先進(jìn)固體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管材料應(yīng)用現(xiàn)狀課件

碳基復(fù)合材料在機(jī)械工程中的應(yīng)用碳基復(fù)合材料，及其性質(zhì)、用途碳基復(fù)合材料在各領(lǐng)域中的應(yīng)用碳基復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)與前景。碳基復(fù)合材料在機(jī)械工程中的應(yīng)用碳基復(fù)合材料，及其性質(zhì)、用途1

顧名思義，碳基復(fù)合材料就是以碳纖維(織物)或碳化硅等陶瓷纖維(織物)為增強(qiáng)體，以碳為基體的復(fù)合材料。碳基復(fù)合材料的定義顧名思義，碳基復(fù)合材料就是以碳纖維(織物)或碳化2碳基復(fù)合材料的簡(jiǎn)介碳/碳復(fù)合材料是六十年代發(fā)展起來(lái)約一種新型耐高溫材料，它是由增強(qiáng)碳和基體碳所組成的多相材料。增強(qiáng)碳可以是不同類型的碳(或石墨)纖維及其織物。在碳/碳復(fù)合材料中起著骨架和增強(qiáng)劑的作用。基體碳起粘接作用，目前的基體碳可以是樹(shù)脂碳、瀝青碳和沉積碳。碳/碳復(fù)合材料目前在國(guó)外已經(jīng)被公認(rèn)是高級(jí)載入飛行器鼻錐和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴營(yíng)等關(guān)鍵部位最理想的耐燒蝕、防熱材料。碳/碳復(fù)合材料的工程應(yīng)用也日趨成熟?，F(xiàn)己用于美國(guó)民兵Ⅲ洲際導(dǎo)彈彈頭，全碳/碳化的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管也成功地通過(guò)了試驗(yàn)。碳基復(fù)合材料的簡(jiǎn)介碳/碳復(fù)合材料是六十年代發(fā)3碳基復(fù)合材料的性質(zhì)比重??；化學(xué)穩(wěn)定性高；耐熱性好（非氧化性氣氛）；導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好；耐腐蝕性好。碳基復(fù)合材料的性質(zhì)比重小；4碳基復(fù)合材料的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)高溫形狀穩(wěn)定升華溫度高燒蝕凹陷低平行于增強(qiáng)方向具有高強(qiáng)度和高剛度在高溫條件下的強(qiáng)度和剛度可保持不變抗熱應(yīng)力抗熱沖擊力學(xué)性能為假塑性抗裂紋傳播非脆性破壞衰弱脈沖化學(xué)惰性重量輕抗輻射性能可調(diào)整原材料為非戰(zhàn)略材料易制造和加工材料：非軸向性能差

破壞應(yīng)變低

空洞含量高

洞分布不均勻

纖維與基體結(jié)合差

導(dǎo)熱系數(shù)高

抗氧化能力差

抗顆粒浸蝕性差

成本高加工：制造加工周期長(zhǎng)可還原性差設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)與工程性能受限制

缺乏破壞準(zhǔn)則

設(shè)計(jì)方法復(fù)雜

環(huán)境特征曲線復(fù)雜

各向異性

尚無(wú)較好的非破壞檢驗(yàn)方法

使用經(jīng)驗(yàn)不足

鏈接與接頭困難碳基復(fù)合材料的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)高溫形狀穩(wěn)定材料：非軸向性5碳基復(fù)合材料的應(yīng)用

航天技術(shù)方面在航天飛機(jī)機(jī)翼和尾翼的前緣由于使用了碳/碳材料．大大地減輕了航天飛機(jī)的重量。全碳/碳化固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管是今后的發(fā)展方向。碳/碳材料還可以制作液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴喉。在衛(wèi)星和飛船上還大量地用碳/碳材料制作熱防護(hù)罩，航空工業(yè)方面英、美、法等國(guó)家制造的碳/碳剎車盤(pán)，為飛機(jī)提供了磨擦制動(dòng)，能控制飛機(jī)在地面運(yùn)動(dòng)的方向和速度。碳/碳剎車盤(pán)不僅用于高性能的軍用飛機(jī)，并已投入民用航線使用，如：協(xié)和號(hào)飛機(jī)。這種剎車盤(pán)比鋼剎車盤(pán)強(qiáng)度高，剛性好，可以節(jié)省約50%的重量，操作安靜，著陸次數(shù)可提高5-6倍。在醫(yī)療上的應(yīng)用已經(jīng)用碳/碳復(fù)合材料制成了人工心瓣膜。碳基復(fù)合材料的應(yīng)用航天技術(shù)方面6

碳基復(fù)合材料在各領(lǐng)域中的應(yīng)用碳/碳復(fù)合材料是一種新型高溫材料,具有重量輕、模量高、比強(qiáng)度大、熱膨脹系數(shù)低、耐高溫、耐熱沖擊、耐腐蝕、吸振性好等一系列優(yōu)異性能。該材料的密度不到2.0g/cm3,僅為鎳基高溫合金的1/4,陶瓷材料的1/2,尤其是這種材料隨著溫度升高(可達(dá)2200℃)其強(qiáng)度不僅不降低,甚至比室溫還高,這是其它材料所無(wú)法比擬的獨(dú)特的性能。碳/碳復(fù)合材料的研制工作，可追溯到20世紀(jì)60年代初。1961年在日本首先用聚丙烯腈（PAN）原絲制成高性能碳纖維。1963年英國(guó)的研究人員發(fā)明用牽引法提高纖維結(jié)構(gòu)的取向，進(jìn)一步提高了碳纖維的強(qiáng)度和彈性模量。到60年代末，提高碳纖維性能和生產(chǎn)效率的辦法日趨完善。高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度、高模量和高強(qiáng)中模量的碳纖維形成規(guī)模生產(chǎn)并開(kāi)始商品化。碳基復(fù)合材料在各領(lǐng)域中的應(yīng)用碳/碳復(fù)7碳纖維年耗量(2004年10月德國(guó)漢堡國(guó)際碳纖維會(huì)議)碳纖維年耗量(2004年10月德國(guó)漢堡國(guó)際碳纖維會(huì)議)8近年來(lái),美、俄、法等國(guó)家又開(kāi)發(fā)了許多混雜其它材料的新型碳/碳材料,以滿足不同的特殊使用要求：

在碳/碳材料中混入Si3N4、SiC、TiC、TaO、TaC等粉末,以提高碳/碳材料抗粒子侵蝕性能。更新的彈頭鼻錐防熱材料是針刺細(xì)編織物在穿刺或編織過(guò)程中加入改進(jìn)性能的組分,如耐熔金屬絲、耐侵蝕粒子等,這樣可大大改進(jìn)抗粒子侵蝕性能,達(dá)到“全天候”的目的。此外,四向或更多向碳基復(fù)合材料也是研制發(fā)展的方向,由于采用了交錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和增加了增強(qiáng)方向數(shù),不僅增加了各向同性、提高了抗侵蝕能力,也改進(jìn)了耐燒蝕性。近年來(lái),美、俄、法等國(guó)家又開(kāi)發(fā)了許多混雜91.航天航空

航空領(lǐng)域的材料體系更強(qiáng)調(diào)性能與可靠性的綜合,先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用不僅具有減重的效益,而且還使飛機(jī)結(jié)構(gòu)的其他性能得到提升。例如復(fù)合材料的氣動(dòng)剪裁技術(shù)可顯著提高結(jié)構(gòu)效率;整體成形技術(shù)可有效減少連接,提高結(jié)構(gòu)可靠性,降成本;復(fù)合材料耐腐蝕抗疲勞特點(diǎn)可降低維護(hù)成本。隨著新一代航空航天器向高超聲速方向的發(fā)展,苛刻的超高溫服役環(huán)境對(duì)材料及結(jié)構(gòu)的承載與防熱提出了嚴(yán)峻考驗(yàn),碳/碳復(fù)合材料是適應(yīng)這種需求的重要候選材料。碳/碳復(fù)合材料從碳纖維增強(qiáng)相結(jié)構(gòu)可分為碳?xì)諧/C和多向編織C/C復(fù)合材料。作為一種新型戰(zhàn)略材料,在美、俄、法、英、日等國(guó)家,其研制發(fā)展主要由空軍、海軍或政府預(yù)算中給予支持,因此,碳/碳復(fù)合材料的國(guó)防專用性和強(qiáng)烈的軍事背景使其研制和使用具有高度的機(jī)密性。碳基防熱復(fù)合材料主要用于燒蝕防熱和熱結(jié)構(gòu),較好地解決了輕質(zhì)化、抗熱震、耐侵蝕等技術(shù)難題。1.航天航空航空領(lǐng)域的材料體系更強(qiáng)調(diào)性能與10圖復(fù)合材料在民機(jī)上的應(yīng)用國(guó)外自1980年的F-18軍機(jī)開(kāi)始,最新研究的殲擊機(jī)全部采用復(fù)合材料機(jī)翼,而且在機(jī)身上也大量采用先進(jìn)復(fù)合材料,占結(jié)構(gòu)重量的25%～50%。如第四代機(jī)中的F22復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)重量的25%,法國(guó)Rafale占40%,瑞典JAS39占30%,歐洲EF2000則大于40%,美國(guó)的殺手锏武器B2轟炸機(jī)占50%。民機(jī)上的復(fù)合材料用量也有大幅度提高。波音B777共用復(fù)合材料9.9噸,占結(jié)構(gòu)總重的11%;“夢(mèng)想飛機(jī)”B787用復(fù)合材料將達(dá)50%;A380大型客機(jī)可容納乘客500～650人,僅碳纖維復(fù)合材料用量就達(dá)32噸左右,加上其他各種復(fù)合材料,總用量在25%左右,開(kāi)創(chuàng)了大型民機(jī)大量使用復(fù)合材料的先河。圖復(fù)合材料在民機(jī)上的應(yīng)用國(guó)外自198111.1碳/碳復(fù)合材料剎車盤(pán)減重方面：從宏觀上分析,碳/碳復(fù)合材料剎車盤(pán)的優(yōu)越之處主要源于其本身密度小,耐高溫的特點(diǎn),由于其密度小、使用碳/碳盤(pán)后可以使每架飛機(jī)重量大大減輕。如：空中客車A310減重499kg,A300-600減重590kg,A330及A340減重998kg，麥道公司的MD-11減重900kg。優(yōu)異的高溫性能：一架飛機(jī)剎車摩擦引起的溫升高達(dá)500℃以上,尤其是最苛刻的起飛緊急剎車引起的溫升超過(guò)1000℃,一架波音747-400的剎車系統(tǒng)在起飛中緊急剎車時(shí)會(huì)產(chǎn)生1.75×108kgm的功,一些剎車元件將達(dá)到熔點(diǎn),此時(shí)碳/碳材料的耐高溫性能就顯示了極大的優(yōu)越性。1.1碳/碳復(fù)合材料剎車盤(pán)減重方面：12就微觀結(jié)構(gòu)而言,石墨晶體屬于層狀結(jié)構(gòu),碳原子排列于一系列相距較遠(yuǎn)(0.3414nm)的原子面上,在各層面上的碳原子按正六角形排列,原子在同層之內(nèi)的結(jié)合力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于層間結(jié)合力,鄰層之間的結(jié)合鍵能明顯較低,容易滑移,摩擦阻力小,而薄片層內(nèi)的碳原子在滑動(dòng)時(shí)卻不會(huì)潰散,有較大的承載能力。同時(shí)碳/碳材料又不屬于純石墨結(jié)構(gòu),碳/碳復(fù)合材料中碳纖維和熱解碳的微觀組織屬于亂層石墨結(jié)構(gòu),因而摩擦系數(shù)比石墨高。碳纖維一方面起著增強(qiáng)基體的作用,使剎車盤(pán)具有足夠的強(qiáng)度和剛度,同時(shí)由于其石墨化度不高,提高了摩擦系數(shù),因此通過(guò)調(diào)整碳/碳材料碳纖維的體積含量可以得到既有足夠強(qiáng)度又有適中摩擦系數(shù)的碳/碳盤(pán),通過(guò)改變基體熱解碳的石墨化度還可以進(jìn)一步改善其摩擦磨損性能。從而使碳/碳剎車盤(pán)具有合適的摩擦系數(shù)和很好的耐磨性。采用碳/碳盤(pán)后更換周期大幅度延長(zhǎng),一個(gè)周期可達(dá)到1500～3000個(gè)起落,壽命提高5～6倍就微觀結(jié)構(gòu)而言,石墨晶體屬于層狀結(jié)構(gòu),13國(guó)外現(xiàn)狀目前世界上已有60余種飛機(jī)采用了碳/碳剎車裝置。歐美公司生產(chǎn)的民航飛機(jī)的剎車系統(tǒng)已逐漸用碳/碳盤(pán)取代鋼盤(pán),如空中客車公司的所有飛機(jī)都采用了碳/碳剎車裝置。美國(guó)從事航空機(jī)輪和碳剎車裝置的專業(yè)公司：Hitco、聯(lián)信公司的Bendix公司、ABS、B.F.Goodrich以及碳化硅公司、聯(lián)合碳化物公司等。法國(guó)研制碳/碳剎車裝置的：歐洲動(dòng)力裝置公司、米西爾-西班牙-畢加第公司、洛林碳業(yè)公司、國(guó)營(yíng)宇航公司、化物公司等。日本從事碳/碳剎車材料研制工作的：萱場(chǎng)工業(yè)公司、東邦貝斯綸公司和東京工業(yè)材料研究所等。英國(guó)主要研制和生產(chǎn)碳/碳剎車裝置的公司：鄧祿普公司等。國(guó)外現(xiàn)狀目前世界上已有60余種飛機(jī)采用了碳14國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀我國(guó)從70年代初開(kāi)始研制碳/碳剎車裝置,先后參與此項(xiàng)工作的有：蘭州碳素廠、514廠、上海碳素廠、煙臺(tái)冶金新材料研究所、西北工業(yè)大學(xué)等。其中采用的工藝方法主要為CVD法，在致密化工藝、增強(qiáng)體準(zhǔn)備、性能控制等方面,取得了一些成績(jī)。研制出了某型飛機(jī)碳/碳盤(pán)樣件、BAe146碳/碳盤(pán)樣件、碳/碳盤(pán)的縮比件。并進(jìn)行了性能及結(jié)構(gòu)方面的研究,尤其在摩擦磨損機(jī)理、石墨化度的影響及提高石墨化度的方法等方面進(jìn)行了較深入的探討,提出了高摩擦性能碳/碳材料的模型。國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀15

1.2碳/碳復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)熱端隨航空事業(yè)的發(fā)展,對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比有越來(lái)越高的要求,而提高新型發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的關(guān)鍵是提高熱效率,其實(shí)現(xiàn)辦法是提高空氣壓縮比和提高渦輪進(jìn)氣溫度。因此,航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)氣溫度將會(huì)有更大的提高,這就對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的材料提出了越來(lái)越高的要求,能夠在1600～2000℃高溫下正常工作的材料只有碳/碳復(fù)合材料。

特殊功能:(1)在1600℃以上仍能保持強(qiáng)度不降低;(2)減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量,提高推重比;(3)減少冷空氣消耗,提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率;(4)提高工作溫度,提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。1.2碳/碳復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)熱端隨航空事16國(guó)外現(xiàn)狀近幾年來(lái),世界各發(fā)達(dá)國(guó)家正在把碳/碳復(fù)合材料逐步應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件上美國(guó)已把這種材料用在F100飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴和加力燃燒室噴管上;Hitco公司已制成了魚(yú)鱗片;LTV公司制造出了渦輪葉片和盤(pán)整體部件,并在1760℃溫度下進(jìn)行了地面超轉(zhuǎn)試驗(yàn);通用電氣公司JID驗(yàn)證機(jī)低壓渦輪部分用碳/碳材料制造出渦輪葉片和盤(pán)整體部件,運(yùn)轉(zhuǎn)溫度1649℃,比一般渦輪高出555℃,而且不用氣冷,已試驗(yàn)成功；法國(guó)、德國(guó)、俄羅斯也已分別制造出燃燒室噴油桿,渦輪轉(zhuǎn)子外環(huán)等零件。國(guó)外現(xiàn)狀近幾年來(lái),世界各發(fā)達(dá)國(guó)家正在把碳/碳復(fù)合材料逐步17近幾年來(lái)西北工業(yè)大學(xué)開(kāi)展了一些研究工作,主要進(jìn)展有以下幾個(gè)方面:(1)針對(duì)碳/碳復(fù)合材料生產(chǎn)周期長(zhǎng)、工藝難度大、成本居高不下的問(wèn)題,開(kāi)發(fā)了兩種新的成形工藝法,即超高壓成形工藝和快速氣相沉積工藝,(2)為解決碳/碳材料的氧化問(wèn)題,通過(guò)在基體中添加的SiO2、ZrO2,Al2O3等,研究了基體改性對(duì)抗氧化的影響(3)在超高溫性能測(cè)試及評(píng)價(jià)方面,已研究了單向碳/碳復(fù)合材料在1900～2300℃的持久強(qiáng)度和蠕變特征,(4)在應(yīng)用研究方面,制備出了微型發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管、葉片樣件、高溫保護(hù)套管等，研究了多種制件的成形工藝方法。國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀近幾年來(lái)西北工業(yè)大學(xué)開(kāi)展了一些研究工作,主要進(jìn)展有以下幾個(gè)182.火箭發(fā)動(dòng)機(jī)碳纖維復(fù)合材料制造的殼體具有強(qiáng)度高、剛度大、尺寸穩(wěn)定等特點(diǎn)，因此，碳纖維復(fù)合材料可用于新型陸基機(jī)動(dòng)同體洲際導(dǎo)彈一、二、三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、新一代中程地地戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上主要用作推力室噴管材料,一是用作固定的噴管延伸段,二是用作可移動(dòng)的噴管延伸段(可延伸噴管)。除此之外,小推力室也可整體用這種材料制造。固體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管屬于非冷卻型,工作環(huán)境極其惡劣。特別是喉部的高溫、高壓二相流燃?xì)獾臋C(jī)械沖刷、化學(xué)侵蝕和熱沖擊十分嚴(yán)厲,材料選擇是現(xiàn)代固體火箭推進(jìn)的重大關(guān)鍵技術(shù)。

早期的噴管多使用復(fù)合型結(jié)構(gòu),即以金屬或高強(qiáng)度玻璃鋼為結(jié)構(gòu)材料,高熔點(diǎn)金屬或優(yōu)質(zhì)石墨為耐熱—吸熱材料,燒蝕型增強(qiáng)塑料為絕熱材料。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,配合界面多,質(zhì)量大,工藝周期長(zhǎng),也增加了不可靠度。80年代以來(lái),發(fā)展高性能固體發(fā)動(dòng)機(jī)的主攻方向由“高能”轉(zhuǎn)向“輕質(zhì)、可控”,,高性能發(fā)動(dòng)機(jī)噴管沖質(zhì)比要求已達(dá)到150000N·s/kg以上。正是性能優(yōu)異的多向編織碳/碳材料的涌現(xiàn),從根本上解決了這個(gè)矛盾,實(shí)現(xiàn)了噴管技術(shù)的飛躍。2.火箭發(fā)動(dòng)機(jī)碳纖維復(fù)合材料制造的殼體具有19先

進(jìn)

固

體

發(fā)

動(dòng)

機(jī)

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材

料

應(yīng)

用先

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料

應(yīng)

用20現(xiàn)狀：隨著航空航天飛行器各項(xiàng)陛能的不斷提高，對(duì)結(jié)構(gòu)件所用材料的要求也越來(lái)越高。

國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)殼體目前的主要應(yīng)用方向是采用碳纖維纏繞殼體，使發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量比有較大提高。而國(guó)內(nèi)目前尚沒(méi)有碳纖維纏繞的固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，所用樹(shù)脂基體的耐熱性也不高，殼體外層的熱防護(hù)涂層也增加了殼體的消極質(zhì)量。為此應(yīng)給予經(jīng)費(fèi)支持，盡快開(kāi)展高性能耐熱基體材料、高性能碳纖維在固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上的應(yīng)用等方面的研究，早日實(shí)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料同體發(fā)動(dòng)機(jī)白防熱殼體的應(yīng)用，提高武器系統(tǒng)的綜合性能?，F(xiàn)狀：隨著航空航天飛行器各項(xiàng)陛能的不斷提213.其它：①釣魚(yú)桿現(xiàn)年產(chǎn)量約1200萬(wàn)只，年碳纖維用量1200t；②高爾夫球桿隨著輕量化和長(zhǎng)尺寸化的要求，現(xiàn)已占碳纖維體育用品用途的50％，年碳纖維用量為2000t；③網(wǎng)球拍的年市場(chǎng)規(guī)模約為450萬(wàn)只，年碳纖維用量約500t；④人造衛(wèi)星結(jié)構(gòu)體、太陽(yáng)能電池板和天線要用高模碳纖維，先進(jìn)的運(yùn)載火箭和導(dǎo)彈殼體、發(fā)射筒等要用800H和T300碳纖維等；⑤土木建筑領(lǐng)域，已用于補(bǔ)修加工用片材、建筑部件、代鋼筋材料、屋頂構(gòu)架材料等；⑥能源領(lǐng)域，已用于汽車的壓縮天然氣罐和風(fēng)車葉片(長(zhǎng)達(dá)30-40m)、海底油田管道、升降機(jī)等；⑦交通運(yùn)輸方面，已應(yīng)用于賽車、汽車傳動(dòng)軸、大型卡車車體等；⑨電子電器領(lǐng)域，已應(yīng)用于增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂的擠出成型品，如抗靜電IC盤(pán)、筆記本電腦的筐體，具有電磁波屏蔽效果；⑧還有X-射線盒、醫(yī)用床板、印刷、制膜、造紙等用的各種滾軸、空氣或氧氣呼吸用壓力容器等等。3.其它：①釣魚(yú)桿現(xiàn)年產(chǎn)量約1200萬(wàn)只，年碳纖維用量12022碳基復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)與前景航空領(lǐng)域電化學(xué)方面電子器件方面簡(jiǎn)述總體情況碳基復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)與前景航空領(lǐng)域23航空領(lǐng)域的發(fā)展與前景隨著航空、航天及國(guó)防事業(yè)的發(fā)展,對(duì)材料的要求不斷提高,其服役條件越來(lái)越苛刻,材料在極端環(huán)境下的行為研究對(duì)軍用先進(jìn)材料的發(fā)展和武器裝備性能提高的影響也越來(lái)越突出。碳基復(fù)合材料的輕質(zhì)、高比強(qiáng)、高比模和耐超高溫等一系列優(yōu)異的綜合性能,賦予這類材料在航空航天領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)地位。航空領(lǐng)域的發(fā)展與前景隨著航空、航天及國(guó)防事業(yè)的發(fā)展24目前,美國(guó)、俄羅斯等國(guó)都把以碳基復(fù)合材料為代表的先進(jìn)功能結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于導(dǎo)彈、航天飛機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)以及飛機(jī)的制動(dòng)器方面隨著現(xiàn)代無(wú)線電技術(shù)和雷達(dá)探測(cè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，軍事防御系統(tǒng)對(duì)武器裝備的隱身能力提出越來(lái)越高的要求。微波吸收材料作為一種重要的軍事隱身功能材料，其發(fā)展引起廣泛的關(guān)注。由于傳統(tǒng)型吸波材料密度大、吸收頻帶窄，使其應(yīng)用受到限制，因此新型吸波材料的開(kāi)發(fā)成為主要的研究方向目前,美國(guó)、俄羅斯等國(guó)都把以碳基復(fù)合材料為代表的先進(jìn)功能25碳纖維復(fù)合材料主要是以滿足航空航天對(duì)高性能材料的要求而發(fā)展起來(lái)的。隨著碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)異性能越來(lái)越多地被認(rèn)識(shí)和接受，其在能源、交通、汽車、海洋、建筑及其他工業(yè)部門(mén)的應(yīng)用近年來(lái)在快速地發(fā)展。根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格的不同，碳纖維目前被劃分為宇航級(jí)和工業(yè)級(jí)兩類，亦稱為小絲束和大絲束。宇航級(jí)碳纖維為小絲束碳纖維，主要應(yīng)用于國(guó)防軍工和高技術(shù)，以及體育休閑用品等。工業(yè)級(jí)碳纖維應(yīng)用于紡織、醫(yī)藥衛(wèi)生、機(jī)電、土木建筑、交通運(yùn)輸和能源等民用工業(yè)。碳纖維復(fù)合材料主要是以滿足航空航天對(duì)高性能材26電化學(xué)傳感器催化劑材料及載體超級(jí)電容電池材料電化學(xué)方面的發(fā)展與前景

由于石墨烯具有非常高的電導(dǎo)率、以及高的比表面積使其在傳感器、催化劑材料及載體、以及超級(jí)電容等器件中擁有巨大的應(yīng)用潛力。

電化學(xué)傳感器催化劑材料及載體超級(jí)電容電池材料電化學(xué)方面的發(fā)展27傳感器

石墨烯的表面可以吸附氣體分子，由于不同的氣體分子可以作為電子的受體也可以為電子的給體，所以氣體分子的吸附將影響石墨烯的載流子濃度，引起石墨烯電導(dǎo)率的變化?；谑┑膫鞲衅骺梢愿叨让舾械姆磻?yīng)出氣體分子的吸附與脫附，甚至可實(shí)現(xiàn)單分子級(jí)別的探測(cè)[[69-72]。石墨烯還被證明在其他傳感器中有良好的表現(xiàn)。傳感器石墨烯的表面可以吸附氣體分子，由于不同的氣體分子28催化劑材料及載體

如石墨烯與金的復(fù)合材料在氧還原的過(guò)程中顯示出了較好的電催化性能[[60];做為燃料電池中甲醇催化氧化常用的催化材料Pt,Pd等材料負(fù)載到石墨烯上也表現(xiàn)出優(yōu)秀的催化能力[[76,so,si]，而H.YLi等人使用磷鋁酸修飾石墨烯負(fù)載Pt/Ru納米顆粒更是獲得比單獨(dú)石墨烯負(fù)載Pt/Ru納米顆粒更好的催化活性及電化學(xué)穩(wěn)定性fszl0因?yàn)閾碛写蟮谋缺砻娣e，以及化學(xué)、電化學(xué)上的穩(wěn)定性，碳材料經(jīng)常會(huì)被用于催化劑材料的載體。而相比其他碳材料，石墨烯具有更大的比表面積，理論值達(dá)到2630m2/g，同時(shí)還具有更優(yōu)異的電荷傳輸能力，所以研究人員以石墨烯為催化劑載體展開(kāi)了大量的研究。目前很多納米材料如Pt}Pd}Au等等已成功的負(fù)載在石墨烯上，并已證明這些復(fù)合材料表現(xiàn)出了良好的催化活性和電化學(xué)響應(yīng)[[60,76-79]。

由于石墨烯超大的比表面積，不僅可以成為催化材料的載體，還可以成為藥物的載體。

催化劑材料及載體如石墨烯與金的復(fù)合材料在氧還原的過(guò)程中顯示29

超級(jí)電容

雖然超級(jí)電容器件的能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通電容，但卻仍低于電池，所以為提高超級(jí)電容的性能，人們一直在努力尋找更好的電極材料。而經(jīng)過(guò)對(duì)石墨烯材料應(yīng)用于超級(jí)電容研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯及其復(fù)合材料在超級(jí)電容中也表現(xiàn)出了良好的性能。石墨烯與聚苯胺的復(fù)合材料的容量達(dá)到233Fg1，而石墨烯與Ni(OH)z復(fù)合材料的容量更是達(dá)到了1335Fg1超級(jí)電容雖然超級(jí)電容器件的能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通電容，30電池材料

目前商用的電極中最常用的正極材料是石墨，雖然石墨在鏗離子的嵌入與脫嵌中有良好的性能，但是較低的比容量使得最終整個(gè)電池的性能受到了限制[99]。由于優(yōu)異的導(dǎo)電能力，高的比表面積，及化學(xué)穩(wěn)定性，人們使用石墨烯或基于石墨烯的復(fù)合材料作為正極材料已經(jīng)做了大量的研究。Honma0等人使用石墨烯，石墨烯/碳納米管，石墨烯/富勒烯分別作為正極材料研究了電池性能[[1oa]。經(jīng)測(cè)試得到石墨烯的比容量達(dá)到540mAhg1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石墨。而添加了碳納米管和富勒烯的復(fù)合材料更是增大到了730和784mAhg“1。隨后的研究中人們發(fā)現(xiàn)石墨烯與金屬氧化物的復(fù)合材料可以獲得更好的電池性能，如石墨烯與Fe30;的復(fù)合材料最終可以達(dá)到1026mAhg。電池材料目前商用的電極中最常用的正極材料是石墨，雖然石墨31電子器件方面的發(fā)展與前景光電器件納米電子器件電子器件方面的發(fā)展與前景光電器件納米電子器件32光電器件由于擁有非常高的電導(dǎo)率，載流子遷移率以及在可見(jiàn)光范圍內(nèi)高的光學(xué)透過(guò)性，以石墨烯制備透明導(dǎo)電薄膜在光電器件中擁有令人期待的應(yīng)用前景，尤其是石墨烯可以制備出柔性薄膜，使其更可以應(yīng)用于柔性光電器件之中。目前已有多種基于石墨烯薄膜的光電器件被制備與研究，如斯坦福大學(xué)J.B.Wu等人通過(guò)高溫退火氧化石墨的方法制備出石墨烯導(dǎo)電薄膜，并以此為電極成功制備出性能接近于商用ITO電極的有機(jī)發(fā)光器件(OLED)C.H.Lee等人制備了基于無(wú)機(jī)納米結(jié)構(gòu)的柔性LED發(fā)光器件;S.K.Bae等人制備出了30英寸的基于石墨烯透明導(dǎo)電薄膜的觸摸屏。另外，報(bào)道顯示目前{IBM}Nokia}Samsung等多家公司都開(kāi)展了石墨烯相關(guān)的項(xiàng)目研究。國(guó)內(nèi)也在石墨烯的相關(guān)應(yīng)用研究中取得巨大進(jìn)展，2012年1月8日，江南石墨烯研究院、常州二維碳素科技有限公司、無(wú)錫麗格光電科技有限公司、深圳力合光電傳感器技術(shù)有限公司聯(lián)合發(fā)布研制成功全球首款手機(jī)用石墨烯電容式觸摸屏。光電器件由于擁有非常高的電導(dǎo)率，載流子遷移率以及在可見(jiàn)33納米電子器件石墨烯在室溫下的電子遷移率是商用硅片的10倍，并且受環(huán)境變化的影響很小，被認(rèn)為是替代硅用以制備下一代納米電子器件的極佳材料。但是石墨烯用作晶體管面臨著兩個(gè)重要的問(wèn)題，一個(gè)是石墨烯是零帶隙半導(dǎo)體，缺乏帶隙，另一個(gè)是一般方法制備出的石墨烯由于會(huì)主動(dòng)吸附空氣中的氧和水使得石墨烯基本都呈現(xiàn)為P型。為了在石墨烯中引入能帶，人們已經(jīng)找到了許多方法，如襯底與石墨烯的相互作用或?qū)⑹┲苽錇榧{米帶等等[[93-96]，還有一種常用的方法就是在石墨烯的內(nèi)部或者邊緣摻雜、引入特定的原子或基團(tuán)。目前N型摻雜的石墨烯的場(chǎng)效應(yīng)晶體管己經(jīng)被多個(gè)小組制備并研究，如通過(guò)石墨烯納米帶的電化學(xué)反應(yīng)或者高溫在氨氣中退火氧化石墨獲得N摻雜石墨烯，從而實(shí)現(xiàn)了N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備。納米電子器件石墨烯在室溫下的電子遷移率是商用硅片的10倍，34簡(jiǎn)述總體情況碳纖維復(fù)合材料國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)在碳纖維復(fù)合材料研制中，關(guān)鍵是高性能碳纖維，它是制約先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料發(fā)展的瓶頸。但在一步步解決。應(yīng)用范圍從少數(shù)高科技領(lǐng)域、軍事部門(mén)發(fā)展到整個(gè)工業(yè)民用的各個(gè)部門(mén)。復(fù)合材料具有多種優(yōu)良性能，但居高不下的成本仍然是制約其廣泛應(yīng)的主要原因。進(jìn)入21世紀(jì)后，復(fù)合材料的市場(chǎng)需求急劇上升，而成本問(wèn)題也就更為突出，為了應(yīng)對(duì)這一局面，各國(guó)都采取了相應(yīng)的措施和策略，由過(guò)去的性能優(yōu)先向重視性能成本的折中平衡轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)低成本化而又不犧牲復(fù)合材料的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)。因而低成本技術(shù)已成為復(fù)合材料發(fā)展的重要趨勢(shì)。低成本技術(shù)涉及原材料、成型、加工制造以及使用保障等方面，而低成本成型技術(shù)直接關(guān)系到復(fù)合材料的發(fā)展。簡(jiǎn)述總體情況碳纖維復(fù)合材料國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)35國(guó)外碳發(fā)展趨勢(shì)及趨勢(shì)

全球碳纖維供不應(yīng)求，為了應(yīng)對(duì)供應(yīng)緊張的局面，世界碳纖維生產(chǎn)巨頭都提出了雄心勃勃的增產(chǎn)計(jì)劃。日本東麗集團(tuán)公司最近宣布，將投入160億日元在愛(ài)媛工廠擴(kuò)建工業(yè)用碳纖維生產(chǎn)線。三菱麗陽(yáng)公司近日也宣布，為了擴(kuò)大碳纖維的生產(chǎn)能力，將對(duì)廣島縣大竹市的大竹事業(yè)所投資約120億日元。

除了上述公司之外，西格里集團(tuán)作為歐洲惟一一家能夠供應(yīng)碳纖維原絲、獨(dú)立擁有碳纖維研發(fā)技術(shù)，并擁有從原材料到復(fù)合成品完整增值產(chǎn)業(yè)鏈的供應(yīng)商，將其核心競(jìng)爭(zhēng)力定位于高溫技術(shù)、碳化和石墨化技術(shù)。它將擴(kuò)大美國(guó)的生產(chǎn)基地，在德國(guó)梅亭根新建一個(gè)生產(chǎn)基地，建立全球碳纖維技術(shù)與創(chuàng)新中心。整個(gè)計(jì)劃在五年內(nèi)需投資約3億歐元。國(guó)外碳發(fā)展趨勢(shì)及趨勢(shì)全球碳纖維供不應(yīng)求，為了36在歐洲，低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在運(yùn)輸機(jī)主翼上的適用性研究進(jìn)入最終階段；在美國(guó)，空軍NASA制定了各種計(jì)劃，其中有代表性的計(jì)劃是ACT計(jì)劃，其開(kāi)發(fā)目標(biāo)是相對(duì)于現(xiàn)有鋁結(jié)構(gòu)成本降低25%，該目標(biāo)非常之高。

西歐、美國(guó)和日本在家居用品方面，復(fù)合材料的用量在過(guò)去的20年間也有很大的增長(zhǎng)，而在中國(guó)，大規(guī)模地采用復(fù)合材料成品的市場(chǎng)還有待于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。在歐洲，低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在運(yùn)輸機(jī)主翼上的適37我國(guó)從20世紀(jì)60年代后期開(kāi)始研制碳纖維，歷經(jīng)40多年的發(fā)展歷程。由于國(guó)外嚴(yán)格控制封鎖，制約了我國(guó)碳纖維工業(yè)的發(fā)展，與國(guó)外相比有很大差距。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，碳纖維需求與日俱增，雖然國(guó)際上一些公司T300級(jí)原絲和碳纖維產(chǎn)品對(duì)我國(guó)開(kāi)始解凍，但碳纖維及其復(fù)合材料的生產(chǎn)關(guān)系到國(guó)防建設(shè)，必須立足國(guó)內(nèi)。研制生產(chǎn)高性能、高質(zhì)量的碳纖維，以滿足軍工和民用產(chǎn)品的需求，扭轉(zhuǎn)大量進(jìn)口的局面，是我國(guó)碳纖維工業(yè)發(fā)展亟待解決的問(wèn)題。

碳纖維已被列為國(guó)家化纖行業(yè)重點(diǎn)扶持的新產(chǎn)品。在國(guó)家政策的重點(diǎn)扶持下，國(guó)內(nèi)碳纖維的研究開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)呈現(xiàn)出令人鼓舞的發(fā)展趨勢(shì)。

國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)我國(guó)從20世紀(jì)60年代后期開(kāi)始研制碳38參考文獻(xiàn)：【1】杜善義，先進(jìn)復(fù)合材料與航空航天，2007，（2）【2】李賀軍、羅瑞盈、楊崢(西北工業(yè)大學(xué))，碳/碳復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，1997【3】張曉虎、孟宇、張煒（中國(guó)航天科技集團(tuán)四院四十三所），碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)，2004，（3）【4】霍肖旭、劉紅林、曾曉梅（中國(guó)航天科技集團(tuán)四院四十三所），碳纖維復(fù)合材料在固體火箭上的應(yīng)用，2000，（6）【5】林德春、張德雄（西安向陽(yáng)航天科技集團(tuán)公司）、陳繼榮（華東理工大學(xué)），固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)材料現(xiàn)狀和前景展望【6】唐見(jiàn)茂，碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望，2010年6月【7】李文博，碳基復(fù)合材料制備及其電化學(xué)電極研究，2012年5月參考文獻(xiàn)：39碳基復(fù)合材料在機(jī)械工程中的應(yīng)用碳基復(fù)合材料，及其性質(zhì)、用途碳基復(fù)合材料在各領(lǐng)域中的應(yīng)用碳基復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)與前景。碳基復(fù)合材料在機(jī)械工程中的應(yīng)用碳基復(fù)合材料，及其性質(zhì)、用途40

顧名思義，碳基復(fù)合材料就是以碳纖維(織物)或碳化硅等陶瓷纖維(織物)為增強(qiáng)體，以碳為基體的復(fù)合材料。碳基復(fù)合材料的定義顧名思義，碳基復(fù)合材料就是以碳纖維(織物)或碳化41碳基復(fù)合材料的簡(jiǎn)介碳/碳復(fù)合材料是六十年代發(fā)展起來(lái)約一種新型耐高溫材料，它是由增強(qiáng)碳和基體碳所組成的多相材料。增強(qiáng)碳可以是不同類型的碳(或石墨)纖維及其織物。在碳/碳復(fù)合材料中起著骨架和增強(qiáng)劑的作用。基體碳起粘接作用，目前的基體碳可以是樹(shù)脂碳、瀝青碳和沉積碳。碳/碳復(fù)合材料目前在國(guó)外已經(jīng)被公認(rèn)是高級(jí)載入飛行器鼻錐和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴營(yíng)等關(guān)鍵部位最理想的耐燒蝕、防熱材料。碳/碳復(fù)合材料的工程應(yīng)用也日趨成熟?，F(xiàn)己用于美國(guó)民兵Ⅲ洲際導(dǎo)彈彈頭，全碳/碳化的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管也成功地通過(guò)了試驗(yàn)。碳基復(fù)合材料的簡(jiǎn)介碳/碳復(fù)合材料是六十年代發(fā)42碳基復(fù)合材料的性質(zhì)比重??；化學(xué)穩(wěn)定性高；耐熱性好（非氧化性氣氛）；導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好；耐腐蝕性好。碳基復(fù)合材料的性質(zhì)比重??；43碳基復(fù)合材料的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)高溫形狀穩(wěn)定升華溫度高燒蝕凹陷低平行于增強(qiáng)方向具有高強(qiáng)度和高剛度在高溫條件下的強(qiáng)度和剛度可保持不變抗熱應(yīng)力抗熱沖擊力學(xué)性能為假塑性抗裂紋傳播非脆性破壞衰弱脈沖化學(xué)惰性重量輕抗輻射性能可調(diào)整原材料為非戰(zhàn)略材料易制造和加工材料：非軸向性能差

破壞應(yīng)變低

空洞含量高

洞分布不均勻

纖維與基體結(jié)合差

導(dǎo)熱系數(shù)高

抗氧化能力差

抗顆粒浸蝕性差

成本高加工：制造加工周期長(zhǎng)可還原性差設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)與工程性能受限制

缺乏破壞準(zhǔn)則

設(shè)計(jì)方法復(fù)雜

環(huán)境特征曲線復(fù)雜

各向異性

尚無(wú)較好的非破壞檢驗(yàn)方法

使用經(jīng)驗(yàn)不足

鏈接與接頭困難碳基復(fù)合材料的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)高溫形狀穩(wěn)定材料：非軸向性44碳基復(fù)合材料的應(yīng)用

航天技術(shù)方面在航天飛機(jī)機(jī)翼和尾翼的前緣由于使用了碳/碳材料．大大地減輕了航天飛機(jī)的重量。全碳/碳化固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管是今后的發(fā)展方向。碳/碳材料還可以制作液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴喉。在衛(wèi)星和飛船上還大量地用碳/碳材料制作熱防護(hù)罩，航空工業(yè)方面英、美、法等國(guó)家制造的碳/碳剎車盤(pán)，為飛機(jī)提供了磨擦制動(dòng)，能控制飛機(jī)在地面運(yùn)動(dòng)的方向和速度。碳/碳剎車盤(pán)不僅用于高性能的軍用飛機(jī)，并已投入民用航線使用，如：協(xié)和號(hào)飛機(jī)。這種剎車盤(pán)比鋼剎車盤(pán)強(qiáng)度高，剛性好，可以節(jié)省約50%的重量，操作安靜，著陸次數(shù)可提高5-6倍。在醫(yī)療上的應(yīng)用已經(jīng)用碳/碳復(fù)合材料制成了人工心瓣膜。碳基復(fù)合材料的應(yīng)用航天技術(shù)方面45

碳基復(fù)合材料在各領(lǐng)域中的應(yīng)用碳/碳復(fù)合材料是一種新型高溫材料,具有重量輕、模量高、比強(qiáng)度大、熱膨脹系數(shù)低、耐高溫、耐熱沖擊、耐腐蝕、吸振性好等一系列優(yōu)異性能。該材料的密度不到2.0g/cm3,僅為鎳基高溫合金的1/4,陶瓷材料的1/2,尤其是這種材料隨著溫度升高(可達(dá)2200℃)其強(qiáng)度不僅不降低,甚至比室溫還高,這是其它材料所無(wú)法比擬的獨(dú)特的性能。碳/碳復(fù)合材料的研制工作，可追溯到20世紀(jì)60年代初。1961年在日本首先用聚丙烯腈（PAN）原絲制成高性能碳纖維。1963年英國(guó)的研究人員發(fā)明用牽引法提高纖維結(jié)構(gòu)的取向，進(jìn)一步提高了碳纖維的強(qiáng)度和彈性模量。到60年代末，提高碳纖維性能和生產(chǎn)效率的辦法日趨完善。高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度、高模量和高強(qiáng)中模量的碳纖維形成規(guī)模生產(chǎn)并開(kāi)始商品化。碳基復(fù)合材料在各領(lǐng)域中的應(yīng)用碳/碳復(fù)46碳纖維年耗量(2004年10月德國(guó)漢堡國(guó)際碳纖維會(huì)議)碳纖維年耗量(2004年10月德國(guó)漢堡國(guó)際碳纖維會(huì)議)47近年來(lái),美、俄、法等國(guó)家又開(kāi)發(fā)了許多混雜其它材料的新型碳/碳材料,以滿足不同的特殊使用要求：

在碳/碳材料中混入Si3N4、SiC、TiC、TaO、TaC等粉末,以提高碳/碳材料抗粒子侵蝕性能。更新的彈頭鼻錐防熱材料是針刺細(xì)編織物在穿刺或編織過(guò)程中加入改進(jìn)性能的組分,如耐熔金屬絲、耐侵蝕粒子等,這樣可大大改進(jìn)抗粒子侵蝕性能,達(dá)到“全天候”的目的。此外,四向或更多向碳基復(fù)合材料也是研制發(fā)展的方向,由于采用了交錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和增加了增強(qiáng)方向數(shù),不僅增加了各向同性、提高了抗侵蝕能力,也改進(jìn)了耐燒蝕性。近年來(lái),美、俄、法等國(guó)家又開(kāi)發(fā)了許多混雜481.航天航空

航空領(lǐng)域的材料體系更強(qiáng)調(diào)性能與可靠性的綜合,先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用不僅具有減重的效益,而且還使飛機(jī)結(jié)構(gòu)的其他性能得到提升。例如復(fù)合材料的氣動(dòng)剪裁技術(shù)可顯著提高結(jié)構(gòu)效率;整體成形技術(shù)可有效減少連接,提高結(jié)構(gòu)可靠性,降成本;復(fù)合材料耐腐蝕抗疲勞特點(diǎn)可降低維護(hù)成本。隨著新一代航空航天器向高超聲速方向的發(fā)展,苛刻的超高溫服役環(huán)境對(duì)材料及結(jié)構(gòu)的承載與防熱提出了嚴(yán)峻考驗(yàn),碳/碳復(fù)合材料是適應(yīng)這種需求的重要候選材料。碳/碳復(fù)合材料從碳纖維增強(qiáng)相結(jié)構(gòu)可分為碳?xì)諧/C和多向編織C/C復(fù)合材料。作為一種新型戰(zhàn)略材料,在美、俄、法、英、日等國(guó)家,其研制發(fā)展主要由空軍、海軍或政府預(yù)算中給予支持,因此,碳/碳復(fù)合材料的國(guó)防專用性和強(qiáng)烈的軍事背景使其研制和使用具有高度的機(jī)密性。碳基防熱復(fù)合材料主要用于燒蝕防熱和熱結(jié)構(gòu),較好地解決了輕質(zhì)化、抗熱震、耐侵蝕等技術(shù)難題。1.航天航空航空領(lǐng)域的材料體系更強(qiáng)調(diào)性能與49圖復(fù)合材料在民機(jī)上的應(yīng)用國(guó)外自1980年的F-18軍機(jī)開(kāi)始,最新研究的殲擊機(jī)全部采用復(fù)合材料機(jī)翼,而且在機(jī)身上也大量采用先進(jìn)復(fù)合材料,占結(jié)構(gòu)重量的25%～50%。如第四代機(jī)中的F22復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)重量的25%,法國(guó)Rafale占40%,瑞典JAS39占30%,歐洲EF2000則大于40%,美國(guó)的殺手锏武器B2轟炸機(jī)占50%。民機(jī)上的復(fù)合材料用量也有大幅度提高。波音B777共用復(fù)合材料9.9噸,占結(jié)構(gòu)總重的11%;“夢(mèng)想飛機(jī)”B787用復(fù)合材料將達(dá)50%;A380大型客機(jī)可容納乘客500～650人,僅碳纖維復(fù)合材料用量就達(dá)32噸左右,加上其他各種復(fù)合材料,總用量在25%左右,開(kāi)創(chuàng)了大型民機(jī)大量使用復(fù)合材料的先河。圖復(fù)合材料在民機(jī)上的應(yīng)用國(guó)外自198501.1碳/碳復(fù)合材料剎車盤(pán)減重方面：從宏觀上分析,碳/碳復(fù)合材料剎車盤(pán)的優(yōu)越之處主要源于其本身密度小,耐高溫的特點(diǎn),由于其密度小、使用碳/碳盤(pán)后可以使每架飛機(jī)重量大大減輕。如：空中客車A310減重499kg,A300-600減重590kg,A330及A340減重998kg，麥道公司的MD-11減重900kg。優(yōu)異的高溫性能：一架飛機(jī)剎車摩擦引起的溫升高達(dá)500℃以上,尤其是最苛刻的起飛緊急剎車引起的溫升超過(guò)1000℃,一架波音747-400的剎車系統(tǒng)在起飛中緊急剎車時(shí)會(huì)產(chǎn)生1.75×108kgm的功,一些剎車元件將達(dá)到熔點(diǎn),此時(shí)碳/碳材料的耐高溫性能就顯示了極大的優(yōu)越性。1.1碳/碳復(fù)合材料剎車盤(pán)減重方面：51就微觀結(jié)構(gòu)而言,石墨晶體屬于層狀結(jié)構(gòu),碳原子排列于一系列相距較遠(yuǎn)(0.3414nm)的原子面上,在各層面上的碳原子按正六角形排列,原子在同層之內(nèi)的結(jié)合力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于層間結(jié)合力,鄰層之間的結(jié)合鍵能明顯較低,容易滑移,摩擦阻力小,而薄片層內(nèi)的碳原子在滑動(dòng)時(shí)卻不會(huì)潰散,有較大的承載能力。同時(shí)碳/碳材料又不屬于純石墨結(jié)構(gòu),碳/碳復(fù)合材料中碳纖維和熱解碳的微觀組織屬于亂層石墨結(jié)構(gòu),因而摩擦系數(shù)比石墨高。碳纖維一方面起著增強(qiáng)基體的作用,使剎車盤(pán)具有足夠的強(qiáng)度和剛度,同時(shí)由于其石墨化度不高,提高了摩擦系數(shù),因此通過(guò)調(diào)整碳/碳材料碳纖維的體積含量可以得到既有足夠強(qiáng)度又有適中摩擦系數(shù)的碳/碳盤(pán),通過(guò)改變基體熱解碳的石墨化度還可以進(jìn)一步改善其摩擦磨損性能。從而使碳/碳剎車盤(pán)具有合適的摩擦系數(shù)和很好的耐磨性。采用碳/碳盤(pán)后更換周期大幅度延長(zhǎng),一個(gè)周期可達(dá)到1500～3000個(gè)起落,壽命提高5～6倍就微觀結(jié)構(gòu)而言,石墨晶體屬于層狀結(jié)構(gòu),52國(guó)外現(xiàn)狀目前世界上已有60余種飛機(jī)采用了碳/碳剎車裝置。歐美公司生產(chǎn)的民航飛機(jī)的剎車系統(tǒng)已逐漸用碳/碳盤(pán)取代鋼盤(pán),如空中客車公司的所有飛機(jī)都采用了碳/碳剎車裝置。美國(guó)從事航空機(jī)輪和碳剎車裝置的專業(yè)公司：Hitco、聯(lián)信公司的Bendix公司、ABS、B.F.Goodrich以及碳化硅公司、聯(lián)合碳化物公司等。法國(guó)研制碳/碳剎車裝置的：歐洲動(dòng)力裝置公司、米西爾-西班牙-畢加第公司、洛林碳業(yè)公司、國(guó)營(yíng)宇航公司、化物公司等。日本從事碳/碳剎車材料研制工作的：萱場(chǎng)工業(yè)公司、東邦貝斯綸公司和東京工業(yè)材料研究所等。英國(guó)主要研制和生產(chǎn)碳/碳剎車裝置的公司：鄧祿普公司等。國(guó)外現(xiàn)狀目前世界上已有60余種飛機(jī)采用了碳53國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀我國(guó)從70年代初開(kāi)始研制碳/碳剎車裝置,先后參與此項(xiàng)工作的有：蘭州碳素廠、514廠、上海碳素廠、煙臺(tái)冶金新材料研究所、西北工業(yè)大學(xué)等。其中采用的工藝方法主要為CVD法，在致密化工藝、增強(qiáng)體準(zhǔn)備、性能控制等方面,取得了一些成績(jī)。研制出了某型飛機(jī)碳/碳盤(pán)樣件、BAe146碳/碳盤(pán)樣件、碳/碳盤(pán)的縮比件。并進(jìn)行了性能及結(jié)構(gòu)方面的研究,尤其在摩擦磨損機(jī)理、石墨化度的影響及提高石墨化度的方法等方面進(jìn)行了較深入的探討,提出了高摩擦性能碳/碳材料的模型。國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀54

1.2碳/碳復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)熱端隨航空事業(yè)的發(fā)展,對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比有越來(lái)越高的要求,而提高新型發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的關(guān)鍵是提高熱效率,其實(shí)現(xiàn)辦法是提高空氣壓縮比和提高渦輪進(jìn)氣溫度。因此,航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)氣溫度將會(huì)有更大的提高,這就對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的材料提出了越來(lái)越高的要求,能夠在1600～2000℃高溫下正常工作的材料只有碳/碳復(fù)合材料。

特殊功能:(1)在1600℃以上仍能保持強(qiáng)度不降低;(2)減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量,提高推重比;(3)減少冷空氣消耗,提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率;(4)提高工作溫度,提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。1.2碳/碳復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)熱端隨航空事55國(guó)外現(xiàn)狀近幾年來(lái),世界各發(fā)達(dá)國(guó)家正在把碳/碳復(fù)合材料逐步應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件上美國(guó)已把這種材料用在F100飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴和加力燃燒室噴管上;Hitco公司已制成了魚(yú)鱗片;LTV公司制造出了渦輪葉片和盤(pán)整體部件,并在1760℃溫度下進(jìn)行了地面超轉(zhuǎn)試驗(yàn);通用電氣公司JID驗(yàn)證機(jī)低壓渦輪部分用碳/碳材料制造出渦輪葉片和盤(pán)整體部件,運(yùn)轉(zhuǎn)溫度1649℃,比一般渦輪高出555℃,而且不用氣冷,已試驗(yàn)成功；法國(guó)、德國(guó)、俄羅斯也已分別制造出燃燒室噴油桿,渦輪轉(zhuǎn)子外環(huán)等零件。國(guó)外現(xiàn)狀近幾年來(lái),世界各發(fā)達(dá)國(guó)家正在把碳/碳復(fù)合材料逐步56近幾年來(lái)西北工業(yè)大學(xué)開(kāi)展了一些研究工作,主要進(jìn)展有以下幾個(gè)方面:(1)針對(duì)碳/碳復(fù)合材料生產(chǎn)周期長(zhǎng)、工藝難度大、成本居高不下的問(wèn)題,開(kāi)發(fā)了兩種新的成形工藝法,即超高壓成形工藝和快速氣相沉積工藝,(2)為解決碳/碳材料的氧化問(wèn)題,通過(guò)在基體中添加的SiO2、ZrO2,Al2O3等,研究了基體改性對(duì)抗氧化的影響(3)在超高溫性能測(cè)試及評(píng)價(jià)方面,已研究了單向碳/碳復(fù)合材料在1900～2300℃的持久強(qiáng)度和蠕變特征,(4)在應(yīng)用研究方面,制備出了微型發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管、葉片樣件、高溫保護(hù)套管等，研究了多種制件的成形工藝方法。國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀近幾年來(lái)西北工業(yè)大學(xué)開(kāi)展了一些研究工作,主要進(jìn)展有以下幾個(gè)572.火箭發(fā)動(dòng)機(jī)碳纖維復(fù)合材料制造的殼體具有強(qiáng)度高、剛度大、尺寸穩(wěn)定等特點(diǎn)，因此，碳纖維復(fù)合材料可用于新型陸基機(jī)動(dòng)同體洲際導(dǎo)彈一、二、三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、新一代中程地地戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上主要用作推力室噴管材料,一是用作固定的噴管延伸段,二是用作可移動(dòng)的噴管延伸段(可延伸噴管)。除此之外,小推力室也可整體用這種材料制造。固體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管屬于非冷卻型,工作環(huán)境極其惡劣。特別是喉部的高溫、高壓二相流燃?xì)獾臋C(jī)械沖刷、化學(xué)侵蝕和熱沖擊十分嚴(yán)厲,材料選擇是現(xiàn)代固體火箭推進(jìn)的重大關(guān)鍵技術(shù)。

早期的噴管多使用復(fù)合型結(jié)構(gòu),即以金屬或高強(qiáng)度玻璃鋼為結(jié)構(gòu)材料,高熔點(diǎn)金屬或優(yōu)質(zhì)石墨為耐熱—吸熱材料,燒蝕型增強(qiáng)塑料為絕熱材料。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,配合界面多,質(zhì)量大,工藝周期長(zhǎng),也增加了不可靠度。80年代以來(lái),發(fā)展高性能固體發(fā)動(dòng)機(jī)的主攻方向由“高能”轉(zhuǎn)向“輕質(zhì)、可控”,,高性能發(fā)動(dòng)機(jī)噴管沖質(zhì)比要求已達(dá)到150000N·s/kg以上。正是性能優(yōu)異的多向編織碳/碳材料的涌現(xiàn),從根本上解決了這個(gè)矛盾,實(shí)現(xiàn)了噴管技術(shù)的飛躍。2.火箭發(fā)動(dòng)機(jī)碳纖維復(fù)合材料制造的殼體具有58先

進(jìn)

固

體

發(fā)

動(dòng)

機(jī)

噴

管

材

料

應(yīng)

用先

進(jìn)

固

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發(fā)

動(dòng)

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噴

管

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料

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用59現(xiàn)狀：隨著航空航天飛行器各項(xiàng)陛能的不斷提高，對(duì)結(jié)構(gòu)件所用材料的要求也越來(lái)越高。

國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)殼體目前的主要應(yīng)用方向是采用碳纖維纏繞殼體，使發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量比有較大提高。而國(guó)內(nèi)目前尚沒(méi)有碳纖維纏繞的固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，所用樹(shù)脂基體的耐熱性也不高，殼體外層的熱防護(hù)涂層也增加了殼體的消極質(zhì)量。為此應(yīng)給予經(jīng)費(fèi)支持，盡快開(kāi)展高性能耐熱基體材料、高性能碳纖維在固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上的應(yīng)用等方面的研究，早日實(shí)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料同體發(fā)動(dòng)機(jī)白防熱殼體的應(yīng)用，提高武器系統(tǒng)的綜合性能?，F(xiàn)狀：隨著航空航天飛行器各項(xiàng)陛能的不斷提603.其它：①釣魚(yú)桿現(xiàn)年產(chǎn)量約1200萬(wàn)只，年碳纖維用量1200t；②高爾夫球桿隨著輕量化和長(zhǎng)尺寸化的要求，現(xiàn)已占碳纖維體育用品用途的50％，年碳纖維用量為2000t；③網(wǎng)球拍的年市場(chǎng)規(guī)模約為450萬(wàn)只，年碳纖維用量約500t；④人造衛(wèi)星結(jié)構(gòu)體、太陽(yáng)能電池板和天線要用高模碳纖維，先進(jìn)的運(yùn)載火箭和導(dǎo)彈殼體、發(fā)射筒等要用800H和T300碳纖維等；⑤土木建筑領(lǐng)域，已用于補(bǔ)修加工用片材、建筑部件、代鋼筋材料、屋頂構(gòu)架材料等；⑥能源領(lǐng)域，已用于汽車的壓縮天然氣罐和風(fēng)車葉片(長(zhǎng)達(dá)30-40m)、海底油田管道、升降機(jī)等；⑦交通運(yùn)輸方面，已應(yīng)用于賽車、汽車傳動(dòng)軸、大型卡車車體等；⑨電子電器領(lǐng)域，已應(yīng)用于增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂的擠出成型品，如抗靜電IC盤(pán)、筆記本電腦的筐體，具有電磁波屏蔽效果；⑧還有X-射線盒、醫(yī)用床板、印刷、制膜、造紙等用的各種滾軸、空氣或氧氣呼吸用壓力容器等等。3.其它：①釣魚(yú)桿現(xiàn)年產(chǎn)量約1200萬(wàn)只，年碳纖維用量12061碳基復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)與前景航空領(lǐng)域電化學(xué)方面電子器件方面簡(jiǎn)述總體情況碳基復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)與前景航空領(lǐng)域62航空領(lǐng)域的發(fā)展與前景隨著航空、航天及國(guó)防事業(yè)的發(fā)展,對(duì)材料的要求不斷提高,其服役條件越來(lái)越苛刻,材料在極端環(huán)境下的行為研究對(duì)軍用先進(jìn)材料的發(fā)展和武器裝備性能提高的影響也越來(lái)越突出。碳基復(fù)合材料的輕質(zhì)、高比強(qiáng)、高比模和耐超高溫等一系列優(yōu)異的綜合性能,賦予這類材料在航空航天領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)地位。航空領(lǐng)域的發(fā)展與前景隨著航空、航天及國(guó)防事業(yè)的發(fā)展63目前,美國(guó)、俄羅斯等國(guó)都把以碳基復(fù)合材料為代表的先進(jìn)功能結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于導(dǎo)彈、航天飛機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)以及飛機(jī)的制動(dòng)器方面隨著現(xiàn)代無(wú)線電技術(shù)和雷達(dá)探測(cè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，軍事防御系統(tǒng)對(duì)武器裝備的隱身能力提出越來(lái)越高的要求。微波吸收材料作為一種重要的軍事隱身功能材料，其發(fā)展引起廣泛的關(guān)注。由于傳統(tǒng)型吸波材料密度大、吸收頻帶窄，使其應(yīng)用受到限制，因此新型吸波材料的開(kāi)發(fā)成為主要的研究方向目前,美國(guó)、俄羅斯等國(guó)都把以碳基復(fù)合材料為代表的先進(jìn)功能64碳纖維復(fù)合材料主要是以滿足航空航天對(duì)高性能材料的要求而發(fā)展起來(lái)的。隨著碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)異性能越來(lái)越多地被認(rèn)識(shí)和接受，其在能源、交通、汽車、海洋、建筑及其他工業(yè)部門(mén)的應(yīng)用近年來(lái)在快速地發(fā)展。根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格的不同，碳纖維目前被劃分為宇航級(jí)和工業(yè)級(jí)兩類，亦稱為小絲束和大絲束。宇航級(jí)碳纖維為小絲束碳纖維，主要應(yīng)用于國(guó)防軍工和高技術(shù)，以及體育休閑用品等。工業(yè)級(jí)碳纖維應(yīng)用于紡織、醫(yī)藥衛(wèi)生、機(jī)電、土木建筑、交通運(yùn)輸和能源等民用工業(yè)。碳纖維復(fù)合材料主要是以滿足航空航天對(duì)高性能材65電化學(xué)傳感器催化劑材料及載體超級(jí)電容電池材料電化學(xué)方面的發(fā)展與前景

由于石墨烯具有非常高的電導(dǎo)率、以及高的比表面積使其在傳感器、催化劑材料及載體、以及超級(jí)電容等器件中擁有巨大的應(yīng)用潛力。

電化學(xué)傳感器催化劑材料及載體超級(jí)電容電池材料電化學(xué)方面的發(fā)展66傳感器

石墨烯的表面可以吸附氣體分子，由于不同的氣體分子可以作為電子的受體也可以為電子的給體，所以氣體分子的吸附將影響石墨烯的載流子濃度，引起石墨烯電導(dǎo)率的變化?；谑┑膫鞲衅骺梢愿叨让舾械姆磻?yīng)出氣體分子的吸附與脫附，甚至可實(shí)現(xiàn)單分子級(jí)別的探測(cè)[[69-72]。石墨烯還被證明在其他傳感器中有良好的表現(xiàn)。傳感器石墨烯的表面可以吸附氣體分子，由于不同的氣體分子67催化劑材料及載體

如石墨烯與金的復(fù)合材料在氧還原的過(guò)程中顯示出了較好的電催化性能[[60];做為燃料電池中甲醇催化氧化常用的催化材料Pt,Pd等材料負(fù)載到石墨烯上也表現(xiàn)出優(yōu)秀的催化能力[[76,so,si]，而H.YLi等人使用磷鋁酸修飾石墨烯負(fù)載Pt/Ru納米顆粒更是獲得比單獨(dú)石墨烯負(fù)載Pt/Ru納米顆粒更好的催化活性及電化學(xué)穩(wěn)定性fszl0因?yàn)閾碛写蟮谋缺砻娣e，以及化學(xué)、電化學(xué)上的穩(wěn)定性，碳材料經(jīng)常會(huì)被用于催化劑材料的載體。而相比其他碳材料，石墨烯具有更大的比表面積，理論值達(dá)到2630m2/g，同時(shí)還具有更優(yōu)異的電荷傳輸能力，所以研究人員以石墨烯為催化劑載體展開(kāi)了大量的研究。目前很多納米材料如Pt}Pd}Au等等已成功的負(fù)載在石墨烯上，并已證明這些復(fù)合材料表現(xiàn)出了良好的催化活性和電化學(xué)響應(yīng)[[60,76-79]。

由于石墨烯超大的比表面積，不僅可以成為催化材料的載體，還可以成為藥物的載體。

催化劑材料及載體如石墨烯與金的復(fù)合材料在氧還原的過(guò)程中顯示68

超級(jí)電容

雖然超級(jí)電容器件的能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通電容，但卻仍低于電池，所以為提高超級(jí)電容的性能，人們一直在努力尋找更好的電極材料。而經(jīng)過(guò)對(duì)石墨烯材料應(yīng)用于超級(jí)電容研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯及其復(fù)合材料在超級(jí)電容中也表現(xiàn)出了良好的性能。石墨烯與聚苯胺的復(fù)合材料的容量達(dá)到233Fg1，而石墨烯與Ni(OH)z復(fù)合材料的容量更是達(dá)到了1335Fg1超級(jí)電容雖然超級(jí)電容器件的能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通電容，69電池材料

目前商用的電極中最常用的正極材料是石墨，雖然石墨在鏗離子的嵌入與脫嵌中有良好的性能，但是較低的比容量使得最終整個(gè)電池的性能受到了限制[99]。由于優(yōu)異的導(dǎo)電能力，高的比表面積，及化學(xué)穩(wěn)定性，人們使用石墨烯或基于石墨烯的復(fù)合材料作為正極材料已經(jīng)做了大量的研究。Honma0等人使用石墨烯，石墨烯/碳納米管，石墨烯/富勒烯分別作為正極材料研究了電池性能[[1oa]。經(jīng)測(cè)試得到石墨烯的比容量達(dá)到540mAhg1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石墨。而添加了碳納米管和富勒烯的復(fù)合材料更是增大到了730和784mAhg“1。隨后的研究中人們發(fā)現(xiàn)石墨烯與金屬氧化物的復(fù)合材料可以獲得更好的電池性能，如石墨烯與Fe30;的復(fù)合材料最終可以達(dá)到1026mAhg。電池材料目前商用的電極中最常用的正極材料是石墨，雖然石墨70電子器件方面的發(fā)展與前景光電器件納米電子器件電子器件方面的發(fā)展與前景光電器件納米電子器件71光電器件由于擁有非常高的電導(dǎo)率，載流子遷移率以及在可見(jiàn)光范圍內(nèi)高的光學(xué)透過(guò)性，以石墨烯制備透明導(dǎo)電薄膜在光電器件中擁有令人期待的應(yīng)用前景，尤其是石墨烯可以制備出柔性薄膜，使其更可以應(yīng)用于柔性光電器件之中。目前已有多種基于石墨烯薄膜的光電器件被制備與研究，如斯坦福大學(xué)J.B.Wu等人通過(guò)高溫退火氧化石墨的方法制備出石墨烯導(dǎo)電薄膜，并以此為電極成功制備出性能接近