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、長石、碳化硅等陶瓷作為基體相的一類復(fù)合材料的總稱。
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，同時還完全克服了一般陶瓷材料的脆性大、功能單一等缺點，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、冶金、半導(dǎo)體和建筑工業(yè)等多個領(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，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、剎車材料**
目前廣泛用于高速列車、汽車和飛機(jī)上的剎車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；而C/C剎車材料存在靜態(tài)和濕態(tài)摩擦系數(shù)低（濕態(tài)相對干態(tài)衰減約50%）、熱庫體積大、生產(chǎn)周期長（約1200h）及生產(chǎn)成本高等問題，制約了其進(jìn)一步發(fā)展及應(yīng)用。
高性能剎車材料的發(fā)展史
碳/陶剎車材料是近年來繼粉末冶金材料和C/C復(fù)合材料之后發(fā)展的一種高性能剎車材料。與傳統(tǒng)金屬及半金屬剎車材料相比，具有密度低、強(qiáng)度高、摩擦性能穩(wěn)定、摩擦量小、制動比大、耐高溫、使用壽命長等優(yōu)點。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剎車材料在高速列車、汽車、飛機(jī)等領(lǐng)域具廣闊應(yīng)用前景。
三大高性能剎車材料的對比
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“長時飛行、大氣層再入、跨大氣層飛行”工作條件，使得其對機(jī)翼前緣、鼻錐和燃燒室等關(guān)鍵部件對熱防護(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。
目前常用的三類高溫材料均難以滿足使用要求。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)境中就會發(fā)生氧化。現(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
采用陶瓷材料對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及其氧化物的熔點決定。SiC、ZrC、ZrB2、HfC、HfB2等陶瓷的熔點高、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，SiC陶瓷基體的制備技術(shù)成熟，原材料來源廣泛、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，多年來國內(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類似的耐高溫(空氣)氧化性，可以降低碳和氧的反應(yīng)動力，具有與石墨類似的六角形晶體結(jié)構(gòu)，也具有優(yōu)良的自潤滑性能。且自潤滑性能不像石墨材料那樣依賴于氣、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，并使此類復(fù)合材料兼具各自的優(yōu)點。
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。若能通過某種工藝，使得這些材料能夠?qū)щ?，外加陶瓷材料本身的?yōu)異特性，那么陶瓷材料的應(yīng)用范圍將會進(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發(fā)出的一種新型無機(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)合材料的制備過程中，一般先采用化學(xué)氣相沉積法（CVD）或樹脂浸漬/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。