高密度C/C復合材料由碳纖維增強和石墨碳基體組成，是應用于超高溫環境的重要結構材料。這種復合材料具有優異的機械性能、優異的熱特性和顯著的抗燒蝕性。在空間再入飛行器的鼻蓋、固體火箭發動機噴管、高超聲速飛行器的尖銳前緣等苛刻的氣動加熱環境中，高密度C/C復合材料能夠起到至關重要的作用。然而，傳統的制造方法依賴于瀝青前驅體和熱等靜壓浸漬碳化(HIPIC)技術，耗時且昂貴，嚴重依賴于昂貴的熱等靜壓設備。因此，對基體碳源前驅體和新型制備工藝的探索將是保障大范圍工程化應用的主要基礎。

我們注意到，哈爾濱工業大學張幸紅教授團隊前期在《Advanced Material》期刊報道了以葡萄糖為前驅體的高性能C/C復合材料的制備技術。最近，該團隊再次通過分子結構設計與工藝探索創新，在《Journal of Material Science & Technology》期刊以“Polyarylacetylene as a Novel Graphitizable Precursor for Fabricating High-Density C/C Composite via Ultra-High Pressure Impregnation and Carbonization”為題，報告了一種利用聚芳基乙炔(PAA)樹脂和超高壓浸漬和碳化(UHPIC)技術制備高性能C/C復合材料的新方法。文章表明，PAA樹脂具有極高的炭收率(85 wt.%)、UHPIC技術具有極高的各向同性壓力(超過200 MPa)，共同促進了C/C復合材料的致密化。該實驗實現了高密度(1.90 g/cm³)的、高石墨化程度(81%)C/C復合材料的高效制備。該復合材料表現出令人印象深刻的性能，包括146 MPa的抗彎強度，187 MPa的抗壓強度和147 W/(m?K)的室溫導熱系數。當C/C復合材料暴露在3000 K的氧乙炔火焰中100 s時，它表現出最小的線性燒蝕，速率為1.27×10^-2 mm/s。本研究證明了PAA樹脂不同于傳統的樹脂材料，具有特殊的石墨化特性。該文章報道的短周期和低成本的方法在航空航天應用中具有重要的前景。

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https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.09.044

圖11300°C和3000°C熱處理的PAA樹脂的形貌和晶體特性。1300℃熱處理的SEM (a)，HR-TEM (b)，SAED (c)；3000℃熱處理的SEM (d-f)，TEM (g)，HR-TEM (h)和SAED (i)；以及碳材料的XRD曲線(j)和拉曼位移(k)

圖2PAA樹脂及碳化產物的FT-IR (a)， XPS (b-d)和分子動力學模擬(e)。其中，C-1300°C和C-3000°C表示在1300°C和3000℃熱處理條件下的碳材料

圖3PAA樹脂的TG-DSC-MS (a)、宏觀照片(b)、SEM (c- e)、HR-TEM (f-h)、XRD (i)和高密度C/C復合材料的Raman-mapping(j)

圖4 C/C復合材料在1300℃和2800℃下的抗彎強度(a)和抗壓強度(b)?；诿芏龋╟）和熱處理溫度（d）的抗彎強度與以往研究的比較

圖5 C/C復合材料性能測試后的SEM圖像。(a-f)在1300℃下制備的非石墨化C/C復合材料的裂紋，(g-l)在2800℃下制備的石墨化C/C復合材料的裂紋

圖6高密度C/C復合材料的耐燒蝕性能分析。（a）溫度變化，（b）線性燒蝕率比較，（c-h）SEM圖像和（i）耐燒蝕機理闡釋

該研究證明了PAA樹脂作為生產高密度C/C復合材料的創新碳前驅體的卓越能力。PAA樹脂的有效利用和UHPIC技術的創新拓寬了高密度C/C復合材料的制備途徑，為該材料在航空航天工業中的廣泛應用提供了一條有潛力的技術方案。此外，PAA樹脂的應用潛力應超出C/C復合材料的領域。預計該研究將為高結晶度的多維石墨材料的發展做出貢獻。PAA樹脂材料有潛力用于制備多種材料，包括用于熱管理目的的高導熱碳纖維和碳膜，以及用于隔熱系統的具有優越機械性能的碳泡沫。UHPIC技術由于能夠實現微納米孔的完全浸漬，為合成各種低孔隙率無機復合材料提供了一種高效且經濟可行的方法。

總之，本研究強調了PAA樹脂作為碳前驅體的顯著特性和適應性，以及UHPIC技術在制備高密度C/C復合材料中的優勢。這些發現為碳基材料的進步及其在航空航天、熱管理和隔熱系統等不同領域的潛在應用提供了重要的見解。