“十二五”国家重点出版物出版规划项目:中国战略性新兴产业——新材料（碳/碳复合材料）

      该丛书为国内*部系统论述我国新材料发展战略的系统性科技系列著作；中国材料研究学会组织编写，各分册作者均为国内*专家；内容突出“新”字，即：当代新材料的新概念、新技术、新工艺、新成果、新应用、新趋势等，代表了全球新材料发展的主流。入选“‘十二五’国家重点出版物出版规划项目”，获2016年度国家出版基金资助。 

        “中国战略性新兴产业——新材料”丛书是中国材料研究会组织编写的，被新闻出版广电总局批准为“十二五”国家重点出版物出版规划项目。丛书共16分册，涵盖了新型功能材料、高性能结构材料、高性能纤维复合材料等16种重点发展材料。本分册为《碳/碳复合材料》。本书在总结近年来国内外相关研究与应用开发成果的基础上，基于作者团队的研究成果，系统论述了碳/碳复合材料的概念与特点、主要制造工艺、组织结构与性能特征、抗氧化与抗烧蚀技术、产业发展背景及战略意义、主要任务及应对策略等。本书针对影响碳/碳复合材料产业发展面临的关键基础科学和技术难题与应对策略，引用了大量的文献资料，突出了该领域的研究热点和未来发展趋势。本书内容系统、先进，适合我国碳/碳复合材料产业相关的基础科学和技术领域的科技工作者参考，也可作为高校材料专业教材，亦可供政府相关部门工作人员参考。

      李贺军，博士，教授，西北工业大学材料学院院长，兼任超高温复合材料国防重点实验室副主任，陕西省碳/碳复合材料工程技术研究中心主任。学术兼职包括：中国复合材料学会理事；中国材料研究学会理事；陕西省材料研究学会副理事长；陕西省复合材料学会副理事长。付前刚，博士，西北工业大学教授，2007年入选首届“翱翔之星人才计划”，现任中国硅酸盐学会测试技术分会理事。

第1章概论1

1.1碳/碳复合材料的概念及发展历程1

1.1.1碳/碳复合材料的概念1

1.1.2碳/碳复合材料的发展历程1

1.2碳/碳复合材料的制备工艺、性能特点及应用2

1.2.1碳/碳复合材料的制备工艺2

1.2.2碳/碳复合材料的性能特点7

1.2.3碳/碳复合材料的应用7

1.3碳/碳复合材料发展前景展望9

1.3.1碳/碳复合材料目前存在的主要问题9

1.3.2碳/碳复合材料的发展趋势10

参考文献11

第2章碳/碳复合材料的制造工艺13

2.1碳纤维及预制体的选择13

2.2碳/碳复合材料的液相浸渍碳化工艺16

2.3碳/碳复合材料的CVI工艺19

2.3.1沉积机理19

2.3.2沉积动力学过程20

2.3.3热解碳在孔隙内的沉积21

2.3.4等温CVI工艺25

2.3.5热梯度CVI工艺30

2.3.6等温压力梯度CVI工艺37

2.3.7脉冲CVI工艺38

2.3.8强制流动热梯度CVI工艺41

2.3.9化学液相气化渗积工艺45

2.3.10催化CVI工艺50

2.3.11小结与展望56

参考文献56

第3章碳/碳复合材料的组织结构与性能60

3.1碳/碳复合材料的组织结构60

3.1.1基体碳的分类 60

3.1.2石墨和碳的晶体结构61

3.1.3热解碳的微观结构及分类63

3.1.4热解碳织构的表征65

3.2碳/碳复合材料的性能74

3.2.1影响碳/碳复合材料力学性能的因素74

3.2.2影响碳/碳复合材料热性能的因素79

3.3碳/碳复合材料性能改进的途径85

3.3.1基体的改进85

3.3.2碳纤维及预制体结构的改进89

3.3.3界面改进91

3.4碳/碳复合材料织构和性能的研究发展趋势93

参考文献93

第4章碳/碳复合材料的抗氧化与抗烧蚀技术102

4.1碳/碳复合材料氧化和烧蚀过程102

4.1.1碳/碳复合材料氧化过程102

4.1.2碳/碳复合材料烧蚀过程103

4.2碳/碳复合材料热防护技术106

4.2.1涂层技术107

4.2.2基体改性技术126

参考文献135

 

第5章发展碳/碳复合材料产业背景及战略意义145

5.1碳/碳复合材料在国民经济和国防建设重大工程和项目中的地位与作用145

5.1.1碳/碳复合材料在航天领域的地位与作用145

5.1.2碳/碳复合材料在航空领域的地位与作用148

5.1.3碳/碳复合材料在其他民用领域的地位与作用151

5.2国外碳/碳复合材料产业发展现状及趋势152

5.2.1国外碳/碳复合材料在航天领域的产业发展现状及趋势154

5.2.2国外碳/碳复合材料在航空领域的产业发展现状及趋势158

5.3我国碳/碳复合材料产业发展现状及趋势160

5.3.1我国碳/碳复合材料产业发展现状160

5.3.2我国碳/碳复合材料产业布局165

5.3.3我国碳/碳复合材料产业发展存在的主要问题和挑战167

参考文献169

第6章发展我国碳/碳复合材料产业的主要任务及应对策略171

6.1突破我国碳/碳复合材料产业发展的系列关键技术  171

6.1.1降低成本171

6.1.2提高性能稳定性 172

6.1.3提高抗氧化抗烧蚀性能 173

6.1.4实现大批量制备能力174

6.1.5碳/碳复合材料性能检测标准、评价体系与相关数据库的建立175

6.2加强碳/碳复合材料产品的升级换代
176

6.2.1喉衬烧蚀类碳/碳产品 176

6.2.2碳/碳制动副 177

6.2.3碳/碳坩埚、发热体等民用产品178

6.2.4航空航天高温结构碳/碳产品179

6.3进一步提高我国碳/碳复合材料产业化水平
179

6.3.1产学研用相结合是必由之路179

6.3.2提高碳/碳复合材料产业化制造能力  180

6.3.3提高碳/碳复合材料产业化市场开发能力  181

6.4培养碳/碳复合材料龙头企业资源182

6.5实现碳/碳复合材料产业链的可持续发展   183

参考文献186

“中国战略性新兴产业——新材料”丛书是中国材料研究学会组织编著的，被新闻出版广电总局批准为“十二五”国家重点出版物出版规划项目。

根据国务院《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》，新材料被列为我国战略性新兴产业之一。本丛书定位为：从战略性新兴产业的高度，着重论述新材料在国民经济和国防建设重大工程和项目中的地位和作用、技术基础、新研究成果、应用领域及发展前景。其特点是体现一个“新”字，即在遵守国家有关保密规定的前提下论述当代新材料的先进的工艺和重要的性能。它代表当代全球新材料发展主流，对实现可持续发展具有重要的现实意义和深远的指导意义。丛书共16分册，涵盖了新型功能材料、高性能结构材料、高性能纤维复合材料等16种重点发展材料。本分册为《碳/碳复合材料》。

碳/碳复合材料是以碳纤维为增强相的碳基复合材料，是目前极少数可在2 000 ℃以上保持较高力学性能的材料，它具有低比重、高比强、高比模、低热膨胀系数、耐热冲击、耐烧蚀、耐含固体微粒燃气冲刷等优异性能，是新材料领域重点研究和开发的一类战略性高技术材料。

碳/碳复合材料的传统制备工艺主要包括树脂/沥青浸渍裂解和等温化学气相渗积。为提高该材料的致密化效率和性能，后续发展了热梯度化学气相渗积、限域变温化学气相渗积、液相气化渗积等高效成型工艺。碳/碳复合材料的性能与其碳纤维预制体结构、基体碳组织结构（简称“基体碳织构”）和界面结构息息相关，性能可设计性强。针对碳/碳复合材料高温易氧化、抗烧蚀性能不足等高温应用的瓶颈问题，液相浸渍裂解超高温陶瓷基体改性与包埋、化学气相沉积、等离子喷涂等抗氧化涂层技术得到快速发展，近年来取得了显著成果。

碳/碳复合材料在航空、航天、兵器及民用领域具有诱人的应用前景，已用于航天战略导弹端头、空天飞行器头锥、机翼前缘、热结构舱段，导弹发动机燃烧室、扩张段、喉衬及烧蚀环、防热/隔热部件，飞机制动盘，兵器火箭弹喉衬、喷管等。在高温炉发热体、生长单晶炉坩埚、高温紧固件等民用领域业已应用。近年来，国防科技的快速发展对低烧蚀抗氧化碳/碳复合材料提出了耐更高温度、更高速度和更长时间的极端要求，包括先进航空航天器及其动力系统研发的高温构件及多种高新武器装备的关键部件，民用领域特种耐热和耐磨部件升级换代也有迫切需求，在这些方面，还存在较多关键技术尚待突破。

本书所述观点和结论主要基于作者团队近年来的研究成果，针对影响碳/碳复合材料产业发展面临的关键基础科学和技术难题与应对策略，引用了大量的文献资料，突出了该领域的研究热点和未来发展趋势。全书共六章，第1章介绍了碳/碳复合材料的概念与特点、发展历程和前景，第2章论述了碳/碳复合材料的主要制造工艺，第3章论述了碳/碳复合材料的组织结构与性能特征，第4章论述了碳/碳复合材料抗氧化与抗烧蚀技术，第5章分析了碳/碳复合材料产业发展背景及战略意义，第6章分析了我国碳/碳复合材料产业发展的主要任务及应对策略。

本书第1章由张磊磊（西北工业大学）和李贺军（西北工业大学）编著，第2章由李伟（西北工业大学）和李贺军编著，第3章由卢锦花（西北工业大学）和李贺军编著，第4章由史小红（西北工业大学）编著，第5章由张雨雷（西北工业大学）编著，第6章由付前刚（西北工业大学）编著，全书由李贺军统稿定稿。

本书在编著过程中得到多方面的帮助。首先要感谢作者所在团队同事们的大力支持；其次要感谢西北工业大学李克智教授、郭领军教授、张守阳教授，他们在抗氧化抗烧蚀技术、碳/碳复合材料制备工艺、微观结构与性能等方面提供了大量数据和资料；后感谢国家出版基金、国家自然科学基金、凝固技术国家重点实验室自主课题的资助。

因作者经验和水平有限，书中的不妥之处在所难免，敬请广大读者批评指正。

编著者

2017年6月