炭/炭复合材料(C/C composites), 即炭纤维增强炭基体复合材料(Carbon fiber reinforced carbon matrix composites)。炭/炭复合材料作为炭材料家族中的一个重要成员, 是在1958年一次偶然的实验事故中发现的, 这也给我们了解和研究炭/炭复合材料增添了又一分神奇色彩。其基于碳原子独特的电子排布和其类石墨结构以及良好的生物相容性等特点, 被认为是理想的导电材料、 高温复合结构材料、 功能材料和生物材料, 可广泛应用于航空、 航天、 生物及多种民用领域[2-5]。

炭材料的应用历史源远流长, 但炭/炭复合材料的应用却是现代的事。炭/炭复合材料因为具有许多其他材料无法比拟的优异性能而越来越受到人们的重视。炭/炭复合材料作为刹车材料, 比金属基刹车材料具有更高的摩擦因数、 更低的磨损率、 更长的使用寿命, 因而被广泛应用于各种型号的飞机上[6]。目前炭/炭复合材料已成功地应用于制造航空发动机和火箭的喉衬、 涡轮叶片零部件、 航天飞机固体助推器、 导弹端头帽、 热交换器、 高功率电子装置的散热装置和撑杆等方面[2]。但是, 炭/炭复合材料的原材料价格高、 制造工艺复杂、 技术难度大、 制备时间长限制了其应用的范围。

先进复合材料主要有树脂基、 金属基、 陶瓷基和炭基复合材料四类, 其中树脂基复合材料的应用已经较为成熟, 而非树脂基复合材料则在航空耐热结构件等方面有着广阔的应用前景。

当前, 在四大类复合材料中, 炭/炭复合材料的研究和应用水平仅次于树脂基复合材料, 优先于金属基复合材料和陶瓷基复合材料, 尤其在航天、 航空领域已进入了比较成熟的应用阶段[7]。炭/炭复合材料之所以成为了新材料领域中新型超高温材料研究和开发的宠儿, 是因为其具有以下一些显著的特征[8, 9]: 

(1)密度小。炭/炭复合材料由于其采用了多孔炭纤维坯体作增强体, 在后续的增密过程中容易形成残留孔隙, 导致其最高密度一般为1.7~1.8 g/cm3, 低于石墨的密度, 也仅为镍基高温合金的1/4, 陶瓷材料的1/2, 这一点可以较好地满足许多耐高温的结构部件或装备轻型化的要求。

(2)力学性能极好。炭/炭复合材料的强度与增强纤维的方向、 含量、 基体炭的结构以及纤维与基体界面的结合强度有关。其弹性模量取决于平行纤维轴向的方向和炭基体。轴向方向的强度和模量高于非轴向方向。一般炭/炭复合材料的拉伸强度为270 MPa, 弹性模量大于69 GPa。先进炭/炭复合材料的拉伸强度可达349 MPa。而且随温度升高(可达2200 ℃), 其强度不仅不降低, 甚至比室温时还高, 这一高温稳定性特征是其他材料如金属材料、 树脂基复合材料、 金属基复合材料、 陶瓷基复合材料等所无法比拟的。

(3)抗烧蚀性能良好。使用温度2300~3500 K, 且烧蚀均匀, 用于短时间的烧蚀环境中, 如已被发达国家成功用于航天飞机的机翼前缘、 鼻锥、 货舱门, 火箭发动机喷管、 喉衬、 燃烧室等构件, 具有无与伦比的优越性。

(4)优异的摩擦磨损性能。基于其材质和试验条件综合作用的结果, 其摩擦因数的大致范围是0.24~0.36, 线磨损量为0.5 μm/(面·次), 作为飞机刹车材料正常着陆时, 其质量磨损率为1~4 mg/(面·次); 而且随着刹车压力的增加或在中止起飞的条件下, 仍能保持较高的摩擦因数(0.28~0.32), 是各种耐磨和摩擦部件的最佳候选材料。现阶段全世界生产的炭/炭复合材料和制品63%以上是应用于刹车材料。

(5)热容量大、 抗热震性良好、 化学稳定性好、 比强度、 比模量和断裂韧性高等优良性能。比热容在室温至2000 ℃之间为800~2000 J/(kg·K)。其在常温下不与氧反应, 400 ℃开始氧化, 高于600 ℃会严重氧化; 其熔点低于4100 ℃; 该材料的导热率随石墨化度的提高而增大, 并与纤维的排布方向有关, 一般为1.5~500 W/(m·K), 其线膨胀系数随石墨化度的提高而降低, 并与晶体的取向度有关, 一般在(0.5~1.5)×10-6/℃之间。新一代高推动比(15~20)战机发动机的涡轮, 工作温度2000 ℃以上, 而且要求材料强度高, 除了炭/炭复合材料其他材料都无能为力。此外, 还用炭/炭复合材料制造出隔热瓦、 喇叭型管、 导向叶片等耐热零部件。在机械制造领域, 炭/炭复合材料可以作为热压模具和超塑性模具材料, 但用于成本问题, 目前尚未得到推广应用, 但作为真空发热体已被广泛使用, 其使用寿命可高于石墨发热体10倍以上, 此外, 用于发动机活塞和活塞环, 以及各种高性能密封材料也有报道。