中國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)新材料叢書是中國材料研究會(huì)組織編寫的,被新聞出版廣電總局批準(zhǔn)為十二五國家重點(diǎn)出版物出版規(guī)劃項(xiàng)目。叢書共16分冊(cè),涵蓋了新型功能材料、高性能結(jié)構(gòu)材料、高性能纖維復(fù)合材料等16種重點(diǎn)發(fā)展材料。本分冊(cè)為《碳/碳復(fù)合材料》。本書在總結(jié)近年來國內(nèi)外相關(guān)研究與應(yīng)用開發(fā)成果的基礎(chǔ)上,基于作者團(tuán)隊(duì)的研究成果,系統(tǒng)論述了碳/碳復(fù)合材料的概念與特點(diǎn)、主要制造工藝、組織結(jié)構(gòu)與性能特征、抗氧化與抗燒蝕技術(shù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展背景及戰(zhàn)略意義、主要任務(wù)及應(yīng)對(duì)策略等。本書針對(duì)影響碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)難題與應(yīng)對(duì)策略,引用了大量的文獻(xiàn)資料,突出了該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和未來發(fā)展趨勢(shì)。本書內(nèi)容系統(tǒng)、先進(jìn),適合我國碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)相關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的科技工作者參考,也可作為高校材料專業(yè)教材,亦可供政府相關(guān)部門工作人員參考。
該叢書為國內(nèi)*部系統(tǒng)論述我國新材料發(fā)展戰(zhàn)略的系統(tǒng)性科技系列著作;中國材料研究學(xué)會(huì)組織編寫,各分冊(cè)作者均為國內(nèi)*專家;內(nèi)容突出新字,即:當(dāng)代新材料的新概念、新技術(shù)、新工藝、新成果、新應(yīng)用、新趨勢(shì)等,代表了全球新材料發(fā)展的主流。入選十二五國家重點(diǎn)出版物出版規(guī)劃項(xiàng)目,獲2016年度國家出版基金資助。
中國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)新材料叢書是中國材料研究學(xué)會(huì)組織編著的,被新聞出版廣電總局批準(zhǔn)為十二五國家重點(diǎn)出版物出版規(guī)劃項(xiàng)目。
根據(jù)國務(wù)院《關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》,新材料被列為我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。本叢書定位為:從戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的高度,著重論述新材料在國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)重大工程和項(xiàng)目中的地位和作用、技術(shù)基礎(chǔ)、新研究成果、應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展前景。其特點(diǎn)是體現(xiàn)一個(gè)新字,即在遵守國家有關(guān)保密規(guī)定的前提下論述當(dāng)代新材料的先進(jìn)的工藝和重要的性能。它代表當(dāng)代全球新材料發(fā)展主流,對(duì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的指導(dǎo)意義。叢書共16分冊(cè),涵蓋了新型功能材料、高性能結(jié)構(gòu)材料、高性能纖維復(fù)合材料等16種重點(diǎn)發(fā)展材料。本分冊(cè)為《碳/碳復(fù)合材料》。
碳/碳復(fù)合材料是以碳纖維為增強(qiáng)相的碳基復(fù)合材料,是目前極少數(shù)可在2 000 ℃以上保持較高力學(xué)性能的材料,它具有低比重、高比強(qiáng)、高比模、低熱膨脹系數(shù)、耐熱沖擊、耐燒蝕、耐含固體微粒燃?xì)鉀_刷等優(yōu)異性能,是新材料領(lǐng)域重點(diǎn)研究和開發(fā)的一類戰(zhàn)略性高技術(shù)材料。
碳/碳復(fù)合材料的傳統(tǒng)制備工藝主要包括樹脂/瀝青浸漬裂解和等溫化學(xué)氣相滲積。為提高該材料的致密化效率和性能,后續(xù)發(fā)展了熱梯度化學(xué)氣相滲積、限域變溫化學(xué)氣相滲積、液相氣化滲積等高效成型工藝。碳/碳復(fù)合材料的性能與其碳纖維預(yù)制體結(jié)構(gòu)、基體碳組織結(jié)構(gòu)(簡(jiǎn)稱基體碳織構(gòu))和界面結(jié)構(gòu)息息相關(guān),性能可設(shè)計(jì)性強(qiáng)。針對(duì)碳/碳復(fù)合材料高溫易氧化、抗燒蝕性能不足等高溫應(yīng)用的瓶頸問題,液相浸漬裂解超高溫陶瓷基體改性與包埋、化學(xué)氣相沉積、等離子噴涂等抗氧化涂層技術(shù)得到快速發(fā)展,近年來取得了顯著成果。
碳/碳復(fù)合材料在航空、航天、兵器及民用領(lǐng)域具有誘人的應(yīng)用前景,已用于航天戰(zhàn)略導(dǎo)彈端頭、空天飛行器頭錐、機(jī)翼前緣、熱結(jié)構(gòu)艙段,導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、擴(kuò)張段、喉襯及燒蝕環(huán)、防熱/隔熱部件,飛機(jī)制動(dòng)盤,兵器火箭彈喉襯、噴管等。在高溫爐發(fā)熱體、生長(zhǎng)單晶爐坩堝、高溫緊固件等民用領(lǐng)域業(yè)已應(yīng)用。近年來,國防科技的快速發(fā)展對(duì)低燒蝕抗氧化碳/碳復(fù)合材料提出了耐更高溫度、更高速度和更長(zhǎng)時(shí)間的極端要求,包括先進(jìn)航空航天器及其動(dòng)力系統(tǒng)研發(fā)的高溫構(gòu)件及多種高新武器裝備的關(guān)鍵部件,民用領(lǐng)域特種耐熱和耐磨部件升級(jí)換代也有迫切需求,在這些方面,還存在較多關(guān)鍵技術(shù)尚待突破。
本書所述觀點(diǎn)和結(jié)論主要基于作者團(tuán)隊(duì)近年來的研究成果,針對(duì)影響碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)難題與應(yīng)對(duì)策略,引用了大量的文獻(xiàn)資料,突出了該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和未來發(fā)展趨勢(shì)。全書共六章,第1章介紹了碳/碳復(fù)合材料的概念與特點(diǎn)、發(fā)展歷程和前景,第2章論述了碳/碳復(fù)合材料的主要制造工藝,第3章論述了碳/碳復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)與性能特征,第4章論述了碳/碳復(fù)合材料抗氧化與抗燒蝕技術(shù),第5章分析了碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展背景及戰(zhàn)略意義,第6章分析了我國碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要任務(wù)及應(yīng)對(duì)策略。
本書第1章由張磊磊(西北工業(yè)大學(xué))和李賀軍(西北工業(yè)大學(xué))編著,第2章由李偉(西北工業(yè)大學(xué))和李賀軍編著,第3章由盧錦花(西北工業(yè)大學(xué))和李賀軍編著,第4章由史小紅(西北工業(yè)大學(xué))編著,第5章由張雨雷(西北工業(yè)大學(xué))編著,第6章由付前剛(西北工業(yè)大學(xué))編著,全書由李賀軍統(tǒng)稿定稿。
本書在編著過程中得到多方面的幫助。首先要感謝作者所在團(tuán)隊(duì)同事們的大力支持;其次要感謝西北工業(yè)大學(xué)李克智教授、郭領(lǐng)軍教授、張守陽教授,他們?cè)诳寡趸篃g技術(shù)、碳/碳復(fù)合材料制備工藝、微觀結(jié)構(gòu)與性能等方面提供了大量數(shù)據(jù)和資料;后感謝國家出版基金、國家自然科學(xué)基金、凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題的資助。
因作者經(jīng)驗(yàn)和水平有限,書中的不妥之處在所難免,敬請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。
編著者
2017年6月
李賀軍,博士,教授,西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院院長(zhǎng),兼任超高溫復(fù)合材料國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任,陜西省碳/碳復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心主任。學(xué)術(shù)兼職包括:中國復(fù)合材料學(xué)會(huì)理事;中國材料研究學(xué)會(huì)理事;陜西省材料研究學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng);陜西省復(fù)合材料學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)。付前剛,博士,西北工業(yè)大學(xué)教授,2007年入選首屆翱翔之星人才計(jì)劃,現(xiàn)任中國硅酸鹽學(xué)會(huì)測(cè)試技術(shù)分會(huì)理事。
第1章概論1
1.1碳/碳復(fù)合材料的概念及發(fā)展歷程1
1.1.1碳/碳復(fù)合材料的概念1
1.1.2碳/碳復(fù)合材料的發(fā)展歷程1
1.2碳/碳復(fù)合材料的制備工藝、性能特點(diǎn)及應(yīng)用2
1.2.1碳/碳復(fù)合材料的制備工藝2
1.2.2碳/碳復(fù)合材料的性能特點(diǎn)7
1.2.3碳/碳復(fù)合材料的應(yīng)用7
1.3碳/碳復(fù)合材料發(fā)展前景展望9
1.3.1碳/碳復(fù)合材料目前存在的主要問題9
1.3.2碳/碳復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)10
參考文獻(xiàn)11
第2章碳/碳復(fù)合材料的制造工藝13
2.1碳纖維及預(yù)制體的選擇13
2.2碳/碳復(fù)合材料的液相浸漬碳化工藝16
2.3碳/碳復(fù)合材料的CVI工藝19
2.3.1沉積機(jī)理19
2.3.2沉積動(dòng)力學(xué)過程20
2.3.3熱解碳在孔隙內(nèi)的沉積21
2.3.4等溫CVI工藝25
2.3.5熱梯度CVI工藝30
2.3.6等溫壓力梯度CVI工藝37
2.3.7脈沖CVI工藝38
2.3.8強(qiáng)制流動(dòng)熱梯度CVI工藝41
2.3.9化學(xué)液相氣化滲積工藝45
2.3.10催化CVI工藝50
2.3.11小結(jié)與展望56
參考文獻(xiàn)56
第3章碳/碳復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)與性能60
3.1碳/碳復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)60
3.1.1基體碳的分類 60
3.1.2石墨和碳的晶體結(jié)構(gòu)61
3.1.3熱解碳的微觀結(jié)構(gòu)及分類63
3.1.4熱解碳織構(gòu)的表征65
3.2碳/碳復(fù)合材料的性能74
3.2.1影響碳/碳復(fù)合材料力學(xué)性能的因素74
3.2.2影響碳/碳復(fù)合材料熱性能的因素79
3.3碳/碳復(fù)合材料性能改進(jìn)的途徑85
3.3.1基體的改進(jìn)85
3.3.2碳纖維及預(yù)制體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)89
3.3.3界面改進(jìn)91
3.4碳/碳復(fù)合材料織構(gòu)和性能的研究發(fā)展趨勢(shì)93
參考文獻(xiàn)93
第4章碳/碳復(fù)合材料的抗氧化與抗燒蝕技術(shù)102
4.1碳/碳復(fù)合材料氧化和燒蝕過程102
4.1.1碳/碳復(fù)合材料氧化過程102
4.1.2碳/碳復(fù)合材料燒蝕過程103
4.2碳/碳復(fù)合材料熱防護(hù)技術(shù)106
4.2.1涂層技術(shù)107
4.2.2基體改性技術(shù)126
參考文獻(xiàn)135
第5章發(fā)展碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)背景及戰(zhàn)略意義145
5.1碳/碳復(fù)合材料在國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)重大工程和項(xiàng)目中的地位與作用145
5.1.1碳/碳復(fù)合材料在航天領(lǐng)域的地位與作用145
5.1.2碳/碳復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的地位與作用148
5.1.3碳/碳復(fù)合材料在其他民用領(lǐng)域的地位與作用151
5.2國外碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)152
5.2.1國外碳/碳復(fù)合材料在航天領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)154
5.2.2國外碳/碳復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)158
5.3我國碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)160
5.3.1我國碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀160
5.3.2我國碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)布局165
5.3.3我國碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的主要問題和挑戰(zhàn)167
參考文獻(xiàn)169
第6章發(fā)展我國碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的主要任務(wù)及應(yīng)對(duì)策略171
6.1突破我國碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的系列關(guān)鍵技術(shù) 171
6.1.1降低成本171
6.1.2提高性能穩(wěn)定性 172
6.1.3提高抗氧化抗燒蝕性能 173
6.1.4實(shí)現(xiàn)大批量制備能力174
6.1.5碳/碳復(fù)合材料性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)價(jià)體系與相關(guān)數(shù)據(jù)庫的建立175
6.2加強(qiáng)碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)品的升級(jí)換代
176
6.2.1喉襯燒蝕類碳/碳產(chǎn)品 176
6.2.2碳/碳制動(dòng)副 177
6.2.3碳/碳坩堝、發(fā)熱體等民用產(chǎn)品178
6.2.4航空航天高溫結(jié)構(gòu)碳/碳產(chǎn)品179
6.3進(jìn)一步提高我國碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化水平
179
6.3.1產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合是必由之路179
6.3.2提高碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化制造能力 180
6.3.3提高碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化市場(chǎng)開發(fā)能力 181
6.4培養(yǎng)碳/碳復(fù)合材料龍頭企業(yè)資源182
6.5實(shí)現(xiàn)碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈的可持續(xù)發(fā)展 183
參考文獻(xiàn)186