐步被认可及价格的大幅度下降，使得它在民用工业上的应用逐步扩大，目前在土木建筑、纺织、石油工业、医疗机械、汽车工业等领域得到了广泛应用。
2CFRP材料的性能特点碳纤维是由碳元素组成的一种高性能增强纤维。
其最高强度已达7000MPa ，最高弹性模量达900GPa,而其密度约为1.8~2.1g/cm3,并具有低热膨胀、高导热、耐磨、耐高温等优异性能，是一种很有发展前景的高性能纤维。
碳纤维由高度取向的石墨片层组成，并有明显的各向异性，沿纤维轴向，强度高、模量高，而横向性能差，其强度和模量都很低。
因此在使用时，主要应用碳纤维在轴向的高性能。
[1-2]碳纤维是黑色有光泽，柔软的细丝。
单纤维直径为5~10pm，一般以数百根至一万根碳纤维组成的束丝供使用。
由于原料和热处理工艺不同，碳纤维的品种很多。
高强度型碳纤维的密度约为 1.8g/cm3,而高模量和超高模量的碳纤维密度约为1.85~2.1g/cm3。
碳纤维具有优异的力学性能和物理化学性能。
碳纤维的另一特征是热膨胀系数小，其热膨胀系数与石墨片层取向和石墨化程度有密切的关系。
碳纤维具有优异的耐热和耐腐蚀性能。
在惰性气氛下碳纤维热稳定性好，在2000C的高温下仍能保持良好的力学性能；但在氧化氛围下超过450C碳纤维将被氧化，使其力学性能下降。
国内外碳纤维复合材料现状及研究开发方向概要
国内外碳纤维复合材料现状及研究开发方向概要碳纤维复合材料是一种具有很高强度和轻质化特性的新型材料。
它由碳纤维和树脂等基质材料组成，具有优异的力学性能和低密度，广泛应用于航空航天、汽车、船舶、体育器材等领域。
本文将对国内外碳纤维复合材料的现状以及研究开发方向进行概述。
首先，国内外碳纤维复合材料的现状可以概括为以下几个方面。
一是碳纤维复合材料在航空航天领域的应用。
由于碳纤维复合材料具有高强度、低密度和热稳定性等特点，被广泛应用于航空航天领域，如飞机机体、发动机和燃气涡轮等部件。
二是碳纤维复合材料在汽车领域的应用。
汽车制造商越来越倾向于采用碳纤维复合材料制作汽车车身和结构件，以提高汽车的燃油效率和减轻车重，提高车辆的性能。
三是碳纤维复合材料在体育器材领域的应用。
碳纤维复合材料制作的高级运动器材，如高尔夫球杆、网球拍和自行车等，具有很高的刚性和强度，能够提高运动员的表现水平。
四是碳纤维复合材料在船舶领域的应用。
船舶结构件的重量和强度对于船舶的性能至关重要。
碳纤维复合材料具有高强度和轻质化特性，因此被广泛应用于船舶制造，可以提高船舶的性能和节能减排。
接下来，本文将重点讨论国内外碳纤维复合材料的研究开发方向。
一是开发新型碳纤维原料。
目前，市场上主要使用的碳纤维原料是聚丙烯腈纤维。
研究人员正在开发新型纤维原料，如石墨烯、纳米碳纤维等，以提高碳纤维的力学性能和热稳定性。
二是改善碳纤维与基质材料的界面粘结性能。
碳纤维与树脂等基质材料的界面粘结性能对复合材料的力学性能和耐久性影响很大。
研究人员正在探索提高界面粘结性能的方法，如表面改性和介入增韧等。
三是提高碳纤维复合材料的制备工艺。
制备工艺是影响碳纤维复合材料质量的关键因素之一、研究人员正在开发新的制备工艺，如预浸法、纺丝法和层合法等，以提高复合材料的力学性能和制造效率。
四是研究碳纤维复合材料的寿命与损伤机理。
碳纤维复合材料容易受到外界环境和应力加载的影响，会出现疲劳和损伤现象。
碳碳合金
C/C复合材料C/C复合材料是一种新型高温材料，其研究始于1958年，60年代初已成为一种新的材料门类。
它具有质量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐蚀、吸振性好等一系列优良性能。
C/C复合材料的密度不到2.0g/cm 3，仅为镍基高温材料的1 /4，为陶瓷材料的1 /2，尤其是这种材料随着温度升高，其强度不仅不降低，甚至比在室温下还高，这是其他材料所无法比拟的独特的性能。
因此，它在航天、航空等领域备受关注，例如，在航天工业中成功的应用有火箭发动机尾喷管、喉衬，航天飞机的机翼前缘等；在航空领中的应用有发动机喷嘴、加力燃烧室喷管、涡轮转子叶片和刹车盘等。
最成功的典范当属C/C 复合刹车盘，与钢盘相比，它具有使用寿命长、质量轻等优点，并已形成了广阔的市场。
但是，目前C /C复合材料仍存在3个方面的问题：成本高；制备周期长；抗氧化性能差。
影响C/C复合材料制造成本的主要因素：一是碳纤维的原材料成本；二是制造成本。
为了降低C/C复合材料的成本，一个有效的途径是降低碳纤维的成本。
20 世纪90年代中期，大丝束碳纤维技术取得了重大突破，不但抗拉强度达到并超过3600MPa，大丝束制备预浸料技术也取得了很大的进展。
目前，大丝束碳纤维正在某些应用领域取代小丝束碳纤维，其产量也将很快超过小丝束碳纤维。
目前，我国碳纤维只有类似于T-300的一个品种规格，高性能碳纤维的问题始终没有得到解决。
大丝束碳纤维和小丝束碳纤维相比有很多特点，主要有以下2点：1) 大丝束碳纤维可采用民用聚丙烯睛丝作为制备碳纤维的原丝，能够在国外市场上自由购买，且价格仅有制备小丝束碳纤维特种原丝价格的1 /4；2) 高的性能价格比，国外用碳纤维的性能价格比来衡量它的消费比，即花费每美元所能得到的强度、模量、比强度和比模量。
用美国卓尔泰克公司生产的大丝束碳纤维PANEX33-0048和最典型的小丝束碳纤维即日本东丽公司的T-300相比较，前者的性能价格比要比后者好得多。
碳碳复合材料的研究进展
碳碳复合材料的研究进展材料科学与工程学院 11N091820030 许明阳碳/ 碳(C/ C) 复合材料是碳纤维增强碳基体的复合材料,具有高强高模、比重轻、热膨胀系数小、抗腐蚀、抗热冲击、耐摩擦性能好、化学稳定性好等一系列优异性能,是一种新型的超高温复合材料。
C/C 复合材料作为优异的热结构、功能一体化工程材料,自1958 年诞生以来,在军工方面得到了长足的发展,其中最重要的用途是用于制造导弹的弹头部件。
由于其耐高温、摩擦性好,目前已广泛用于固体火箭发动机喷管、航天飞机结构部件、飞机及赛车的刹车装置、热元件和机械紧固件、热交换器、航空发动机的热端部件、高功率电子装置的散热装置和撑杆等方面。
C/ C 复合材料种类多、性能各异,为此人们针对特定的用途来设计合适的C/ C 复合材料。
由于碳/ 碳复合材料具有以上特征,自20 世纪50 年代末问世起就引起了全世界的关注, 各发达国家纷纷投入这方面的研究。
到60 年代末至70 年代初,美国就将其用于火箭喷管, 英国用于协和号飞机刹车盘。
自此碳/ 碳复合材料在欧美得到了很大发展。
80 年代以后, 更多国家进入了这一研究领域, 在提高性能、快速致密化工艺研究及扩大应用等方面取得很大进展。
近两年, 我国中南大学、航天科技集团公司和西北工业大学科研人员分别用CLVD( 化学液气相沉积) 法和CLVI(化学液相气化渗透) 工艺制备出碳/ 碳复合材料, 济南大学用RCLD(快速化学液相沉积)制备出1D 和2D 碳/ 碳复合材料。
碳/ 碳复合材料由于制备周期长、工艺复杂、成本高等因素, 其应用范围仅限于军事、高科技等领域, 而在民用领域远远尚未开发。
1、碳/碳复合材料的制备工艺1.1碳/碳复合材料的预成型体和基体碳在进行预制体成型前,根据所设计复合材料的应用和工作环境来选择纤维种类和编织方式，预成型体是一个多孔体系，含有大量空隙。
如三维碳/碳复合材料中常用的结构的预成型体中的纤维含量仅有40%，也就是说其中空隙就占60% 。
掺杂改性C_C复合材料研究进展
第30卷第11期2011年11月中国材料进展MATERIALS CHINAVol.30No.11Nov.2011特约专栏收稿日期:2011－09－24通信作者:崔红，女，1969年生，研究员，博士生导师掺杂改性C /C 复合材料研究进展崔红，闫联生，刘勇琼，张强，孟祥利(西安航天复合材料研究所，陕西西安710025)摘要:陶瓷掺杂改性碳/碳(C /C )复合材料在保持C /C 复合材料原有优异高温力学性能及尺寸稳定性等特性的前提下，显著提高了C /C 复合材料的高温抗氧化、抗烧蚀性能，且其具有可设计性和良好的抗热震性能等优势，是新型高超声速飞行器和新一代高性能发动机热防护部件的理想候选材料。
综述了国内外在SiC 陶瓷掺杂改性C /C 复合材料，ZrC ，ZrB 2超高温陶瓷掺杂改性C /C 复合材料以及TaC ，HfC 超高温陶瓷掺杂改性C /C 复合材料等方面的最新研究进展和应用情况，并分析了陶瓷掺杂改性C /C 复合材料目前研究及应用中存在的主要问题和今后潜在的研究发展方向。
关键词:高温材料;C /C 复合材料;掺杂改性;抗氧化中图分类号:TB333文献标识码:A 文章编号:1674－3962(2011)11－0013－05Advances on Ceramic Hybird ModifiedCarbon /Carbon CompositesCUI Hong ，YAN Liansheng ，LIU Yongqiong ，ZHANG Qiang ，MENG Xiangli(Xi'an Aerospace Composite Material Institute ，Xi'an 710025，China )Abstract :Being the ideal candidate material for thermal protection parts in supersonic flight and the high performancerocket engine ，carbon /carbon composites modified by ceramic hybrid have good oxidation and ablation resistance ，design-ability ，good thermal shock resistance as well as the inherent unique comprehensive properties ，such as excellent mechani-cal properties and dimensional stability at high temperature．The present status of research and application of carbon /car-bon composites modified by the SiC ceramics and ZrC ，ZrB 2，TaC ，HfC ultrahigh temperature ceramics were summarized．The existing problems and the potential development direction on the investigation of the ceramic hybrid modification C /C composites were also proposed．Key words :high temperature materials ;carbon /carbon composites ;hybird modification ;anti-oxidation1前言碳/碳(C /C )复合材料即碳纤维增强碳基体复合材料，是一种特别具有性能可设计性和抗热震性的先进复合材料，它以优异抗烧蚀性能、高比强度、高比模量、及高温下极好的力学性能和尺寸稳定性等一系列突出的特点，特别适合于需要材料具有较高物理性能和化学稳定性的高温环境下使用，已成功地在航空航天领域得到广泛应用，如航天器鼻锥、机翼前缘、固体火箭发动机(SRM )喉衬及扩张段和飞机刹车片等，C /C 复合材料是应航空航天领域的需要而开发的最成功的材料之一［1－2］。
碳纤维复合材料在航空航天领域的应用研究
碳纤维复合材料在航空航天领域的应用研究引言随着科学技术的不断发展，碳纤维复合材料在航空航天领域的应用越来越广泛。
碳纤维复合材料具有轻质、高强度、高刚性和耐腐蚀等优良性能，因此在飞机、火箭、卫星等航空航天器件中得到了广泛应用。
本文旨在探讨碳纤维复合材料在航空航天领域的应用研究现状及未来发展趋势。
一、碳纤维复合材料的基本性能和特点碳纤维复合材料是以碳纤维为增强材料，以树脂为基体材料的复合材料。
其主要性能和特点包括：1. 轻质高强：碳纤维具有很高的比强度和比刚度，比重小，是金属的1/4，具有较高的比强度和比弹性模量，使得碳纤维复合材料具有较高的强度和刚度。
2. 耐腐蚀：碳纤维和树脂都具有很高的耐化学腐蚀性，对水、酸、碱等介质的腐蚀性能好。
3. 高温性能：碳纤维复合材料在300℃以上具有很好的热稳定性，且热膨胀系数小。
4. 成型性好：碳纤维复合材料具有较好的成型性能，可以通过预浸料、手工层叠、自动化生产等方式进行成型。
二、碳纤维复合材料在航空领域的应用1. 飞机结构件：碳纤维复合材料在飞机机身、机翼、尾翼等结构件中得到了广泛应用。
其轻质高强的特点可以减轻飞机整体重量，提高飞机的使用性能和燃油效率。
2. 发动机部件：碳纤维复合材料在飞机发动机的叶片、燃烧室等部件中应用广泛。
其高温性能和耐腐蚀性能可以有效提升发动机的工作效率和寿命。
3. 军用飞机：碳纤维复合材料在军用飞机中的应用更加广泛，可以提高飞机的隐身性能，减少雷达波反射，提高飞机的生存能力。
4. 航空器电气部件：碳纤维复合材料还可以用于航空器的电气部件，提高设备的抗干扰性和耐高温性。
三、碳纤维复合材料在航天领域的应用1. 卫星结构：碳纤维复合材料在卫星结构中有着广泛的应用，可以有效减轻卫星整体质量，提高其运载能力和稳定性。
2. 火箭、航天器件：碳纤维复合材料在火箭、航天器件中的应用也逐渐增多。
其轻质高强的性能可以有效提高火箭的推进效率和运载能力。
3. 空间站建设：未来空间站的建设以及太空探测器的制造都将广泛使用碳纤维复合材料，以满足太空环境的极端要求。
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学 、热 学性能 ，化 学性能 和其在各 领域 的应用进 展 。 关键 词 ：碳／ 复合材料 ；石 墨化度 ；性能 ；应 用 碳
中图分类号 ：Ｔ １ Ｑ ３
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康
永等
碳／ 复合材 料的性 能和应用 进展 碳
碳／ 复合 材料 的性 能 和应用 进 展 碳
康 永 ，柴秀 娟
（ ．陕西金泰 氯碱化 工有 限公 司技 术 中心 ，陕西榆 林 ，７ ８０ ； １ １ 】０
２ ．陕西金泰 氯碱化 工有 限公 司 ，陕西榆林 ，７８０ ） １１０ 摘要 ：碳／ （ ／ ） 复合 材 料是 以碳 为基 体 ，碳纤 维增 强 的复合 材 料 ，具 有高 比强 度 、高 比模 量 、 碳 ＣＣ 耐 高温 、耐腐蚀 、耐疲 劳 、抗蠕 变 、导 电 、传热 和膨胀 系数小 等一系列 优异 性能 ，既可作为结 构材料 承载 重荷 ，又可作 为功能材料 发挥作用 。同时 ，碳／ （ ／ ） 复合 材 料是 一种 能 在超 高温 条件 下工 作 的高 温 碳 ＣＣ
碳／ 碳复合材 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 。碳／ 复合 材 料在 高 温热 处 理之 碳
合材料 ，碳／ 复合 材 料 以及 陶 瓷基 复合 材 料 四大 碳 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 于其他类 复合材料 ，已经 全面 走 向工程 应 用 阶段 。Ｃ Ｃ 复合 材 料 是 一 种 多 相 ／ 非均 质混合 物 。这 种材料 的力学 性能 、热物理性 能 及摩擦 磨损性 能与 材料 的复合 材 料 最 重 要 的结 构 参 数 之 一 ， ／
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