碳基复合材料

陶瓷基复合材料

陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。

陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品。其最高使用温度主要取决于基体特征。陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意的使用效果。

工制备艺

浆体浸渍-热压法

适用于长纤维。首先把纤维编织成所需形状，然后用陶瓷泥浆浸渍，干燥后进行烧结。

优点是加热温度较晶体陶瓷低，层板的堆垛次序可任意排列，纤维分布均匀，气孔率低，获得的强度较高。

缺点则是不能制造大尺寸的制品，所得制品的致密度较低，此外零件的形状不宜太复杂，基体材料必须是低熔点或低软化点陶瓷。

晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工与制备

晶须与颗粒的尺寸均很小，只是几何形状上有些区别，用它们进行增韧的陶瓷基复合材料的制造工艺是基本相同的。基本上是采用粉末冶金方法。制备工艺比长纤维复合材料简便很多。所用设备也不复杂设备。 过程简单。混合均匀，热压烧结即可制得高性能的复合材料制造工艺也可大致分为配料-成型-烧结-精加工等步骤。

直接氧化沉积法

方法：将纤维预制体置于熔融金属上面，添加有镁、硅添加剂的熔融金属铝，在氧化气氛中，不断地浸渍预制体，在浸渍过程中，熔融金属或其蒸汽与气相氧化剂反应生成氧化物。随着时间的延长，边浸渍边氧化，最终可制得纤维增强CMC。优点：纤维几乎无损伤、纤维分布均匀、CMC性能优异，工艺简单、效率高成本低

化学通报 2006年 第69卷 w030

碳纳米管增强金属基复合材料

刘天贵1 陈传盛2* 陈小华2*

(1湖南大学 应用物理系 2材料科学与工程学院 长沙 410082)

摘 要 碳纳米管具有独特的管状结构和优异的力学、电学、热学等性能，是制备金属基复合材料

的理想增强体之一。本文介绍了国内外有关碳纳米管作为增强相在金属基复合材料中的研究，同时分析了

碳纳米管作为增强相的优势以及在金属基复合材料中存在的问题。另外，从纳米复合材料的设计原理出发

讨论了提高碳纳米管金属基复合材料性能的方法。分析结果表明，为了提高碳纳米管的增强效果，改善碳

纳米管在金属基体中的分散，金属基体、制备工艺和制备方法的合适选择是很有必要的。而且，碳纳米管

与金属基体之间的界面相互作用也是影响碳纳米管复合材料性能的重要因素。

关键词 碳纳米管 金属基 复合材料 界面

Carbon Nanotubes-reinforced Metals Matrix Composite

Liu Tiangui1, Chen Chuansheng2, Chen Xiaohua2

(1Department of applied physics 2College of Materials Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082)

Abstract Because carbon nanotubes (CNTs) possess peculiar structures and superior properties, carbon

nanotubes are considered as one of the ideal reinforcements for metal matrix composites. In this paper, the

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。

碳基复合材料研究现状及发展趋势

摘要：碳基复合材料由于其优异的各项性能在航空航天工业、能源技术、信息技术等方面有着很好的应用前景，国内外对高性能复合材料的研究也日趋加深，本文主要从材料的性能来分析其应用及其在未来主要领域的发展趋势。

1 碳基复合材料的特点

碳纤维增强碳复合材料（碳基复合材料，C/C）是具有特殊性能的新型工程材料，是以碳或石墨纤维为增强体，碳或石墨为基体复合而成的材料。碳基复合材料几乎完全是由碳元素组成，故能承受极高的温度和极大的加热速度。该材料具有极高的烧蚀热、低的烧蚀率、抗热冲击，并在超热环境下有高强度，被认为是再入环境中高性能的抗烧蚀材料。它抗热冲击和抗烧诱导能力极强，且具有良好的化学惰性。碳基复合材料做导弹的鼻锥时，烧蚀率低且烧蚀均匀，从而可提高导弹的突防能力和命中率。碳基复合材料还具有优异的耐磨差性能和高的导热，使其在飞机、汽车刹车片和轴承等方面得到应用。

碳基复合材料不仅具有其它复合材料的优点，同时又有很多独到之处。碳基复合材料的特点如下：

（1）整个系统均由碳元素构成，由于碳原子彼此间具有极强的亲和力，使碳基复合材料无论在低温下还是在高温下，都有很好的稳定性。同时，碳素材料高熔点的本性，赋予了该材料优异的耐热性，可以经受住2000℃左右的高温，是目前在惰性气氛中高温力学性能最好的材料。更重要的是碳基复合材料随着温度的升高，其强度不降低，甚至比室温还高，这是其他材料无法比拟的。

（2）密度低（小于2.0g/cm3），仅为镍基高温合金的1/4，陶瓷材料的1/2。

（3）抗烧蚀性能良好，烧蚀均匀可以用于3000 ℃以上高温短时间烧蚀的环境中，可作为火箭发动机喷管、喉衬等材料。

（4）耐摩擦，耐磨损性能优异，其摩擦系数很小，性能稳定，是各种耐磨和摩擦部件的最佳候选材料。

（5）良好的生物相容性，具有与人体骨骼相当的密度和模量，在人体骨骼修复与替代材料方面具有较好的应用前景。