碳碳復合材料

一、極端環境下的穩定性：耐高溫與抗熱震

• 超高溫穩定性：
  是目前少數能在超高溫（2000℃以上）有氧或惰性環境下長期工作的材料之一。在惰性氣氛中，使用溫度可達 3000℃以上，且強度隨溫度升高（直至 2500℃）呈上升趨勢（與金屬材料高溫強度驟降的特性完全相反）。例如，航天飛機的鼻錐帽和機翼前緣采用 C/C 復合材料，可承受再入大氣層時的 3000℃以上高溫。

• 優異的抗熱震性：
  熱膨脹系數極低（約 0.5×10??/℃，僅為金屬的 1/10-1/20），且導熱性能優異（軸向導熱系數可達 100-600 W/(m?K)），能快速消除溫度梯度，在劇烈冷熱交替（如從 1000℃驟降至室溫）時不易開裂。

二、力學特性：高強度與輕質化

• 高強度與高比強度：
  室溫下抗拉強度可達 200-600 MPa，且隨溫度升高保持穩定甚至提升（2000℃時強度仍為室溫的 80% 以上）。密度僅 1.6-2.0 g/cm3，遠低于金屬（如鋼 7.8 g/cm3、鈦合金 4.5 g/cm3），比強度（強度 / 密度）是金屬材料的 3-5 倍，適合輕量化需求場景（如航空發動機葉片）。

• 優異的韌性與抗疲勞性：
  碳纖維的橋接、拔出等作用可吸收斷裂能量，使材料具有一定韌性（斷裂韌性約 10-30 MPa?m1/2），遠超脆性陶瓷材料。同時，在循環載荷下抗疲勞性能突出，多次交變應力作用下不易發生累積損傷。

• 各向異性顯著：
  力學性能（強度、模量、導熱性）隨碳纖維編織方向呈現明顯差異。例如，單向碳纖維增強的 C/C 復合材料，軸向強度是徑向的 5-10 倍，可通過設計纖維排布（如二維編織、三維編織）優化特定方向性能。

三、化學與物理特性：耐蝕與功能適配

• 化學穩定性：
  在惰性或還原性氣氛中具有極強的耐腐蝕性，可抵抗酸（除強氧化性酸如濃硝酸）、堿及多數有機溶劑的侵蝕。但在高溫有氧環境中易氧化（約 400℃以上開始氧化），需通過涂層（如 SiC 涂層）防護以拓展應用。

• 低摩擦與耐磨性：
  表面具有自潤滑特性，摩擦系數低（0.1-0.2），且磨損率小（尤其在高溫、真空或惰性環境中），是高端制動材料的核心選擇（如高鐵、戰斗機剎車片）。

• 功能可調性：
  可通過調控碳纖維含量（通常 60%-80%）、基體密度（1.5-1.9 g/cm3）及孔隙率（5%-20%），優化材料的導熱性、電磁屏蔽性或抗氧化性。例如，高致密 C/C 復合材料可用于熱沉部件，而多孔 C/C 可作為催化劑載體。

四、工藝關聯性：性能依賴制備過程

• 高溫制備特性：
  需經高溫碳化（800-1200℃）和石墨化（2000-3000℃）處理，石墨化程度越高，材料的導熱性、導電性及高溫強度越優異，但制備成本也顯著增加。

• 密度可調控：
  初始預制體密度較低（約 0.5-1.0 g/cm3），需通過化學氣相滲透（CVI）、液相浸漬（LI）等工藝致密化，最終密度決定材料的力學性能（密度越高，強度和模量越大）。

• 復雜形狀適應性：
  可通過編織、模壓等工藝制備復雜結構件（如異形腔體、網格結構），且近凈尺寸成型能力強，減少后續加工成本。

五、應用場景導向的核心優勢

• 極端環境耐受性：
  集高溫強度、抗熱震、輕質于一體，是航天（火箭發動機噴管、航天器防熱層）、航空（渦輪葉片）等極端環境的 “剛需材料”。

• 長壽命與可靠性：
  在制動、摩擦等場景中，使用壽命是金屬材料的 5-10 倍，且性能衰減緩慢，適合高頻率、高負荷工況（如賽車制動系統）。

局限性

• 氧化敏感性：高溫有氧環境下易失效，需額外涂層防護，增加成本和工藝復雜度。

• 高成本：碳纖維原料昂貴，加之冗長的制備周期（數周至數月），限制了其在民用領域的大規模應用。

總結