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中南大學黃啟忠教授：炭/炭復合材料的基礎(chǔ)理論研究尚有不足，仍需努力

2022-03-09 13:39:07 作者：DT新材料來源：DT新材料分享至：

炭/炭復合材料是新材料領(lǐng)域重點研究和開發(fā)的一類戰(zhàn)略性高技術(shù)材料。近年來，國防科技的快速發(fā)展對低燒蝕抗氧化炭/炭復合材料提出了耐更高溫度、更高速度和更長時間的極端要求，包括先進航空航天器及其動力系統(tǒng)研發(fā)的高溫構(gòu)件及多種高新武器裝備的關(guān)鍵部件，民用領(lǐng)域特種耐熱和耐磨部件升級換代也有迫切需求，還存在較多關(guān)鍵技術(shù)尚待突破。

其中，什么是碳？什么是炭？我國在炭/炭復合材料領(lǐng)域，在國際上處于什么水平？炭/炭復合材料技術(shù)上究竟還有哪些關(guān)鍵問題需要突破？發(fā)展前景如何？……這些問題都值得我們深刻思考與不斷探索。

《Carbontech Magazine》雜志副主編李彬彬特邀國家航天技術(shù)專家組成員、教育部新型飛行器聯(lián)合研究中心副主任兼輕質(zhì)耐高溫材料分中心主任，中南大學黃啟忠教授，就炭/炭復合材料的核心技術(shù)和應用拓展的關(guān)鍵問題進行深度探討。

黃老師，您好，您從事炭/炭復合材料行業(yè)多年，最初是什么原因讓您選擇做這個方向？做了這么多年，您最大的感觸是什么？

黃啟忠教授:

我是1978年進入湖南大學炭素專業(yè)開始學習，從第一節(jié)專業(yè)課開始了解炭纖維，炭/炭復合材料等，然后慢慢喜歡上了這個專業(yè)和方向。1982年本科畢業(yè)，碩士考到中國科學院金屬研究所，開始從事熱解石墨、高定向熱解石墨、炭/炭復合材料方面的研究工作，1985年到湖南大學炭素材料教研室工作，隨后博士研究生、博士后也是從事炭素材料、炭/炭復合材料方面的研究工作。1994年到中南大學任教，一直從事炭/炭復合材料和耐燒蝕炭/炭復合材料方面的工作。目前已主持了國家重大科技專項、國家自然科學基金重點基金、“973”、“863”、國家支撐、國家重點研發(fā)、國家軍工重點等20多個相關(guān)的國家級研究項目，主要從事炭/炭復合材料的化學氣相沉積基礎(chǔ)研究和航空剎車材料、燃料電池炭紙、航天耐燒蝕材料等方向的研究，在國內(nèi)外發(fā)表了200多篇論文，出版了100萬字的專著《高性能炭/炭復合材料的制備、結(jié)構(gòu)與應用》和50萬字的譯著《新一代航空航天熱結(jié)構(gòu)與材料》，是教育部唯一的全國軍工能力建設(shè)先進個人，獲得了國家技術(shù)發(fā)明一等獎等7項科技成果獎勵，可以說我的科研生涯基本上就是新型炭材料材料和炭/炭復合材料。

關(guān)于炭和碳的區(qū)別，您可以簡單講下嗎？

黃啟忠教授:

從化學角度上來說，

碳——化學元素，C；

炭——固體材料，C/H>10。

凡是與碳元素、碳原子有關(guān)的詞語，建議用帶有石旁的“碳”，如：元素碳、化合碳、碳同位素、碳化物、芳香碳、環(huán)烷碳、碳網(wǎng)平面、芳碳率、α碳、β碳、二氧化碳、碳含量、碳素鋼、碳鏈、碳氫化合物、滲碳、碳酸鈣等等。

凡是與炭石墨材料有關(guān)的詞語，建議用不帶石旁的“炭”，如：木炭、煤炭、焦炭、活性炭、玻璃炭，熱解炭、生物炭、炭塊、炭石墨材料，炭棒、同性炭、炭纖維、炭黑、炭糊、炭/炭復合材料、炭素廠、炭素技術(shù)、炭素工藝、炭渣、炭素材料、炭素學會、炭素年會等等。

但這兩個字常常可以互換。

在炭素文獻中，帶石旁的“碳”與不帶石旁的“炭”常常混用，不加區(qū)別。比如炭素、炭黑、炭石墨材料、炭素廠等，但這種混用狀態(tài)，有時也會導致語意模糊，甚至混亂。如“……由此制得的碳，含硫較高，含碳較低。”在這句話中，前一個“碳”指的是炭素材料，后一個“碳”指的是碳元素。如果理解為同一的實體，即都理解為碳元素或都理解為炭素材料，那么，從化學的角度來看，這句話是不通的。

“炭”是我國古已有之的一個字，見于古代字書、后漢許慎著《說文解字》中。E·Fitzer曾建議C/H原子比大于10的、以碳為主要成份的固體物質(zhì)，才可以稱為炭素。炭素材料的主要化學成分是碳，但還含有氫、氧、硫、甚至金屬等其他元素。其中氫這一元素，不管選用什么原料，在制造過程中熱處理的溫度，不管高到什么程度，也始終是不能完全除掉的。什么樣的物質(zhì)才叫炭素材料，對這一問題，國際炭素術(shù)語與表征委員會，曾經(jīng)有過較長時間的討論。

“碳”字出現(xiàn)在20世紀20年代末、30年代初出版的詞書上開始出現(xiàn)帶石旁的“碳”字，如1930年出版的《王云五大字典》就收錄了這個字，指明其唯一意義是符號為C的元素。1932年11月26日，民國政府教育部公布了《化學命名原則》，把第6號元素第一次正式訂名為“碳”。“碳”字今年才滿90歲。“碳”的本義，只專指第6號化學元素，別無其他意義。1978年出版的《現(xiàn)代漢語詞典》，1977年出版的《辭海》，都充分肯定了這一點。在“碳”字條下，只指明是一種化學元素，別無其他意義。

因此“炭”和“碳”的字義十分清楚。

我國對炭/炭復合材料的研究開發(fā)工作開始于20世紀70年代末，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，取得了豐碩的成果，先進性直追發(fā)達國家。目前，我國在炭/炭復合材料領(lǐng)域，國際上處于什么水平？

黃啟忠教授:

20世紀60年代，在我的導師張名大先生（中國科學院金屬研究所教授）的領(lǐng)導下開展了化學氣相沉積研究和應用。1973年，張名大先生和劉文川先生等人為了應對國家航天事業(yè)的需求，獲得了國家某工程項目的支持，正式開展了炭/炭復合材料研究和開發(fā)。這項技術(shù)首先擴展到航天43所，蘭州炭素廠，然后擴展到全國。經(jīng)過近50年的發(fā)展，我國在炭/炭復合材料方面取得了長足的進步，在航天耐燒蝕、航空剎車、光伏坩堝和保溫等方面獲得了大量的應用，解決了我國很多關(guān)鍵問題。目前，中國科學院金屬研究所、西北工業(yè)大學、中南大學、航天703研究所、航天43研究所、航空514廠、航空621研究所等單位都在從事炭/炭復合材料研究和開發(fā)，形成了一大批上市企業(yè)和龍頭企業(yè)。

炭/炭復合材料是為了應對航空航天事業(yè)的發(fā)展而開展的，美國、英國、法國、俄羅斯、中國等航空航天大國進行了大量的研究和開發(fā)。目前，炭/炭復合材料我國在軍民領(lǐng)域已經(jīng)得到了大力發(fā)展，但在基礎(chǔ)理論研究方面、快速化學氣相沉積方面、結(jié)構(gòu)控制方面和國際先進水平相比尚有一定的差距，我們應急起直追。

炭/炭復合材料是最有前途的高溫材料之一，您覺得炭/炭復合材料技術(shù)上還有哪些問題需要突破？據(jù)我所知，炭/炭復合材料、碳化硅纖維增強復合材料都是比較好的熱防護復合材料，那它們之間的主要性能區(qū)別在哪里？應用領(lǐng)域會有重疊么？

黃啟忠教授:

影響炭/炭復合材料性能的主要因素有：

（1）炭纖維的種類；

（2）炭纖維的編織方式和編織密度；

（3）基體炭的增密方式；

（4）熱解炭的織構(gòu)（碳原子的排列狀況）；

（5）界面狀況；

（6）炭/炭復合材料的整體密度；

（7）炭/炭復合材料的表面涂層。

由于我國在炭/炭復合材料方面起步較晚，基礎(chǔ)研究的人員不夠多，大多注重產(chǎn)品開發(fā)等原因，造成我國在炭/炭復合材料存在如下問題：

（1）高強度、高模量、高導熱炭纖維存在缺失，炭纖維價格較高，性能穩(wěn)定性較差，炭纖維的編織方式和性能也有待提高；

（2）炭/炭復合材料的化學氣相沉積機理研究不夠，造成熱解炭的增密速度較慢、密度均勻性較差、難以通過化學氣相沉積獲得高密度、所需要的粗糙層熱解炭獲得困難，界面結(jié)構(gòu)控制還有待提高；

（3）炭/炭復合材料如何獲得近凈制造，少加工、少浪費、炭纖維編織體少破壞，降低成本，提高性能；

（4）炭/炭復合材料具有耐高溫，但不耐氧化的現(xiàn)象，表面陶瓷涂層是一個重要的解決辦法，民用領(lǐng)域需要研究低成本、抗氧化、抗熱震陶瓷涂層。

飛機剎車副分為粉末冶金飛機剎車副和炭/炭復合材料飛機剎車副。目前市場格局如何？您覺得未來炭/炭復合材料飛機剎車副能夠完全取代粉末冶金飛機剎車副么？

黃啟忠教授:

炭/炭復合材料分為普通炭/炭復合材料和炭/炭-陶復合材料。普通炭/炭復合材料基本由碳元素組成，可以作為炭/炭復合材料飛機剎車副、還原性氣候下的航天耐燒蝕材料、光伏單晶硅爐用坩堝和保溫材料。

作為飛機剎車材料時要求摩擦系數(shù)大，摩擦系數(shù)隨速度和剎車壓力變化小、熱導率高，因此，必須采用具有粗糙層結(jié)構(gòu)的熱解炭；炭/炭-陶復合材料是在炭/炭復合材料基體中另外加入了陶瓷組分，是在較低密度的炭/炭復合材料中通過化學氣相沉積滲透（CVI）、陶瓷先驅(qū)體浸漬-熱處理（PIP）、金屬硅高溫熔滲（RMI）等方法制備而成，可以作為氧化性氣候下的航天耐燒蝕材料、水上飛機的剎車材料和高級轎車的剎車材料。

飛機剎車副分為粉末冶金飛機剎車副和炭/炭復合材料飛機剎車副，由于炭/炭復合材料飛機剎車副具有密度低、摩擦系數(shù)大、剎車功率大、使用壽命長等特點，在幾乎在所有的軍機、大型的民機中得到應用，而且正在逐步取代粉末冶金飛機剎車副，未來設(shè)計的新型號飛機會完全采用炭/炭復合材料剎車副。

炭/炭復合材料在光伏行業(yè)的發(fā)展，是通過一步步替代石墨材料發(fā)展起來的。您覺得炭/炭復合材料在光伏行業(yè)能夠全面取代石墨材料么？在電極這一塊您覺得發(fā)展前景如何？目前還存在哪些問題？

黃啟忠教授:

炭/炭復合材料和石墨材料一樣，基本由碳元素組成，且具有石墨結(jié)構(gòu)，相較于石墨材料，具有強度高、抗熱震性好，可以制備成大型產(chǎn)品。依照要求可以制備不同的密度，密度≤0.2 g/cm3的炭/炭復合材料（硬炭氈）可以作為光伏設(shè)備的保溫材料，密度約為1.35 g/cm3的炭/炭復合材料可以作為光伏設(shè)備的坩堝材料。隨著炭/炭復合材料制備技術(shù)和材料結(jié)構(gòu)控制技術(shù)的發(fā)展，其制備成本會逐步下降，使用壽命會逐步延長，性價比會大幅度提高，因此會逐步取代石墨材料作為坩堝材料。至于光伏設(shè)備中的發(fā)熱體、電極材料，由于炭/炭復合材料的密度均勻性問題，要取代石墨材料尚有一個過程。

最后，作為碳材料雜志的編委會成員，我們也特別想知道，您作為業(yè)界專家，您覺得碳材料雜志應該側(cè)重報道哪些內(nèi)容，對行業(yè)的啟發(fā)最大？

黃啟忠教授:

作為碳材料雜志的讀者，認為本雜志應該依照雜志的開辦宗旨，側(cè)重報道炭材料科研的最新發(fā)展動態(tài)，行業(yè)狀況發(fā)展最新動態(tài)，理論和實際相結(jié)合，為行業(yè)服務(wù)。

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