碳基复合材料的制备和应用

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精品文档 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。接近精品文档

精品文档 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：

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精品文档 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。

碳碳复合材料生产工艺

碳碳复合材料是一种高性能复合材料，由碳纤维和碳基材料组成，具有高强度、高摩擦性能、高抗侵蚀能力等优点，被广泛应用于航空航天、汽车制造、船舶制造等领域。下面将介绍碳碳复合材料的生产工艺。

碳纤维制备：碳纤维是碳碳复合材料的主要增强材料，其制备过程包括原料选用、浆料制备、纤维拉丝、高温碳化等步骤。首先，选用高纯度的石墨为原料，通过碳化反应制备碳纤维前体浆料。然后，将浆料拉丝成纤维，并通过高温石墨化处理，将其转化为含有95%以上纯碳的碳纤维。

碳基材料制备：碳碳复合材料的基体材料通常选用高纯度石墨或石墨纤维，其制备过程包括预制件制备、石墨化处理、浸渍碳化等步骤。首先，将石墨材料制备成预制件，通常采用热压或化学气相沉积等方法。然后，对预制件进行高温处理，使其石墨化，提高其机械性能和耐热性。最后，通过浸渍工艺，将预制件浸渍进碳化剂中，使其形成碳基材料。

复合成型：碳纤维和碳基材料经过制备后，通过复合成型将其组合成复合材料。常见的成型方法包括层板法、缠绕法、注射法等。层板法将碳纤维和碳基材料按照一定的排布顺序叠加，并采用压制热压的方法使其复合成型。缠绕法将碳纤维按照一定的螺旋方式缠绕在模具上，并进行热压使其复合成型。注射法将碳纤维和碳基材料按照一定比例混合后注入模具中，通过热压使其固化成型。

炭化和石墨化：复合材料在固化成型后，需要进行炭化和石墨化处理，以提高其炭化度和石墨化程度。炭化过程通常采用高温石墨化处理，将复合材料在高温下进行长时间热处理，使其炭化度达到要求。石墨化过程则是通过进一步高温处理，将复合材料的炭化产物转化为石墨，提高其机械强度和导热性能。

表面处理：最后，对已经炭化和石墨化的碳碳复合材料进行表面处理，以提高其性能和抗氧化能力。常见的表面处理方法包括化学气相沉积、化学涂层、磨削抛光等。化学气相沉积是通过将材料暴露在特定气氛中，使其表面形成一层保护性的氧化物。化学涂层则是将材料表面涂覆一层抗氧化涂层，增强其抗氧化能力。磨削抛光则是通过机械方法使材料表面光滑，并去除表面缺陷。

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。

ＰＲＯＧＲＥＳＳＩＮＣＨＥＭＩＳＴＲＹ化学进展ＤＯＩ：１０􀆰７５３６／ＰＣ１５０３１８

ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｐｒｏｇｃｈｅｍ．ａｃ．ｃｎ ＰｒｏｇｒｅｓｓｉｎＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，２０１５，２７（８）：１０４２～１０５６有序介孔碳基金属复合材料的制备及催化应用∗张凌峰　胡忠攀　高泽敏　刘亚录　袁忠勇∗∗（南开大学化学学院先进能源材料化学教育部重点实验室　天津３０００７１）摘　要　有序介孔碳基金属复合材料具有较大的比表面积、规整的孔道结构、良好的热稳定性及化学稳定性、活性金属组分分散度高以及粒径尺寸小等特点，广泛应用于非均相催化领域。常用的合成方法包括浸渍法、“一锅”法以及金属组分转移法等。本文综述了近年来有序介孔碳基金属复合材料的制备及其在非均相催化领域中的应用研究进展，重点阐述了介孔碳载体的介观结构调控、表面性质控制及限域效应等对所负载的活性金属组分的分散性、粒径大小，以及对反应物和产物扩散的影响，探讨了其在气相反应、液相反应和光电催化等领域的应用，并对有序介孔碳基复合材料的发展方向和应用前景进行了展望。关键词　介孔碳　金属　复合材料　非均相催化　光电催化中图分类号：Ｏ６１３􀆰７１；Ｏ６４３􀆰３６　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５⁃２８１Ｘ（２０１５）０８⁃１０４２⁃１５

收稿：２０１５年３月，收修改稿：２０１５年４月，网络出版：２０１５年８月７日　∗天津市应用基础与前沿技术研究计划项目（Ｎｏ．１５ＪＣＺＤＪＣ３７１００）资助ＴｈｅｗｏｒｋｗａｓｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＴｉａｎｊｉｎ（Ｎｏ．１５ＪＣＺＤＪＣ３７１００）．∗∗Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ　ｅ⁃ｍａｉｌ：ｚｙｙｕａｎ＠ｎａｎｋａｉ．ｅｄｕ．ｃｎＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄＣａｔａｌｙｔｉｃＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＯｒｄｅｒｅｄＭｅｓｏｐｏｒｏｕｓＣａｒｂｏｎ⁃ＢａｓｅｄＭｅｔａｌＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌｓ∗ＺｈａｎｇＬｉｎｇｆｅｎｇ　ＨｕＺｈｏｎｇｐａｎ　ＧａｏＺｅｍｉｎ　ＬｉｕＹａｌｕ　ＹｕａｎＺｈｏｎｇｙｏｎｇ∗∗（ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＥｎｅｒｇｙＭａｔｅｒｉａｌｓＣｈｅｍｉｓｔｒｙ（ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ），ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，ＮａｎｋａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｏｒｄｅｒｅｄｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓｃａｒｂｏｎ⁃ｂａｓｅｄｍｅｔａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓｈａｖｅａｔｔｒａｃｔｅｄｍｕｃｈｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｅｒｅｓｔｓｄｕｅｔｏｔｈｅｉｒｌａｒｇｅｓｕｒｆａｃｅａｒｅａ，ｕｎｉｆｏｒｍｐｏｒｅｓｉｚｅ，ｈｉｇｈｔｈｅｒｍａｌｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｃｈｅｍｉｃａｌｉｎｅｒｔｎｅｓｓ，ａｎｄｔｈｅｌｏａｄｅｄａｃｔｉｖｅｍｅｔａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｗｉｔｈｓｍａｌｌｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅａｎｄｈｉｇｈｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｈａｖｅｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｃａｔａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅｃｏｍｍｏｎｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｉｎｃｌｕｄｅｉｍｐｒｅｇｎａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，“ｏｎｅ⁃ｐｏｔ”ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄｍｅｔａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔｔｒａｎｓｆｅｒｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｒｅｖｉｅｗｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｏｒｄｅｒｅｄｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓｃａｒｂｏｎａｓｃａｔａｌｙｓｔａｎｄｓｕｐｐｏｒｔｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｃａｔａｌｙｓｉｓ，ｆｏｃｕｓｉｎｇｏｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌ，ｓｕｒｆａｃｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｃｏｎｔｒｏｌ，ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｃａｒｂｏｎｓｕｐｐｏｒｔｔｈａｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ，ｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅ，ｔｈｅｄｉｆｆｕｓｉｏｎｏｆｒｅａｃｔａｎｔａｎｄｐｒｏｄｕｃｔ．Ｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅａｎｄｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｄｅｇｒｅｅｏｆｔｈｅａｃｔｉｖｅｍｅｔａｌｃｏｍｂｉｎｅｗｉｔｈｕｎｉｑｕｅｏｒｄｅｒｅｄｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓｃａｒｂｏｎｓｕｐｐｏｒｔ，ｗｈｉｃｈｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃａｔａｌｙｔｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｇａｓ⁃ｐｈａｓｅｃａｔａｌｙｔｉｃｒｅａｃｔｉｏｎｓ，ｌｉｑｕｉｄ⁃ｐｈａｓｅｃａｔａｌｙｔｉｃｒｅａｃｔｉｏｎｓ，ａｎｄｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃａｔａｌｙｓｉｓ，ｃａｎｂｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓｃａｒｂｏｎｃａｒｒｉｅｒａｎｄｖａｒｉｏｕｓｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｒｅｍａｒｋｓｏｎｔｈｅｃｈａｌｌｅｎｇｅｓａｎｄｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｓｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｏｒｄｅｒｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓｃａｒｂｏｎｂａｓｅｄｍｅｔａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓｃａｒｂｏｎ；ｍｅｔａｌ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｃａｔａｌｙｓｉｓ；ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃａｔａｌｙｓｉｓ张凌峰等：有序介孔碳基金属复合材料的制备及催化应用综述与评论