【www.zhangdahai.com--其他范文】
姚先龙
（池州学院材料与环境工程学院 安徽 池州 247000）
复合材料是将2种或多种不同的材料通过某种方式结合在一起，从而构成了另一种多相材料。通常在复合材料中，一种是连续的，称为基质，另一种是分散的，称为增强材料。复合材料集基体与增强材料之优势于一身，显示出其特殊性能。碳基复合材料是由碳纤维（织物）、碳化硅等陶瓷纤维（织物）等作为增强体，由碳作为基体的复合材料。该材料是一种由增强碳和基体碳构成的多相材料，研究和发展于20世纪60年代。增强碳可以是碳/碳复合材料中的骨架和增强剂的各种碳（或石墨）纤维，以及它们的织物；
基体碳具有黏结功能，现有的基体碳可以是树脂碳、沥青碳和沉积碳。碳/碳复合材料既保留了碳（石墨）的优势，又克服了碳（石墨）的不足，使其韧性、强度、热膨胀系数均得到了极大的改善，并且还具有比重小，化学稳定性高，耐热性好，以及导热、导电和耐腐蚀性能好等优点。碳基复合材料因其兼具2种或多种不同的优点，其应用领域远大于单一材料。
近年来，随着石墨烯、氮掺杂石墨烯为代表的新型碳材料的出现，使得碳和碳基复合材料在材料领域中的地位更加突出，用途更加广泛[1-2]。碳/碳复合材料作为碳基材料中的重要成员，具有耐高温，抗腐蚀和热冲击性能好，耐摩擦磨损性能佳及对热应力不敏感，抗烧蚀性能好等优良性能。
目前，碳纤维复合材料应用领域，已由少量高科技领域、军事领域扩展至所有工业和民用领域。而开发中的关键问题就是高性能碳纤维，当前是碳纤维复合材料发展的主要瓶颈。21世纪以来，复合材料的市场需求迅速增长，同时也面临着越来越大的成本问题。各国材料从性能优先发展到注重性能与成本之间的折中均衡，在不牺牲其强度优势的前提下，以实现低成本的复合材料结构。因此，低成本工艺（涉及原材料、成型、加工制造及使用保障等方面）已经成为碳基复合材料一种新的发展方向[3]。
在碳基复合材料研究方面，闫涛等[4]分析了碳基纳米材料在聚合物基体中的含量、取向、分散性对应变传感器性能的影响，以及不同基体复合材料传感器的制备方法和应变传感性能，比较了它们的优缺点。王睿等[5]通过对不同形状比吸收剂形成碳基复合材料的电磁参数分析，发现具有一定长径比或较大比表面积的吸收剂复合有利于提升碳基复合材料的吸波性能。武志红等[6]分析了不同生物质衍生碳基复合材料的微观结构、微波吸收性能的差异，讨论了具有高效微波吸收性能的生物质碳基复合吸波材料所面临的挑战。刘汉鼎等[7]综述了近年来国内外关于碳基复合材料在锂硫电池中的应用研究情况，并对功能性碳基储硫载体与硫正极电化学性质结构关系进行了较为详尽的论述。张革等[8]综述了碳基复合材料在催化加氢、吸附、催化氧化等领域脱除大分子硫化物的研究进展，并结合碳材料脱硫现状提出了目前有待解决的主要问题。从以上研究可以看出，国内众多学者对碳基复合材料进行了一定研究，主要集中在性能和应用这2个领域，对其制备方法的研究相对较少。
碳基复合材料具有比重小，化学稳定性高，耐热性好（无氧化气氛），导热性能和耐腐蚀性能好，因此在众多领域有着广泛应用。
2.1 航空航天方面
在航空材料系统中，材料系统更注重性能和可靠性的统一，采用先进复合材料不但可以减轻重量，还可以改善飞机的其他性能。如：采用气动剪裁技术，对复合材料的结构效率有很大的改善；
采用一体化成型工艺，可以提高结构的可靠性并且减少连接点位，从而能够有效降低生产成本；
此外复合材料具有良好的耐蚀性和抗疲劳性能，可以减少维修费用。随着新一代航空航天器向超高音速发展，超高温服役环境对材料和结构的承载力和耐热性能造成了极大的挑战，而碳基抗热复合材料就是一种新的战略材料，其主要应用于烧蚀防热和热结构等方面，解决了轻质化、耐热震、耐腐蚀等技术问题。
2.2 生物医学方面
碳基复合材料作为生物医用材料，主要具有以下优点：1）生物相容性好，整体结构均由碳构成，机体组织对其适应性好；
2）稳定、不被腐蚀，不会因为生物体环境腐蚀而导致金属离子扩散到周围组织而影响植入材料本身的特性；
3）生物机械兼容性好，与骨骼的弹性模量非常相近，能减轻由于假体应力遮挡而造成的骨质吸收等并发症；
4）强度高、耐疲劳、韧性好，并可以通过结构设计对材料性能进行调整以满足特定的力学性能。碳基复合材料的出现，从根本上改善了碳材料的强度与韧性解决了植入体与人体骨骼模量不匹配问题。
2.3 电化学方面
因为石墨烯的电导率优势明显，其比表面积高且化学和电化学性能稳定性高，因此常用于传感器、催化剂材料和载体，在超级电容等方面具有极大的应用价值。但是与其他碳材料相比，石墨烯的比表面积更大，电荷传输能力更强，且石墨烯和它的复合材料在超电容方面也表现出了很好的特性。如：石墨烯与Ni(OH)2复合材料的容量，较石墨烯与聚苯胺复合材料的容量提升了5倍以上。并且由于优异的导电能力、高比表面积及稳定的化学稳定性，研究发现石墨烯与金属氧化物的复合材料可以获得更好的电池性能。
2.4 电子器件方面
碳基复合材料具有很高的导电率、载流子迁移率和高的光透射性，因此在光电子器件领域具有广阔的应用前景，特别是利用石墨烯可以制作柔性薄膜，使其在柔性光电设备上的应用更加广泛。另外，在室温下，石墨烯的电子传输性能是常规硅片的10倍，并且还不受外界环境的影响，因此有望成为新一代纳米电子器件的替代材料。
2.5 日常生活方面
碳基复合材料在日常应用方面应用较广。运动器中，如：网球、羽毛球、壁球、击球、棒球、冰球、高尔夫球、自行车、赛艇、钓鱼竿、滑雪板和雪橇等。日常的碳纤维编织材料，如：布料、纤维、预浸料坯和短切纤维。环境生活中，可以作为空气和水净化器，碳纤维在环境净化领域具有较大的应用潜力。在建筑领域，碳纤维短切丝可以用于混凝土内，加强加固的作用。在风力发电方面，节能环保是今后能源发展的趋势，而发电机叶片采用碳纤维和玻璃纤维制造。其他产品，如：头盔、鼠标垫、眼镜架、三脚架、手表等领域也有广泛的应用。
碳/碳复合材料是一种由碳纤维或各种碳织物增强碳、石墨化脂碳（沥青）、化学气相沉积（chemical vapor deposition，CVD）碳，制成的具有特殊性能的工程和复合材料。碳/碳复合材料具有很好的抗热冲击和抗热导能力，并且化学性质稳定。考虑到碳/碳复合材料的一系列优良特性，因此可以广泛用于宇宙飞船、人造卫星、航天飞机、导弹、原子能，以及一般工业领域等。
3.1 碳/碳复合材料的成型加工方法
碳/碳复合材料的成型加工方法很多，碳/碳复合材料的成型加工方法如图1所示[9]。
图1 碳/碳复合材料的成型加工方法
结合图1将碳/碳复合材料的加工工艺归结如下：
1）从煤焦油和原油中溶化的沥青在加热状态下浸泡在碳/石墨纤维中，随后进行热分解和再次浸渍。
2）一些树脂基质经热解后的焦化强度非常高，其热解后的产物可以很好地渗透到纤维中，经过热分解后，需要再次浸渍，然后再加热。
3）在诸如碳/石墨纤维等热基体材料上，用气相（典型的用烷-氧，有时也有少量的氢）进行化学沉淀，以生成高强度的热解石墨。另外，将1）和2）这2种方法与气相化学淀积法结合在一起，也可以改善碳/碳复合材料的材料物料性能。
4）将1）—3）所制得的、仍为多孔的碳-碳复合物浸渍，可形成耐热结构的液体单体中，则是另一种提纯工艺。虽然可选择的单体有限，但采用四乙烯基硅酸盐与强无机酸盐型催化剂所构成的渗透液，可以生成耐高温性能优良的硅-氧烷聚合物，其效果类同于硅树脂。
3.2 碳/碳复合材料的制备工艺
3.2.1 沥青基混合物
用碳/石墨纤维浸渍在煤焦油沥青中可以得到碳/碳复合材料。为了改善碳/碳复合材料的致密性，目前市场已设计了一种高压浸渍碳化技术。所述方法是将复合材料在约100 MPa的压力下，放置在一个热压槽中浸渍，标准高压浸渍碳化工艺如图2所示。
图2 标准高压浸渍碳化工艺（压力约为100 MPa）
3.2.2 树脂基体
将热解树脂基体浸渍于碳/石墨纤维结构中，随后再浸及再热分解中产生更多的焦化沉淀。在此过程中，石墨纤维的表面会生成一种碳元素，从而得到了碳/碳复合材料。使用合成树脂制造碳/碳复合材料主要是因为：1）合成树脂在低温、低压下的黏度较低，优于石油和煤焦油沥青；
2）合成树脂的纯度高于自然产品，且其化学结构易于鉴别，而沥青的成分则会因产地及精制工艺的不同而有所差异；
3）易于获得高碳含量的树脂，并有可能转变成具有耐高温的碳素产物。
3.2.3 CVD
CVD技术是一种取代碳/石墨纤维浸渍沥青或合成树脂基质的方法。它的主要工艺步骤如下：
步骤1 将甲烷等烃类气体与诸如氢、氩等的载气混合，在1 000～1 100 ℃下进行热分解，使其在坯体的孔隙内沉淀；
步骤2 沉碳前，在碳化气体中生成活性基团，然后和胚体纤维的表面反应进行沉碳；
要注意的是，要得到高致密的碳/碳复合物，需在沉积过程中使这些活性基团扩散进入坯体的空隙，如果在流经坯体之前，含碳量气体产生的活性基团的速率过高，就会很容易地形成一个表面涂层，不利于内部渗透阻碍内部的沉碳。
目前，CVD基体碳主要采用均热法、热梯度法、压差法和脉冲法这4种方法[10]。1）均热法是将坯体置于一个恒温的空间（950～1 150 ℃）中，使烃气体在合适的低压（0.13～20 kPa）下通过该坯体的表面。其中，一部分含有碳的气体扩散进入该坯体的孔隙中以生成解热碳，而沉碳速率（2.6～26 cm/h）与气体的扩散速率有关。但这种工艺的渗透时间很长，一周要50～120 h，且靠近坯体表面的孔隙会被填充满，从而形成一个坚硬的外壳，因此在渗透过程中必须经过机械处理，将硬壳层去除后再进行沉碳[11]。2）热梯度法与均热流相似，但由于炉压高，在铅板厚度方向上会产生一定的温度差，该方法具有较快的沉积时间、较高的密度和较好的综合性能，整个过程均受气体扩散所支配。其缺点是不能同时处理多个或者不同坯体，且也不能加工形状过于复杂的坯体。3）压差法是在板料厚度上形成一定的压差，使反应气体从多孔坯料中强制通过。该方法可以快速地沉积，缩短渗透时间。同时，沉积的碳也是比较均匀的，适合于不透气的部件。在沉淀过程中，由于容易形成硬质层，因此必须进行中间处理。4）脉动法是一种改良的均匀加热方法，其采用脉冲阀交替进行充气和抽真空，从而使排出的气体反应产物更加容易。由于其可以增加渗透深度，因此适用于制作不透气的石墨材料。
本文综述了碳基复合材料的发展、发展趋势、研究现状和主要应用等，并以碳/碳复合材料为例，对其成型加工方法和制备工艺进行论述。随着我国经济的快速发展，碳纤维需求与日俱增，碳纤维及其复合材料的生产涉及国防和国家的建设，因此未来要以国内为基础，研发高质量高性能碳纤维，以适应军用、民用的需要，扭转大量进口的现状是目前国内该行业发展急需解决的问题。
猜你喜欢坯体碳纤维基体金刚石圆锯片基体高温快速回火技术的探索石材(2022年3期)2022-06-01沟口雄三的中国社会主义历史基体论述评原道(2022年2期)2022-02-17凝胶注模成型制备TiB2-C复合多孔坯体的研究陶瓷学报(2021年4期)2021-10-14一种陶瓷板的制造方法及陶瓷板佛山陶瓷(2021年1期)2021-03-02铌-锆基体中痕量钐、铕、钆、镝的连续离心分离技术理化检验-化学分册(2020年5期)2020-06-15浅析超厚仿古砖在辊道窑干燥过程控制的注意事项佛山陶瓷(2019年9期)2019-12-02一种碳纤维加固用浸渍胶的研究上海建材(2019年4期)2019-05-21HP-RTM碳纤维复合材料中通道加强板研究纤维复合材料(2018年4期)2018-04-28中间相沥青基碳纤维及其在飞机上的应用纤维复合材料(2018年3期)2018-04-25陶瓷坯体预干燥方法佛山陶瓷(2017年8期)2017-09-06本文来源：http://www.zhangdahai.com/shiyongfanwen/qitafanwen/2023/0917/655620.html
