碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的研究进展及应用

       碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料具有密度低、高强度、高韧性和耐高温等综合性能，己得到世界各国高度重视。本文综述了碳纤维的研究进展，C，／S￡复合材料的制备方法，并分析了各种制备方法的优缺点。概述了C，／sc复合材料作为高温热结构材料和制动材料的应用状况。最后，指出了有待解决的问题和今后的主要研究方向。

       碳化硅陶瓷因具有高强度、高硬度、抗腐蚀、耐高温和低密度而被广泛用于高温和某些苛刻的环境中，尤其在航空航天飞行器需要承受极高温度的特殊部位具有很大的潜力。但是，陶瓷不具备像金属那样的塑性变形能力，在断裂过程中除了产生新的断裂表面吸收表面能以外，几乎没有其它吸收能量的机制。这就严重限制了其作为结构材料的应用。碳纤维具有比强度高、比模量大、高温力学性能和热性能良好等优点，在惰性气氛中2000℃时仍能保持强度基本不下降。用碳纤维增强碳化硅复合材料。材料在断裂的过程中通过纤维拔出、纤维桥联、裂纹偏转等增韧机制来消耗能量，使材料表现为非脆性断裂。C，／S￡复合材料综合了碳纤维优异的高温性能和碳化硅基体高抗氧化性能，受到了世界各国的高度关注。并广泛应用在航空、航天、光学系统、交通工具（刹车片、阀)等领域。

        碳纤维是有机纤维或沥青基材料经碳化和石墨化处理后形成的含碳量在85%以上的碳素纤维。是20世纪50年代为满足航空航天等尖端领域的需要而发展起来的一种特种纤维。目前，碳纤维的生产原料分为三大体系：聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维。其中聚丙烯腈基碳纤维因其一系列优势居主导地位，粘胶基碳纤维由于生产率低、性能差等原因己逐步被淘汰，而沥青基碳纤维由于原料资源丰富，含碳量高及碳化率高。成本低，正在被重视。聚丙烯腈基碳纤维是高强度碳纤维，沥青基碳纤维则是高模量型。

       虽然我国研制碳纤维已有30余年的历史，但仅初步建立起工业雏形。生产的碳纤维质量至今仍处于低水平。关键原因是碳纤维原丝质量没有过关。碳纤维的性能在很大程度上取决于原丝的质量。原丝缺陷如表面横向裂纹、横向褶皱、轴向裂纹、皮芯结构、表面沉积物、并丝等都会“遗传”给碳纤维，使力学性能下降。因此。要想生产出质量高且性能稳定的碳纤维，今后必须加强对高性能碳纤维原丝的研究。

       碳纤维与基体间存在一系列界面问题：如界面润湿性差，化学、物理相容性差等，极大地影响着复合材料的力学性能，且碳纤维未经表面处理前，其活性比表面积小（一般小于1 m2／g），表面能低，表面呈现出憎液性，限制了碳纤维高性能的发挥。为了提高碳纤维的表面化学活性，增强碳纤维表面与基体的结合能力，进而提高复合材料的性能。对碳纤维进行表面处理是很有必要的。目前。碳纤维表面改性处理主要有表面氧化处理、表面涂层处理、表面生长晶须等方法。在研究的诸多碳纤维表面处理方法中。空气氧化法简单，耗时少，但操作弹性小，氧化反应不易控制；液相氧化法主要是采用硝酸、酸性重铬酸钾、次氯酸钠等强氧化性液体，对碳纤维表面进行处理，处理比较温和，不过耗时较长；电化学氧化法简单易操作，处理条件温和并易于控制。处理效果明显。表面涂层处理是对碳纤维表面沉积一层无定形碳来提高其界面粘结性能，多采用气相沉积技术，操作较复杂，周期长。

       王毅强等为了改善纤维与基体界面的结合状态。研究了表面处理对C／S￡单向复合材料力学性能的影响。结果表明，经过1800℃处理后的纤维表面粗糙度变大。表面沟槽加深，复合材料的拉伸强度是未经表面处理纤维复合材料拉伸强度的2 4倍：纤维表面沉积热解炭后表面粗糙度减弱。其拉伸强度是未经表面处理纤维复合材料的3 1倍；两者联合作用时纤维表面光滑，拉伸强度最高，达708MPa徐先锋等对去胶聚丙烯腈炭纤维分别进行不同时间的硝酸液相氧化处理，发现氧化处理会使纤维表面产生大量的孔洞，增加BET比表面积和BH累积孔体积，提高表面吸附能力：在氧化初期。伴随着纤维表面大量活化点的迅速氧化，纤维表面微孔、中孔数量、表面粗糙度、比表面积和累积孔体积迅速增加，使纤维表面吸附能力大大增强，但在氧化5mn以后，由于纤维表面尖锐突起处发生氧化，从而减少了纤维表面微孔。比表面积和累积孔体积降低。表面吸附能力减弱。

       单一的表面处理常常在提高某方面性能的同时，牺牲了另一方面的性能，而复合表面处理法则可适当调和所采用的几种表面处理方法的优缺点，必将成为今后碳纤维表面处理的主要研究方向。

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