摘要

碳/碳復(fù)合材料作為新型結(jié)構(gòu)材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能、低熱膨脹系數(shù)、耐熱沖擊以及耐燒蝕等優(yōu)異性 能，在較寬的溫域范圍內(nèi)擁有較好的抗蠕變性能和較高的強(qiáng)度保留率，是新材料領(lǐng)域重點(diǎn)研究和開(kāi)發(fā)的一類(lèi)戰(zhàn)略 性高技術(shù)材料。

本文闡述了碳/碳復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)以及綜述了碳/碳復(fù)合材料的發(fā)展階段，重點(diǎn)針對(duì)航空航天、光 伏產(chǎn)業(yè)、汽車(chē)、半導(dǎo)體、工業(yè)領(lǐng)域以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用探索，本文認(rèn)為碳/碳復(fù)合材料正從過(guò)去的雙元 復(fù)合逐步向多元復(fù)合的方向發(fā)展，未來(lái)碳/碳復(fù)合材料會(huì)向多功能復(fù)合材料方向發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也將更加廣泛。

引言

碳/碳復(fù)合材料(C/C) 是以碳纖維或石墨為增強(qiáng)體的碳基復(fù)合材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，如高溫下的高強(qiáng)度和模量，尤其是其隨溫度的升高， 強(qiáng)度不但不降低反而升高的特性，以及高斷裂韌性、低蠕變等性能，加之具備具有低比重、高比強(qiáng)、高比模、低熱膨脹系數(shù)、耐熱沖擊以及耐燒蝕等優(yōu)異性能，在較寬的溫域范圍內(nèi)擁有較好的抗蠕變性能和較高的強(qiáng)度保留率，是新材料領(lǐng)域重點(diǎn)研究和開(kāi)發(fā)的一類(lèi)戰(zhàn)略性高技術(shù)材料。碳/碳復(fù)合材料的主要缺點(diǎn)是抗氧化性低，在高于900℉ (482℃) 的溫度下與氧氣發(fā)生反應(yīng)，通常采用防護(hù)層等方法提升氧化保護(hù)。碳/碳復(fù)合材料是目前3000 ℃以上仍保有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的唯一材料，其理論最高使用溫度高達(dá)3500 ℃，由于其獨(dú)特性能表現(xiàn)，已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、光伏、半導(dǎo)體等領(lǐng)域。

碳/碳復(fù)合材料的發(fā)展史

全球碳/碳復(fù)合材料發(fā)展基本劃分三個(gè)階段: 從碳/碳復(fù)合材料發(fā)明到20世紀(jì)60年代中期，為基礎(chǔ)工藝研究階段; 從?20世紀(jì)60年代中期到90年代中期為應(yīng)用開(kāi)發(fā)階段，主要應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域;?90年代中期到2010年，為碳/碳復(fù)合材料民用領(lǐng)域開(kāi)發(fā)應(yīng)用階段。2010年至今未發(fā)展成熟期，基本實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用的規(guī)模化和批量化。1958年美國(guó)?CHANCE VOUGHT實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行碳/?酚醛實(shí)驗(yàn)時(shí)失誤導(dǎo)致得到碳基體，碳/碳復(fù)合材料首次出現(xiàn)是航空實(shí)驗(yàn)室。

碳/碳復(fù)合材料一經(jīng)問(wèn)世 便受到世界科技工作者的廣泛關(guān)注。60?年代末期，碳/碳復(fù)合材料發(fā)展成為工程材料，由于生產(chǎn)周期長(zhǎng)，工藝過(guò)程復(fù)雜以及生產(chǎn)成本高，使碳/碳復(fù)合材料廣泛應(yīng)用受到了根本性的制約。70年代，伴隨著現(xiàn)代空間技術(shù)對(duì)運(yùn)載火箭、超高聲速飛行器、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及其噴管、喉襯等對(duì)材料性能要求不斷提高，美、法、英、德、前蘇聯(lián)等國(guó)家相繼對(duì)碳?/碳復(fù)合材料進(jìn)行了研究，推出了碳纖維多向編織 技術(shù)、碳/碳復(fù)合材料致密化工藝，如高壓液相浸漬工藝及化學(xué)氣相浸滲法 (?CVI) 等不斷發(fā)展并趨于成熟，為制造、批量生產(chǎn)和應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的前景。20世紀(jì)80年代，碳/碳復(fù)合材料研究更加活 躍，在性能提高、快速致密化工藝研究及擴(kuò)大應(yīng)用等方面取得很大進(jìn)展。美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室及法國(guó)原子能委員會(huì)分別提出的熱梯度強(qiáng)制流動(dòng) (?FCVI) 法及化學(xué)液相氣化滲透法，大幅度縮短了傳統(tǒng)等溫?CVI?工藝的制備周期，大大提升了材料的制備 效率。同時(shí)，碳/碳復(fù)合材料抗氧化燒蝕技術(shù)也得到了應(yīng)用，如美國(guó)NASA?將SiC /HfC?多層復(fù)合涂層碳/碳復(fù)合材料應(yīng)用于?X－43A?高超聲速飛行器的頭部前緣和水平尾翼前緣上，該飛行器連續(xù)兩次成功實(shí)現(xiàn)了6. 91Mach?和9. 68Mach的飛行試驗(yàn)。除了在國(guó)防、軍事領(lǐng)域取得成功應(yīng)用外，碳/碳復(fù)合材料在民用剎車(chē)盤(pán)方面也取得了規(guī)?；a(chǎn)，全球最大碳盤(pán)生產(chǎn)公司有英國(guó)的BP公司、美國(guó)的Bendix、Goodrich和?Goodyear公司，法國(guó)Messier公司以及英國(guó)Dunlop公司。20世紀(jì)90年代開(kāi)始，碳/ 碳復(fù)合材料成為了關(guān)鍵新材料之一。目前國(guó)外碳/ 碳復(fù)合材料研究主要集中在低成本制造、特殊環(huán)境材料失效行為、微尺度性能數(shù)據(jù)庫(kù)以及在線(xiàn)損傷檢測(cè)等方面，應(yīng)用向精細(xì)化和多功能化發(fā)展，研究工作趨于細(xì)觀(guān)和微觀(guān)領(lǐng)域。

碳/碳復(fù)合材料的應(yīng)用

航空航天應(yīng)用

碳/碳復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，已用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈端頭、空天飛行器頭錐、機(jī)翼前緣、熱結(jié)構(gòu)艙段，導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、擴(kuò)張段、喉襯以燒蝕環(huán)、防熱/隔熱部件，飛機(jī)制動(dòng)盤(pán)，兵器火箭彈喉襯、噴管和機(jī)械緊固件等。2020年我國(guó)航天在新型火箭首飛、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、月球與深空探測(cè)與商業(yè)航天等領(lǐng)域取得了重大成就，航天產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展帶來(lái)強(qiáng)大的市場(chǎng)需求。

飛機(jī)剎車(chē)制動(dòng)盤(pán)

碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化最成功的典型代表是碳/碳復(fù)合材料航空制動(dòng)盤(pán)，飛機(jī)剎車(chē)盤(pán)為碳/碳復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的主要應(yīng)用方向，50%以上的碳/碳復(fù)合材料用于飛機(jī)剎車(chē)裝置。碳/碳復(fù)合材料制作的飛機(jī)剎車(chē)盤(pán)重量輕、耐溫高、比熱容比鋼高?2. 5?倍; 同金屬剎車(chē)材料相比，可節(jié)省?40%的結(jié)構(gòu)重量，使用壽命可提升5 ～ 7?倍，剎車(chē)力矩平穩(wěn)，剎車(chē)時(shí)噪聲小。華興航空機(jī)輪公司、蘭州碳素廠(chǎng)等單位是國(guó)內(nèi)較早開(kāi)展相關(guān)工作的單位。20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)碳制動(dòng)盤(pán)取得長(zhǎng)足發(fā)展，我國(guó)軍機(jī)陸續(xù)換裝碳制動(dòng)盤(pán)。2004年中南大學(xué)黃伯云院士及團(tuán)隊(duì)完成的碳/碳飛機(jī)制動(dòng)盤(pán)項(xiàng)目首次成功應(yīng)用于南方航空公司的A320飛機(jī)，獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。2005年2月西安超碼科技有 限公司研制的B757－200型制動(dòng)盤(pán)在上海航空股份有限公司的B757－200型飛機(jī)上使用，并成為國(guó)航西南公司、上海航空股份有限公司( 前)的唯一指定制動(dòng)盤(pán)供應(yīng)商。以博云新材為代表的碳/碳復(fù)合材料龍頭企業(yè)已經(jīng)成功地承擔(dān)了我國(guó)大飛機(jī)C919剎車(chē)系統(tǒng)的生產(chǎn)。

我國(guó)碳制動(dòng)盤(pán)市場(chǎng)需求量在不斷上升，飛機(jī)剎車(chē)盤(pán)為高耗材產(chǎn)品，可分為粉末冶金、碳/碳及復(fù)合材料三類(lèi)，粉末冶金剎車(chē)盤(pán)僅 250次起落就需更換，而碳/碳剎車(chē)盤(pán)性能優(yōu)良可靠性 高，更換次數(shù)可達(dá)1，000次起落( 約飛行 3 年) ，現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用新型號(hào)飛機(jī)、軍民用飛機(jī)剎車(chē)盤(pán) ( 副) ，后續(xù)將成為飛機(jī)剎車(chē)盤(pán)的主流材料。根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測(cè)，2021年我國(guó)民用飛機(jī)總數(shù)量和民用運(yùn)輸飛機(jī)數(shù)量分別可達(dá)7，567架和4，457架。按照一個(gè)主機(jī)輪配置4 個(gè)碳/碳剎車(chē)盤(pán)，以及新飛機(jī)剎車(chē)盤(pán)1: 1.5配置、舊飛機(jī)剎車(chē)盤(pán)1:1配 置，未來(lái)我國(guó)剎車(chē)盤(pán)市場(chǎng)需求接近74244個(gè)，預(yù)計(jì)到2025年我國(guó)碳/碳剎車(chē)盤(pán)市場(chǎng)容量將超過(guò)45億元。

熱防護(hù)結(jié)構(gòu)

在航空航天領(lǐng)域中，當(dāng)飛行器進(jìn)入大氣層，摩擦產(chǎn)生的大量熱將導(dǎo)致飛行器受到嚴(yán)重的燒蝕。為了降低飛行器燒蝕，需要構(gòu)建有效的防熱體系，如航天飛機(jī)和導(dǎo)彈的鼻錐、導(dǎo)翼、機(jī)翼和蓋板等。纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料 (?CMC) 是制作抗燒蝕表面隔熱板的較佳候選材料之一。推重比15－20高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪前溫度將達(dá)到2200 K以上，連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料耐溫高，密度低，具 有類(lèi)似金屬的斷裂行為，對(duì)裂紋不敏感，不發(fā)生災(zāi)難性的損毀，可代替高溫合金作為熱端部件結(jié)構(gòu)材 料。CMC?的應(yīng)用使發(fā)動(dòng)機(jī)大幅度減重，節(jié)約冷卻氣或無(wú)需冷卻，從而確保發(fā)動(dòng)機(jī)高推重比的有關(guān)性能。美、英、法等發(fā)達(dá)國(guó)家以推重比9－10發(fā)動(dòng)機(jī) (如F119、EJ200、F414等) 作為CMC的驗(yàn)證平 臺(tái)，主要驗(yàn)證的部件有SiC基CMC的燃燒室、渦輪外環(huán)、火焰穩(wěn)定器、矢量噴管調(diào)節(jié)片和密封片，甚至整體燃燒室和整體渦輪等構(gòu)件。碳化硅(?SiC)基?CMC的關(guān)鍵制造技術(shù)包括纖維預(yù)制件的設(shè)計(jì)和制造、SiC?基體的致密化技術(shù)、纖維與基體間界面層和復(fù)合材料表面防氧化涂層的設(shè)計(jì)與制造以及構(gòu)件的精密加工等。目前，歐洲正集中研究載人飛船及可重復(fù)使用的飛行器的可簡(jiǎn)單裝配的熱結(jié)構(gòu)及熱保護(hù)材料，C/SiC復(fù)合材料是其研究的一個(gè)重要材料體系，并已達(dá)到很高的生產(chǎn)水平。波音公司通過(guò)測(cè)試熱保護(hù)系統(tǒng)大平板隔熱裝置，也證實(shí)了C/SiC復(fù)合材料具有優(yōu)異的熱機(jī)械疲勞特性。國(guó)內(nèi)碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化最早、目前在國(guó)防上應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化程度最高的屬固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用碳/碳復(fù)合材料噴管喉襯。1984年西安航天復(fù)合材料研究所研制的碳/碳復(fù)合材料喉襯材料成功參與我 國(guó)第一顆通訊衛(wèi)星的發(fā)射，填補(bǔ)了碳/碳復(fù)合材料在國(guó)內(nèi)喉襯領(lǐng)域應(yīng)用的空白，西安航天復(fù)合材料研究所成為我國(guó)較大的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、噴管的研發(fā)生產(chǎn)基地。上海大學(xué)研制的各類(lèi)碳/碳復(fù)合材料喉襯，在長(zhǎng)征二號(hào)捆綁式火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、銥星、亞 星二號(hào)以及艾克斯達(dá)一號(hào)衛(wèi)星發(fā)射中用于近地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)均獲圓滿(mǎn)成功。西北工業(yè)大學(xué)實(shí)現(xiàn)了高性能CVI沉積碳/碳復(fù)合材料喉襯的制備和批量生產(chǎn)，研發(fā)了 10余種型號(hào)的喉襯產(chǎn)品，成功應(yīng)用于兵器、 航天等領(lǐng)域。在航天熱防護(hù)材料及航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱結(jié)構(gòu)部件方面，北京航天材料及工藝研究所、西安航天復(fù)合材料研究所、中南大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等單位均具備生產(chǎn)碳/碳復(fù)合材料大型復(fù)雜構(gòu)件的能力。西北工業(yè)大學(xué)研制的碳/碳前緣模擬 件，在氣流總焓為2650kJ/kg、氣流速度為2040m/s的高超聲速電弧等離子風(fēng)洞中經(jīng)歷三次700s循環(huán)考核(累計(jì)時(shí)間2100s)后線(xiàn)燒蝕率僅為8.1×10－5 mm/s;研制的帶涂層噴管試件在1600 ℃燃?xì)怙L(fēng)洞沖刷環(huán)境下抗氧化時(shí)間超過(guò)300h，可滿(mǎn)足多方面的應(yīng)用需求。

光伏行業(yè)

碳/碳復(fù)合材料在太陽(yáng)能領(lǐng)域作為單晶硅爐、多晶硅鑄錠爐及氫化爐熱場(chǎng)材料使用。熱場(chǎng)是用在光伏硅片拉晶過(guò)程中的耗材。光伏行業(yè)發(fā)展前期，其單晶拉制爐、多晶鑄錠爐熱場(chǎng)系統(tǒng)部件材料主要采用國(guó)外進(jìn)口的高純、高強(qiáng)等靜壓石墨。石墨熱場(chǎng)系統(tǒng)產(chǎn)品具有成本高、供貨周期長(zhǎng)、依賴(lài)進(jìn)口等特點(diǎn)，阻礙了光伏行業(yè)降成本、擴(kuò)規(guī)模的發(fā)展進(jìn)程，特別是隨著單晶硅拉制爐的容量快速擴(kuò)大，其已經(jīng)從?2011年的16－20in熱場(chǎng)快速發(fā)展到現(xiàn)在的26in和28in?熱場(chǎng)，而等靜壓石墨作為由石墨顆粒壓制成型的脆性材料，已經(jīng)在安全性方面不能適應(yīng)大熱場(chǎng)的使用要求，在經(jīng)濟(jì)性方面也已經(jīng)落后于碳/碳材料。隨著國(guó)內(nèi)先進(jìn)碳基復(fù)合材料制備技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)碳基復(fù)合材料成為降低硅晶體制備成本、提高硅晶體質(zhì)量的最優(yōu)選擇，正逐步形成在晶硅制造熱場(chǎng)系統(tǒng)中對(duì)石墨材料部件的升級(jí)換代，目前主要應(yīng)用于單晶拉制爐和多晶鑄錠爐的熱場(chǎng)材料。光伏行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，成本壓力顯著，碳/碳復(fù)合材料相比傳統(tǒng)石墨材料具有更優(yōu)異的保溫性能、更高的強(qiáng) 度、更好的韌性，且不易破碎，可有效降低生產(chǎn)能耗、提升設(shè)備使用壽命，從而降低整個(gè)生產(chǎn)的成 本。碳/碳復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性很強(qiáng)，可以根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)需要編織出任意尺寸和形狀的增強(qiáng)體，其在光伏行業(yè)的應(yīng)用主要包括 : 多晶硅氫化爐用內(nèi)、 外保溫筒、U 型加熱器、保溫板，多晶硅鑄錠爐用蓋板、坩堝護(hù)板、坩堝底托、保溫板，直拉硅單晶爐用坩堝、導(dǎo)流筒、發(fā)熱體、蓋板、底托、內(nèi)外保溫筒等。目前，光伏行業(yè)用的碳/碳復(fù)合材料保溫筒、發(fā)熱體、導(dǎo)流筒、坩堝等在中環(huán)光伏、西安隆基、保利協(xié)鑫、昱輝陽(yáng)光等企業(yè)都有所應(yīng)用。西安超碼科技有限公司、湖南南方博云新材料有限責(zé)任公司等單位在硅晶體生長(zhǎng)爐碳/碳熱場(chǎng)方面具備一定的 產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。

汽車(chē)領(lǐng)域

在汽車(chē)制造領(lǐng)域，電動(dòng)車(chē)輕量化、高端化趨勢(shì)下，碳陶剎車(chē)盤(pán)有望批量導(dǎo)入碳/陶復(fù)合材料性能優(yōu)異，剎車(chē)制動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。汽車(chē)和高速列車(chē)的剎車(chē)材料經(jīng)歷了從鑄鐵、合成材料、粉末冶金材料到碳/碳復(fù)合材料和碳/陶復(fù)合材料的發(fā)展。碳/陶復(fù)合剎車(chē)材料是在碳/碳復(fù)合剎車(chē)材料的基礎(chǔ)上，引入具有優(yōu)異抗氧化性能的碳化硅陶瓷硬質(zhì)材料作為基體的一種剎車(chē)材料，既保持了碳/碳復(fù)合剎車(chē)材料密度低、耐高溫的優(yōu)點(diǎn)，又克服了碳/碳剎車(chē)材料靜摩擦系數(shù)低、濕態(tài)衰減大、摩擦壽命不足及環(huán)境適應(yīng)性差等缺點(diǎn)。相較于鑄鐵、粉末冶金等傳統(tǒng)材料，碳/陶復(fù)合材料作為具有更好制動(dòng)性能、更輕量化的摩擦制動(dòng)材料，預(yù)計(jì)在新一輪的新能源汽車(chē)升級(jí)換代中擁有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。(1) 更輕的簧下質(zhì)量，提高續(xù)航里程車(chē)輛簧下質(zhì)量減輕1kg相當(dāng)于車(chē)身上減少5kg的效果。以380mm一對(duì)碳陶剎車(chē)盤(pán)重量為12kg，而一對(duì)380mm灰鑄鐵制動(dòng)盤(pán)為32 kg為例，懸掛以下減少20 kg，相當(dāng)于懸掛系統(tǒng)以上減少100kg重量效果。新能源電動(dòng)車(chē)可以大幅提高續(xù)航里程。(2) 無(wú)高溫衰減，更穩(wěn)定的制動(dòng)性能 一般來(lái)說(shuō)，行駛中反復(fù)踩剎車(chē)將導(dǎo)致制動(dòng)能力因?yàn)槭軣岫黠@損失。碳/陶材料剎車(chē)盤(pán)能夠承受至少1650 ℃?的高溫，在高溫環(huán)境中具有非常優(yōu)異 的制動(dòng)穩(wěn)定性，可有效防止制動(dòng)能力因?yàn)楦邿岫p情況的發(fā)生。(3) 更短的制動(dòng)距離，更長(zhǎng)的壽命碳/陶材料制動(dòng)產(chǎn)品具有穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，制動(dòng)過(guò)程柔和，制動(dòng)曲線(xiàn)平穩(wěn)，剎車(chē)距離縮短30%。常規(guī)鑄鐵剎車(chē)盤(pán)使用壽命為10萬(wàn)公里，碳/陶剎車(chē)盤(pán)有非凡耐用性，正常使用終生免更換。2001年保時(shí)捷首次將碳/陶制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用于汽車(chē)，裝配在911GT2 型跑車(chē)上，911C4S從2002年11月提供選配。其他知名品牌汽車(chē)也陸續(xù)開(kāi)始通過(guò)采用這一創(chuàng)新型剎車(chē)技術(shù)來(lái)提高車(chē)輛安全性并改善踏板舒適度。但 受限于碳/陶成本高，價(jià)格極其昂貴，例如全球知名的制動(dòng)系統(tǒng)制造商Brembo提供的碳/陶剎車(chē)盤(pán)價(jià)格在12－16萬(wàn)元不等，此前應(yīng)用僅限于部分高端跑車(chē)或改裝車(chē)領(lǐng)域。新能源汽車(chē)高速發(fā)展，碳/陶材料有望迎來(lái)新機(jī)遇。輕量化可以有效提升整車(chē)的操控性和動(dòng)力性，提高車(chē)輛的加速度性能，縮短剎車(chē)制動(dòng)距離。電動(dòng)車(chē)雖然沒(méi)有傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱，但其攜帶的動(dòng)力電池組在整車(chē)質(zhì)量中占了很大比重。電動(dòng)車(chē)想要提高性能，并超過(guò)燃油車(chē)，就必須發(fā)展輕量化結(jié)構(gòu)。當(dāng)純電乘用車(chē)每減重10% ，電耗將會(huì)下降5. 5% ，續(xù)航里程也增加5. 5% 。碳/陶剎車(chē)盤(pán)可以有效降低簧下質(zhì)量，提供更好的控制感和剎車(chē)體驗(yàn)。

半導(dǎo)體領(lǐng)域

碳化硅適用于高頻、高壓、大功率器件，將受益光伏風(fēng)電、新能源汽車(chē)需求增長(zhǎng)。碳化硅作為第三代半導(dǎo)體的核心，擁有較寬的禁帶寬度、較高的飽和電子漂移速率、較強(qiáng)的抗輻射導(dǎo)熱能力等優(yōu)點(diǎn)，是制作高溫、高頻、大功率、高壓器件的理想材料之一。SiC功率器件將極大提高現(xiàn)有使用硅基功率器件的能源轉(zhuǎn)換效率，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括5G?通訊、國(guó)防應(yīng)用、航空航天、電動(dòng)汽車(chē)/充電樁、?光伏新能源、軌道交通、智能電網(wǎng)等。隨著國(guó)內(nèi)外新能源車(chē)和光伏發(fā)電等下游需求不斷增長(zhǎng)，對(duì)功率器件和襯底材料的功率及頻率適用性要求也不斷提高，SiC襯底的市場(chǎng)規(guī)模有望快速增長(zhǎng)。SiC襯底占器件成本的50%?，一般采用PVT法制備。SiC襯底的制造是產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)壁壘最高、價(jià)值量最大環(huán)節(jié)，約占SiC器件制造成本的50%?。SiC單晶制備又是襯底的基礎(chǔ)，目前國(guó)內(nèi)主流商用SiC單晶生長(zhǎng)均采用物理氣相傳輸法(?PVT)，將SiC高純粉末放置在圓柱形致密的石墨坩堝底部，SiC籽晶放置在坩堝鍋蓋附近，坩堝通過(guò)射頻感應(yīng)加熱至2300℃－2400℃，并有石墨氈或多孔石墨絕熱，通過(guò)選擇合適的頻率避免對(duì)該絕熱層直接加熱。籽晶溫度設(shè)定在比源溫度低約100 ℃，這樣使升華的SiC物質(zhì)可在籽晶上凝結(jié)并結(jié)晶。PVT工藝難度較高，未來(lái)仍需進(jìn)一步降低成本。

其他領(lǐng)域

在工業(yè)領(lǐng)域，碳/碳復(fù)合材料可作為柴油機(jī)活塞、連桿材料、高溫緊固件等使用，碳/碳復(fù)合材料柴油機(jī)部件可使其使用溫度由原來(lái)的300℃提高至1100 ℃，同時(shí)其密度低，減少了能量的損失，熱機(jī)效率可達(dá)48%?; 由于碳/碳復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)較低，在有效溫度內(nèi)可不使用密封環(huán)等材料，簡(jiǎn)化了構(gòu)件結(jié)構(gòu)。由于碳/碳復(fù)合材料具有與人工骨相近的彈性模量及生物相容性，具有廣闊的應(yīng)用前景。最早臨床用碳質(zhì)人工骨由吉林碳素廠(chǎng)研究所提供，碳質(zhì)人 工骨包括: 碳質(zhì)股骨頭、股骨上下端、橈骨上下端、下頜骨、顱骨、肋骨等10余個(gè)品種。山東大學(xué)研究發(fā)現(xiàn): 碳/碳復(fù)合材料有利于促進(jìn)骨組織的生成，并且在碳/碳表面制備?CaP涂層效果更佳顯著。由于未經(jīng)處理碳/碳復(fù)合材料為生物惰性材料，為使其具有一定的生物活性，必須對(duì)其進(jìn)行表面處理。西北工業(yè)大學(xué)進(jìn)行了系列羥基磷灰石(HA)涂層研究，很好地解決了碳/碳復(fù)合材料的生物惰性問(wèn)題。

結(jié)語(yǔ)

總之，碳/碳復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐磨損、耐疲勞、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在航天航空、光伏等行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。碳/碳復(fù)合材料正從過(guò)去的雙元復(fù)合逐步向多元復(fù)合的方向發(fā)展，未來(lái)碳/碳復(fù)合材料會(huì)向多功能復(fù)合材料方向發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也將更加廣泛。

來(lái)源：纖維復(fù)合材料

作者：遲波，于博