1963 GOTT发现碳纤维具有优良抗血栓性能；
1976 Jenkins医生碳纤维韧带和肌腱用于山羊和
家兔，3周后，发现具有诱发部分组织再生功能；
碳基材料从此应用于医学研究。

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碳基医用材料种类
碳纤维（CF） 碳纤维基复合材料（CFRC/CFRP） 活性炭(多孔碳)（AC/ACF） 低温热解各向同性碳（LTIC） 金刚石和类金刚石涂层（DLC）
石墨化：
利用热活化将热力学不稳
定的炭原子实现由乱层结构向 石墨晶体结构的有序转化。
2014-6-17
石墨化原因
碳元素其外部电子结构有 两种:一种是Sp3杂化轨道，金 刚石结构 ,C一C 间为 σ键 。一种是SP2杂化,形成石墨片 状结构,同一层中C一C 为σ键 层与层之间是π键。
σ键很短很强，键长约 0.142nm 结合力很强，π键相 对较弱。
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2.制备工艺
2.1碳/碳复合材料成型加工方法
CVD渗透 浸渍树脂戍 沥青 预浸物
碳纤维成型物
热压成型
碳化
碳/碳复合材料
短纤维与沥 青或 树脂 混合物
碳纤维成 型物
石墨化的碳/碳 . 复合材料
石墨化
碳化（carbonization）
将上述成形物在隔绝空气下
热分解为碳和其他产物。
概述 制备工艺 碳/碳复合材料的界面 碳/碳复合材料的抗氧化
1. 简介
定义：碳/碳复合材料是指以碳纤维作为增强体， 以碳作为基体的一类复合材料。 性质：密度低、高比强度，比模量高、热传导 性低、热膨胀系数断裂韧性好、耐磨、耐烧蚀。 对宇宙辐射不敏感及在核辐射下强度增加等性 能，是所有已知材料中耐高温性最好的材料。
越好
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2D 生产成本低 在平行于布层的方向 拉伸强度较高，容易 制成大尺寸形状复杂 的部件 3D 及多向编织具有更 好的结构完整性和各 向同性
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2.3 坯体的致密化工艺
碳/碳复合材料坯体致密化是向坯体中引入碳基 体的过程，实质是用高质量的碳填满碳纤维周 围的空隙。以获得结构、性能优良的碳/碳复合 材料。 主要包括：化学气相法（CVD） 液相浸渍碳化法
1.3 碳纤维的结构与性能
理想的石墨 点阵结构属六方晶 系，真实的碳纤维 结构属于乱层石墨 结构。
石墨的六方晶体结构
石墨层片的缺陷 及边缘碳原子
最基本的结构单元
石墨微晶 碳纤维的二级结构单元
碳纤维的三级结构单元： 石墨微晶组成原纤 维，直径50nm左右， 长度数百纳米。原纤维 呈现弯曲、彼此交叉的 许多条带状结构组成， 条带状的结构之间存在 针形空隙，大体沿纤维 轴平行排列。 原纤维
稳定的制品。
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3.碳/碳复合材料存在的不足
高温氧化性气氛下极易氧化
碳复合材料生产的成本较高大
尺寸制造工艺也有待提高
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4.碳/碳复合材料应用
明显看出，对碳材料的需求逐年增加
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航天应用
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三叉戟鼻锥，发动机喷管喉衬
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碳纤维应用实例
碳纤维在日常生活中的运用
碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。在多个 领域都出现了碳纤维材料的身影，比如说滑雪板、棒球棒、 赛车、自行车以及各种体育服装用品中。
碳纤维外壳的Thinkpad
碳纤维三脚架
碳纤维自行车
碳纤维应用实例
现在的F1（世界一级方 程锦标赛）赛车，车身大部 分结构都用碳纤维材料。顶 级跑车的一大卖点也是周身 使用碳纤维，用以提高气动 性和结构强度
性能平衡性较差，弹性系数较大，强度较低，碳化收率 较低（20%-30%）[聚丙烯腈基碳纤维为40%-60%，沥青基碳 纤维为80%-90%]，因此该粘胶碳纤维的前景不大。
粘胶基碳纤维的原料是含有纤维素结构的各种天然或人造纤维 热处理过程： 1）25℃～150℃温度下，脱去吸附水 2）150℃～240℃温度下，纤维素环的脱水 3）240℃～400℃下，通过自由基反应，C-C，C-O键断裂，生 成水、CO和CO2等气体放出； 4）400℃以上，进行芳香化，放出氢气。 再升高温度时，进行碳化和石墨化过程。 该过程中，纤维的损失在90％以上。 加热速度较慢，并在惰性气体保护下，可得到20％～30％
碳纤维产品
碳纤维及预浸料
碳绳
防弹板
抗拉强度：3600MPa 拉伸模量：220GPa 层间剪切强度：85MPa 断裂伸长率：1.5% 可供品种：3K、6K、 12K
1.1 碳纤维的分类 可根据原丝的类型、碳纤维的性能和用途进行分类
高性能碳纤维 性能分类
高强度(HS)，超高强度(VHS)， 高模量(HM)，中模量（MM)
低性能碳纤维
耐火纤维，碳质纤维，石墨纤维等
聚丙烯腈基碳纤维 粘胶基碳纤维 原丝类型 沥青基碳纤维
木质素纤维基碳纤维
其它有机纤维类（各种天然纤维， 再生纤维缩合多环芳香族等）
碳纤维与石墨纤维的区别：
碳纤维主要含无定形碳，碳含量约为95％， 热处理温度1200～1500℃ 石墨纤维含较多的结晶碳，碳含量99％以上， 热处理温度2000℃以上 制造纤维时的温度不同造成以上差别
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摩擦磨损性能
碳/碳复合材料中碳纤维的微观组织为乱层石墨结 构, 其摩擦系数比石墨高, 特别是它的高温性能 特点, 在高速高能量条件下摩擦升温高达1000 C 以上时, 其摩擦性能仍然保持平稳, 因此可用作 刹车片材料。
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力学性能
碳/碳复合材料的力学性能主要取决于碳纤维的种 类、取向、含量和制备工艺等。单向增强的碳/碳 复合材料, 沿碳纤维长度方向的力学性能比垂直 方向高出几十倍。碳/碳复合材料的高强高模特性 来自碳纤维, 随着温度的升高, 碳/碳复合材料的 强度不仅不会降低, 而且比室温下的强度还要高。
将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰 纤维，然后再在惰性气氛中于高温下进行 焙烧碳化，使有机纤维失去部分碳和其他 非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维状 物。此法用于制造连续长纤维。
1.2.1 以粘胶纤维为原料制造碳纤维
粘胶纤维属于多糖类有机化合物，分子式(C6H10O5)n，粘胶 原丝具有环状分子结构，可以直接进行碳化或石墨化处理， 而制成粘胶基碳纤维。
最后由原纤维组成碳纤维的单丝
碳纤维的皮层结构：
碳纤维由表皮层和芯子两部分组成，中间是
连续的过渡区。皮层的微晶较大，排列较整齐有
序，占直径的14％，芯子占39％，由皮层到芯子，
微晶减小，排列逐渐紊乱，结构不均匀性愈来愈
显著。
沥青基石墨纤维 端口，石墨片从 芯部向外经向辐 射，纤维表面有 较浅的沟槽
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物理性能
碳/碳复合材料在高温热处理后的化学成分, 碳元
素高于99%, 像石墨一样, 具有耐酸、碱和盐的化
学稳定性。其比热容大, 热导率随石墨化程度的提
高而增大, 线膨胀系数随石墨化程度的提高而降低
等。
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热学及烧蚀性能
碳/碳复合材料导热性能好、热膨胀系数低, 因而 热冲击能力很强, 不仅可用于高温环境, 而且适 合温度急剧变化的场合。其比热容高, 这对于飞 机刹车等需要吸收大量能量的应用场合非常有利。 因此可以被用作航天航空材料和刹车片材料。
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化学气相法（CVD）
化学气相法是直接在坯体孔内沉积碳，以达到填孔 和增密的目的。 化学气相法包括脉冲法，等温法、热梯度法、压差
法、等离子体辅助CVD法等。
优点是沉碳易石墨化，且与纤维之间的物理兼容性
好，易于获得性能良好的碳/碳复合材料。缺点是
制备周期太长，生产效率低，对于厚制品， 此法 也存在着一定的困难。
2014-6-17
热梯度法
热梯度法与均热流类似，
其过程也受气体扩散所支
配，但因炉压较高，铅坯
体厚度方向可形成一定的
温差 沉积周期短，制品密度高， 性能比均热法更好。但重 复性差
2014-6-17
压差法
沿坯体厚度方向造成 一定的压力差，反应 气体被强行通过多孔 坯体 沉积速度快，渗透时 间较短，沉积的碳也 较均匀，适用于外部 透气性低的部件
碳基生物材料
2 医用碳材料
优点：
质轻且具有良好的润滑性和抗疲劳特性；
弹性模量和致密度与人骨大致相同；
生物相容性好，特别是抗凝血性佳，与血细胞中
的元素相容性极好，不影响血浆中的蛋白质和酶 的活性。 在人体内不发生反应和溶解，生物亲和性良好， 耐蚀，对人体组织的力学刺激小。
碳基生物材料的历史
2014-6-17
液相浸渍碳化法
液相浸渍法设备比较简单，适用性广泛，它是
将碳纤制成的预成型体浸入液态的浸渍剂中，
通过加压使浸渍剂充分渗入到预成型体的空隙
中，再通过固化 碳化石墨化等一系列过程的循
环，最终得到复合材料。
缺点是要经过反复多次浸渍碳化的循环才能达
到密度要求。优点是技术简单，容易制得尺寸
2014-6-17
由上可知：
σ键很短很强，π键相对较弱。因而导致了石墨碳 具有各向异性，但沿层面方向具有优异的电、热和 力学性能，通常情况下由于π键较弱,往往导致层 与层间的堆垛不规则或无序，形成多晶碳。 由于石墨碳的优异性能源于其有序的结构,因而将 无序结构转变为有序结构是碳/ 碳复合材料制造与 应用中非常关键。往往采用热处理等他能量输入的 方法进行石墨化转变。
2014-6-17
2.1.1碳纤维和基体先驱物的选择
碳纤维的选择常基于所设计材料的用途和使用 环境。现在常用的碳纤维有三种，人造丝碳纤 维,聚丙烯腈(PAN) 碳纤维和沥青碳纤维。 碳基体可以从很多碳源采用不同的方法获得， 典型的基体有树脂碳和热解碳，前者是合成树 脂或沥青经碳化和石墨化而得，后者由烃类气 体的气相沉积而成。