工程應(yīng)用C/C 復(fù)合材料的性能分析與展望

蘇君明，周紹建，李瑞珍，肖志超，崔 紅

(1.西安航天復(fù)合材料研究所，陜西 西安 710025;2.西安超碼科技有限公司，陜西 西安 710025)

1 前言

中國C/C 復(fù)合材料研究的起始階段，是由中國科學(xué)院金屬研究所、西安航天復(fù)合材料研究所分別研制了炭氈/熱解炭、炭氈/樹脂炭喉襯試驗件為代表的第一代C/C 喉襯材料開始，并于1972 年在中國航天科技集團第四研究院進行了Φ300 mm 固體火箭發(fā)動機地面熱試車可行性篩選試驗［1］。至今，已經(jīng)歷40 多年的積累和發(fā)展，中國先后開發(fā)出針刺C/C、正交3D C/C、徑編C/C、穿刺C/C、軸編C/C等五種類型的C/C 復(fù)合材料，并成功應(yīng)用于航天、航空、光伏、粉末冶金、工業(yè)高溫爐等領(lǐng)域。在預(yù)制體成型技術(shù)、致密化技術(shù)、高溫處理技術(shù)以及工藝裝備技術(shù)方面取得了長足進步，西安超碼科技有限公司生產(chǎn)了直徑為2 340 mm，高度為3 100 mm(多段組合)的C/C 隔熱罩;寬度為1 600 mm，長度為2 100 mm的C/C 板材;其CVI 沉炭爐、炭化爐最大內(nèi)徑為2 800 mm，高度為3 600 mm;高溫處理爐最大內(nèi)徑為1 700 mm，高度為3 000 mm。這些C/C產(chǎn)品和工藝裝備均是中國最大的產(chǎn)品和工藝裝備，并可與其他國家知名的C/C 復(fù)合材料公司相媲美。

40 多年來，在重點領(lǐng)域取得了突破性進展，進入服役階段的時間節(jié)點為:

——1984 年4 月，由西安航天復(fù)合材料研究所研制的遠(yuǎn)地點固體火箭發(fā)動機C/C 喉襯，參與了第一顆東方紅二號通信衛(wèi)星的發(fā)射，獲得圓滿成功;

——1995 年7 月，由西安航天復(fù)合材料研究所研制的C/C 燃?xì)舛嫫?，參與了某重點戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈首飛，獲得圓滿成功;

——1999 年8 月，由航天材料及工藝研究所研制的C/C 端頭，參與某重點戰(zhàn)略導(dǎo)彈首飛，獲得圓滿成功;

——2002 年5 月，由航天材料及工藝研究所研制的C/C 擾流片，參與了某重點戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈首飛，獲得圓滿成功;

——2013 年12 月，由西安航天復(fù)合材料研究所研制的高分辨率光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的C/C 鏡筒，參與了嫦娥三號探測器的發(fā)射，獲得圓滿成功;

——1998 年10 月，由西安航空制動科技有限公司研制的軍機炭剎車盤，參與了某重點軍機首飛，獲得圓滿成功;

——2003 年11 月26 日，湖南博云新材料有限公司獲得中國民航總局頒發(fā)的B757-200 型飛機炭剎車盤零部件制造人批準(zhǔn)書;

——2005 年8 月18 日，北京航空材料研究院獲得中國民航總局頒發(fā)的MD-90 型飛機炭剎車盤零部件制造人批準(zhǔn)書;

——2009 年3 月24 日，西安超碼科技有限公司獲得中國民航局頒發(fā)的A318/A319/A320 型飛機炭剎車盤零部件制造人批準(zhǔn)書;

——2012 年1 月5 日，陜西蘭太航空設(shè)備有限公司獲得中國民航局頒發(fā)的A321 型飛機炭剎車盤零部件制造人批準(zhǔn)書;

——2005 年，西安超碼科技有限公司成功研制出中國第一套多晶硅氫化爐用C/C 熱場系列產(chǎn)品;

——2006 年，湖南南方博云材料有限公司成功研制出中國第一套單晶硅拉制爐用C/C 熱場系列產(chǎn)品;

——2008 年1 月，西安超碼科技有限公司成功研制出中國第一套徑編3DC/C 熱壓模具，并投入使用。

除上述重要節(jié)點涉及的9 個單位外，中國還有上海大學(xué)，西北工業(yè)大學(xué)，煙臺魯航炭材料有限公司，湖南金博復(fù)合材料科技有限公司，北京摩擦材料廠等單位也參與了工程應(yīng)用C/C 復(fù)合材料的開發(fā)與生產(chǎn)。

綜述通過工程應(yīng)用的五種類型C/C 復(fù)合材料性能和功能特點的梳理和評價，探索其影響的主要因素，闡明預(yù)制體結(jié)構(gòu)單元、炭基體優(yōu)化組合匹配技術(shù)對材料性能的控制機制，為建立中國共享的數(shù)據(jù)庫平臺奠定基礎(chǔ)。

2 性能表征及特點

性能表征是C/C 復(fù)合材料工程應(yīng)用的前提，表1～表3 列出了西安航天復(fù)合材料研究所、西安超碼科技有限公司生產(chǎn)的五種類型C/C 復(fù)合材料的物理、力學(xué)、熱學(xué)等典型性能數(shù)據(jù);表4 列出C/C 復(fù)合材料喉襯的燒蝕性能;表5 列出炭剎車盤的摩擦磨損性能;表6 列出了C/C 復(fù)合材料熱場產(chǎn)品的使用壽命。

C/C 復(fù)合材料不僅是一種復(fù)合材料，而且也是一種結(jié)構(gòu)。其可設(shè)計性通過調(diào)整炭纖維的排布方向滿足結(jié)構(gòu)承載的需求，而多維編織技術(shù)的發(fā)展又為其結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)提供了條件。

上海大學(xué)在20 世紀(jì)70 年代中后期開發(fā)了針刺短預(yù)氧化纖維成型的整體氈預(yù)制體，研制中小型固體火箭發(fā)動機C/C 復(fù)合材料喉襯;西安航天復(fù)合材料研究所采用針刺預(yù)氧整體氈研制了大型固體火箭發(fā)動機C/C 復(fù)合材料喉襯。其最大特點是:材料均勻性好，抗熱化學(xué)燒蝕能力強，與徑編C/C、軸編C/C、正交3D C/C，穿刺C/C 復(fù)合材料喉襯相比，其線燒蝕率最低。但其弱點也十分明顯，由于纖維體積含量低(8.5%-12.5%)，不連續(xù)，其拉伸、彎曲、層間剪切等力學(xué)性能是五種類型C/C 復(fù)合材料中最低的，抗機械剝蝕能力也較差，在高壓強燃?xì)饬鞴r下，易沖刷成深溝槽等缺陷。

宜興天鳥高新科技有限公司在1998 年開發(fā)了針刺炭纖維無緯布/網(wǎng)胎準(zhǔn)三向預(yù)制體成型技術(shù)［16］。其炭纖維體積含量達(dá)到23%-36%，并以連續(xù)長纖維為主，克服了2D 炭布疊層材料層間缺乏纖維連接的弱點。其最大特點是:層間剪切強度高，超細(xì)結(jié)構(gòu)的孔隙分布均勻，易于致密化成型，材料的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)性能均勻。其燒蝕率與針刺整體氈C/C 復(fù)合材料相當(dāng)，屬于第一檔次。其弱點是:厚度方向針刺纖維不連續(xù)，材料的拉伸強度比多維編織C/C 復(fù)合材料低。但由于針刺炭纖維預(yù)制體實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，成本較低，已占據(jù)了炭纖維預(yù)制體成型技術(shù)的主導(dǎo)地位。廣泛應(yīng)用于固體火箭發(fā)動機噴管喉襯;飛機炭剎車盤;光伏產(chǎn)業(yè)多晶硅氫化爐用熱場產(chǎn)品，單晶硅拉制爐用熱場產(chǎn)品;粉末冶金熱壓模具，工業(yè)高溫爐、釬焊爐用支架等領(lǐng)域。

表1 針刺C/C 復(fù)合材料的物理、力學(xué)、熱學(xué)性能［2-9］Table 1 Physical，mechanical and thermal properties of needle composites［2-9］.

西安航天復(fù)合材料研究所在20 世紀(jì)80 年代初，開發(fā)了第二代C/C 喉襯材料，即徑編4D C/C、徑編5D C/C 復(fù)合材料喉襯，隨后又開發(fā)了環(huán)向螺旋線徑細(xì)編4D C/C 復(fù)合材料喉襯。西安超碼科技有限公司開發(fā)了徑編3D C/C 復(fù)合材料熱壓模具。其突出特點是:炭纖維體積含量高(42%-46%)，環(huán)向、軸向拉伸強度高，整體結(jié)構(gòu)性好，適于制造特大型喉襯產(chǎn)品。但因徑向棒呈放射性排布，厚度方向狀態(tài)差異較大的先天性缺陷，導(dǎo)致了性能表征難度較大。且喉部環(huán)向纖維層與燃?xì)饬髌叫?，易?dǎo)致整層剝蝕，因而燒蝕率是五種類型C/C 復(fù)合材料中最大的，雖然環(huán)向螺旋線徑細(xì)編4D C/C 復(fù)合材料喉襯的燒蝕率有所降低，但仍比軸編C/C 復(fù)合材料喉襯燒蝕率高，屬于第三檔次。

表2 徑編C/C、軸編C/C 復(fù)合材料的物理、力學(xué)、熱學(xué)性能［10-14］Table 2 Physical，mechanical and thermal properties of radial and axial weaving composites［10-14］.

西安航天復(fù)合材料研究所在20 世紀(jì)90 年代中期，開發(fā)了第三代C/C 喉襯材料，即軸編4D C/C復(fù)合材料喉襯。其最大特點是:織物中70%以上纖維垂直于燃?xì)饬鞣较?，提高了材料的抗燒蝕性能，且截面內(nèi)的力學(xué)、熱學(xué)、燒蝕性能均勻一致，其燒蝕率屬于第二檔次，性能可表征性強，適于制造大型固體火箭發(fā)動機的喉襯材料［17-19］。

航天材料及工藝研究所在20 世紀(jì)90 年代末開發(fā)了正交3D C/C 及穿刺3D C/C 復(fù)合材料喉襯;西安航天復(fù)合材料研究所開發(fā)了緞紋布/網(wǎng)胎軸向穿刺的3D C/C 復(fù)合材料燃?xì)舛嫫?。其最大特點是:炭纖維體積含量高(40%-45%)，其拉伸、彎曲強度和拉伸模量最高，優(yōu)于針刺C/C、徑編C/C、軸編C/C 復(fù)合材料，其燒蝕率與軸編C/C 復(fù)合材料喉襯相當(dāng)，屬于第二檔次。

表1～表6 結(jié)果表明，中國工程應(yīng)用的五種類型C/C 復(fù)合材料的體積密度均高于其他國家同類型C/C 復(fù)合材料，而其開孔率均低于其他國家同類型C/C 復(fù)合材料;針刺C/C、徑編C/C 復(fù)合材料的力學(xué)性能明顯高于其他國家同類型C/C 復(fù)合材料;而日本研制的正交3D C/C 復(fù)合材料喉襯，由于其炭纖維體積含量最高(48%)，其拉伸強度、模量高于中國正交3D C/C 復(fù)合材料喉襯;中國及其他國家五種類型C/C 復(fù)合材料的熱學(xué)性能基本相當(dāng);針刺C/C、軸編C/C、穿刺C/C 復(fù)合材料喉襯的燒蝕性能優(yōu)于其他國家C/C 復(fù)合材料;針刺C/C 復(fù)合材料剎車盤在設(shè)計著陸能量動力矩試驗的摩擦系數(shù)與其他國家同類型C/C 復(fù)合材料基本相當(dāng);而在靜摩擦系數(shù)及100%和110%中止起飛高能載動力矩試驗時的摩擦系數(shù)明顯高于其他國家同類型C/C復(fù)合材料，并且在空客A320 型飛機的裝機使用中，其使用壽命明顯高出其他國家同類型C/C 復(fù)合材料;針刺C/C 熱場發(fā)熱體、隔熱罩、隔熱底板等產(chǎn)品在多晶硅氫化爐中的使用壽命明顯優(yōu)于其他國家C/C 復(fù)合材料。

表3 正交3DC/C、穿刺C/C 復(fù)合材料的物理、力學(xué)、熱學(xué)性能［15］Table 3 Physical，mechanical and thermal properties of ortho three-direction and puncture composites［15］.

表4 C/C 復(fù)合材料喉襯的燒蝕性能Table 4 Ablation properties of C/C composites.

3 影響C/C 復(fù)合材料性能的預(yù)制體、炭基體技術(shù)分析

C/C 復(fù)合材料經(jīng)歷了多循環(huán)的熱過程和復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致了多相、多界面的純炭結(jié)構(gòu)。其性能受炭纖維類型，排布方向及含量，炭基體類型及微觀結(jié)構(gòu)，多相界面結(jié)合狀態(tài)及材料內(nèi)部缺陷等多種因素控制，并受熱處理溫度制約。

C/C 復(fù)合材料是目前唯一能在2 300 ℃以上使用的超高溫工程材料。隨著溫度的升高，材料內(nèi)部缺陷微裂紋等發(fā)生閉合和鈍化，加上材料韌性有所提高，導(dǎo)致了材料力學(xué)性能比室溫時升高，其模量在1 800 ℃左右出現(xiàn)峰值，其強度在2 200 ℃左右出現(xiàn)峰值，即使在2 800 ℃(表1，表2)條件下仍能保持較高的拉伸強度，這是其他結(jié)構(gòu)材料所無法比擬的［20］。

表5 飛機炭剎車盤的摩擦磨損性能Table 5 Friction and wear properties of aerospace carbon brake.

表6 單晶硅、多晶硅C/C 熱場產(chǎn)品的使用壽命Table 6 Service life of C/C thermal field product for monocrystalline and polycrystalline silicon.

3.1 細(xì)化預(yù)制體結(jié)構(gòu)單元對C/C 復(fù)合材料性能的影響

炭纖維預(yù)制體成型技術(shù)是C/C 復(fù)合材料的增強骨架和基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)其性能可設(shè)計性的第一要素。表1～表4 結(jié)果表明，第一，針刺C/C、徑編C/C、穿刺C/C 復(fù)合材料的細(xì)化預(yù)制體結(jié)構(gòu)單元，對C/C 復(fù)合材料的力學(xué)性能、熱學(xué)性能彰顯出顯著影響。表1 的針刺6 K 炭布/網(wǎng)胎準(zhǔn)三向預(yù)制體比針刺12 K 炭布/網(wǎng)胎準(zhǔn)三向預(yù)制體，在炭纖維體積含量，C/C 復(fù)合材料密度，雙元炭基體含量及高溫處理溫度完全相同的狀態(tài)下，其拉伸、彎曲、壓縮、層間剪切強度及導(dǎo)熱系數(shù)(平行方向)，分別提高了38%、32.2%、32.8%、38.9%及21%。這是因為其一，6 K炭布比12 K 炭布更薄，與炭基體的界面結(jié)合更充分，其表征炭纖維與炭基體界面結(jié)合狀態(tài)的層間剪切強度提高了38.9%;其二，針刺6 K 炭布/網(wǎng)胎的層間密度為17 層/cm，比針刺12 K 炭布/網(wǎng)胎的層間密度為14 層/cm，提高了21%，在單位截面內(nèi)連續(xù)炭纖維的含量更高，因而提高了力學(xué)、熱學(xué)性能。表2 的徑細(xì)編預(yù)制體比徑編預(yù)制體在炭纖維體積含量、C/C 復(fù)合材料密度、高壓浸漬瀝青炭化工藝及高溫處理溫度相同的狀態(tài)下，其彎曲強度提高了17%-37%，剪切強度(沖剪法)提高了20%-50%，徑向熱膨脹系數(shù)降低一倍多，而徑向?qū)嵯禂?shù)提高了50%-69%。這是因為徑細(xì)編預(yù)制體中炭纖維徑向棒含量由6%提高到13%，環(huán)向纖維層厚度減薄的緣故。表3 的細(xì)編穿刺預(yù)制體比穿刺預(yù)制體在高壓浸漬瀝青炭化工藝、熱處理溫度、C/C 復(fù)合材料密度相同的狀態(tài)下，其各個方向的力學(xué)、熱學(xué)性能更均勻，彎曲強度提高了20%-40%，軸向熱膨脹系數(shù)降低了20%-40%，軸向?qū)嵯禂?shù)提高了60%-125%。這是因為細(xì)編穿刺的軸向纖維束間距縮小，纖維體積含量提高了2.8%-5.4%，而炭纖維含量又直接影響了C/C 復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)的緣故。第二，徑編C/C 復(fù)合材料細(xì)化預(yù)制體結(jié)構(gòu)單元，對C/C 復(fù)合材料的燒蝕性能彰顯出顯著影響。表4 的徑細(xì)編預(yù)制體比徑編預(yù)制體在C/C 復(fù)合材料密度、石墨化度、固體火箭發(fā)動機工況基本相同的狀態(tài)下，其喉部線燒蝕率降低了32.5%。燒蝕性能是喉襯材料的主要考核指標(biāo)，也是C/C 復(fù)合材料喉襯研究的熱點和難點，燒蝕又是受到眾多因素交互影響的復(fù)雜過程。燒蝕機理主要是燃燒產(chǎn)物氧化組分(H2O、CO2、OH)與喉襯內(nèi)型面發(fā)生多相化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的熱化學(xué)燒蝕和機械剝蝕雙重作用的綜合結(jié)果。且燒蝕率與燃?xì)猱a(chǎn)物氧化組分的濃度、燃燒室平均壓強成正比，隨氧化組分和壓強升高，燒蝕率顯著增大，尤其是壓強的提高，幾乎成線性關(guān)系［21，22］。徑細(xì)編預(yù)制體徑向炭纖維棒體積含量的增加(7%)和環(huán)向纖維層厚度的減薄，都有利于提高喉襯材料的抗機械剝蝕能力，從而降低了喉襯線燒蝕率。

3.2 炭基體優(yōu)化組合匹配技術(shù)對C/C 復(fù)合材料性能的影響

炭基體是影響C/C 復(fù)合材料性能的第二要素，起固結(jié)炭纖維增強體，傳遞載荷的功能，也是C/C復(fù)合材料的核心技術(shù)。通常炭基體類型有熱解炭、瀝青炭、樹脂炭等三類，熱解炭基體具有最佳的抗燒蝕和摩擦磨損性能，是一種優(yōu)質(zhì)炭基體;瀝青炭屬于層狀結(jié)構(gòu)的軟炭，具有最高的真密度、石墨化度、導(dǎo)熱系數(shù);而樹脂炭屬于難石墨化的硬炭，其開孔率較低?？筛鶕?jù)材料功能需求，進行設(shè)計，調(diào)整各相炭基體比例、優(yōu)化組合，充分發(fā)揮炭基體的傳遞效能。表1，表3-表6 結(jié)果表明:第一，針刺C/C、穿刺C/C 復(fù)合材料的炭基體優(yōu)化組合匹配技術(shù)，對C/C 復(fù)合材料的力學(xué)、熱學(xué)性能，彰顯出顯著影響。表1 的針刺C/C 復(fù)合材料喉襯采用熱解炭與樹脂炭優(yōu)化組合的雙元基體(Ⅰ型)比單一的瀝青炭基體(Ⅱ型)，其壓縮強度徑向提高了40%，軸向提高了37%，層間剪切強度提高了17%，而導(dǎo)熱系數(shù)徑向降低了39.6%，軸向降低了87%。表3 的穿刺C/C 復(fù)合材料舵片采用熱解炭與瀝青炭優(yōu)化組合的雙元炭基體比單一瀝青炭基體，其軸向壓縮強度提高了24.5%-42.5%，而軸向?qū)嵯禂?shù)降低了40%。這種熱解炭/樹脂炭、熱解炭/瀝青炭雙元基體由于氣相與液相致密工藝互為補充的綜合效果，使其抗壓強度平行方向達(dá)到150 MPa 左右，垂直方向達(dá)到250 MPa左右，層間剪切強度達(dá)到18-24.6 MPa 的高水平。而單一瀝青炭基體的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到了較高的水平。第二，針刺C/C 復(fù)合材料喉襯的炭基體優(yōu)化組合匹配技術(shù)，對其燒蝕性能彰顯出顯著影響。表4 的針刺整體氈C/C 喉襯、針刺C/C 復(fù)合材料喉襯采用的熱解炭/樹脂炭優(yōu)化組合的雙元基體，與徑編C/C、軸編C/C、正交3D C/C、穿刺C/C 復(fù)合材料喉襯相比，其喉部線燒蝕率仍是最低的。這是因為熱解炭基體在炭纖維周圍形成抗燒蝕的包鞘結(jié)構(gòu)，有效地保護了纖維，而在熱解炭包鞘結(jié)構(gòu)之間的孔隙中，又引入了氣密性好的樹脂炭基體，降低了材料的開孔率，而開孔率越低，其燒蝕率越?。?3，24］。第三，針刺C/C 復(fù)合材料剎車盤的炭基體匹配技術(shù)，對其高能載剎車時的摩擦系數(shù)和使用壽命彰顯出顯著影響。表5 的針刺C/C 復(fù)合材料剎車盤采用熱解炭/樹脂炭優(yōu)化組合的雙元基體與其他國家單一熱解炭基體相比，其靜摩擦系數(shù)提高了22%-28%，100%和110%中止起飛高能載動力矩試驗時摩擦系數(shù)提高了21%-29%和35%-40%。A320 裝機使用壽命提高了23%-36%。這是因為熱解炭/樹脂炭優(yōu)化組合雙元基體，其開孔率較低，厚度方向?qū)嵯禂?shù)較高，因而在高能載制動時，剎車盤界面的溫度較低，且樹脂炭基體在高速制動的相對摩擦中起到阻抑效果的緣故［25-29］。第四，針刺C/C 復(fù)合材料發(fā)熱體、隔熱罩、坩堝的炭基體優(yōu)化組合匹配技術(shù)，對其抗腐蝕的使用壽命彰顯出顯著影響。表6 的針刺C/C 復(fù)合材料發(fā)熱體、隔熱罩、隔熱底板、坩堝采用熱解炭/樹脂炭優(yōu)化組合的雙元基體，其抗腐蝕的使用壽命比其他國家單一瀝青炭或熱解炭的產(chǎn)品提高了一倍多。這是因為熱解炭/樹脂炭雙元基體質(zhì)地更均勻，開孔率較低的緣故［30，31］。

4 存在的問題及展望

經(jīng)過40 多年的研究和積累，C/C 復(fù)合材料已成為一種成熟的超高溫復(fù)合材料，其性能表征與評價取得了長足進步。滿足了不同環(huán)境的使用需求。從整體而言，仍然存在如下問題，需要進一步深入研究［32］。

4.1 建立和完善C/C 復(fù)合材料性能測試標(biāo)準(zhǔn)

中國優(yōu)勢單位在C/C 復(fù)合材料研制過程中，建立了企業(yè)或行業(yè)的物理、力學(xué)、熱學(xué)、燒蝕、摩擦磨損等性能測試標(biāo)準(zhǔn)。但未形成統(tǒng)一的國軍標(biāo)或國家標(biāo)準(zhǔn)，測試數(shù)據(jù)缺乏通用性和可比性。尤其是徑編C/C 復(fù)合材料環(huán)向拉伸強度的表征方法，采用與產(chǎn)品內(nèi)徑相同尺寸的環(huán)狀試樣，進行水壓爆破試驗，計算其環(huán)向拉伸強度，更貼近材料的真實強度。

應(yīng)統(tǒng)一中國C/C 復(fù)合材料的測試方法，與國際測試標(biāo)準(zhǔn)接軌，提升其測試標(biāo)準(zhǔn)水平，建立工程應(yīng)用C/C 復(fù)合材料的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫平臺。

4.2 提升工程應(yīng)用C/C 復(fù)合材料性能穩(wěn)定性

目前，中國工程應(yīng)用C/C 復(fù)合材料的性能穩(wěn)定性不足，成功的性能包絡(luò)線范圍較寬，產(chǎn)品批次間均值及離散系數(shù)差異較大。

應(yīng)從炭纖維預(yù)制體結(jié)構(gòu)單元的精細(xì)化研究和炭基體匹配技術(shù)研究及設(shè)備參數(shù)精度控制等三方面著手，提升工程應(yīng)用C/C 復(fù)合材料的質(zhì)量一致性和高端C/C 復(fù)合材料的性能水平。

4.3 開展結(jié)構(gòu)-功能一體化的預(yù)制體梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計，提升C/C 復(fù)合材料的應(yīng)用水平

高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)復(fù)合材料具有承載結(jié)構(gòu)與功能需求的雙重特點，對炭纖維預(yù)制體實施密度梯度或纖維排布梯度設(shè)計，即滿足了復(fù)合材料承載結(jié)構(gòu)需求，又充分發(fā)揮了復(fù)合材料的功能特點，是一種全新的設(shè)計理念［33，34］，可挖掘其潛力，拓展其應(yīng)用范圍，提升C/C 復(fù)合材料的應(yīng)用水平。

5 結(jié)論

經(jīng)過40 多年的攻關(guān)，中國工程應(yīng)用的5 種類型C/C 復(fù)合材料突破了高密度、高性能、高功能及大尺寸等系列關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了跨越式發(fā)展，滿足了航天、航空、光伏、粉末冶金、工業(yè)高溫爐等領(lǐng)域重大裝備的需求，提升了中國C/C 復(fù)合材料的自主保障能力。其中多種C/C 復(fù)合材料的物理、力學(xué)、熱學(xué)、燒蝕、摩擦磨損、使用壽命等性能和功能優(yōu)于其他國家同類型C/C 復(fù)合材料。但其產(chǎn)業(yè)化規(guī)?；脚c其他國家相比還有較大差距，并存在缺乏統(tǒng)一的性能測試規(guī)范和性能穩(wěn)定性不足的問題。從炭纖維預(yù)制體結(jié)構(gòu)單元精細(xì)化研究和炭基體匹配技術(shù)研究及設(shè)備參數(shù)精度控制著手，并開展結(jié)構(gòu)—功能一體化的預(yù)制體梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計研究仍是今后的重點方向。

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