什么是碳/碳復合材料？特性是？應用一覽

1.碳/碳復合材料

碳/碳復合材料是以碳纖維或碳纖維制品(氈、布、織物)為增強體的多相碳基復合材料，是1958年美國 Chance Vought 航空公司檢測碳纖維增強樹脂基復合材料中碳纖維含量時偶然發現的。碳/碳復合材料從偏光顯微鏡的尺度觀察由四部分組成，即：碳纖維、基體碳、碳纖維/基體碳的界面層、孔隙和顯微裂紋。

2.碳/碳復合材料的性能

碳/碳復合材料具有其他材料無法比擬的一系列優異性能，主要表現在物理性能、力學性能及摩擦磨損性能等方面。

(1) 物理性能

主要包括體密度、熱膨脹系數及熱導率等。碳/碳復合材料的體密度一般在 1.5~2.0 g·cm-3之間(受纖維體積含量、制備工藝等因素影響)，僅為鋼密度的 1/4~1/5，鎳基高溫合金的 1/4，陶瓷材料的 1/2。低密度復合材料可以更好地滿足許多裝備輕型化的要求，降低其運行成本。如使用碳/碳剎車盤后，可以使波音747-400飛機質量減輕816.5 kg。復合材料的熱膨脹系數一般為0.5~1.5×10-6/℃，且隨著石墨化程度的提高而降低。碳/碳復合材料的導熱系數在 7~22 W·m-1·K-1(溫度 100-1300 K)之間，且隨著溫度的升高而增大，滿足剎車副所需性能要求。

(2)力學性能

碳/碳復合材料具有優異的力學性能。據相關文獻報道，在密度為 1.65 g·cm-3時，復合材料的彎曲強度可達 300 MPa, 拉伸強度達到 330 MPa，層間剪切強度達 17 MPa。并且其高溫力學性能極佳。在非氧化氣氛條件下溫度升高至 2200℃，復合材料強度不僅不降低，甚至比室溫時還高，且在使用過程中不會出現變形、粘結現象，因此適用于各種高溫用途。

3.碳/碳復合材料的應用

(1)在軍事領域的應用

碳/碳復合材料應用于導彈彈頭。對于導彈彈頭的端頭帽(鼻錐)，工作條件極其嚴酷，不僅要求材料在使用環境中燒蝕量低，同時希望它具有吸波能力和抗核爆輻射性能，碳/碳復合材料以耐燒蝕，低密度，導熱好，抗熱沖擊和熱震性好等成為生產鼻錐的最佳材料。

碳/碳復合材料在軍事領域的另一重要應用是作為固體火箭發動機噴管材料，自試驗成功以來，極大地推動了發動機噴管材料的發展。采用碳/碳復合材料的喉襯、擴張段、延伸出口錐，具有極低的燒蝕率，可提高噴管效率1%～3%。

(2)在航空航天方面的應用

到目前為止，碳/碳復合材料絕大部分應用于飛機的剎車盤。碳/碳復合材料質量輕、耐高溫、具有優異的摩擦磨損性能，制動吸收能量大等特點，表明是一種理想的摩擦材料。使用壽命是金屬基剎車盤的 5～7 倍，剎車力矩平穩，可安全起降3000次以上。除在飛機剎車裝置中做剎車盤外，碳/碳剎車片還用于賽車、火車等剎車裝置。

由于碳/碳復合材料優異的高溫力學性能，人們將其開發為高溫結構材料，其中最主要的應用是航空發動機。提高航空發動機熱端部件的工作溫度是實現飛機高速飛行的關鍵。碳/碳復合材料的高溫性能及低密度等特性，有可能成為工作溫度達 1500℃-1700℃的航空發動機理想輕質材料。

(3)在生物醫學方面的應用

碳與生物體之間極好的相容性，使之適宜制成生物構件插入到活的生物機體內做整形材料，如人體骨骼、關節、心臟瓣膜、顱蓋骨補塊和牙床等。因人在行走過程中關節處受力是不同方向的，不同部位將選擇不同類型的碳纖維預制體，因此根據其受力特征設計碳/碳復合材料人造髖關節。

(4)在其他方面的應用

除了上述主要應用外，碳/碳復合材料還應用于直拉單晶硅、制作高溫緊固件、熱壓模具、加熱元件、核反應堆中用于制造無線電頻率限幅器等。

以上梳理了碳/碳復合材料的定義、性能及應用，希望對你有所幫助，如果你想了解更多相關內容，敬請關注三個皮匠報告的行業知識欄目。

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