(6)在医用领域, 由于炭/炭复合材料与人体组织的极好相容性, 作为人体骨骼、 牙齿或紧固材料, 性能十分优异。
(7)利用其导热快、 密度小的特征, 把炭/炭复合材料用于电路的导热极板也正处于研究和开发之中。
总之, 炭/炭复合材料由于具备以上一系列优良特性, 进入20世纪80年代以来, 炭/炭复合材料的研究极为活跃, 更多国家逐渐进入了这一研究领域, 在提高性能、 降低成本和工业化方面取得了很大进展。炭/炭复合材料的应用领域也从航空、 航天领域扩展到了核能、 电子、 机械、 冶金、 医疗、 汽车、 体育用品等各行各业。
1.4 炭/炭复合材料的研究必要性
炭/炭复合材料是在1958年由Chance Vought航空公司实验室的研究者实验失败偶然得到的。该材料在最初的十年发展缓慢, 到20世纪60年代末才成为工程材料界中的一员; 从20世纪70年代起炭/炭复合材料的研究在美国和欧洲得到很大发展, 并首先在航空、 航天、 军事工业得到了应用。1974年英国Dunlop公司的航空分公司首次研制出了炭/炭复合材料飞机刹车盘, 并在协和号超音速飞机上试飞成功, 使每架飞机重量可以减轻544 kg, 刹车盘的使用寿命提高了5~6倍。在制定工艺方面, 炭纤维多向编制技术、 高压液相浸渍工艺及化学气相浸渗法(Chemical Vapor Infiltration, CVI)为有效得到高密度的炭/炭复合材料提供了工艺基础, 开辟了其制造、 批量生产和应用的广阔前景。
由于炭材料具有良好的生物相容性, 20世纪80年代初期, 国内外还开展了炭/炭复合材料在生物应用上的开发, 如人造心脏瓣膜、 人造骨关节等陆续投入使用。50年来, 炭/炭复合材料在材质、 制备工艺、 性能, 以及工程应用等方面都取得了长足的进展。
当前研究的主要目标是提高炭/炭复合材料性能, 降低成本, 提高抗氧化能力。通常用等温等压化学气相渗透(ICVI)制备炭/炭复合材料需要几百甚至上千小时致密坯体, 而且热解炭很容易沉积在坯体表面, 影响内部炭基体的沉积量, 需要反复机加工和高温热处理, 打开封闭的孔隙。因此, 世界各国科学家都在寻求如何在最短的时间内高效地制备出密度高、 结构好和密度、 结构均匀的炭/炭复合材料。化学气相渗透工艺(CVI)是制备高性能炭/炭复合材料过程中实现增密的首选途径, 这是因为通过CVI增密, 不仅可以制得较高密度的产品, 实现炭基体与纤维预制体的有机结合, 还可以控制炭基体的内部结构。由此, TGCVI[10, 11]、 FCVI[12]、 PCVI[13]和CLVI等新技术纷纷出现。从理论上讲, 采用CLVI工艺后, 制备周期将降至数十小时, 成本将降至原来制备成本的1%~5%[14-16]。1993年美国Textron公司利用快速致密化(RD)工艺[17], 使制备炭/炭复合材料的时间减少了100倍, 能在8 h内生产出直径33 cm、 密度达1.85 g/cm3的刹车盘, 成本降至原来的1%~5%。美国佐治亚理工大学在美国空军的支持下改进了制备炭/炭复合材料的方法[18], 研究了强制气体流动/热梯度气体渗入法, 使炭/炭复合材料的沉积速率提高了30倍。目前国外炭/炭复合材料工业技术已比较成熟, 产品性能稳步改善。
成本过高是限制炭/炭复合材料广泛应用的首要因素, 而制造周期长是导致炭/炭复合材料的成本难以降低的主要原因。因此近30年来, 有关快速制备炭/炭复合材料新技术的研究极为活跃, 研究思路集中在两点上: 一是传统工艺的改进, 如采用大容量CVI炉降低单片成本或利用大气流量、 高压等手段加速沉积。二是寻求新的制造技术, 如美国橡树岭国家实验室提出的FCVI技术和法国人提出的膜沸腾技术。这些新技术将炭/炭复合材料的制造周期大大缩短。
