先進(jìn)固體發(fā)動機(jī)噴管材料應(yīng)用現(xiàn)狀課件

碳基復(fù)合材料在機(jī)械工程中的應(yīng)用碳基復(fù)合材料，及其性質(zhì)、用途碳基復(fù)合材料在各領(lǐng)域中的應(yīng)用碳基復(fù)合材料的發(fā)展趨勢與前景。碳基復(fù)合材料在機(jī)械工程中的應(yīng)用碳基復(fù)合材料，及其性質(zhì)、用途1

顧名思義，碳基復(fù)合材料就是以碳纖維(織物)或碳化硅等陶瓷纖維(織物)為增強(qiáng)體，以碳為基體的復(fù)合材料。碳基復(fù)合材料的定義顧名思義，碳基復(fù)合材料就是以碳纖維(織物)或碳化2碳基復(fù)合材料的簡介碳/碳復(fù)合材料是六十年代發(fā)展起來約一種新型耐高溫材料，它是由增強(qiáng)碳和基體碳所組成的多相材料。增強(qiáng)碳可以是不同類型的碳(或石墨)纖維及其織物。在碳/碳復(fù)合材料中起著骨架和增強(qiáng)劑的作用。基體碳起粘接作用，目前的基體碳可以是樹脂碳、瀝青碳和沉積碳。碳/碳復(fù)合材料目前在國外已經(jīng)被公認(rèn)是高級載入飛行器鼻錐和固體火箭發(fā)動機(jī)噴營等關(guān)鍵部位最理想的耐燒蝕、防熱材料。碳/碳復(fù)合材料的工程應(yīng)用也日趨成熟?，F(xiàn)己用于美國民兵Ⅲ洲際導(dǎo)彈彈頭，全碳/碳化的火箭發(fā)動機(jī)噴管也成功地通過了試驗(yàn)。碳基復(fù)合材料的簡介碳/碳復(fù)合材料是六十年代發(fā)3碳基復(fù)合材料的性質(zhì)比重?。换瘜W(xué)穩(wěn)定性高；耐熱性好（非氧化性氣氛）；導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好；耐腐蝕性好。碳基復(fù)合材料的性質(zhì)比重??；4碳基復(fù)合材料的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)高溫形狀穩(wěn)定升華溫度高燒蝕凹陷低平行于增強(qiáng)方向具有高強(qiáng)度和高剛度在高溫條件下的強(qiáng)度和剛度可保持不變抗熱應(yīng)力抗熱沖擊力學(xué)性能為假塑性抗裂紋傳播非脆性破壞衰弱脈沖化學(xué)惰性重量輕抗輻射性能可調(diào)整原材料為非戰(zhàn)略材料易制造和加工材料：非軸向性能差

破壞應(yīng)變低

空洞含量高

洞分布不均勻

纖維與基體結(jié)合差

導(dǎo)熱系數(shù)高

抗氧化能力差

抗顆粒浸蝕性差

成本高加工：制造加工周期長可還原性差設(shè)計：設(shè)計與工程性能受限制

缺乏破壞準(zhǔn)則

設(shè)計方法復(fù)雜

環(huán)境特征曲線復(fù)雜

各向異性

尚無較好的非破壞檢驗(yàn)方法

使用經(jīng)驗(yàn)不足

鏈接與接頭困難碳基復(fù)合材料的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)高溫形狀穩(wěn)定材料：非軸向性5碳基復(fù)合材料的應(yīng)用

航天技術(shù)方面在航天飛機(jī)機(jī)翼和尾翼的前緣由于使用了碳/碳材料．大大地減輕了航天飛機(jī)的重量。全碳/碳化固體火箭發(fā)動機(jī)噴管是今后的發(fā)展方向。碳/碳材料還可以制作液體火箭發(fā)動機(jī)的噴喉。在衛(wèi)星和飛船上還大量地用碳/碳材料制作熱防護(hù)罩，航空工業(yè)方面英、美、法等國家制造的碳/碳剎車盤，為飛機(jī)提供了磨擦制動，能控制飛機(jī)在地面運(yùn)動的方向和速度。碳/碳剎車盤不僅用于高性能的軍用飛機(jī)，并已投入民用航線使用，如：協(xié)和號飛機(jī)。這種剎車盤比鋼剎車盤強(qiáng)度高，剛性好，可以節(jié)省約50%的重量，操作安靜，著陸次數(shù)可提高5-6倍。在醫(yī)療上的應(yīng)用已經(jīng)用碳/碳復(fù)合材料制成了人工心瓣膜。碳基復(fù)合材料的應(yīng)用航天技術(shù)方面6

碳基復(fù)合材料在各領(lǐng)域中的應(yīng)用碳/碳復(fù)合材料是一種新型高溫材料,具有重量輕、模量高、比強(qiáng)度大、熱膨脹系數(shù)低、耐高溫、耐熱沖擊、耐腐蝕、吸振性好等一系列優(yōu)異性能。該材料的密度不到2.0g/cm3,僅為鎳基高溫合金的1/4,陶瓷材料的1/2,尤其是這種材料隨著溫度升高(可達(dá)2200℃)其強(qiáng)度不僅不降低,甚至比室溫還高,這是其它材料所無法比擬的獨(dú)特的性能。碳/碳復(fù)合材料的研制工作，可追溯到20世紀(jì)60年代初。1961年在日本首先用聚丙烯腈（PAN）原絲制成高性能碳纖維。1963年英國的研究人員發(fā)明用牽引法提高纖維結(jié)構(gòu)的取向，進(jìn)一步提高了碳纖維的強(qiáng)度和彈性模量。到60年代末，提高碳纖維性能和生產(chǎn)效率的辦法日趨完善。高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度、高模量和高強(qiáng)中模量的碳纖維形成規(guī)模生產(chǎn)并開始商品化。碳基復(fù)合材料在各領(lǐng)域中的應(yīng)用碳/碳復(fù)7碳纖維年耗量(2004年10月德國漢堡國際碳纖維會議)碳纖維年耗量(2004年10月德國漢堡國際碳纖維會議)8近年來,美、俄、法等國家又開發(fā)了許多混雜其它材料的新型碳/碳材料,以滿足不同的特殊使用要求：

在碳/碳材料中混入Si3N4、SiC、TiC、TaO、TaC等粉末,以提高碳/碳材料抗粒子侵蝕性能。更新的彈頭鼻錐防熱材料是針刺細(xì)編織物在穿刺或編織過程中加入改進(jìn)性能的組分,如耐熔金屬絲、耐侵蝕粒子等,這樣可大大改進(jìn)抗粒子侵蝕性能,達(dá)到“全天候”的目的。此外,四向或更多向碳基復(fù)合材料也是研制發(fā)展的方向,由于采用了交錯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和增加了增強(qiáng)方向數(shù),不僅增加了各向同性、提高了抗侵蝕能力,也改進(jìn)了耐燒蝕性。近年來,美、俄、法等國家又開發(fā)了許多混雜91.航天航空

航空領(lǐng)域的材料體系更強(qiáng)調(diào)性能與可靠性的綜合,先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用不僅具有減重的效益,而且還使飛機(jī)結(jié)構(gòu)的其他性能得到提升。例如復(fù)合材料的氣動剪裁技術(shù)可顯著提高結(jié)構(gòu)效率;整體成形技術(shù)可有效減少連接,提高結(jié)構(gòu)可靠性,降成本;復(fù)合材料耐腐蝕抗疲勞特點(diǎn)可降低維護(hù)成本。隨著新一代航空航天器向高超聲速方向的發(fā)展,苛刻的超高溫服役環(huán)境對材料及結(jié)構(gòu)的承載與防熱提出了嚴(yán)峻考驗(yàn),碳/碳復(fù)合材料是適應(yīng)這種需求的重要候選材料。碳/碳復(fù)合材料從碳纖維增強(qiáng)相結(jié)構(gòu)可分為碳?xì)諧/C和多向編織C/C復(fù)合材料。作為一種新型戰(zhàn)略材料,在美、俄、法、英、日等國家,其研制發(fā)展主要由空軍、海軍或政府預(yù)算中給予支持,因此,碳/碳復(fù)合材料的國防專用性和強(qiáng)烈的軍事背景使其研制和使用具有高度的機(jī)密性。碳基防熱復(fù)合材料主要用于燒蝕防熱和熱結(jié)構(gòu),較好地解決了輕質(zhì)化、抗熱震、耐侵蝕等技術(shù)難題。1.航天航空航空領(lǐng)域的材料體系更強(qiáng)調(diào)性能與10圖復(fù)合材料在民機(jī)上的應(yīng)用國外自1980年的F-18軍機(jī)開始,最新研究的殲擊機(jī)全部采用復(fù)合材料機(jī)翼,而且在機(jī)身上也大量采用先進(jìn)復(fù)合材料,占結(jié)構(gòu)重量的25%～50%。如第四代機(jī)中的F22復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)重量的25%,法國Rafale占40%,瑞典JAS39占30%,歐洲EF2000則大于40%,美國的殺手锏武器B2轟炸機(jī)占50%。民機(jī)上的復(fù)合材料用量也有大幅度提高。波音B777共用復(fù)合材料9.9噸,占結(jié)構(gòu)總重的11%;“夢想飛機(jī)”B787用復(fù)合材料將達(dá)50%;A380大型客機(jī)可容納乘客500～650人,僅碳纖維復(fù)合材料用量就達(dá)32噸左右,加上其他各種復(fù)合材料,總用量在25%左右,開創(chuàng)了大型民機(jī)大量使用復(fù)合材料的先河。圖復(fù)合材料在民機(jī)上的應(yīng)用國外自198111.1碳/碳復(fù)合材料剎車盤減重方面：從宏觀上分析,碳/碳復(fù)合材料剎車盤的優(yōu)越之處主要源于其本身密度小,耐高溫的特點(diǎn),由于其密度小、使用碳/碳盤后可以使每架飛機(jī)重量大大減輕。如：空中客車A310減重499kg,A300-600減重590kg,A330及A340減重998kg，麥道公司的MD-11減重900kg。優(yōu)異的高溫性能：一架飛機(jī)剎車摩擦引起的溫升高達(dá)500℃以上,尤其是最苛刻的起飛緊急剎車引起的溫升超過1000℃,一架波音747-400的剎車系統(tǒng)在起飛中緊急剎車時會產(chǎn)生1.75×108kgm的功,一些剎車元件將達(dá)到熔點(diǎn),此時碳/碳材料的耐高溫性能就顯示了極大的優(yōu)越性。1.1碳/碳復(fù)合材料剎車盤減重方面：12就微觀結(jié)構(gòu)而言,石墨晶體屬于層狀結(jié)構(gòu),碳原子排列于一系列相距較遠(yuǎn)(0.3414nm)的原子面上,在各層面上的碳原子按正六角形排列,原子在同層之內(nèi)的結(jié)合力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于層間結(jié)合力,鄰層之間的結(jié)合鍵能明顯較低,容易滑移,摩擦阻力小,而薄片層內(nèi)的碳原子在滑動時卻不會潰散,有較大的承載能力。同時碳/碳材料又不屬于純石墨結(jié)構(gòu),碳/碳復(fù)合材料中碳纖維和熱解碳的微觀組織屬于亂層石墨結(jié)構(gòu),因而摩擦系數(shù)比石墨高。碳纖維一方面起著增強(qiáng)基體的作用,使剎車盤具有足夠的強(qiáng)度和剛度,同時由于其石墨化度不高,提高了摩擦系數(shù),因此通過調(diào)整碳/碳材料碳纖維的體積含量可以得到既有足夠強(qiáng)度又有適中摩擦系數(shù)的碳/碳盤,通過改變基體熱解碳的石墨化度還可以進(jìn)一步改善其摩擦磨損性能。從而使碳/碳剎車盤具有合適的摩擦系數(shù)和很好的耐磨性。采用碳/碳盤后更換周期大幅度延長,一個周期可達(dá)到1500～3000個起落,壽命提高5～6倍就微觀結(jié)構(gòu)而言,石墨晶體屬于層狀結(jié)構(gòu),13國外現(xiàn)狀目前世界上已有60余種飛機(jī)采用了碳/碳剎車裝置。歐美公司生產(chǎn)的民航飛機(jī)的剎車系統(tǒng)已逐漸用碳/碳盤取代鋼盤,如空中客車公司的所有飛機(jī)都采用了碳/碳剎車裝置。美國從事航空機(jī)輪和碳剎車裝置的專業(yè)公司：Hitco、聯(lián)信公司的Bendix公司、ABS、B.F.Goodrich以及碳化硅公司、聯(lián)合碳化物公司等。法國研制碳/碳剎車裝置的：歐洲動力裝置公司、米西爾-西班牙-畢加第公司、洛林碳業(yè)公司、國營宇航公司、化物公司等。日本從事碳/碳剎車材料研制工作的：萱場工業(yè)公司、東邦貝斯綸公司和東京工業(yè)材料研究所等。英國主要研制和生產(chǎn)碳/碳剎車裝置的公司：鄧祿普公司等。國外現(xiàn)狀目前世界上已有60余種飛機(jī)采用了碳14國內(nèi)現(xiàn)狀我國從70年代初開始研制碳/碳剎車裝置,先后參與此項(xiàng)工作的有：蘭州碳素廠、514廠、上海碳素廠、煙臺冶金新材料研究所、西北工業(yè)大學(xué)等。其中采用的工藝方法主要為CVD法，在致密化工藝、增強(qiáng)體準(zhǔn)備、性能控制等方面,取得了一些成績。研制出了某型飛機(jī)碳/碳盤樣件、BAe146碳/碳盤樣件、碳/碳盤的縮比件。并進(jìn)行了性能及結(jié)構(gòu)方面的研究,尤其在摩擦磨損機(jī)理、石墨化度的影響及提高石墨化度的方法等方面進(jìn)行了較深入的探討,提出了高摩擦性能碳/碳材料的模型。國內(nèi)現(xiàn)狀15

1.2碳/碳復(fù)合材料發(fā)動機(jī)熱端隨航空事業(yè)的發(fā)展,對航空發(fā)動機(jī)推重比有越來越高的要求,而提高新型發(fā)動機(jī)推重比的關(guān)鍵是提高熱效率,其實(shí)現(xiàn)辦法是提高空氣壓縮比和提高渦輪進(jìn)氣溫度。因此,航空渦輪發(fā)動機(jī)和工業(yè)渦輪發(fā)動機(jī)渦輪進(jìn)氣溫度將會有更大的提高,這就對發(fā)動機(jī)熱端部件的材料提出了越來越高的要求,能夠在1600～2000℃高溫下正常工作的材料只有碳/碳復(fù)合材料。

特殊功能:(1)在1600℃以上仍能保持強(qiáng)度不降低;(2)減輕發(fā)動機(jī)重量,提高推重比;(3)減少冷空氣消耗,提高發(fā)動機(jī)效率;(4)提高工作溫度,提高發(fā)動機(jī)的熱效率。1.2碳/碳復(fù)合材料發(fā)動機(jī)熱端隨航空事16國外現(xiàn)狀近幾年來,世界各發(fā)達(dá)國家正在把碳/碳復(fù)合材料逐步應(yīng)用在發(fā)動機(jī)構(gòu)件上美國已把這種材料用在F100飛機(jī)發(fā)動機(jī)噴嘴和加力燃燒室噴管上;Hitco公司已制成了魚鱗片;LTV公司制造出了渦輪葉片和盤整體部件,并在1760℃溫度下進(jìn)行了地面超轉(zhuǎn)試驗(yàn);通用電氣公司JID驗(yàn)證機(jī)低壓渦輪部分用碳/碳材料制造出渦輪葉片和盤整體部件,運(yùn)轉(zhuǎn)溫度1649℃,比一般渦輪高出555℃,而且不用氣冷,已試驗(yàn)成功；法國、德國、俄羅斯也已分別制造出燃燒室噴油桿,渦輪轉(zhuǎn)子外環(huán)等零件。國外現(xiàn)狀近幾年來,世界各發(fā)達(dá)國家正在把碳/碳復(fù)合材料逐步17近幾年來西北工業(yè)大學(xué)開展了一些研究工作,主要進(jìn)展有以下幾個方面:(1)針對碳/碳復(fù)合材料生產(chǎn)周期長、工藝難度大、成本居高不下的問題,開發(fā)了兩種新的成形工藝法,即超高壓成形工藝和快速氣相沉積工藝,(2)為解決碳/碳材料的氧化問題,通過在基體中添加的SiO2、ZrO2,Al2O3等,研究了基體改性對抗氧化的影響(3)在超高溫性能測試及評價方面,已研究了單向碳/碳復(fù)合材料在1900～2300℃的持久強(qiáng)度和蠕變特征,(4)在應(yīng)用研究方面,制備出了微型發(fā)動機(jī)尾噴管、葉片樣件、高溫保護(hù)套管等，研究了多種制件的成形工藝方法。國內(nèi)現(xiàn)狀近幾年來西北工業(yè)大學(xué)開展了一些研究工作,主要進(jìn)展有以下幾個182.火箭發(fā)動機(jī)碳纖維復(fù)合材料制造的殼體具有強(qiáng)度高、剛度大、尺寸穩(wěn)定等特點(diǎn)，因此，碳纖維復(fù)合材料可用于新型陸基機(jī)動同體洲際導(dǎo)彈一、二、三級發(fā)動機(jī)殼體、新一代中程地地戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)殼體。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在火箭發(fā)動機(jī)上主要用作推力室噴管材料,一是用作固定的噴管延伸段,二是用作可移動的噴管延伸段(可延伸噴管)。除此之外,小推力室也可整體用這種材料制造。固體發(fā)動機(jī)噴管屬于非冷卻型,工作環(huán)境極其惡劣。特別是喉部的高溫、高壓二相流燃?xì)獾臋C(jī)械沖刷、化學(xué)侵蝕和熱沖擊十分嚴(yán)厲,材料選擇是現(xiàn)代固體火箭推進(jìn)的重大關(guān)鍵技術(shù)。

早期的噴管多使用復(fù)合型結(jié)構(gòu),即以金屬或高強(qiáng)度玻璃鋼為結(jié)構(gòu)材料,高熔點(diǎn)金屬或優(yōu)質(zhì)石墨為耐熱—吸熱材料,燒蝕型增強(qiáng)塑料為絕熱材料。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,配合界面多,質(zhì)量大,工藝周期長,也增加了不可靠度。80年代以來,發(fā)展高性能固體發(fā)動機(jī)的主攻方向由“高能”轉(zhuǎn)向“輕質(zhì)、可控”,,高性能發(fā)動機(jī)噴管沖質(zhì)比要求已達(dá)到150000N·s/kg以上。正是性能優(yōu)異的多向編織碳/碳材料的涌現(xiàn),從根本上解決了這個矛盾,實(shí)現(xiàn)了噴管技術(shù)的飛躍。2.火箭發(fā)動機(jī)碳纖維復(fù)合材料制造的殼體具有19先

進(jìn)

固

體

發(fā)

動

機(jī)

噴

管

材

料

應(yīng)

用先

進(jìn)

固

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發(fā)

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料

應(yīng)

用20現(xiàn)狀：隨著航空航天飛行器各項(xiàng)陛能的不斷提高，對結(jié)構(gòu)件所用材料的要求也越來越高。

國外發(fā)動機(jī)殼體目前的主要應(yīng)用方向是采用碳纖維纏繞殼體，使發(fā)動機(jī)質(zhì)量比有較大提高。而國內(nèi)目前尚沒有碳纖維纏繞的固體發(fā)動機(jī)殼體，所用樹脂基體的耐熱性也不高，殼體外層的熱防護(hù)涂層也增加了殼體的消極質(zhì)量。為此應(yīng)給予經(jīng)費(fèi)支持，盡快開展高性能耐熱基體材料、高性能碳纖維在固體發(fā)動機(jī)殼體上的應(yīng)用等方面的研究，早日實(shí)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料同體發(fā)動機(jī)白防熱殼體的應(yīng)用，提高武器系統(tǒng)的綜合性能?，F(xiàn)狀：隨著航空航天飛行器各項(xiàng)陛能的不斷提213.其它：①釣魚桿現(xiàn)年產(chǎn)量約1200萬只，年碳纖維用量1200t；②高爾夫球桿隨著輕量化和長尺寸化的要求，現(xiàn)已占碳纖維體育用品用途的50％，年碳纖維用量為2000t；③網(wǎng)球拍的年市場規(guī)模約為450萬只，年碳纖維用量約500t；④人造衛(wèi)星結(jié)構(gòu)體、太陽能電池板和天線要用高模碳纖維，先進(jìn)的運(yùn)載火箭和導(dǎo)彈殼體、發(fā)射筒等要用800H和T300碳纖維等；⑤土木建筑領(lǐng)域，已用于補(bǔ)修加工用片材、建筑部件、代鋼筋材料、屋頂構(gòu)架材料等；⑥能源領(lǐng)域，已用于汽車的壓縮天然氣罐和風(fēng)車葉片(長達(dá)30-40m)、海底油田管道、升降機(jī)等；⑦交通運(yùn)輸方面，已應(yīng)用于賽車、汽車傳動軸、大型卡車車體等；⑨電子電器領(lǐng)域，已應(yīng)用于增強(qiáng)熱塑性樹脂的擠出成型品，如抗靜電IC盤、筆記本電腦的筐體，具有電磁波屏蔽效果；⑧還有X-射線盒、醫(yī)用床板、印刷、制膜、造紙等用的各種滾軸、空氣或氧氣呼吸用壓力容器等等。3.其它：①釣魚桿現(xiàn)年產(chǎn)量約1200萬只，年碳纖維用量12022碳基復(fù)合材料的發(fā)展趨勢與前景航空領(lǐng)域電化學(xué)方面電子器件方面簡述總體情況碳基復(fù)合材料的發(fā)展趨勢與前景航空領(lǐng)域23航空領(lǐng)域的發(fā)展與前景隨著航空、航天及國防事業(yè)的發(fā)展,對材料的要求不斷提高,其服役條件越來越苛刻,材料在極端環(huán)境下的行為研究對軍用先進(jìn)材料的發(fā)展和武器裝備性能提高的影響也越來越突出。碳基復(fù)合材料的輕質(zhì)、高比強(qiáng)、高比模和耐超高溫等一系列優(yōu)異的綜合性能,賦予這類材料在航空航天領(lǐng)域的優(yōu)勢地位。航空領(lǐng)域的發(fā)展與前景隨著航空、航天及國防事業(yè)的發(fā)展24目前,美國、俄羅斯等國都把以碳基復(fù)合材料為代表的先進(jìn)功能結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于導(dǎo)彈、航天飛機(jī)、火箭發(fā)動機(jī)以及飛機(jī)的制動器方面隨著現(xiàn)代無線電技術(shù)和雷達(dá)探測技術(shù)的迅猛發(fā)展，軍事防御系統(tǒng)對武器裝備的隱身能力提出越來越高的要求。微波吸收材料作為一種重要的軍事隱身功能材料，其發(fā)展引起廣泛的關(guān)注。由于傳統(tǒng)型吸波材料密度大、吸收頻帶窄，使其應(yīng)用受到限制，因此新型吸波材料的開發(fā)成為主要的研究方向目前,美國、俄羅斯等國都把以碳基復(fù)合材料為代表的先進(jìn)功能25碳纖維復(fù)合材料主要是以滿足航空航天對高性能材料的要求而發(fā)展起來的。隨著碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)異性能越來越多地被認(rèn)識和接受，其在能源、交通、汽車、海洋、建筑及其他工業(yè)部門的應(yīng)用近年來在快速地發(fā)展。根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格的不同，碳纖維目前被劃分為宇航級和工業(yè)級兩類，亦稱為小絲束和大絲束。宇航級碳纖維為小絲束碳纖維，主要應(yīng)用于國防軍工和高技術(shù)，以及體育休閑用品等。工業(yè)級碳纖維應(yīng)用于紡織、醫(yī)藥衛(wèi)生、機(jī)電、土木建筑、交通運(yùn)輸和能源等民用工業(yè)。碳纖維復(fù)合材料主要是以滿足航空航天對高性能材26電化學(xué)傳感器催化劑材料及載體超級電容電池材料電化學(xué)方面的發(fā)展與前景

由于石墨烯具有非常高的電導(dǎo)率、以及高的比表面積使其在傳感器、催化劑材料及載體、以及超級電容等器件中擁有巨大的應(yīng)用潛力。

電化學(xué)傳感器催化劑材料及載體超級電容電池材料電化學(xué)方面的發(fā)展27傳感器

石墨烯的表面可以吸附氣體分子，由于不同的氣體分子可以作為電子的受體也可以為電子的給體，所以氣體分子的吸附將影響石墨烯的載流子濃度，引起石墨烯電導(dǎo)率的變化?；谑┑膫鞲衅骺梢愿叨让舾械姆磻?yīng)出氣體分子的吸附與脫附，甚至可實(shí)現(xiàn)單分子級別的探測[[69-72]。石墨烯還被證明在其他傳感器中有良好的表現(xiàn)。傳感器石墨烯的表面可以吸附氣體分子，由于不同的氣體分子28催化劑材料及載體

如石墨烯與金的復(fù)合材料在氧還原的過程中顯示出了較好的電催化性能[[60];做為燃料電池中甲醇催化氧化常用的催化材料Pt,Pd等材料負(fù)載到石墨烯上也表現(xiàn)出優(yōu)秀的催化能力[[76,so,si]，而H.YLi等人使用磷鋁酸修飾石墨烯負(fù)載Pt/Ru納米顆粒更是獲得比單獨(dú)石墨烯負(fù)載Pt/Ru納米顆粒更好的催化活性及電化學(xué)穩(wěn)定性fszl0因?yàn)閾碛写蟮谋缺砻娣e，以及化學(xué)、電化學(xué)上的穩(wěn)定性，碳材料經(jīng)常會被用于催化劑材料的載體。而相比其他碳材料，石墨烯具有更大的比表面積，理論值達(dá)到2630m2/g，同時還具有更優(yōu)異的電荷傳輸能力，所以研究人員以石墨烯為催化劑載體展開了大量的研究。目前很多納米材料如Pt}Pd}Au等等已成功的負(fù)載在石墨烯上，并已證明這些復(fù)合材料表現(xiàn)出了良好的催化活性和電化學(xué)響應(yīng)[[60,76-79]。

由于石墨烯超大的比表面積，不僅可以成為催化材料的載體，還可以成為藥物的載體。

催化劑材料及載體如石墨烯與金的復(fù)合材料在氧還原的過程中顯示29

超級電容

雖然超級電容器件的能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通電容，但卻仍低于電池，所以為提高超級電容的性能，人們一直在努力尋找更好的電極材料。而經(jīng)過對石墨烯材料應(yīng)用于超級電容研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯及其復(fù)合材料在超級電容中也表現(xiàn)出了良好的性能。石墨烯與聚苯胺的復(fù)合材料的容量達(dá)到233Fg1，而石墨烯與Ni(OH)z復(fù)合材料的容量更是達(dá)到了1335Fg1超級電容雖然超級電容器件的能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通電容，30電池材料

目前商用的電極中最常用的正極材料是石墨，雖然石墨在鏗離子的嵌入與脫嵌中有良好的性能，但是較低的比容量使得最終整個電池的性能受到了限制[99]。由于優(yōu)異的導(dǎo)電能力，高的比表面積，及化學(xué)穩(wěn)定性，人們使用石墨烯或基于石墨烯的復(fù)合材料作為正極材料已經(jīng)做了大量的研究。Honma0等人使用石墨烯，石墨烯/碳納米管，石墨烯/富勒烯分別作為正極材料研究了電池性能[[1oa]。經(jīng)測試得到石墨烯的比容量達(dá)到540mAhg1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石墨。而添加了碳納米管和富勒烯的復(fù)合材料更是增大到了730和784mAhg“1。隨后的研究中人們發(fā)現(xiàn)石墨烯與金屬氧化物的復(fù)合材料可以獲得更好的電池性能，如石墨烯與Fe30;的復(fù)合材料最終可以達(dá)到1026mAhg。電池材料目前商用的電極中最常用的正極材料是石墨，雖然石墨31電子器件方面的發(fā)展與前景光電器件納米電子器件電子器件方面的發(fā)展與前景光電器件納米電子器件32光電器件由于擁有非常高的電導(dǎo)率，載流子遷移率以及在可見光范圍內(nèi)高的光學(xué)透過性，以石墨烯制備透明導(dǎo)電薄膜在光電器件中擁有令人期待的應(yīng)用前景，尤其是石墨烯可以制備出柔性薄膜，使其更可以應(yīng)用于柔性光電器件之中。目前已有多種基于石墨烯薄膜的光電器件被制備與研究，如斯坦福大學(xué)J.B.Wu等人通過高溫退火氧化石墨的方法制備出石墨烯導(dǎo)電薄膜，并以此為電極成功制備出性能接近于商用ITO電極的有機(jī)發(fā)光器件(OLED)C.H.Lee等人制備了基于無機(jī)納米結(jié)構(gòu)的柔性LED發(fā)光器件;S.K.Bae等人制備出了30英寸的基于石墨烯透明導(dǎo)電薄膜的觸摸屏。另外，報道顯示目前{IBM}Nokia}Samsung等多家公司都開展了石墨烯相關(guān)的項(xiàng)目研究。國內(nèi)也在石墨烯的相關(guān)應(yīng)用研究中取得巨大進(jìn)展，2012年1月8日，江南石墨烯研究院、常州二維碳素科技有限公司、無錫麗格光電科技有限公司、深圳力合光電傳感器技術(shù)有限公司聯(lián)合發(fā)布研制成功全球首款手機(jī)用石墨烯電容式觸摸屏。光電器件由于擁有非常高的電導(dǎo)率，載流子遷移率以及在可見33納米電子器件石墨烯在室溫下的電子遷移率是商用硅片的10倍，并且受環(huán)境變化的影響很小，被認(rèn)為是替代硅用以制備下一代納米電子器件的極佳材料。但是石墨烯用作晶體管面臨著兩個重要的問題，一個是石墨烯是零帶隙半導(dǎo)體，缺乏帶隙，另一個是一般方法制備出的石墨烯由于會主動吸附空氣中的氧和水使得石墨烯基本都呈現(xiàn)為P型。為了在石墨烯中引入能帶，人們已經(jīng)找到了許多方法，如襯底與石墨烯的相互作用或?qū)⑹┲苽錇榧{米帶等等[[93-96]，還有一種常用的方法就是在石墨烯的內(nèi)部或者邊緣摻雜、引入特定的原子或基團(tuán)。目前N型摻雜的石墨烯的場效應(yīng)晶體管己經(jīng)被多個小組制備并研究，如通過石墨烯納米帶的電化學(xué)反應(yīng)或者高溫在氨氣中退火氧化石墨獲得N摻雜石墨烯，從而實(shí)現(xiàn)了N型場效應(yīng)晶體管的制備。納米電子器件石墨烯在室溫下的電子遷移率是商用硅片的10倍，34簡述總體情況碳纖維復(fù)合材料國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢在碳纖維復(fù)合材料研制中，關(guān)鍵是高性能碳纖維，它是制約先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料發(fā)展的瓶頸。但在一步步解決。應(yīng)用范圍從少數(shù)高科技領(lǐng)域、軍事部門發(fā)展到整個工業(yè)民用的各個部門。復(fù)合材料具有多種優(yōu)良性能，但居高不下的成本仍然是制約其廣泛應(yīng)的主要原因。進(jìn)入21世紀(jì)后，復(fù)合材料的市場需求急劇上升，而成本問題也就更為突出，為了應(yīng)對這一局面，各國都采取了相應(yīng)的措施和策略，由過去的性能優(yōu)先向重視性能成本的折中平衡轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)低成本化而又不犧牲復(fù)合材料的強(qiáng)度優(yōu)勢。因而低成本技術(shù)已成為復(fù)合材料發(fā)展的重要趨勢。低成本技術(shù)涉及原材料、成型、加工制造以及使用保障等方面，而低成本成型技術(shù)直接關(guān)系到復(fù)合材料的發(fā)展。簡述總體情況碳纖維復(fù)合材料國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢35國外碳發(fā)展趨勢及趨勢

全球碳纖維供不應(yīng)求，為了應(yīng)對供應(yīng)緊張的局面，世界碳纖維生產(chǎn)巨頭都提出了雄心勃勃的增產(chǎn)計劃。日本東麗集團(tuán)公司最近宣布，將投入160億日元在愛媛工廠擴(kuò)建工業(yè)用碳纖維生產(chǎn)線。三菱麗陽公司近日也宣布，為了擴(kuò)大碳纖維的生產(chǎn)能力，將對廣島縣大竹市的大竹事業(yè)所投資約120億日元。

除了上述公司之外，西格里集團(tuán)作為歐洲惟一一家能夠供應(yīng)碳纖維原絲、獨(dú)立擁有碳纖維研發(fā)技術(shù)，并擁有從原材料到復(fù)合成品完整增值產(chǎn)業(yè)鏈的供應(yīng)商，將其核心競爭力定位于高溫技術(shù)、碳化和石墨化技術(shù)。它將擴(kuò)大美國的生產(chǎn)基地，在德國梅亭根新建一個生產(chǎn)基地，建立全球碳纖維技術(shù)與創(chuàng)新中心。整個計劃在五年內(nèi)需投資約3億歐元。國外碳發(fā)展趨勢及趨勢全球碳纖維供不應(yīng)求，為了36在歐洲，低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在運(yùn)輸機(jī)主翼上的適用性研究進(jìn)入最終階段；在美國，空軍NASA制定了各種計劃，其中有代表性的計劃是ACT計劃，其開發(fā)目標(biāo)是相對于現(xiàn)有鋁結(jié)構(gòu)成本降低25%，該目標(biāo)非常之高。

西歐、美國和日本在家居用品方面，復(fù)合材料的用量在過去的20年間也有很大的增長，而在中國，大規(guī)模地采用復(fù)合材料成品的市場還有待于進(jìn)一步開發(fā)。在歐洲，低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在運(yùn)輸機(jī)主翼上的適37我國從20世紀(jì)60年代后期開始研制碳纖維，歷經(jīng)40多年的發(fā)展歷程。由于國外嚴(yán)格控制封鎖，制約了我國碳纖維工業(yè)的發(fā)展，與國外相比有很大差距。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，碳纖維需求與日俱增，雖然國際上一些公司T300級原絲和碳纖維產(chǎn)品對我國開始解凍，但碳纖維及其復(fù)合材料的生產(chǎn)關(guān)系到國防建設(shè)，必須立足國內(nèi)。研制生產(chǎn)高性能、高質(zhì)量的碳纖維，以滿足軍工和民用產(chǎn)品的需求，扭轉(zhuǎn)大量進(jìn)口的局面，是我國碳纖維工業(yè)發(fā)展亟待解決的問題。

碳纖維已被列為國家化纖行業(yè)重點(diǎn)扶持的新產(chǎn)品。在國家政策的重點(diǎn)扶持下，國內(nèi)碳纖維的研究開發(fā)和生產(chǎn)呈現(xiàn)出令人鼓舞的發(fā)展趨勢。

國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢我國從20世紀(jì)60年代后期開始研制碳38參考文獻(xiàn)：【1】杜善義，先進(jìn)復(fù)合材料與航空航天，2007，（2）【2】李賀軍、羅瑞盈、楊崢(西北工業(yè)大學(xué))，碳/碳復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，1997【3】張曉虎、孟宇、張煒（中國航天科技集團(tuán)四院四十三所），碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，2004，（3）【4】霍肖旭、劉紅林、曾曉梅（中國航天科技集團(tuán)四院四十三所），碳纖維復(fù)合材料在固體火箭上的應(yīng)用，2000，（6）【5】林德春、張德雄（西安向陽航天科技集團(tuán)公司）、陳繼榮（華東理工大學(xué)），固體火箭發(fā)動機(jī)材料現(xiàn)狀和前景展望【6】唐見茂，碳纖維樹脂基復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望，2010年6月【7】李文博，碳基復(fù)合材料制備及其電化學(xué)電極研究，2012年5月參考文獻(xiàn)：39碳基復(fù)合材料在機(jī)械工程中的應(yīng)用碳基復(fù)合材料，及其性質(zhì)、用途碳基復(fù)合材料在各領(lǐng)域中的應(yīng)用碳基復(fù)合材料的發(fā)展趨勢與前景。碳基復(fù)合材料在機(jī)械工程中的應(yīng)用碳基復(fù)合材料，及其性質(zhì)、用途40

顧名思義，碳基復(fù)合材料就是以碳纖維(織物)或碳化硅等陶瓷纖維(織物)為增強(qiáng)體，以碳為基體的復(fù)合材料。碳基復(fù)合材料的定義顧名思義，碳基復(fù)合材料就是以碳纖維(織物)或碳化41碳基復(fù)合材料的簡介碳/碳復(fù)合材料是六十年代發(fā)展起來約一種新型耐高溫材料，它是由增強(qiáng)碳和基體碳所組成的多相材料。增強(qiáng)碳可以是不同類型的碳(或石墨)纖維及其織物。在碳/碳復(fù)合材料中起著骨架和增強(qiáng)劑的作用。基體碳起粘接作用，目前的基體碳可以是樹脂碳、瀝青碳和沉積碳。碳/碳復(fù)合材料目前在國外已經(jīng)被公認(rèn)是高級載入飛行器鼻錐和固體火箭發(fā)動機(jī)噴營等關(guān)鍵部位最理想的耐燒蝕、防熱材料。碳/碳復(fù)合材料的工程應(yīng)用也日趨成熟?，F(xiàn)己用于美國民兵Ⅲ洲際導(dǎo)彈彈頭，全碳/碳化的火箭發(fā)動機(jī)噴管也成功地通過了試驗(yàn)。碳基復(fù)合材料的簡介碳/碳復(fù)合材料是六十年代發(fā)42碳基復(fù)合材料的性質(zhì)比重小；化學(xué)穩(wěn)定性高；耐熱性好（非氧化性氣氛）；導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好；耐腐蝕性好。碳基復(fù)合材料的性質(zhì)比重小；43碳基復(fù)合材料的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)高溫形狀穩(wěn)定升華溫度高燒蝕凹陷低平行于增強(qiáng)方向具有高強(qiáng)度和高剛度在高溫條件下的強(qiáng)度和剛度可保持不變抗熱應(yīng)力抗熱沖擊力學(xué)性能為假塑性抗裂紋傳播非脆性破壞衰弱脈沖化學(xué)惰性重量輕抗輻射性能可調(diào)整原材料為非戰(zhàn)略材料易制造和加工材料：非軸向性能差

破壞應(yīng)變低

空洞含量高

洞分布不均勻

纖維與基體結(jié)合差

導(dǎo)熱系數(shù)高

抗氧化能力差

抗顆粒浸蝕性差

成本高加工：制造加工周期長可還原性差設(shè)計：設(shè)計與工程性能受限制

缺乏破壞準(zhǔn)則

設(shè)計方法復(fù)雜

環(huán)境特征曲線復(fù)雜

各向異性

尚無較好的非破壞檢驗(yàn)方法

使用經(jīng)驗(yàn)不足

鏈接與接頭困難碳基復(fù)合材料的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)高溫形狀穩(wěn)定材料：非軸向性44碳基復(fù)合材料的應(yīng)用

航天技術(shù)方面在航天飛機(jī)機(jī)翼和尾翼的前緣由于使用了碳/碳材料．大大地減輕了航天飛機(jī)的重量。全碳/碳化固體火箭發(fā)動機(jī)噴管是今后的發(fā)展方向。碳/碳材料還可以制作液體火箭發(fā)動機(jī)的噴喉。在衛(wèi)星和飛船上還大量地用碳/碳材料制作熱防護(hù)罩，航空工業(yè)方面英、美、法等國家制造的碳/碳剎車盤，為飛機(jī)提供了磨擦制動，能控制飛機(jī)在地面運(yùn)動的方向和速度。碳/碳剎車盤不僅用于高性能的軍用飛機(jī)，并已投入民用航線使用，如：協(xié)和號飛機(jī)。這種剎車盤比鋼剎車盤強(qiáng)度高，剛性好，可以節(jié)省約50%的重量，操作安靜，著陸次數(shù)可提高5-6倍。在醫(yī)療上的應(yīng)用已經(jīng)用碳/碳復(fù)合材料制成了人工心瓣膜。碳基復(fù)合材料的應(yīng)用航天技術(shù)方面45

碳基復(fù)合材料在各領(lǐng)域中的應(yīng)用碳/碳復(fù)合材料是一種新型高溫材料,具有重量輕、模量高、比強(qiáng)度大、熱膨脹系數(shù)低、耐高溫、耐熱沖擊、耐腐蝕、吸振性好等一系列優(yōu)異性能。該材料的密度不到2.0g/cm3,僅為鎳基高溫合金的1/4,陶瓷材料的1/2,尤其是這種材料隨著溫度升高(可達(dá)2200℃)其強(qiáng)度不僅不降低,甚至比室溫還高,這是其它材料所無法比擬的獨(dú)特的性能。碳/碳復(fù)合材料的研制工作，可追溯到20世紀(jì)60年代初。1961年在日本首先用聚丙烯腈（PAN）原絲制成高性能碳纖維。1963年英國的研究人員發(fā)明用牽引法提高纖維結(jié)構(gòu)的取向，進(jìn)一步提高了碳纖維的強(qiáng)度和彈性模量。到60年代末，提高碳纖維性能和生產(chǎn)效率的辦法日趨完善。高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度、高模量和高強(qiáng)中模量的碳纖維形成規(guī)模生產(chǎn)并開始商品化。碳基復(fù)合材料在各領(lǐng)域中的應(yīng)用碳/碳復(fù)46碳纖維年耗量(2004年10月德國漢堡國際碳纖維會議)碳纖維年耗量(2004年10月德國漢堡國際碳纖維會議)47近年來,美、俄、法等國家又開發(fā)了許多混雜其它材料的新型碳/碳材料,以滿足不同的特殊使用要求：

在碳/碳材料中混入Si3N4、SiC、TiC、TaO、TaC等粉末,以提高碳/碳材料抗粒子侵蝕性能。更新的彈頭鼻錐防熱材料是針刺細(xì)編織物在穿刺或編織過程中加入改進(jìn)性能的組分,如耐熔金屬絲、耐侵蝕粒子等,這樣可大大改進(jìn)抗粒子侵蝕性能,達(dá)到“全天候”的目的。此外,四向或更多向碳基復(fù)合材料也是研制發(fā)展的方向,由于采用了交錯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和增加了增強(qiáng)方向數(shù),不僅增加了各向同性、提高了抗侵蝕能力,也改進(jìn)了耐燒蝕性。近年來,美、俄、法等國家又開發(fā)了許多混雜481.航天航空

航空領(lǐng)域的材料體系更強(qiáng)調(diào)性能與可靠性的綜合,先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用不僅具有減重的效益,而且還使飛機(jī)結(jié)構(gòu)的其他性能得到提升。例如復(fù)合材料的氣動剪裁技術(shù)可顯著提高結(jié)構(gòu)效率;整體成形技術(shù)可有效減少連接,提高結(jié)構(gòu)可靠性,降成本;復(fù)合材料耐腐蝕抗疲勞特點(diǎn)可降低維護(hù)成本。隨著新一代航空航天器向高超聲速方向的發(fā)展,苛刻的超高溫服役環(huán)境對材料及結(jié)構(gòu)的承載與防熱提出了嚴(yán)峻考驗(yàn),碳/碳復(fù)合材料是適應(yīng)這種需求的重要候選材料。碳/碳復(fù)合材料從碳纖維增強(qiáng)相結(jié)構(gòu)可分為碳?xì)諧/C和多向編織C/C復(fù)合材料。作為一種新型戰(zhàn)略材料,在美、俄、法、英、日等國家,其研制發(fā)展主要由空軍、海軍或政府預(yù)算中給予支持,因此,碳/碳復(fù)合材料的國防專用性和強(qiáng)烈的軍事背景使其研制和使用具有高度的機(jī)密性。碳基防熱復(fù)合材料主要用于燒蝕防熱和熱結(jié)構(gòu),較好地解決了輕質(zhì)化、抗熱震、耐侵蝕等技術(shù)難題。1.航天航空航空領(lǐng)域的材料體系更強(qiáng)調(diào)性能與49圖復(fù)合材料在民機(jī)上的應(yīng)用國外自1980年的F-18軍機(jī)開始,最新研究的殲擊機(jī)全部采用復(fù)合材料機(jī)翼,而且在機(jī)身上也大量采用先進(jìn)復(fù)合材料,占結(jié)構(gòu)重量的25%～50%。如第四代機(jī)中的F22復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)重量的25%,法國Rafale占40%,瑞典JAS39占30%,歐洲EF2000則大于40%,美國的殺手锏武器B2轟炸機(jī)占50%。民機(jī)上的復(fù)合材料用量也有大幅度提高。波音B777共用復(fù)合材料9.9噸,占結(jié)構(gòu)總重的11%;“夢想飛機(jī)”B787用復(fù)合材料將達(dá)50%;A380大型客機(jī)可容納乘客500～650人,僅碳纖維復(fù)合材料用量就達(dá)32噸左右,加上其他各種復(fù)合材料,總用量在25%左右,開創(chuàng)了大型民機(jī)大量使用復(fù)合材料的先河。圖復(fù)合材料在民機(jī)上的應(yīng)用國外自198501.1碳/碳復(fù)合材料剎車盤減重方面：從宏觀上分析,碳/碳復(fù)合材料剎車盤的優(yōu)越之處主要源于其本身密度小,耐高溫的特點(diǎn),由于其密度小、使用碳/碳盤后可以使每架飛機(jī)重量大大減輕。如：空中客車A310減重499kg,A300-600減重590kg,A330及A340減重998kg，麥道公司的MD-11減重900kg。優(yōu)異的高溫性能：一架飛機(jī)剎車摩擦引起的溫升高達(dá)500℃以上,尤其是最苛刻的起飛緊急剎車引起的溫升超過1000℃,一架波音747-400的剎車系統(tǒng)在起飛中緊急剎車時會產(chǎn)生1.75×108kgm的功,一些剎車元件將達(dá)到熔點(diǎn),此時碳/碳材料的耐高溫性能就顯示了極大的優(yōu)越性。1.1碳/碳復(fù)合材料剎車盤減重方面：51就微觀結(jié)構(gòu)而言,石墨晶體屬于層狀結(jié)構(gòu),碳原子排列于一系列相距較遠(yuǎn)(0.3414nm)的原子面上,在各層面上的碳原子按正六角形排列,原子在同層之內(nèi)的結(jié)合力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于層間結(jié)合力,鄰層之間的結(jié)合鍵能明顯較低,容易滑移,摩擦阻力小,而薄片層內(nèi)的碳原子在滑動時卻不會潰散,有較大的承載能力。同時碳/碳材料又不屬于純石墨結(jié)構(gòu),碳/碳復(fù)合材料中碳纖維和熱解碳的微觀組織屬于亂層石墨結(jié)構(gòu),因而摩擦系數(shù)比石墨高。碳纖維一方面起著增強(qiáng)基體的作用,使剎車盤具有足夠的強(qiáng)度和剛度,同時由于其石墨化度不高,提高了摩擦系數(shù),因此通過調(diào)整碳/碳材料碳纖維的體積含量可以得到既有足夠強(qiáng)度又有適中摩擦系數(shù)的碳/碳盤,通過改變基體熱解碳的石墨化度還可以進(jìn)一步改善其摩擦磨損性能。從而使碳/碳剎車盤具有合適的摩擦系數(shù)和很好的耐磨性。采用碳/碳盤后更換周期大幅度延長,一個周期可達(dá)到1500～3000個起落,壽命提高5～6倍就微觀結(jié)構(gòu)而言,石墨晶體屬于層狀結(jié)構(gòu),52國外現(xiàn)狀目前世界上已有60余種飛機(jī)采用了碳/碳剎車裝置。歐美公司生產(chǎn)的民航飛機(jī)的剎車系統(tǒng)已逐漸用碳/碳盤取代鋼盤,如空中客車公司的所有飛機(jī)都采用了碳/碳剎車裝置。美國從事航空機(jī)輪和碳剎車裝置的專業(yè)公司：Hitco、聯(lián)信公司的Bendix公司、ABS、B.F.Goodrich以及碳化硅公司、聯(lián)合碳化物公司等。法國研制碳/碳剎車裝置的：歐洲動力裝置公司、米西爾-西班牙-畢加第公司、洛林碳業(yè)公司、國營宇航公司、化物公司等。日本從事碳/碳剎車材料研制工作的：萱場工業(yè)公司、東邦貝斯綸公司和東京工業(yè)材料研究所等。英國主要研制和生產(chǎn)碳/碳剎車裝置的公司：鄧祿普公司等。國外現(xiàn)狀目前世界上已有60余種飛機(jī)采用了碳53國內(nèi)現(xiàn)狀我國從70年代初開始研制碳/碳剎車裝置,先后參與此項(xiàng)工作的有：蘭州碳素廠、514廠、上海碳素廠、煙臺冶金新材料研究所、西北工業(yè)大學(xué)等。其中采用的工藝方法主要為CVD法，在致密化工藝、增強(qiáng)體準(zhǔn)備、性能控制等方面,取得了一些成績。研制出了某型飛機(jī)碳/碳盤樣件、BAe146碳/碳盤樣件、碳/碳盤的縮比件。并進(jìn)行了性能及結(jié)構(gòu)方面的研究,尤其在摩擦磨損機(jī)理、石墨化度的影響及提高石墨化度的方法等方面進(jìn)行了較深入的探討,提出了高摩擦性能碳/碳材料的模型。國內(nèi)現(xiàn)狀54

1.2碳/碳復(fù)合材料發(fā)動機(jī)熱端隨航空事業(yè)的發(fā)展,對航空發(fā)動機(jī)推重比有越來越高的要求,而提高新型發(fā)動機(jī)推重比的關(guān)鍵是提高熱效率,其實(shí)現(xiàn)辦法是提高空氣壓縮比和提高渦輪進(jìn)氣溫度。因此,航空渦輪發(fā)動機(jī)和工業(yè)渦輪發(fā)動機(jī)渦輪進(jìn)氣溫度將會有更大的提高,這就對發(fā)動機(jī)熱端部件的材料提出了越來越高的要求,能夠在1600～2000℃高溫下正常工作的材料只有碳/碳復(fù)合材料。

特殊功能:(1)在1600℃以上仍能保持強(qiáng)度不降低;(2)減輕發(fā)動機(jī)重量,提高推重比;(3)減少冷空氣消耗,提高發(fā)動機(jī)效率;(4)提高工作溫度,提高發(fā)動機(jī)的熱效率。1.2碳/碳復(fù)合材料發(fā)動機(jī)熱端隨航空事55國外現(xiàn)狀近幾年來,世界各發(fā)達(dá)國家正在把碳/碳復(fù)合材料逐步應(yīng)用在發(fā)動機(jī)構(gòu)件上美國已把這種材料用在F100飛機(jī)發(fā)動機(jī)噴嘴和加力燃燒室噴管上;Hitco公司已制成了魚鱗片;LTV公司制造出了渦輪葉片和盤整體部件,并在1760℃溫度下進(jìn)行了地面超轉(zhuǎn)試驗(yàn);通用電氣公司JID驗(yàn)證機(jī)低壓渦輪部分用碳/碳材料制造出渦輪葉片和盤整體部件,運(yùn)轉(zhuǎn)溫度1649℃,比一般渦輪高出555℃,而且不用氣冷,已試驗(yàn)成功；法國、德國、俄羅斯也已分別制造出燃燒室噴油桿,渦輪轉(zhuǎn)子外環(huán)等零件。國外現(xiàn)狀近幾年來,世界各發(fā)達(dá)國家正在把碳/碳復(fù)合材料逐步56近幾年來西北工業(yè)大學(xué)開展了一些研究工作,主要進(jìn)展有以下幾個方面:(1)針對碳/碳復(fù)合材料生產(chǎn)周期長、工藝難度大、成本居高不下的問題,開發(fā)了兩種新的成形工藝法,即超高壓成形工藝和快速氣相沉積工藝,(2)為解決碳/碳材料的氧化問題,通過在基體中添加的SiO2、ZrO2,Al2O3等,研究了基體改性對抗氧化的影響(3)在超高溫性能測試及評價方面,已研究了單向碳/碳復(fù)合材料在1900～2300℃的持久強(qiáng)度和蠕變特征,(4)在應(yīng)用研究方面,制備出了微型發(fā)動機(jī)尾噴管、葉片樣件、高溫保護(hù)套管等，研究了多種制件的成形工藝方法。國內(nèi)現(xiàn)狀近幾年來西北工業(yè)大學(xué)開展了一些研究工作,主要進(jìn)展有以下幾個572.火箭發(fā)動機(jī)碳纖維復(fù)合材料制造的殼體具有強(qiáng)度高、剛度大、尺寸穩(wěn)定等特點(diǎn)，因此，碳纖維復(fù)合材料可用于新型陸基機(jī)動同體洲際導(dǎo)彈一、二、三級發(fā)動機(jī)殼體、新一代中程地地戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)殼體。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在火箭發(fā)動機(jī)上主要用作推力室噴管材料,一是用作固定的噴管延伸段,二是用作可移動的噴管延伸段(可延伸噴管)。除此之外,小推力室也可整體用這種材料制造。固體發(fā)動機(jī)噴管屬于非冷卻型,工作環(huán)境極其惡劣。特別是喉部的高溫、高壓二相流燃?xì)獾臋C(jī)械沖刷、化學(xué)侵蝕和熱沖擊十分嚴(yán)厲,材料選擇是現(xiàn)代固體火箭推進(jìn)的重大關(guān)鍵技術(shù)。

早期的噴管多使用復(fù)合型結(jié)構(gòu),即以金屬或高強(qiáng)度玻璃鋼為結(jié)構(gòu)材料,高熔點(diǎn)金屬或優(yōu)質(zhì)石墨為耐熱—吸熱材料,燒蝕型增強(qiáng)塑料為絕熱材料。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,配合界面多,質(zhì)量大,工藝周期長,也增加了不可靠度。80年代以來,發(fā)展高性能固體發(fā)動機(jī)的主攻方向由“高能”轉(zhuǎn)向“輕質(zhì)、可控”,,高性能發(fā)動機(jī)噴管沖質(zhì)比要求已達(dá)到150000N·s/kg以上。正是性能優(yōu)異的多向編織碳/碳材料的涌現(xiàn),從根本上解決了這個矛盾,實(shí)現(xiàn)了噴管技術(shù)的飛躍。2.火箭發(fā)動機(jī)碳纖維復(fù)合材料制造的殼體具有58先

進(jìn)

固

體

發(fā)

動

機(jī)

噴

管

材

料

應(yīng)

用先

進(jìn)

固

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料

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用59現(xiàn)狀：隨著航空航天飛行器各項(xiàng)陛能的不斷提高，對結(jié)構(gòu)件所用材料的要求也越來越高。

國外發(fā)動機(jī)殼體目前的主要應(yīng)用方向是采用碳纖維纏繞殼體，使發(fā)動機(jī)質(zhì)量比有較大提高。而國內(nèi)目前尚沒有碳纖維纏繞的固體發(fā)動機(jī)殼體，所用樹脂基體的耐熱性也不高，殼體外層的熱防護(hù)涂層也增加了殼體的消極質(zhì)量。為此應(yīng)給予經(jīng)費(fèi)支持，盡快開展高性能耐熱基體材料、高性能碳纖維在固體發(fā)動機(jī)殼體上的應(yīng)用等方面的研究，早日實(shí)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料同體發(fā)動機(jī)白防熱殼體的應(yīng)用，提高武器系統(tǒng)的綜合性能?，F(xiàn)狀：隨著航空航天飛行器各項(xiàng)陛能的不斷提603.其它：①釣魚桿現(xiàn)年產(chǎn)量約1200萬只，年碳纖維用量1200t；②高爾夫球桿隨著輕量化和長尺寸化的要求，現(xiàn)已占碳纖維體育用品用途的50％，年碳纖維用量為2000t；③網(wǎng)球拍的年市場規(guī)模約為450萬只，年碳纖維用量約500t；④人造衛(wèi)星結(jié)構(gòu)體、太陽能電池板和天線要用高模碳纖維，先進(jìn)的運(yùn)載火箭和導(dǎo)彈殼體、發(fā)射筒等要用800H和T300碳纖維等；⑤土木建筑領(lǐng)域，已用于補(bǔ)修加工用片材、建筑部件、代鋼筋材料、屋頂構(gòu)架材料等；⑥能源領(lǐng)域，已用于汽車的壓縮天然氣罐和風(fēng)車葉片(長達(dá)30-40m)、海底油田管道、升降機(jī)等；⑦交通運(yùn)輸方面，已應(yīng)用于賽車、汽車傳動軸、大型卡車車體等；⑨電子電器領(lǐng)域，已應(yīng)用于增強(qiáng)熱塑性樹脂的擠出成型品，如抗靜電IC盤、筆記本電腦的筐體，具有電磁波屏蔽效果；⑧還有X-射線盒、醫(yī)用床板、印刷、制膜、造紙等用的各種滾軸、空氣或氧氣呼吸用壓力容器等等。3.其它：①釣魚桿現(xiàn)年產(chǎn)量約1200萬只，年碳纖維用量12061碳基復(fù)合材料的發(fā)展趨勢與前景航空領(lǐng)域電化學(xué)方面電子器件方面簡述總體情況碳基復(fù)合材料的發(fā)展趨勢與前景航空領(lǐng)域62航空領(lǐng)域的發(fā)展與前景隨著航空、航天及國防事業(yè)的發(fā)展,對材料的要求不斷提高,其服役條件越來越苛刻,材料在極端環(huán)境下的行為研究對軍用先進(jìn)材料的發(fā)展和武器裝備性能提高的影響也越來越突出。碳基復(fù)合材料的輕質(zhì)、高比強(qiáng)、高比模和耐超高溫等一系列優(yōu)異的綜合性能,賦予這類材料在航空航天領(lǐng)域的優(yōu)勢地位。航空領(lǐng)域的發(fā)展與前景隨著航空、航天及國防事業(yè)的發(fā)展63目前,美國、俄羅斯等國都把以碳基復(fù)合材料為代表的先進(jìn)功能結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于導(dǎo)彈、航天飛機(jī)、火箭發(fā)動機(jī)以及飛機(jī)的制動器方面隨著現(xiàn)代無線電技術(shù)和雷達(dá)探測技術(shù)的迅猛發(fā)展，軍事防御系統(tǒng)對武器裝備的隱身能力提出越來越高的要求。微波吸收材料作為一種重要的軍事隱身功能材料，其發(fā)展引起廣泛的關(guān)注。由于傳統(tǒng)型吸波材料密度大、吸收頻帶窄，使其應(yīng)用受到限制，因此新型吸波材料的開發(fā)成為主要的研究方向目前,美國、俄羅斯等國都把以碳基復(fù)合材料為代表的先進(jìn)功能64碳纖維復(fù)合材料主要是以滿足航空航天對高性能材料的要求而發(fā)展起來的。隨著碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)異性能越來越多地被認(rèn)識和接受，其在能源、交通、汽車、海洋、建筑及其他工業(yè)部門的應(yīng)用近年來在快速地發(fā)展。根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格的不同，碳纖維目前被劃分為宇航級和工業(yè)級兩類，亦稱為小絲束和大絲束。宇航級碳纖維為小絲束碳纖維，主要應(yīng)用于國防軍工和高技術(shù)，以及體育休閑用品等。工業(yè)級碳纖維應(yīng)用于紡織、醫(yī)藥衛(wèi)生、機(jī)電、土木建筑、交通運(yùn)輸和能源等民用工業(yè)。碳纖維復(fù)合材料主要是以滿足航空航天對高性能材65電化學(xué)傳感器催化劑材料及載體超級電容電池材料電化學(xué)方面的發(fā)展與前景

由于石墨烯具有非常高的電導(dǎo)率、以及高的比表面積使其在傳感器、催化劑材料及載體、以及超級電容等器件中擁有巨大的應(yīng)用潛力。

電化學(xué)傳感器催化劑材料及載體超級電容電池材料電化學(xué)方面的發(fā)展66傳感器

石墨烯的表面可以吸附氣體分子，由于不同的氣體分子可以作為電子的受體也可以為電子的給體，所以氣體分子的吸附將影響石墨烯的載流子濃度，引起石墨烯電導(dǎo)率的變化?；谑┑膫鞲衅骺梢愿叨让舾械姆磻?yīng)出氣體分子的吸附與脫附，甚至可實(shí)現(xiàn)單分子級別的探測[[69-72]。石墨烯還被證明在其他傳感器中有良好的表現(xiàn)。傳感器石墨烯的表面可以吸附氣體分子，由于不同的氣體分子67催化劑材料及載體

如石墨烯與金的復(fù)合材料在氧還原的過程中顯示出了較好的電催化性能[[60];做為燃料電池中甲醇催化氧化常用的催化材料Pt,Pd等材料負(fù)載到石墨烯上也表現(xiàn)出優(yōu)秀的催化能力[[76,so,si]，而H.YLi等人使用磷鋁酸修飾石墨烯負(fù)載Pt/Ru納米顆粒更是獲得比單獨(dú)石墨烯負(fù)載Pt/Ru納米顆粒更好的催化活性及電化學(xué)穩(wěn)定性fszl0因?yàn)閾碛写蟮谋缺砻娣e，以及化學(xué)、電化學(xué)上的穩(wěn)定性，碳材料經(jīng)常會被用于催化劑材料的載體。而相比其他碳材料，石墨烯具有更大的比表面積，理論值達(dá)到2630m2/g，同時還具有更優(yōu)異的電荷傳輸能力，所以研究人員以石墨烯為催化劑載體展開了大量的研究。目前很多納米材料如Pt}Pd}Au等等已成功的負(fù)載在石墨烯上，并已證明這些復(fù)合材料表現(xiàn)出了良好的催化活性和電化學(xué)響應(yīng)[[60,76-79]。

由于石墨烯超大的比表面積，不僅可以成為催化材料的載體，還可以成為藥物的載體。

催化劑材料及載體如石墨烯與金的復(fù)合材料在氧還原的過程中顯示68

超級電容

雖然超級電容器件的能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通電容，但卻仍低于電池，所以為提高超級電容的性能，人們一直在努力尋找更好的電極材料。而經(jīng)過對石墨烯材料應(yīng)用于超級電容研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯及其復(fù)合材料在超級電容中也表現(xiàn)出了良好的性能。石墨烯與聚苯胺的復(fù)合材料的容量達(dá)到233Fg1，而石墨烯與Ni(OH)z復(fù)合材料的容量更是達(dá)到了1335Fg1超級電容雖然超級電容器件的能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通電容，69電池材料

目前商用的電極中最常用的正極材料是石墨，雖然石墨在鏗離子的嵌入與脫嵌中有良好的性能，但是較低的比容量使得最終整個電池的性能受到了限制[99]。由于優(yōu)異的導(dǎo)電能力，高的比表面積，及化學(xué)穩(wěn)定性，人們使用石墨烯或基于石墨烯的復(fù)合材料作為正極材料已經(jīng)做了大量的研究。Honma0等人使用石墨烯，石墨烯/碳納米管，石墨烯/富勒烯分別作為正極材料研究了電池性能[[1oa]。經(jīng)測試得到石墨烯的比容量達(dá)到540mAhg1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石墨。而添加了碳納米管和富勒烯的復(fù)合材料更是增大到了730和784mAhg“1。隨后的研究中人們發(fā)現(xiàn)石墨烯與金屬氧化物的復(fù)合材料可以獲得更好的電池性能，如石墨烯與Fe30;的復(fù)合材料最終可以達(dá)到1026mAhg。電池材料目前商用的電極中最常用的正極材料是石墨，雖然石墨70電子器件方面的發(fā)展與前景光電器件納米電子器件電子器件方面的發(fā)展與前景光電器件納米電子器件71光電器件由于擁有非常高的電導(dǎo)率，載流子遷移率以及在可見光范圍內(nèi)高的光學(xué)透過性，以石墨烯制備透明導(dǎo)電薄膜在光電器件中擁有令人期待的應(yīng)用前景，尤其是石墨烯可以制備出柔性薄膜，使其更可以應(yīng)用于柔性光電器件之中。目前已有多種基于石墨烯薄膜的光電器件被制備與研究，如斯坦福大學(xué)J.B.Wu等人通過高溫退火氧化石墨的方法制備出石墨烯導(dǎo)電薄膜，并以此為電極成功制備出性能接近