50年来, 炭/炭复合材料的发展极为迅速, 在原材料、 致密化工艺、 性能测试分析等基础研究与应用研究方面, 都取得了长足的进展。炭/炭复合材料属于典型的高新技术材料, 在高温长寿命的应用场合, 炭/炭复合材料具有其他材料无可比拟的优越性, 最初其应用只限于航空、 航天等尖端技术领域, 经过多年的发展, 其应用领域已经扩展到汽车、 火车、 体育和医学等诸多民用领域, 应用规模逐渐扩大。目前, 所有发达国家均投入巨大的人力、 物力和财力, 对新型炭/炭复合材料的制造新技术展开研究, 以期在该领域保持领先地位。
我国从20世纪70年代初开始研制炭/炭刹车装置, 但由于研究力量分散、 资金缺乏、 原材料不能及时配套等原因, 基本上是小打小闹, 未能取得技术上的突破, 更谈不上制品产业化。中南大学、 航天43研究所等单位在近十几年研究的基础上, 已经能够进行炭/炭复合材料刹车装置的生产, 产品性能也在逐步改善。
研究和发展高性能炭/炭复合材料是航空、 航天和国防工业等的迫切需要。炭/炭复合材料自20世纪50年代出现以来, 由于其密度低于2.0 g/cm3、 高温力学性能和抗烧蚀性能良好(使用温度2300~3500 K)、 优异的摩擦磨损性能、 热容量大、 良好的抗热震性、 化学稳定性好、 比强度、 比模量和断裂韧性高等优良性能, 已被发达国家成功用于航天飞机的机翼前缘、 鼻锥、 货舱门, 高推重比(15~20)战机发动机的涡轮(工作温度2000 ℃以上), 高性能火箭发动机喷管、 喉衬、 燃烧室等, 新一代先进飞机的刹车材料, 以及火箭、 飞机的密封圈等构件, 是航空、 航天工业和国防领域的关键性的基础材料[19-21]。近年来, 在高技术的民用方面也呈拓展之势。
研究和开发快速CVI技术是市场和紧急情况的要求。化学气相渗透是制造高性能炭/炭复合材料的关键工序。提高增密速度、 热解炭结构的多样化和材料的抗氧化是当前制备炭/炭复合材料的三大难点课题。由于其沉积周期长达数百小时以上, 且需多次循环沉积, 以至于成本居高不下, 应用受限制, 而且需要提前半年以上订货, 难以满足市场变化和紧急情况的要求, 所以快速CVI技术成为当前研究的重要课题之一; 热解炭的结构及界面结构直接影响炭/炭复合材料的性能和应用, 而粗糙层结构和各向同性结构热解炭的获得相对较困难, 因此结构的控制也是CVI技术的重要课题之一; 炭/炭复合材料在航天、 航空、 热结构等方面的应用过程中, 需要和氧直接接触, 易被氧化, 而且不同环境中, 温度从几百度到三千多度, 对抗氧化的体系也要求不一样, 在超高温氧化环境下使用, 至今是炭/炭复合材料的重要研究课题。
研究和开发快速CVI技术是国际竞争的迫切要求。发达国家不仅严守技术秘密, 而且从没停止过对快速CVI工艺研究开发, 其中美国达信公司开发的CLVI工艺, 把致密时间缩短了100倍; 美国佐治亚理工大学在美国空军支持下开发的FCVI工艺, 在8~12 h内制备出孔隙率仅为7%的炭/炭复合材料; 近年来德国对传统的等温CVI又作了根本性的改进。由于在一个多孔体系同时存在气体均相反应和气固界面的异相反应, 有机碳源气体热解形成的中间产物种类多种多样, 使得CVI反机理非常复杂; 到目前为止, 人们对结构的形成机理还没有完全认识清楚。所以, 必须加强炭/炭复合材料的研究, 以确保在经济、 技术、 军事等方面的国际竞争中立于不败之地。
