碳/陶材料—理想的高溫結(jié)構(gòu)材料、摩擦材料以及深冷材料

 碳/陶復(fù)合材料是由碳纖維、陶瓷纖維及其織物作為增強(qiáng)相，以石英、長(zhǎng)石、碳化硅等陶瓷作為基體相的一類(lèi)復(fù)合材料的總稱(chēng)。
碳/陶材料不僅具有高性能陶瓷的高強(qiáng)度、高模量、高硬度、耐沖擊、抗氧化、耐高溫、耐酸堿和所有化學(xué)物質(zhì)腐蝕、熱膨脹系數(shù)小、比重輕等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還完全克服了一般陶瓷材料的脆性大、功能單一等缺點(diǎn)，是的理想的高溫結(jié)構(gòu)材料、摩擦材料以及深冷材料，是制造機(jī)械密封、軸承、模具等原件的優(yōu)良材料，目前被廣泛應(yīng)用在航空航天、汽車(chē)、冶金、半導(dǎo)體和建筑工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域。
碳/陶復(fù)合材料的應(yīng)用
兼有碳和陶瓷的雙重優(yōu)點(diǎn)，可作為發(fā)熱元件、電極、熱交換器、坩堝、軸承以及機(jī)械密封和熱壓模具等材料，應(yīng)用在機(jī)械、電子、化學(xué)、冶金及航空航天領(lǐng)域。其具體應(yīng)用如下：
1、剎車(chē)材料**
目前廣泛用于高速列車(chē)、汽車(chē)和飛機(jī)上的剎車(chē)材料主要是粉末冶金和C/C復(fù)合材料。然而，粉末冶金剎車(chē)材料存在高溫容易粘結(jié)、摩擦性能易衰退、高溫強(qiáng)度下降顯著、抗熱震能力差、使用壽命短等缺點(diǎn)；而C/C剎車(chē)材料存在靜態(tài)和濕態(tài)摩擦系數(shù)低（濕態(tài)相對(duì)干態(tài)衰減約50%）、熱庫(kù)體積大、生產(chǎn)周期長(zhǎng)（約1200h）及生產(chǎn)成本高等問(wèn)題，制約了其進(jìn)一步發(fā)展及應(yīng)用。
高性能剎車(chē)材料的發(fā)展史
碳/陶剎車(chē)材料是近年來(lái)繼粉末冶金材料和C/C復(fù)合材料之后發(fā)展的一種高性能剎車(chē)材料。與傳統(tǒng)金屬及半金屬剎車(chē)材料相比，具有密度低、強(qiáng)度高、摩擦性能穩(wěn)定、摩擦量小、制動(dòng)比大、耐高溫、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。與C/C復(fù)合材料相比，由于引入了適量SiC陶瓷硬質(zhì)材料作基體，材料的抗氧化性和摩擦系數(shù)得以提高，而且摩擦性能對(duì)外界環(huán)境介質(zhì)（霉菌和油污、潮濕等）不敏感。因此，C/SiC剎車(chē)材料在高速列車(chē)、汽車(chē)、飛機(jī)等領(lǐng)域具廣闊應(yīng)用前景。
三大高性能剎車(chē)材料的對(duì)比
2、超高溫抗氧化熱防護(hù)材料—航空航天的關(guān)鍵技術(shù)
高超聲速飛行器特有的“長(zhǎng)時(shí)飛行、大氣層再入、跨大氣層飛行”工作條件，使得其對(duì)機(jī)翼前緣、鼻錐和燃燒室等關(guān)鍵部件對(duì)熱防護(hù)要求極其苛刻，因而超高溫抗氧化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)材料成為制約高超聲速飛行器的主要關(guān)鍵技術(shù)之一。
目前常用的三類(lèi)高溫材料均難以滿(mǎn)足使用要求。C/C復(fù)合材料高溫下仍具有高強(qiáng)度、高模量、良好的斷裂韌性和耐磨性能，是理想的高溫工程結(jié)構(gòu)材料。但其抗氧化性能差，在370℃以上氧化環(huán)境中就會(huì)發(fā)生氧化?，F(xiàn)有難熔金屬材料使用溫度低、且高溫下強(qiáng)度急劇下降。陶瓷材料熔點(diǎn)高、抗氧化性能好，但脆性大，難以制作復(fù)雜熱結(jié)構(gòu)部件。
高溫難熔材料的熔點(diǎn)
采用陶瓷材料對(duì)C/C復(fù)合材料進(jìn)行改性，可提高C/C復(fù)合材料的抗氧化性能，陶瓷改性后的C/C復(fù)合材料的抗氧化溫度主要由改性陶瓷材料自身的熔點(diǎn)及其氧化物的熔點(diǎn)決定。SiC、ZrC、ZrB2、HfC、HfB2等陶瓷的熔點(diǎn)高、密度低，是C/C復(fù)合材料2300K以上高溫抗氧化改性的理想選擇，可解決困擾高超聲速飛行器等新型武器技術(shù)發(fā)展面臨的問(wèn)題。
由于SiC與C/C復(fù)合材料的熱脹系數(shù)較為匹配，成為C/C復(fù)合材料基體抗氧化改性常用的陶瓷材料，得到的復(fù)合材料稱(chēng)為C/C－SiC碳陶復(fù)合材料。材料中SiC基體的主要作用是氧化形成致密的SiO2基玻璃質(zhì)層，可有效保護(hù)碳纖維不被氧化。同時(shí)，SiC陶瓷基體的制備技術(shù)成熟，原材料來(lái)源廣泛、成本低，因而得到廣泛應(yīng)用。
3、密封材料
石墨材料具有耐高溫、抗腐蝕和自潤(rùn)滑等諸多特性，因而在流體密封領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，但機(jī)械強(qiáng)度較低和高溫易氧化，使其應(yīng)用受到一定限制。在航天、航空和其它高溫工程中，用于機(jī)械密封的材料往往要承受高轉(zhuǎn)速、高比壓和高摩擦速率以及由此而引起的高摩擦熱，摩擦面的溫度值可以高達(dá)700℃～1000℃。普通石墨材料難適應(yīng)如此苛刻的工況條件。
為了研制能滿(mǎn)足航天、航空及現(xiàn)代高溫技術(shù)要求流體機(jī)械密封的材料，多年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的探索性研究，并取得了顯著效果。其中以SiC、B4C、CrC等陶瓷粒子彌散增強(qiáng)石墨材料，對(duì)提高復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度、耐磨性和耐高溫空氣氧化能力都有效果。其中BN具有與B4C類(lèi)似的耐高溫(空氣)氧化性，可以降低碳和氧的反應(yīng)動(dòng)力，具有與石墨類(lèi)似的六角形晶體結(jié)構(gòu)，也具有優(yōu)良的自潤(rùn)滑性能。且自潤(rùn)滑性能不像石墨材料那樣依賴(lài)于氣、液介質(zhì)的存在，能適應(yīng)高溫干磨工況條件。另外，相似的六角形晶體結(jié)構(gòu)BN與石墨復(fù)合材料具有良好的結(jié)構(gòu)相容性，并使此類(lèi)復(fù)合材料兼具各自的優(yōu)點(diǎn)。
4、絕緣體秒變導(dǎo)電材料
陶瓷材料中，除ZrO2等在高溫條件下具有導(dǎo)電功能外，其它陶瓷如Al2O3、MgO、SiO2、CaO等都是電的絕緣體，這些材料的應(yīng)用受到限制。若能通過(guò)某種工藝，使得這些材料能夠?qū)щ姡饧犹沾刹牧媳旧淼膬?yōu)異特性，那么陶瓷材料的應(yīng)用范圍將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。碳／陶復(fù)合導(dǎo)電材料就是在這種背景下開(kāi)發(fā)出的一種新型無(wú)機(jī)非金屬材料。它在電火花電極材料、工業(yè)加熱、學(xué)校烘干系統(tǒng)、家庭取暖等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
陶瓷基料主要包括透輝石、石英和長(zhǎng)石，導(dǎo)電填料主要包括碳系導(dǎo)電填料、金屬導(dǎo)電填料和金屬化合物導(dǎo)電填料。碳系導(dǎo)電填料主要包括碳黑、石墨、碳纖維、碳納米管等。
5、擴(kuò)散焊發(fā)熱體，加熱方式感應(yīng)加熱、電阻加熱，長(zhǎng)期使用溫度600-800℃，導(dǎo)熱導(dǎo)電性好，硬度高，與石墨材質(zhì)比每模生產(chǎn)效率提升一倍以上，使用壽命提升2倍以上。
6、電子元器件燒結(jié)模具，長(zhǎng)期使用溫度600℃，抗氧化性好，不掉粉，不污染電子元件，導(dǎo)熱性好、尺寸穩(wěn)定、熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性好。
7、熱彎玻璃模具，粒徑3μm以下，組織致密均勻，導(dǎo)熱導(dǎo)電性好，熱膨脹性系數(shù)小，長(zhǎng)期使用溫度600℃，抗氧化性好，不掉粉，易于加工。
碳/陶復(fù)合材料的制備方法
在C/C-SiC炭陶復(fù)合材料的制備過(guò)程中，一般先采用化學(xué)氣相沉積法（CVD）或樹(shù)脂浸漬/裂解法等較為成熟的工藝制備出具有一定孔隙率的C/C胚體，再通過(guò)其他方法引入SiC基體取代部分C基體。SiC基體的引入方法通常有四種：
（1）氣相法，如化學(xué)氣相滲透法（CVI）；
（2）液相法，如先驅(qū)體浸漬裂解法（PIP）和反應(yīng)熔體浸滲法（RMI）；
（3）陶瓷化法，如泥漿浸漬-熱壓燒結(jié)工藝；
（4）組合工藝，如CVI+PIP、CVI+RMI、PIP+RMI等。