碳碳(tan)復(fu)合材(cai)料(liao)發(fa)展的(de)四個階段

     C/C 復(fu)合材(cai)料(liao)發(fa)明於(yu) 1958 年， C/C 復(fu)合材(cai)料(liao)壹(yi)出(chu)現， 就(jiu)以(yi)其卓越(yue)的(de)性能(neng)引(yin)起(qi)世界(jie)各(ge)國的(de)普(pu)遍重(zhong)視， 壹(yi)些(xie)工業發(fa)達國家(jia)紛紛(fen)投(tou)入(ru)大量(liang)的(de)人力(li)、 物力(li)、 財(cai)力， 致(zhi)力於(yu)這種材料(liao)的(de)研究(jiu)和(he)開發(fa)， 從而促(cu)使(shi)其性能不(bu)斷提(ti)高， 應(ying)用範(fan)圍日(ri)益(yi)擴(kuo)大。 三(san)十(shi)多年(nian)來， C/C 復(fu)合材(cai)料(liao)在(zai)材(cai)質(zhi)、 制備(bei)工藝(yi)、 性(xing)能(neng)、 以(yi)及(ji)工程應(ying)用等(deng)方面(mian)都(dou)取得了長足(zu)的(de)進展(zhan)， 可(ke)以(yi)劃分
為四個發(fa)展階段。

      第(di)壹(yi)階段， 從 C/C 復(fu)合材(cai)料(liao)的(de)發(fa)明到六(liu)十(shi)年代(dai)中(zhong)期(qi)為開發(fa)階段。 人們(men)認(ren)識(shi)到， 要(yao)制備(bei)出高性能的(de) C/C 復(fu)合材(cai)料(liao)， 首(shou)先要(yao)有高性能的(de) CF， 因此這個階段可(ke)以(yi)說是 CF 研制的(de)活(huo)躍時期。 1958 年， 美(mei)國 Union Carbide 公(gong)司(si)用(yong)人(ren)造絲(si)(再生纖(xian)維(wei)素(su))及(ji)其織物進(jin)行了CF 及(ji)碳(tan)織物的(de)工業生產(chan)， 並(bing)以(yi)商(shang)品(pin)形式(shi)出(chu)售(shou)產(chan)品(pin)。 1959 年， 進(jin)藤(teng)昭(zhao)男用純聚(ju) PAN 纖(xian)維(wei)制得了 CF。 六(liu)十(shi)年代(dai)初， 大谷(gu)杉(shan)郎用聚(ju)氯(lv)乙烯熱解(jie)得到的(de)瀝(li)青(qing)， 經(jing)熔(rong)融紡絲(si)， 再經(jing)空(kong)氣中(zhong)不(bu)熔(rong)化(hua)和(he)惰(duo)性(xing)氣氛中(zhong)碳(tan)化(hua)， 制得了 CF[18]。1964 年英國皇家(jia)航空(kong)研究(jiu)所(RAE)的(de) Watt等人(ren)， 在(zai)預(yu)氧(yang)化(hua)過(guo)程(cheng)中(zhong)對(dui)纖(xian)維(wei)施(shi)加(jia)張力(li)， 為制取高強度高模量(liang) CF 開辟了新的(de)途徑。隨後(hou) Bristol 等(deng)公(gong)司(si)利(li)用這些技術開始生產(chan)聚(ju)丙(bing)烯腈 CF。 與此同(tong)時(shi)， 人(ren)們(men)對(dui) C/C 復(fu)合材(cai)料(liao)的(de)制備(bei)工藝(yi)進(jin)行了 大量(liang)的(de)研究(jiu)， 發(fa)展了 C/C 復(fu)合材(cai)料(liao)的(de)表征(zheng)方法及(ji)各(ge)種(zhong)檢(jian)測(ce)手(shou)段(duan)。 在(zai)應(ying)用方面(mian)， 美(mei)法等(deng)國制定了“運載(zai)火(huo)箭材料(liao)計(ji)劃”、“為 C/C 噴(pen)管尋找(zhao)機(ji)會(hui)計(ji)劃” 等壹(yi)系列以(yi) C/C 復(fu)合材(cai)料(liao)為(wei)基(ji)礎的(de)應(ying)用開發(fa)計(ji)劃。

        第(di)二階段， 六(liu)十(shi)年代(dai)中(zhong)期(qi)到七十(shi)年代(dai)中(zhong)期(qi)， 隨著 C/C 復(fu)合材(cai)料(liao)開發(fa)研究(jiu)的(de)逐步(bu)深(shen)入(ru)， 進(jin)入(ru)了工程研(yan)究(jiu)階段。 1969 年日(ri)本(ben)東麗公(gong)司(si)研(yan)究(jiu)成(cheng)功特(te)殊(shu)的(de)共聚(ju) PAN 纖(xian)維(wei)， 並(bing)結(jie)合美(mei)國 Union Carbide 公(gong)司(si)的(de)碳化(hua)技(ji)術， 生產(chan)出(chu)高強度、 高模量(liang)的(de) CF， 有力(li)地(di)推(tui)動了 C/C復(fu)合材(cai)料(liao)的(de)發(fa)展。 人們(men)逐(zhu)步(bu)發(fa)展了 C/C 復(fu)合材(cai)料(liao)的(de)編(bian)織技術， 並大力(li)發(fa)展了其致密(mi)化(hua)工藝(yi)， 1966 年(nian)， LTV 空(kong)間公(gong)司(si)已(yi)將 C/C 復(fu)合材(cai)料(liao)用(yong)於(yu)阿波(bo)羅宇宙(zhou)飛船控(kong)制艙(cang)光學(xue)儀(yi)器的(de)熱防護(hu)罩和(he) X-20 飛行器的(de)鼻錐(zhui)， 1971 年(nian)桑迪亞試(shi)驗室制備(bei)的(de) C/C 復(fu)合材(cai)料(liao)飛行器再(zai)入(ru)頭(tou)錐(zhui)已(yi)成(cheng)功地(di)獲(huo)得應(ying)用。 1974 年(nian)英國 Dunlop 公(gong)司(si)的(de)航空(kong)分公(gong)司(si)首(shou)次(ci)研制出了 C/C 復(fu)合材(cai)料(liao)飛機剎(sha)車盤(pan)， 並(bing)在協和(he)號超音(yin)速飛機上試(shi)飛成(cheng)功， 使(shi)每架(jia)飛機重(zhong)量(liang)可(ke)以(yi)減(jian)輕(qing) 544kg，剎(sha)車盤(pan)的(de)使用(yong)壽(shou)命(ming)提(ti)高了 5~6 倍(bei)。

          第(di)三(san)階段， 七十(shi)年代(dai)中(zhong)期(qi)到八(ba)十(shi)年代(dai)中(zhong)期(qi)為先進的(de) C/C 復(fu)合材(cai)料(liao)時(shi)期(qi)。 C/C 復(fu)合材(cai)料(liao)的(de)各項(xiang)研(yan)究(jiu)進壹(yi)步(bu)深入開展， 坯(pi)體(ti)織物的(de)結構設計(ji)及(ji)多(duo)向(xiang)織物加(jia)工技術(shu)的(de)成(cheng)熟(shu)， 成(cheng)功地(di)解(jie)決了 C/C 復(fu)合材(cai)料(liao)的(de)各向(xiang)異(yi)性(xing)問(wen)題(ti)， 並(bing)通(tong)過(guo)正(zheng)確(que)選(xuan)取和(he)設計(ji)增強織物以(yi)滿足(zu)復(fu)雜(za)結(jie)構的(de)需要(yao)。 人們(men)對(dui) C/C 復(fu)合材(cai)料(liao)的(de)力學(xue)性(xing)能、 物理(li)性(xing)能、 抗(kang)氧(yang)化(hua)性(xing)能及(ji)制備(bei)工藝(yi)進(jin)行了大量(liang)細(xi)致(zhi)的(de)研究(jiu)， 建立(li)了豐(feng)富(fu)的(de)數據(ju)庫。 開始將 C/C 復(fu)合材(cai)料(liao)用(yong)於(yu)多元噴(pen)管及(ji)新壹(yi)代(dai)
高推比(bi)渦(wo)輪(lun)發(fa)動機， 並進(jin)壹(yi)步(bu)拓(tuo)寬(kuan)了 C/C 復(fu)合材(cai)料(liao)飛機剎(sha)車盤(pan)的(de)應(ying)用， 先後(hou)在(zai)數(shu)十(shi)種軍(jun)、 民(min)用飛機中(zhong)采用碳(tan)剎(sha)車盤(pan)， 並(bing)將 C/C 復(fu)合材(cai)料(liao)的(de)應(ying)用從(cong)宇航擴展到了民(min)用。 由(you)於(yu)C/C 復(fu)合材(cai)料(liao)具(ju)有(you)良(liang)好(hao)的(de)生物相(xiang)容性， 八(ba)十(shi)年代(dai)初期(qi)， 國內外還開展了 C/C 復(fu)合材(cai)料(liao)在(zai)生物應(ying)用上(shang)的(de)開發(fa)， 諸如人(ren)造心臟瓣膜、 人造骨關節等陸(lu)續投入使用。

          第(di)四(si)階段， 八(ba)十(shi)年代(dai)中(zhong)期(qi)到現在(zai)， 為(wei) C/C 復(fu)合材(cai)料(liao)全(quan)面(mian)推(tui)廣應(ying)用時(shi)期。 由(you)於(yu)前三個階段在研究(jiu)與應(ying)用各(ge)方面(mian)取(qu)得了 廣泛(fan)的(de)理論、 實踐經(jing)驗， 為(wei)此時期(qi)的(de)開發(fa)和(he)應(ying)用向(xiang)廣度和(he)深(shen)度(du)發(fa)展提(ti)供了 基礎。 這壹(yi)時(shi)期的(de)主(zhu)要(yao)目標(biao)是提(ti)高 C/C 復(fu)合材(cai)料(liao)性(xing)能(neng)， 降(jiang)低(di)成(cheng)本(ben)，為此人們(men)對(dui)其致密(mi)化(hua)技(ji)術進(jin)行了深入的(de)研究(jiu)。 美(mei)國達信(xin)特種材料(liao)快(kuai)速致密(mi)化(hua)(RD)工藝(yi)，使(shi)制備(bei) C/C 復(fu)合材(cai)料(liao)剎(sha)車盤(pan)的(de)時間(jian)減(jian)少了 100 倍(bei)， 這項專利(li)能夠(gou)在 8h 內生產(chan)出(chu)直徑33cm 的(de)剎(sha)車盤(pan)。通(tong)常用 CVD 法需要(yao)上千小時致密(mi)坯(pi)體(ti)，而(er)且碳很容易沈積(ji)在(zai)坯(pi)體(ti)表面(mian)，影(ying)響(xiang)內部(bu)碳(tan)的(de)沈積(ji)量(liang)。 美(mei)國佐(zuo)治(zhi)亞理工大學(xue)在(zai)美(mei)國空(kong)軍的(de)支持(chi)下(xia)改進制備(bei) C/C 復(fu)合材(cai)料(liao)的(de)方法， 研(yan)究(jiu)了強制氣體(ti)流(liu)動/熱梯(ti)度(du)氣體(ti)滲入(ru)法， 使(shi) C/C 復(fu)合材(cai)料(liao)的(de)沈積(ji)速率提(ti)高了30 倍(bei)。

        樹(shu)脂法致(zhi)密(mi) C/C 復(fu)合材(cai)料(liao)的(de)關鍵(jian)是(shi)要(yao)提(ti)高樹(shu)脂的(de)殘碳(tan)率(lv)及(ji)石(shi)墨(mo)化(hua)程(cheng)度。 熱(re)固(gu)性(xing)樹(shu)脂經(jing)多周(zhou)期熱(re)解(jie)其產(chan)碳(tan)率為 50%~56%， Acallister 發(fa)現有些樹(shu)脂在 800℃高溫時的(de)產(chan)碳(tan)率高達 73%。 Resiving 研(yan)究(jiu)證實， 在高溫高壓(ya)作用(yong)下(xia)， 多糠基醇轉(zhuan)化(hua)碳(tan)會發(fa)生石(shi)墨(mo)化(hua)， 這種應(ying)力石(shi)墨(mo)化(hua)現(xian)象 Mcallister 在(zai)以(yi)酚(fen)醛(quan)為母體(ti)制備(bei) 3D C/C 復(fu)合材(cai)料(liao)過(guo)程(cheng)中(zhong)也(ye)觀察(cha)到了，CF 周(zhou) 圍的(de)壓(ya)應(ying)力 使(shi)酚(fen)醛(quan)熱解碳石(shi)墨(mo)化(hua)， 而(er)其它 位(wei)置(zhi)的(de)碳基(ji)體(ti)仍(reng)保(bao)持(chi)其玻璃(li)態。Koto-sononov 等(deng)發(fa)現酚(fen)醛(quan)樹(shu)脂在 400~600℃熱(re)解碳(tan)化(hua)時(shi)施加(jia)外壓(ya)(48。 2MPa)， 其熱解碳(tan)在 2300℃以(yi)上很容易石(shi)墨(mo)化(hua)， 這表明在 400~600℃範(fan)圍內和(he)外壓(ya)同(tong)時(shi)作(zuo)用(yong)下(xia)， 分子結構運動加快， 導致(zhi)其沿石(shi)墨(mo)晶(jing)體(ti)取(qu)向方向(xiang)生長。根(gen)據(ju)外壓(ya)可(ke)以(yi)增加瀝(li)青(qing)殘(can)碳(tan)率(lv)的(de)規律(lv)， 發(fa)展了高壓(ya)浸(jin)漬-高壓(ya)碳化(hua)工藝(yi)(PIC)。 該(gai)技(ji)術(shu)利(li)用等(deng)靜壓(ya)使浸(jin)漬和(he)碳(tan)化(hua)過(guo)程(cheng)更(geng)有(you)效， 工藝(yi)過(guo)程(cheng)在(zai)熱等靜壓(ya)爐上(shang)完(wan)成(cheng)， PIC 工藝(yi)不(bu)僅可(ke)以(yi)提(ti)高殘碳率， 促(cu)使(shi)初始真空(kong)浸(jin)漬能填充(chong)的(de)孔隙(xi)變小， 而且可(ke)有效防止瀝(li)青(qing)被熱(re)解產(chan)物擠(ji)出氣孔(kong)外， 從而大大提(ti)高了致密(mi)化(hua)效率。

       同(tong)時(shi)各(ge)種(zhong)功能(neng) C/C 復(fu)合材(cai)料(liao)的(de)發(fa)展引(yin)人(ren)註(zhu)目， 如桑迪亞試(shi)驗室研制的(de)壹(yi)種(zhong)蜂窩狀C/C 復(fu)合材(cai)料(liao)， 不(bu)僅具(ju)有(you)重(zhong)量(liang)輕(qing)、 強(qiang)度(du)高， 而且具(ju)有(you)良(liang)好(hao)的(de)隔熱(re)性(xing)能。 C/C 復(fu)合材(cai)料(liao)的(de)抗(kang)氧(yang)化(hua)性(xing)能研(yan)究(jiu)也(ye)是壹(yi)個熱點問(wen)題(ti)。 C/C 復(fu)合材(cai)料(liao)的(de)應(ying)用領(ling)域從航空(kong)航天(tian)迅(xun)速擴展(zhan)到核能(neng)、 冶(ye)金(jin)、 醫療(liao)、 汽(qi)車等(deng)眾多(duo)部(bu)門。更(geng)多(duo)碳碳復(fu)合材(cai)料(liao)信(xin)息(xi)可(ke)查(zha)看(kan)http://youtv.com.cn/