中南大学黄启忠教授：炭/炭复合材料的基础理论研究尚有不足，仍需努力

2022-03-09 13:39:07 作者：DT新材料来源：DT新材料分享至：

炭/炭复合材料是新材料领域重点研究和开发的一类战略性高技术材料。近年来，国防科技的快速发展对低烧蚀抗氧化炭/炭复合材料提出了耐更高温度、更高速度和更长时间的极端要求，包括先进航空航天器及其动力系统研发的高温构件及多种高新武器装备的关键部件，民用领域特种耐热和耐磨部件升级换代也有迫切需求，还存在较多关键技术尚待突破。

其中，什么是碳？什么是炭？我国在炭/炭复合材料领域，在国际上处于什么水平？炭/炭复合材料技术上究竟还有哪些关键问题需要突破？发展前景如何？……这些问题都值得我们深刻思考与不断探索。

《Carbontech Magazine》杂志副主编李彬彬特邀国家航天技术专家组成员、教育部新型飞行器联合研究中心副主任兼轻质耐高温材料分中心主任，中南大学黄启忠教授，就炭/炭复合材料的核心技术和应用拓展的关键问题进行深度探讨。

黄老师，您好，您从事炭/炭复合材料行业多年，最初是什么原因让您选择做这个方向？做了这么多年，您最大的感触是什么？

黄启忠教授:

我是1978年进入湖南大学炭素专业开始学习，从第一节专业课开始了解炭纤维，炭/炭复合材料等，然后慢慢喜欢上了这个专业和方向。1982年本科毕业，硕士考到中国科学院金属研究所，开始从事热解石墨、高定向热解石墨、炭/炭复合材料方面的研究工作，1985年到湖南大学炭素材料教研室工作，随后博士研究生、博士后也是从事炭素材料、炭/炭复合材料方面的研究工作。1994年到中南大学任教，一直从事炭/炭复合材料和耐烧蚀炭/炭复合材料方面的工作。目前已主持了国家重大科技专项、国家自然科学基金重点基金、“973”、“863”、国家支撑、国家重点研发、国家军工重点等20多个相关的国家级研究项目，主要从事炭/炭复合材料的化学气相沉积基础研究和航空刹车材料、燃料电池炭纸、航天耐烧蚀材料等方向的研究，在国内外发表了200多篇论文，出版了100万字的专著《高性能炭/炭复合材料的制备、结构与应用》和50万字的译著《新一代航空航天热结构与材料》，是教育部唯一的全国军工能力建设先进个人，获得了国家技术发明一等奖等7项科技成果奖励，可以说我的科研生涯基本上就是新型炭材料材料和炭/炭复合材料。

关于炭和碳的区别，您可以简单讲下吗？

黄启忠教授:

从化学角度上来说，

碳——化学元素，C；

炭——固体材料，C/H>10。

凡是与碳元素、碳原子有关的词语，建议用带有石旁的“碳”，如：元素碳、化合碳、碳同位素、碳化物、芳香碳、环烷碳、碳网平面、芳碳率、α碳、β碳、二氧化碳、碳含量、碳素钢、碳链、碳氢化合物、渗碳、碳酸钙等等。

凡是与炭石墨材料有关的词语，建议用不带石旁的“炭”，如：木炭、煤炭、焦炭、活性炭、玻璃炭，热解炭、生物炭、炭块、炭石墨材料，炭棒、同性炭、炭纤维、炭黑、炭糊、炭/炭复合材料、炭素厂、炭素技术、炭素工艺、炭渣、炭素材料、炭素学会、炭素年会等等。

但这两个字常常可以互换。

在炭素文献中，带石旁的“碳”与不带石旁的“炭”常常混用，不加区别。比如炭素、炭黑、炭石墨材料、炭素厂等，但这种混用状态，有时也会导致语意模糊，甚至混乱。如“……由此制得的碳，含硫较高，含碳较低。”在这句话中，前一个“碳”指的是炭素材料，后一个“碳”指的是碳元素。如果理解为同一的实体，即都理解为碳元素或都理解为炭素材料，那么，从化学的角度来看，这句话是不通的。

“炭”是我国古已有之的一个字，见于古代字书、后汉许慎著《说文解字》中。E·Fitzer曾建议C/H原子比大于10的、以碳为主要成份的固体物质，才可以称为炭素。炭素材料的主要化学成分是碳，但还含有氢、氧、硫、甚至金属等其他元素。其中氢这一元素，不管选用什么原料，在制造过程中热处理的温度，不管高到什么程度，也始终是不能完全除掉的。什么样的物质才叫炭素材料，对这一问题，国际炭素术语与表征委员会，曾经有过较长时间的讨论。

“碳”字出现在20世纪20年代末、30年代初出版的词书上开始出现带石旁的“碳”字，如1930年出版的《王云五大字典》就收录了这个字，指明其唯一意义是符号为C的元素。1932年11月26日，民国政府教育部公布了《化学命名原则》，把第6号元素第一次正式订名为“碳”。“碳”字今年才满90岁。“碳”的本义，只专指第6号化学元素，别无其他意义。1978年出版的《现代汉语词典》，1977年出版的《辞海》，都充分肯定了这一点。在“碳”字条下，只指明是一种化学元素，别无其他意义。

因此“炭”和“碳”的字义十分清楚。

我国对炭/炭复合材料的研究开发工作开始于20世纪70年代末，经过几十年的发展，取得了丰硕的成果，先进性直追发达国家。目前，我国在炭/炭复合材料领域，国际上处于什么水平？

黄启忠教授:

20世纪60年代，在我的导师张名大先生（中国科学院金属研究所教授）的领导下开展了化学气相沉积研究和应用。1973年，张名大先生和刘文川先生等人为了应对国家航天事业的需求，获得了国家某工程项目的支持，正式开展了炭/炭复合材料研究和开发。这项技术首先扩展到航天43所，兰州炭素厂，然后扩展到全国。经过近50年的发展，我国在炭/炭复合材料方面取得了长足的进步，在航天耐烧蚀、航空刹车、光伏坩埚和保温等方面获得了大量的应用，解决了我国很多关键问题。目前，中国科学院金属研究所、西北工业大学、中南大学、航天703研究所、航天43研究所、航空514厂、航空621研究所等单位都在从事炭/炭复合材料研究和开发，形成了一大批上市企业和龙头企业。

炭/炭复合材料是为了应对航空航天事业的发展而开展的，美国、英国、法国、俄罗斯、中国等航空航天大国进行了大量的研究和开发。目前，炭/炭复合材料我国在军民领域已经得到了大力发展，但在基础理论研究方面、快速化学气相沉积方面、结构控制方面和国际先进水平相比尚有一定的差距，我们应急起直追。

炭/炭复合材料是最有前途的高温材料之一，您觉得炭/炭复合材料技术上还有哪些问题需要突破？据我所知，炭/炭复合材料、碳化硅纤维增强复合材料都是比较好的热防护复合材料，那它们之间的主要性能区别在哪里？应用领域会有重叠么？

黄启忠教授:

影响炭/炭复合材料性能的主要因素有：

（1）炭纤维的种类；

（2）炭纤维的编织方式和编织密度；

（3）基体炭的增密方式；

（4）热解炭的织构（碳原子的排列状况）；

（5）界面状况；

（6）炭/炭复合材料的整体密度；

（7）炭/炭复合材料的表面涂层。

由于我国在炭/炭复合材料方面起步较晚，基础研究的人员不够多，大多注重产品开发等原因，造成我国在炭/炭复合材料存在如下问题：

（1）高强度、高模量、高导热炭纤维存在缺失，炭纤维价格较高，性能稳定性较差，炭纤维的编织方式和性能也有待提高；

（2）炭/炭复合材料的化学气相沉积机理研究不够，造成热解炭的增密速度较慢、密度均匀性较差、难以通过化学气相沉积获得高密度、所需要的粗糙层热解炭获得困难，界面结构控制还有待提高；

（3）炭/炭复合材料如何获得近净制造，少加工、少浪费、炭纤维编织体少破坏，降低成本，提高性能；

（4）炭/炭复合材料具有耐高温，但不耐氧化的现象，表面陶瓷涂层是一个重要的解决办法，民用领域需要研究低成本、抗氧化、抗热震陶瓷涂层。

飞机刹车副分为粉末冶金飞机刹车副和炭/炭复合材料飞机刹车副。目前市场格局如何？您觉得未来炭/炭复合材料飞机刹车副能够完全取代粉末冶金飞机刹车副么？

黄启忠教授:

炭/炭复合材料分为普通炭/炭复合材料和炭/炭-陶复合材料。普通炭/炭复合材料基本由碳元素组成，可以作为炭/炭复合材料飞机刹车副、还原性气候下的航天耐烧蚀材料、光伏单晶硅炉用坩埚和保温材料。

作为飞机刹车材料时要求摩擦系数大，摩擦系数随速度和刹车压力变化小、热导率高，因此，必须采用具有粗糙层结构的热解炭；炭/炭-陶复合材料是在炭/炭复合材料基体中另外加入了陶瓷组分，是在较低密度的炭/炭复合材料中通过化学气相沉积渗透（CVI）、陶瓷先驱体浸渍-热处理（PIP）、金属硅高温熔渗（RMI）等方法制备而成，可以作为氧化性气候下的航天耐烧蚀材料、水上飞机的刹车材料和高级轿车的刹车材料。

飞机刹车副分为粉末冶金飞机刹车副和炭/炭复合材料飞机刹车副，由于炭/炭复合材料飞机刹车副具有密度低、摩擦系数大、刹车功率大、使用寿命长等特点，在几乎在所有的军机、大型的民机中得到应用，而且正在逐步取代粉末冶金飞机刹车副，未来设计的新型号飞机会完全采用炭/炭复合材料刹车副。

炭/炭复合材料在光伏行业的发展，是通过一步步替代石墨材料发展起来的。您觉得炭/炭复合材料在光伏行业能够全面取代石墨材料么？在电极这一块您觉得发展前景如何？目前还存在哪些问题？

黄启忠教授:

炭/炭复合材料和石墨材料一样，基本由碳元素组成，且具有石墨结构，相较于石墨材料，具有强度高、抗热震性好，可以制备成大型产品。依照要求可以制备不同的密度，密度≤0.2 g/cm3的炭/炭复合材料（硬炭毡）可以作为光伏设备的保温材料，密度约为1.35 g/cm3的炭/炭复合材料可以作为光伏设备的坩埚材料。随着炭/炭复合材料制备技术和材料结构控制技术的发展，其制备成本会逐步下降，使用寿命会逐步延长，性价比会大幅度提高，因此会逐步取代石墨材料作为坩埚材料。至于光伏设备中的发热体、电极材料，由于炭/炭复合材料的密度均匀性问题，要取代石墨材料尚有一个过程。

最后，作为碳材料杂志的编委会成员，我们也特别想知道，您作为业界专家，您觉得碳材料杂志应该侧重报道哪些内容，对行业的启发最大？

黄启忠教授:

作为碳材料杂志的读者，认为本杂志应该依照杂志的开办宗旨，侧重报道炭材料科研的最新发展动态，行业状况发展最新动态，理论和实际相结合，为行业服务。

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