黄启忠教授带你了解碳的化学气相沉积机理与快速制备碳/碳复合材料

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碳/碳复合材料

碳/碳复合材料是以碳纤维及其织物为增强体，热解碳或沥青碳等碳质材料为基体，通过一定的工艺复合而成的全碳质多相固体材料。碳/碳复合材料具有很多非常优异的性能，尤其是高温时表现较为突出，因此，在航空航天、光伏、核工业、医用材料等领域广泛应用。

炭刹车盘副，图片来源：优材百慕
碳/碳复合材料的制备工艺
碳/碳复合材料的制备工艺主要包括了三个基本步骤：预制体成型、预制体致密化和石墨化处理。
预制体成型是制备碳/碳复合材料的前提。目前常用的预制体成型方法主要有短纤维模压、长纤维织物叠层和多维编织/穿刺。

预制体成型步骤，图片来源：金博股份招股书

飞机碳刹车预制件图片来源：江苏天鸟高新技术股份有限公司
预制体致密化是制备碳/碳复合材料的关键环节，只有达到一定密度的碳/碳复合材料才能具有良好的力学性能。目前碳/碳复合材料的致密化工艺可分为四种:第一种为液相浸渍-碳化(LIC)工艺第二种为化学气相沉积(CVI)工艺，第三种为液相气化沉积(CLVI)工艺，第四种为 CVI与 LIC 复合工艺。
石墨化处理是通过高温(1800~2800 ℃)将热力学非稳定态的碳材料转变成稳态的石墨的过程。
不同预制体致密化工艺对比

不同致密化工艺优缺点对比图片来源：刘俊峰，高效制备碳/碳复合材料的思考
化学气相沉积工艺优点是工艺简单、增密的程度便于精确控制、不损伤纤维、可与其他致密化工艺一起使用，缺点是制备周期太长、生产效率较低。
影响碳/碳复合材料性能的关键
影响碳/碳复合材料性能的有如下几个方面：

【黄启忠教授带你了解碳的化学气相沉积机理与快速制备碳/碳复合材料】碳纤维的种类
碳纤维的编织方式和编织密度
基体的增密形式和密度
碳纤维和基体的界面结构
化学气相沉积热解炭的方式和织构
石墨化工艺
表面涂层情况

快速制备碳/碳复合材料
化学气相沉积(CVI)是制造高性能碳/碳复合材料的关键工序。提高增密速度、热解炭结构的多样化和材料的抗氧化是当前制备碳/碳复合材料的三大难点课题。发达国家竞相投巨资研究开发快速 CVI工艺，除了工业化程度较高的等温CVI之外，还研发了热梯度CVI、压差CVI、液相气化渗透工艺 CLVI强迫流动 CVI、脉冲CVI等。其中美国达信公司开发的 CLVI工艺，把致密时间减少到原来的1%;美国佐治亚理工大学在美国空军支持下开发的FCVI工艺，在8~12h 内制备出空隙率仅为7%的碳/碳复合材料。对制备碳/碳复合材料作了有益的探索。
化学气相沉积工艺是获得高性能碳/碳复合材料的关键，界面结构和织构对碳/碳复合材料的性能影响非常大，而且化学气相沉积速度非常慢，对材料价格影响大，因此研究化学气相沉积机理，可以促进快速化学气相沉积制备，获得高性能碳/碳复合材料的制备方法。
对于化学气相沉积工艺而言，如何减小成型周期，提高生产效率，从而做到快速制备碳/碳复合材料产品是迫切需要解决的一个难题。