碳碳複合材料

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1、碳碳複合材料簡(jiǎn)介碳/碳複合材料(carbon/carboncomposite,簡(jiǎn)稱C/C)為碳纖維強(qiáng)化碳基材複合材料(carbonfiber-reinforcedcarbonmatrixcomposite)的簡(jiǎn)稱，其中無(wú)論纖維或基材皆由單一碳材料(carbonaceousmaterial)所組成°碳纖維強(qiáng)化碳基材的碳/碳複合材料的優(yōu)點(diǎn)包括高溫高彈性係數(shù)及強(qiáng)度、低密度、高熱及機(jī)械疲勞抵抗力等，在極高溫時(shí)(高達(dá)約2200°C)仍能維持優(yōu)良的強(qiáng)度，目前尚無(wú)其它材料能出其右，多年來(lái)均為國(guó)防及航太工業(yè)尖端材料之一，例如火箭及飛彈噴嘴(nozzle)x太空梭(spaceshuttle)的鼻

2、尖(nosecone)及翼端(wingleadingedge)等部位皆須使用碳/碳複合材料。此外，由於碳/碳複合材料擁有高熱容量(heatcapacity)及可調(diào)整的熱傳導(dǎo)係數(shù)、自生潤(rùn)滑(self-regenerativelubrication)及低磨耗等優(yōu)點(diǎn)，碳/碳複合材料問(wèn)世後即成為當(dāng)代飛機(jī)煞車(aircraftbrake)材料的最佳選擇。碳/碳複合材料目前廣泛應(yīng)用於軍用與民用飛機(jī)的煞車系統(tǒng)，如美國(guó)的太空梭以及F?14,F15,F-16,F-18,法國(guó)幻象2000等先進(jìn)戰(zhàn)鬥機(jī)，以及許多商用飛機(jī)，如協(xié)和號(hào)、波音747、767,AirbusA300系列之煞車系統(tǒng)。除了飛機(jī)之外，

3、一級(jí)方程式賽車的離合器與煞車以及高速鐵路煞車系統(tǒng)也採(cǎi)用碳/碳複合材料。另外，由於碳/碳複合材料在人體組織、血液及骨骼中有很好的相容性及抗血栓等特性，也成為生醫(yī)材料的另一選擇，例如人造心ffil(artificalheart)、人造關(guān)節(jié)(artificaljoint)及人造骨等。碳/碳複合材料之發(fā)展與特性碳/碳複合材料是以碳纖維強(qiáng)化碳基材的複合材料，雖然兩種成份皆是相同素，但無(wú)論在製程或性質(zhì)表現(xiàn)上卻極其複雜,主要原因乃是每個(gè)組成的形態(tài)是由碳到石墨做不同的配置。由於碳纖維的強(qiáng)化使碳材料的許多特性能加以顯現(xiàn)，且因其特殊的碳原子機(jī)械性質(zhì)為所有碳材料中表現(xiàn)最為強(qiáng)韌者。與石墨一樣，碳/碳複

4、合材料無(wú)明顯熔點(diǎn)（常壓下約在3650°C昇華），在非氧化性氣氛下，即使在2500°C以上的高溫下，也可以當(dāng)作結(jié)構(gòu)材料使用，是其它材料所無(wú)法達(dá)到的。碳/碳複合材料同時(shí)具有低密度之特性，更是表現(xiàn)在高比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度）及高比楊氏模數(shù)（楊氏模數(shù)/密度）方面，因此極受到航空及太空工業(yè)的重視O除此，與石墨一樣，碳/碳複合材料在電及熱的傳導(dǎo)性方面是藉由基面上P電子及聲子的傳達(dá)，其傳導(dǎo)性與材料本身的強(qiáng)異方性有關(guān)（尤其是碳纖維最為明顯）而可加以調(diào)整，且同樣地可利用改變縄維排列方式加以控制其熱膨脹係數(shù)，對(duì)於元件尺寸安定性有很大的幫助。碳/碳複合材料的應(yīng)用三十多年前，碳/碳複合材料的發(fā)展，主要是基

5、於太空科技預(yù)期的需要。由於太空船往返大氣層時(shí)，船身需要承受相當(dāng)高的溫度及熱應(yīng)力，同時(shí)需能夠保持太空船本身結(jié)構(gòu)的完整性，因此發(fā)展出高溫高強(qiáng)度的碳/碳複合材料。實(shí)際上，碳/碳複合材料首次實(shí)用化乃是用於太空梭的結(jié)構(gòu)件上，包括了鼻尖及翼端部位。一般預(yù)測(cè)在往返大氣層時(shí)，鼻尖及翼端分別承受的溫度約2760°C及193O°c,基於此項(xiàng)要求，具有高溫強(qiáng)度及輕量化特性的碳/碳複合材料，成為此部位結(jié)構(gòu)材料的最佳選擇，除此，碳/碳複合材料也廣泛應(yīng)用在火箭、飛彈噴嘴，噴射引擎零件，高溫活塞等方面。同時(shí)因?yàn)樘?碳具有高溫高強(qiáng)度及楊氏模數(shù)、低密度、高熱傳導(dǎo)係數(shù)及熱含量、高熱及機(jī)械疲勞抵抗能力、自生潤(rùn)滑（s

6、elf-regenerativelubrication）、低磨耗等優(yōu)點(diǎn)，目前約60%以上的碳/碳被應(yīng)用於飛機(jī)的煞車系統(tǒng)。隨著飛機(jī)工業(yè)不斷發(fā)展及改進(jìn)，在材料的選擇上必須特別重視重量減輕及其使用壽命等，同時(shí)因?yàn)轱w機(jī)煞車材料在於制動(dòng)過(guò)程中吸收相當(dāng)高的能量（動(dòng)能）轉(zhuǎn)變成熱能，其材料必須承受相當(dāng)高的溫度（可能高於2000°C以上，視煞車情況而定），所以傳統(tǒng)的金屬煞車材料如銅或鋼鐵材料將無(wú)法繼續(xù)有效使用。從質(zhì)輕高耐熱震tt（thermalshock）.熱容量以及其其使用壽命等觀點(diǎn)而言，碳/碳複合材料確是做為飛機(jī)煞車材料的最佳選擇。碳纖維的種類、製程及性質(zhì)碳纖維的使用最早記載於1878年當(dāng)時(shí)

7、ThomasEdison將一些纖維質(zhì)（如棉花.竹片）由於纖維型態(tài)之材料（特別對(duì)於非延性（nomductile）材料）的尺寸效應(yīng)（sizeeffect）（較小直徑材料包含缺陷的可能性也較小），通常其強(qiáng)度較大尺寸塊狀（bulk）相同材料為高。從複合材料力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看,纖維必需具有高長(zhǎng)度比率（aspectratio）,才可有效經(jīng)由纖維?基材介面剪應(yīng)力效應(yīng)傳遞承載荷重而提高材料機(jī)械性質(zhì)，因此，長(zhǎng)、短碳纖維因具有其特殊的優(yōu)異性質(zhì)（如質(zhì)輕..等），已成為眾多纖維材料中的姣姣者，目前已商業(yè)化的碳纖維種類雖多