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碳陶復合材料在科技創(chuàng)新方面的發(fā)展情況和未來發(fā)展趨勢
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院    2023-02-10

（1）碳/陶復合材料簡介

碳/陶復合材料是指由碳纖維作為增強體，碳化硅作為連續(xù)基體的一類新型復合材料。碳/陶復合材料不僅具有高性能陶瓷的高強度、高模量、高硬度、耐 沖擊、抗氧化、耐高溫、耐酸堿、熱膨脹系數(shù)小、比重輕等優(yōu)點，同時還克服了 一般陶瓷材料的脆性大、功能單一等缺點，是公認的理想高溫結(jié)構(gòu)材料和摩擦材 料之一。

（2）碳/陶復合材料的制備方法

目前，碳/陶復合材料的制備方法主要包括先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法、化學氣相沉積法、 反應(yīng)溶體浸滲法等，通過上述方法將碳化硅填充到碳纖維預制體中或填充、涂覆在碳/碳復合材料的孔隙或表面。

1）先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法

先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法是在一定的溫度和壓力下，將液態(tài)含硅有機化合物浸滲到多孔碳纖維預制體中或碳/碳復合材料的孔隙中，然后經(jīng)過干燥和熱處理，使先驅(qū)體 發(fā)生熱解并得到所需的碳化硅基體，從而得到碳/碳化硅復合材料。

2）化學氣相沉積法

化學氣相沉積法是利用三氯甲基硅烷、四氯化硅等含硅的有機物為前驅(qū)體，在高溫下熱解產(chǎn)生碳化硅沉積在碳纖維預制體孔隙內(nèi)或碳/碳復合材料的孔隙中， 從而得到碳/碳化硅復合材料。 3）反應(yīng)溶體浸滲法 反應(yīng)溶體浸滲法是在高溫下將液態(tài)硅滲入到碳纖維預制體中或碳/碳復合材 料的孔隙中，從而得到碳/碳化硅復合材料。

（3）碳/陶復合材料的發(fā)展趨勢

國際上首先將碳/陶復合材料應(yīng)用于制動摩擦材料的研究始于 20 世紀 90 年 代。20 世紀 90 年代中期，德國宇航院與 SGL（西格里集團）率先在這一領(lǐng)域展 開研究，并成功用于保時捷賽車和奧迪等少量高檔車型。隨后，美國橡樹嶺國家 實驗室與霍尼韋爾高級復合材料公司等企業(yè)開展合作，共同研制低成本的碳/陶 復合材料剎車片。

同時，法國、日本、韓國等也相繼在碳/陶剎車材料領(lǐng)域展開 研究，法國部分高速列車和日本新干線已經(jīng)使用碳/陶復合材料閘瓦。 碳/陶復合材料作為熱防護材料也有著廣泛的應(yīng)用。碳/陶復合材料的主要基 體成分碳化硅具有耐高溫、高強度、抗氧化、耐腐蝕、耐沖擊的優(yōu)點，能滿足 1,650℃高溫使用，可用于航天飛機的熱防護系統(tǒng)，沖壓發(fā)動機、航天器推進室 等部件和產(chǎn)品。在光伏和半導體領(lǐng)域，相比于現(xiàn)有純碳基的熱場部件，碳/陶復 合材料具有更好的抗硅蒸汽腐蝕能力，在碳/碳復合材料表面形成涂層，能有效 防護 SiO、Si等對碳纖維的侵蝕，大幅提高產(chǎn)品的使用壽命。

我國從 20 世紀 80 年代開始對作為航空航天結(jié)構(gòu)部件的碳/陶復合材料開展研究，并取得了較大進展；但作為制動摩擦材料，直到 21 世紀初期，國內(nèi)才開 始進行關(guān)注。目前，經(jīng)過科研創(chuàng)新與技術(shù)積累，國內(nèi)少數(shù)企業(yè)已經(jīng)具備了制備碳 /陶復合材料的相關(guān)技術(shù)和工藝，低成本、規(guī)?；闹苽涔に嚦蔀槟壳疤?陶復合 材料的研究重點和發(fā)展趨勢。