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从航空到医学，C/C复合材料以碳为魂，兼具轻量化与超强功用。揭秘四种制备工艺：沥青浸渍与气相渗透怎么刻画不同的微观奇迹——从‘葡萄状’结构到完美晶格，每一步都是碳元素的精细舞蹈。

C/C复合材料是以碳纤维或石墨纤维增强的材料,根本组成为碳纤维、炭基体,整个体系是由碳元素组成,它是一种高功用新式复合材料，具有低密度、高比强、高比模、耐高温、耐腐蚀、抗热震等一系列优异功用,在航空、航天领域得到了越来越广泛的使用,而且逐渐向民用、医学等领域扩展。

依据选用的基体前驱体类型的不同，C/C复合材料的制备工艺首要有两种:化学气相渗透(CVI)法和液相浸渍炭化法。前者是以有机低分子气体或液体为基体前驱体,后者是以热塑性沥青或热固性树脂为基体前驱体，这些原料在高温下产生一系列杂乱的化学变化而转化为不同的基体炭。

C/C复合材料的制备

增强体选用3K PAN 平纹炭布作为2D C/C复合材料预制体。对碳纤维表面进行400℃空气氧化处理。

材料A：以一般沥青为前驱体，液相浸渍炭化法制备。（浸渍条件：负压；碳化压力：20MPa；炭化温度：900℃。浸渍-碳化多次循环以抵达预期密度）

材料B：以中心相沥青为前驱体，液相浸渍炭化法制备。（制备条件同材料A）

材料C：以天然气为前驱体,选用CVI法制备。（堆积温度：1100℃；压力：10kPa负压）

材料D：以天然气为前驱体,选用CVI法制备。（堆积温度：1100℃；压力：20kPa负压）

4 种C/C复合材料的最终密度均为1.73g/cm3。

偏光显微镜下的光学活性

不同基体炭的光学活性度排序：

一般沥青炭 < 热解炭光滑层 < 热解炭粗糙层 < 中心相沥青炭

一般沥青炭：呈现小域型、镶嵌型及各向同性组织（图1a）。基体前驱体是 一般沥青，一般沥青在炭化过程中，由于分子重排、热聚合等效果，构成一些中心相小球，部分中心相小球经过融并，炭化后构成小域型组织，来不及融并的中 间相小球炭化后构成镶嵌组织，没有构成中心相小球的沥青炭化后构成根本上没有光学活性的各向同性组织。

中心相沥青炭：流域型组织，光学活性最强（图1b）。基体前驱体是中心相 沥青，其间心相的质量分数为１００％，是彻底融并体，炭化后构成光学活性度 很高的组织。构成流域型组织由于炭化过程中会有一些小分子气体逸出，气体移动引起融并体沿气泡壁产生剪切力，所以呈现流线型组织。

热解炭：光滑层（消光角15°）与粗糙层（消光角22°）共存。基体炭均为热解炭，偏光组织的不同首要是由于体系中表面活性位点的浓度不 同引起的。天然气在高温下反应生成较小的成碳粒子很容易与活性位点彼此接触产生化学吸附，脱氢成碳，构成光学活性度较高的粗糙层组织；经过必定时间的堆积后，对材料进行处理以减少材料表面的活性位点，从头堆积时，较小的成碳粒子滞留在气相中产生进一步反应，生成更大的成碳粒子，构成光学活性度较低的光滑层组织。

Ｃ／Ｃ复合材料不同基体炭的Ｍ描画

一般沥青炭的SEM描画首要为“葡萄状”结构以及部分片层条带状结构。一般沥青在炭化过程中，会构成中心相小球以及中心相小球的融并,炭化后为片层状条带结构,没有构成中心相小球的沥青炭化后构成“葡萄状”结构。

中中心相沥青炭的SEM描画全部为片层条带状结构，炭片层之间有明显的裂纹；中心相沥青具有向列型液晶特性，炭化后构成片层条带状结构;

别的，由于遭到纤维与纤维以及纤维束与纤维束之间空间的束缚，中心相沥青炭的片层条带状结构会产生各种变形,有“W”型结构,有“U”型结构;

热解炭的SEM描画首要为形状不规则的块状结构。纤维表面活性位点较少,堆积时成碳小粒子很难找到活性位点与之吸附,所以滞留在气相中长大为成碳大粒子,最终构成块状结构的热解炭。

热解炭的SEM描画为“皱褶状”片层状结构。纤维表面活性位点浓度高,成碳小粒子很快就能够找到活性位点与之吸附,在纤维表面吸附均匀，最终构成“皱褶状”片层结构。

碳纤维经过必定时间堆积后的SEM描画，其间堆积压力分别为-10,-20kPa。纤维表面活性位点较少时生成更大的成碳粒子与之吸附,表现为炭小球的堆积长大;纤维表面的活性位点浓度较高时，成碳小粒子很容易与活性位点吸附,表现为热解炭在纤维表面均匀长大。

C/C复合材料不同基体炭的TEM描画及高分辩晶格像

 C/C复合材料不同基体炭的TEM描画及高分辩晶格像,其间材料 B、材料D的低倍TEM描画，中心相沥青炭和热解炭的高分辩晶格像。

中心相沥青炭为片层条带状结构且平行于纤维轴向，但有明显的裂纹。片层条带状结构是由于中心相沥青具有向列型液晶特性，炭化后保持原状而构成；裂纹是由于炭化时中心相沥青产生热缩聚等化学反应而缩短构成的。其晶格条纹摆放很规整,具有明显的取向性，是一种长程有序的晶体结构。热解炭整体上也表现为片层状结构，但在垂直于纤维轴向上有明显的条纹，说明热解炭在构成过程中是在垂直于纤维轴向的方向上成碳小粒子吸附，而且是一层层均匀吸附,构成热解炭。晶格条纹整体上取向性较好,也是一种长程有序的晶体结构，但微晶标准相对较小，也有单个微晶的取向紊乱，甚至是垂直于整体取向。

C/C 复合材料的XRD分析

表1为实验中制备的 4种C/C复合材料XRD分析的结构参数。能够看出,材料 A、材料C、材料D、材料B的石墨化度(g)、微晶标准(L）依次增加,而层间隔(d)依次减小。分析认为，中心相沥青的中心相含量为 100%,而且具有向列型液晶特性，炭化后这种特性被保存下来,虽然XRD检验的试样为粉末状,检验成果为整个材料的均匀值，但中心相沥青炭的部分和整体的微观结构是共同的，使得材料B石墨化度较高、微晶标准较大、而层间隔较小。一般沥青在炭化时有一些没有构成中心相的沥青,炭化后在偏光下为各向同性组织,导致材料A的石墨化度较低、微晶标准较小、而层间隔较大。材料C的基体为光滑层,材料D的基体为粗糙层，导致材料D的结构参数优于材料C。

3 结论

(1)C/C复合材料不同基体炭在偏光显微镜下呈现出不同的光学活性度，其均匀光学活性度依次由一般沥青炭、热解炭的光滑层、热解炭的粗糙层、中心相沥青炭逐渐增强。

(2)C/C 复合材料不同基体炭的SEM描画不同:一般沥青以“葡萄状”结构为主,热解炭分为块状和“皱褶状”片层状结构,中心相沥青炭全部为片层条带状结构,由于遭到空间等条件的束缚,会构成形状各异的片层条带状结构。

(3)碳纤维经过表面处理后,构成的凹槽有利于改善界面的结合强度,在HRTEM下，中心相沥青炭的晶格条纹摆放规整，是一种长程有序的晶体结构，晶化程度很高。XRD分析说明,材料B的石墨化度最高，层间隔最小,材料D次之。