973项目申报书——2011CB605800-G高性能炭炭复合材料高效制备与服役基础研究

1、仅供个人参考 项目名称： For personal use only in study and research; not for commercial use 咼性能炭/炭复合材料咼效制备与服役 基础研究 首席科学家： 熊翔中南大学 For personal use 2011.1 至 2015.8 only in study and research; not for commercial use 起止年限： 依托部门： 教育部 二、预期目标 1. 总体目标 发展长程传输快速 CVI 增密技术、高效液相增密技术，实现炭结构可控可 调，奠定高性能 C/C 复合材料的低成本制备技术基础；发展 C

2、/C 复合材料基体 改性技术和涂层技术， 建立改性组织结构、 多相界面结构与多样化性能的内在联 系，提高 C/C 复合材料在苛刻环境下的使用性能，扩展其使用范围，扩大应用 领域；探明 C/C 复合材料高温长时间服役行为与防护机理，解决国家中长期规 划大飞机工程、 XX 声速飞行器工程等国防现代化建设和国民经济建设对高性能 C/C 复合材料的需求。 2. 五年预期目标 (1) 理论成果 研究物理场、气体流场和碳源组分对CVI过程中碳源基团长程快速传输 及演变规律，揭示快速增密过程机理； 研究多相界面结构特征，探明 C/C复合材料界面结构与宏观性能之间的 关系； 研究 C/C 复合材料在烧蚀、导热

3、、吸波、辐照环境中的服役行为，建立 材料失效防护理论体系。 (2) 技术原型 大尺寸异形 C/C 材料快速增密技术； C/C 材料基体改性技术和涂层技术； C/C 材料高温长时耐烧蚀涂层制备技术； C/C 材料结构功能一体化制备技术。 (3) 技术指标 CVI平均密度1.51.6g/cm 3,密度不均性 8% 临近空间条件下Ma58,工作时间 1200s。 (4) 应用成果 满足载人航天与探月工程、大飞机工程、XX声速飞行器工程等国家中长 期规划对高性能 C/C 复合材料的急需； 满足满足化工、核能、新能源等对低成本高性能C/C复合材料的需求。 (5) 论著与人才培养 发表论文200篇以上(其

4、中SCI、El源刊物150篇以上)，出版专著2本; 申请发明专利 2025 项，获省部级以上科技奖励 4 项； 培养博士后 1015 人，博士生 1520 人，硕士生 3035 人，培养和造就 一支高水平的研究团队，建立与发展本领域的基础研究和技术创新基地。 不得用于商业用途 三、研究方案 1. 总体研究思路 C/C复合材料具有多种制备方法和复杂的工艺过程，制备技术的多样性直接 导致了其组织结构和性能的多样化， 从而可满足应用的多样性要求。本项目以长 路径传输快速增密和高效液相增密为突破口，解决大尺寸异形C/C复合材料构 件高效制备的基础问题；结合基体陶瓷改性和表面涂层防护及一体化设计，优化

5、多相界面结构，实现C/C复合材料结构和性能的多样化，解决 C/C复合材料苛 刻环境服役的基础问题；在此基础上，建立高性能C/C复合材料设计与服役的 理论体系，形成低成本制备技术原型。 C/C复合材料基础研究学术思路图 2. 技术路线 (1) 高性能C/C复合材料高效增密与过程控制 以化学反应动力学和热力学为基础，以气相色谱、拉曼光谱等为分析手段, 研究碳源基团的演变规律。 采用碳源复合技术，探明CVI高质高速增密的规律。 以气体扩散动力学为基础， 通过计算机模拟， 探明碳源基团等气体流在坯 体中的消耗传质沉积规律。 设计物理场和气体流场， 探讨各向同性热解炭和高温热解炭结构的生长和 快速沉积机

6、理，以及高密度炭纤维预制体和大尺寸异形件的 CVI 过程影响因素。 以煤沥青和糠酮树脂为对象， 详细探讨预制体孔隙尺寸与浸渍用前驱体之 间的匹配规律，精确控制浸渍过程。 研究热解炭与沥青炭，热解炭与树脂炭，沥青炭和树脂炭之间的匹配过程 和规律，优化协同增密的工艺参数和工艺过程，形成材料性能调控技术。 (2) C/C 复合材料高导热结构设计与实现机制 分析影响 C/C 复合材料高导热性能的主次因素，结合计算机数值模拟技 术，建立 C/C 复合材料高导热数学理论模型，给出 C/C 复合材料获得高导热性 能的典型结构特征。 从宏观、细观、微观角度开展高导热 C/C复合材料的多层次设计，利用 国产中间

7、相沥青及中间相沥青炭纤维为增强体，采用热压、高温浸渍/炭化等多 种方法进行材料制备，获得材料结构与制备工艺之间的对应关系。 通过 C/C 复合材料的导热性能表征与分析，并与材料的晶体结构、孔隙、 界面等因素的相结合，将之反馈于高导热 C/C 复合材料的多层次结构设计和工 艺参数的控制，建立高导热 C/C 复合材料工艺 -结构-性能的关联性。 通过分析高导热 C/C 复合材料高温组织结构特征及其演变，研究高导热 C/C 复合材料导热性能随温度的变化规律，建立高导热 C/C 复合材料结构与其 高温导热性能的相关性，并探索高导热 C/C 复合材料在服役环境中使用的可行 性。 (3) 炭/炭复合材料多

8、相界面设计与表征评价 利用高分辨透射电镜、 场发射高空间分辨透射电镜， 场发射扫描电镜等显 微分析手段，从微米尺度到纳米原子尺度研究表征各种炭 -炭、炭 -陶瓷以及炭 - 金属界面的原子结构及缺陷结构；电子能量损失谱 (EELS) 研究 C/C 复合材料相 界面精细结构的电子结构； 选择性制备截面电镜样品， 以保证从宏观、 介观到微 观结构的对应观察。 利用纳米压痕法以及其它微尺度力学性能原位测量装置研究界面区的纳 微尺度力学性能和界面结合强度。研究界面对 C/C 复合材料力学、热物理性能 的影响规律及其机理。 采用有限元方法，分析异质连接界面应力，并采用 X射线衍射等进行实 测验证，优化设计

9、界面过渡结构；采用高温接触角测量仪研究金属对 C/C 复合 材料表面的润湿性，探讨 C/C 复合材料表面改性方法及机理，改善润湿性。 研究高温或热循环作用下异质连接过渡层结构的演变规律， 分析过渡层结 构变化对界面各层微观力学行为、 层间结合及接头连接强度的影响， 进一步优化 界面过渡结构。 (4) C/C 复合材料微结构控制及力学与吸波性能协同设计 在不同温度下， 测试具有不同热解炭基体结构、 不同结构和性能特性炭纤 维、不同炭纤维含量和排列结构 C/C 复合材料的电磁参数，以及对不同频率雷 达波的反射率，确定影响 C/C 复合材料电磁波响应特性的主要因素。 在炭纤维表层掺杂纳米金属颗粒，

10、以及在炭纤维表面原位生长炭纤维炭纳 米纤维和碳化物纳米纤维，改变炭纤维的成分、晶型、截面形状和表面结构，提 高炭纤维对电磁波的损耗。 进行炭纤维、基体和涂层阻抗匹配设计，根据C/C复合材料吸波特性控 制和高温力学性能要求，设计 C/C 复合材料微结构和多相界面，通过炭纤维和 基体改性、复合涂层和制备工艺等控制 C/C 复合材料微结构。 表征分析C/C复合材料经800 C、1000 C和1200 C氧化后的微结构变化， 并分别测试材料力学性能和雷达波反射率。在 800 C、1000 C和1200 C分别测 试 C/C 复合材料的力学性能和雷达波反射率。研究高温服役过程中 C/C 复合材 料微结构

11、与力学和吸波性能的演变机制。 进行 C/C 复合材料高温力学与吸波性能协同设计，研究高温承载吸波一 体化 C/C 复合材料制备方法。 (5) C/C 复合材料高温长时烧蚀行为与控制方法 采用CVI、浸渍HfC、TaC、SiC等陶瓷相对C/C复合材料基体进行改性， 探讨相成分、界面结构分布状态及体积含量等与 C/C 复合材料力学性能、抗氧 化耐烧蚀性能的关联性。 采用CVD、固渗或喷涂技术，制备 SiC、TaC、HfC、ZrC等复合涂层， 探讨耐烧蚀涂层多层次微结构的设计与控制 (包括成分梯度分布指数、 涂层厚度、 涂层层数以及晶体结构 )。 综合涂层技术、基体改性技术，研究涂层/基体一体化C/

12、C复合材料改性 调控技术。 以高温风洞模拟， 佐以发动机台架试验验证和修正， 研究材料的环境损伤 行为，探讨防护机理，实现高温、高马赫、富氧长时间耐烧蚀 C/C 复合材料的 结构设计与控制。 (6) C/C 复合材料辐照损伤机理与改性 利用同轴源原子氧试验设备进行 C/C 材料及其改性材料的原子氧轰击试 验，通过改变轰击时间而实现原子氧通量的不同。 利用同步辐射加速器进行材料 的a粒子辐照试验；利用独立中子源进行材料的中子辐射；利用 RHM综合环境 模拟试验设备进行材料的质子和电子辐照试验。 利用 XRD 、 EDS 和 XPS 等手段分析材料组分和键合变化，确定辐照环 境中，基体改性物质、涂

13、层与 C/C 复合材料的相互作用机理，结合单一炭结构 或单一物质在辐照环境中的微结构和性能演变规律等损伤特征，逐步还原 C/C 复合材料的损伤规律和机理。 通过建立材料组分、 键合变化与微结构、 热物理性能和力学性能演变规律 的对应关系，确定 C/C 复合材料、基体改性 C/C 复合材料、梯度涂层 C/C 复合 材料和梯度涂层 /基体改性 C/C 复合材料的辐照损伤表征参数，然后综合建立完 整的 C/C 复合材料辐照损伤表征体系。 基于 C/C 复合材料及其改性材料的损伤机理对比，确定改性物质的辐照 环境的防护作用机制， 在力学性能与抗辐照性能协同设计的基础上确定辐照防护 体系，并发展辐照防护

14、改性技术。 3. 可行性分析 (1) C/C 复合材料具有多种制备技术和复杂的工艺过程，制备技术的多样性 直接导致了材料组织结构和性能的多样性； 引入陶瓷改性炭基体与表面涂层， 赋 予了材料的组织结构更加多样化和性能高端化。美、法等国家取得了很大进展， C/C 复合材料已实际应用于不同苛刻环境。我国要迎头赶上，使 C/C 复合材料 的制备和应用整体技术水平尽快进入世界先进行列。 (2) 本项目集中了我国从事 C/C 复合材料研究的优势单位， 各承担单位具有 长期的工作积累， 承担单位间有着良好的合作关系， 为本项目的开展准备了良好 的软件条件和充分的硬件条件。 (3) 前期 973 项目 “高

15、性能 C/C 复合材料的基础研究 ”，解决了 “碳原子排列 机理及其演变机制”典型C/C复合材料 结构及界面特性与表征”和1700 C富氧 “环境服役动态过程与防护机理 ”三个关键科学问题，初步奠定了发展高性能 C/C 复合材料高效制备技术的理论基础， 也为本项目的开展打下了坚实的前期工作基 础。 (4) 结合我国国防建设和国民经济建设的需要，本项目各课题承担单位已承 担过与所承担课题相关的技术研究工作， 为本项目各课题的开展作好了较充分的 前期准备。 各课题拟定了具体清晰的技术路线， 明确了所需解决的科学问题。 与 国家需求紧密结合，通过本项目的研究，可奠定 C/C 复合材料高效制备技术的

16、理论基础，大幅度提高材料性能。 (5) 为提高 C/C 复合材料在不同应用领域的使用性能， 突破其性能固有的局 限性，近年来，本项目承担单位承担完成了多项国家自然科学基金项目、国家 863 计划项目和军工配套项目等，掌握了相关技术基础。 (6) 我国已建设有马赫数为 6 的风洞试验基地，为本项目高马赫数、高温长 时间耐烧蚀性能的研究提供了条件。 (7) 由于国外对原材料的出口限制和技术封锁， 我国高导热 C/C 复合材料的 研制一直处于低水平。 近年来， 随着原材料的逐步国产化， 市场需求加大以及技 术的进步，为高导热 C/C 复合材料的基础研究提供了良好契机。 (8) 建于中国核动力院的高通

17、量工程试验堆是我国现役最大的多功能综合 性试验堆，主要承担军用和民用核电站燃料组件、堆用材料及部件的辐照考验， 可满足本课题的辐照研究需要。 4. 创新点与特色 结合 C/C 复合材料制备过程及改性的微结构形成机制和多种服役环境的损 伤机理，进行多层次结构设计和制造： (1) 优化构建 CVI 过程的物理场、气体流场和碳源基团，调控中间基团长程 快速迁移、裂解、聚合行为，实现大尺寸异型构件的高速高质增密； (2) 利用国产中间相沥青和中间相沥青炭纤维，进行高导热C/C复合材料多 层次结构设计和控制； (3) 精细表征炭-炭、炭-陶瓷、炭-金属界面显微结构，引入过渡结构，调控 界面结合，实现多相

18、界面设计； (4) 通过炭纤维和基体改性、表面涂层设计，控制C/C复合材料微结构和多 相界面结构，实现力学性能与电磁响应特性协同； (5) 多相基体与涂层协同改性，构筑苛刻服役环境C/C复合材料防护体系； (6) 结合多种高能粒子对C/C复合材料的损伤演变规律，揭示辐照对 C/C复 合材料的损伤机理。 5. 课题设置 围绕项目提出的要解决的三个关键科学问题及项目总目标，设置6个课题。 关键科学冋题 课题名称 碳源基团咼质咼速增密 过程机理与控制 (1)高性能C/C复合材料高效增密与过程控制 (2)C/C复合材料高导热结构设计与实现机制 C/C复合材料微观组织和 界面结构形成与作用机 制 (3)

19、炭/炭复合材料多相界面设计与表征评价 (4)C/C复合材料微结构控制及力学与吸波性能 协同设计 C/C复合材料苛刻环境下 长时间服役行为与防护 (5)C/C复合材料高温长时烧蚀行为与控制方法H (6)C/C复合材料辐照损伤机理与改性 通过研究长程传输快速CVI增密过程机理和液相增密过程特征，研究C/C 复合材料多层次结构设计与实现机制，为解决大尺寸异形件低成本制备问题、炭 结构调控问题(设置课题1)以及采用国产原材料制备高性能C/C复合材料问题 (设置课题2)提供理论基础。通过精细表征 C/C复合材料中炭-炭、炭-陶瓷、炭- 金属等多相界面，研究C/C复合材料微观组织和多相界面结构的形成机理(

20、设置 课题3)，研究炭纤维、基体改性技术和复合梯度涂层技术，研究C/C复合材料 微观结构和多相界面结构设计和控制方法(设置课题4)，为实现C/C复合材料结 构多样化和性能高端化奠定理论基础。通过研究高马赫、高温、富氧环境下 C/C 复合材料的长时烧蚀行为(设置课题5)，研究辐照损伤机理(设置课题6)，探明 C/C复合材料苛刻环境下的失效机理，为提高 C/C复合材料苛刻环境服役能力 奠定理论基础。在这些基础上，建立高性能C/C复合材料高效制备与服役的理 论体系，形成低成本制备技术原型。 课题 1：高性能 C/C 复合材料高效增密与过程控制 研究目标： 实现炭结构可控可调，形成高性能 C/C 复合

21、材料低成本制备技术原型。 主要研究内容： CVI过程中物理场、气体流场和碳源组分的构建，中间基团的高速、高质 增密原理； 单一和复合碳源对 CVI 过程中炭结构和增密速率的影响规律； 大尺寸、异形件CVI过程的影响因素； 特种热解炭结构及其形成机制； 液相碳源高速、高效、低成本增密原理与过程控制； 优化复合增密过程，形成材料性能调控技术。 承担单位： 中南大学，西安航天复合材料研究所 课题负责人： 黄启忠 学术骨干： 张晓虎、谢志勇、张明瑜、王坤杰 经费比例： 23% 课题 2：C/C 复合材料高导热结构设计与实现机制 研究目标： 掌握高导热抗氧化 C/C 复合材料结构设计与控制、抗氧化防护以

22、及整体性 能优化的相关理论和制备技术。 主要研究内容： C/C复合材料的高导热机理建模； 高导热 C/C 复合材料的典型结构特征； 高导热 C/C 复合材料的多层次结构设计、表征及控制； 高导热 C/C 复合材料组织、结构及性能的高温演变机制； 高导热 C/C 复合材料氧化防护方法。 承担单位： 航天材料及工艺研究所、中国科学院山西煤炭化学研究所 课题负责人： 冯志海 学术骨干： 李秀涛、樊桢、郭全贵、李同起 经费比例： 14% 课题 3：炭 /炭复合材料多相界面设计与表征评价 研究目标： 优化多相界面结构。 主要研究内容： C/C复合材料炭-炭、炭-陶瓷、炭-金属界面精细结构表征； 界面结构

23、及微观力学性能； 界面结构与 C/C 复合材料宏观性能之间的关系； C/C复合材料与异质界面过渡结构设计； 异质连接界面结构的高温演变与失效机制。 承担单位： 中国科学院金属研究所，中南大学 课题负责人： 贺连龙 学术骨干： 张福勤、于澍、沈智奇、杜华 经费比例： 15% 课题 4：C/C 复合材料微结构控制及力学与吸波性能协同设计 研究目标： 掌握 C/C 复合材料力学与吸波性能协同设计与制备技术。 主要研究内容： C/C复合材料的电磁波响应特性及机理； 服役过程 C/C 复合材料微结构与力学和吸波性能的演变机制； C/C复合材料微结构与力学性能、吸波性能控制方法； 高效吸收剂改性基体炭机理

24、； C/C复合材料力学与吸波性能协同设计与制备。 承担单位： 中南大学，湖南大学 课题负责人： 肖鹏 学术骨干： 刘洪波、李专、汤中华、李江鸿 经费比例： 15% 课题 5：C/C 复合材料高温长时烧蚀行为与控制方法 研究目标： 构筑 C/C 复合材料高温长时耐烧蚀技术体系， 满足 XX 声速飞行器的工作要 求。 主要研究内容： 高温长时烧蚀行为与失效机理； 高温长时耐烧蚀涂层设计与制备技术； 基体改性技术与控制； 涂层 /基体改性一体化设计与制备； 长时间高温富氧环境下涂层 /基体改性一体化复合材料的失效与防护机 制。 承担单位： 中南大学 课题负责人： 熊翔 学术骨干： 李国栋、陈招科、张

25、武装、尹健 经费比例： 19% 课题 6：C/C 复合材料辐照损伤机理与改性 研究目标： 确定 C/C 辐照损伤机理，建立损伤表征体系，掌握辐照防护改性方法。 主要研究内容 ： 辐照环境中 C/C 复合材料结构与性能演变规律； 辐照环境中 C/C 复合材料损伤机理与表征方法； 辐照环境中基体改性物质、涂层与C/C复合材料的相互作用机理； 力学性能与抗辐照性能协同设计； 辐照环境中 C/C 复合材料改性技术。 承担单位： 西北工业大学，中南大学 课题负责人： 成来飞 学术骨干： 栾新刚、陈洁、李克智、陈博 经费比例： 14% 四、年度计划 研究内容 预期目标 第 年 1）多元物理场长程传输CVI

26、装置及 气体流场设计； 2 ）液相增密浸渍剂选择及组分优 化； 3）高导热C/C复合材料的结构建模 分析； 4）C/C复合材料界面精细结构表征 方法； 5）C/C复合材料电磁波响应特性； 6）C/C复合材料的基体改性机理和 方法； 7）C/C材料的辐照损伤及表征。 1）形成大尺寸、异形件复合材料头 验能力，获得CVI过程中物理场和气 体流场作用的初步规律； 2）建立C/C复合材料高导热数学理 论模型； 3）揭示炭纤维与不同结构基体炭界 面，基体炭与基体炭界面结构特征； 4）揭示C/C复合材料的电磁波响应 机理； 5）形成C/C复合材料陶瓷相基体改 性技术原型； 6）建立C/C材料的辐照损伤表征

27、体 系，科学表征损伤失效； 7）申请专利45项，在核心刊物 发表学术论文4060篇，其中SCI EI杂志源刊物发表论文30篇以上。 研究内容 预期目标 第 年 1）碳源对长程传输CVI增密速率的 影响； 2）液相增密过程中预制体结构和炭 结构的演变； 3）高导热C/C复合材料的多层次结 构设计； 4）C/C复合材料异质界面结构表征 及界面应力分析； 5）吸收剂与基体炭的复合结构对吸 波性能的影响； 6）C/C复合材料的涂层改性技术； 7）基体改性C/C复合材料的辐照损 伤特征。 1）优化碳源组合，获得最佳的快速 CVI高效增密的技术条件； 2）给出高导热C/C复合材料的典型 结构特征； 3）揭

28、示炭-陶瓷、炭-金属异质界面 的结构特征，建立界面精细结构表征 体系； 4）阐明吸收剂的组成、分布及其与 基体炭炭的复合结构对吸波性能的 影响规律； 5）设计出多层次复合涂层微结构， 优化陶瓷涂层组合模式； 6）掌握基体改性C/C复合材料的辐 照损伤机理； 7）申请专利45项，在核心刊物 发表学术论文4060篇，其中SCI EI杂志源刊物发表论文30篇以上。 第 年 1）长程传输CVI过程中间产物及热 解炭结构控制； 2）高导热碳/碳复合材料工艺-结构- 性能的关联性； 3）C/C复合材料界面微观力学行为； 4）吸收剂改性炭纤维和基体炭对 C/C复合材料微结构的影响； 5）涂层/基体改性一体化

29、C/C复合材 料的结构设计与控制； 1）揭示CVI中间产物和热解炭微观 结构多样性之间关系； 2）掌握高导热C/C复合材料结构控 制方法； 3）探明界面微观力学性能的影响因 素； 4）探明基体炭与耐高温吸收剂的协 同吸波机制； 5）掌握一体化改性C/C材料的制备 研究内容 预期目标 6）梯度涂层C/C复合材料的辐照损 伤特征。 技术； 6）确定梯度涂层C/C材料的辐照损 伤机理； 7）申请专利45项，在核心刊物 发表学术论文4060篇，其中SCI EI杂志源刊物发表论文30篇以上。 第 四 年 1）大尺寸、异形件液相增密过程中 长程传输增密机制； 2）高导热C/C复合材料结构及性能 的咼温演变

30、； 3）C/C复合材料异质界面在高温下 的结构演变规律； 4）C/C复合材料力学、氧化烧蚀与 吸波性能的协同设计； 5）体化C/C复合材料高马赫、高 温、富氧服役环境下的长时间烧蚀行 为； 6）梯度涂层/基体改性C/C复合材料 的辐照损伤特征。 1）确定大尺寸、异形件咼效液相增 密关键工艺参数的控制容限，建立液 2）相致密化过程浸渍效率评价体系； 探明高导热C/C复合材料导热性能 咼温演变规律； 3）揭示异质连接界面在高温下的结 构演变规律及失效机制； 4）实现C/C复合材料抗氧化烧蚀、 力学性能与吸波性能协同设计； 5）探明一体化材料高马赫、高温、 富氧服役条件下的失效机制和防护 机理； 6

31、）确定梯度涂层/基体改性C/C复合 材料的辐照损伤机理； 7）申请专利45项，在核心刊物 发表学术论文4060篇，其中SCI EI杂志源刊物发表论文30篇以上。 研究内容 预期目标 第 五 年 1）CVI +液相增密复合增密过程优 化； 2）高导热C/C复合材料性能优化； 3）C/C复合材料异质界面在热循环 作用下的结构演变规律； 4）高温服役过程中C/C复合材料吸 波性能的稳定性； 5）一体化高温长时烧蚀C/C复合材 料的结构优化； 6）C/C复合材料的辐照防护改性机 制及实现技术。 1）探明C/C复合材料高效复合增密 机制； 2）优化设计与制备新型高导热C/C 复合材料； 3）进一步优化多

32、相界面结构和异质 连接界面结构； 4）探讨高温服役过程中稳定 C/C复 合材料吸波性能的技术途径； 5）掌握C/C复合材料的辐照防护技 术和改性技术，显著提高C/C材料在 辐照环境中的结构、热物理性能和力 学性能的稳定性； 6）C/C复合材料CVI平均密度1.5 1.6g/cm3，密度不均性w 8%临诉空 间条件下Ma58,工作时间 1200s。 7）申请专利45项，在核心刊物发 表学术论文40篇以上，其中SCI、 EI杂志源刊物发表论文30篇以上。 一、研究内容 1. 拟解决的关键科学问题 前期 973 项目解决了 “碳原子排列机理及其演变机制 ”、典型 C/C 复合材料 结构及界面特性与表

33、征”和1700 C富氧 环境服役动态过程与防护机理”三个关 键科学问题，初步奠定了制备高性能 C/C 复合材料的理论基础。 为满足我国国民经济和国防现代化建设对 C/C 复合材料越来越高的性能要 求和低成本要求，尚待解决以下五个方面的基本问题：( 1 )大尺寸异形 C/C 复合 材料低成本制备； (2)C/C 复合材料基体炭结构的可控可调； (3)C/C 复合材料中 多相界面，涂层界面，以及异质连接界面的表征、设计和控制； (4)C/C 复合材 料高马赫、高温、富氧环境长时间耐烧蚀和高导热实现机制； (5)C/C 复合材料 高温吸波行为和辐照行为及防护。 这些基本问题涉及如下三个关键科学问题：

34、 (1) 碳源基团高质高速增密过程机理与控制； (2) C/C 复合材料微观组织和界面结构 形成与作用机制； (3) C/C 复合材料苛刻环境下长时间服役行为与防护。通过解 决上述三个关键科学问题，奠定高性能 C/C 复合材料高效制备和服役的理论基 础，推动我国 C/C 复合材料制备及应用技术的快速发展。 围绕关键科学问题一 “碳源基团高质高速增密过程机理与控制 ”，开展高性能 C/C 复合材料高效增密过程与微观结构控制研究， 发展长程传输、 长程扩散快速 CVI 增密技术和液相增密技术，解决大尺寸异形 C/C 复合材料低成本制备问题， 及其炭结构的调控问题；开展 C/C 复合材料高导热多层次

35、结构设计与实现机制 研究，解决采用国产原材料制备高导热 C/C 复合材料的基础理论问题。 围绕关键科学问题二“ C/(复合材料微观组织和界面结构形成与作用机制”， 开展炭 /炭复合材料多相界面设计与表征评价研究，解决 C/C 复合材料中炭 -炭、 炭-陶瓷、炭 -金属界面精细表征和设计，C/C 复合材料与涂层界面控制，以及 C/C 复合材料异质连接界面的设计和控制问题；开展 C/C 复合材料微结构控制 及力学与吸波性能协同研究，设计 C/C 复合材料中炭纤维、基体和涂层微结构， 解决承载吸波一体化 C/C 复合材料设计与制备的基础理论问题。 围绕关键科学问题三“C/C复合材料苛刻环境下长时间服

36、役行为与防护”，开 展 C/C 复合材料高温长时烧蚀行为与防护方法研究，通过多相基体改性和表面 涂层防护，突破高马赫、高温、富氧环境下长时间耐烧蚀 C/C 复合材料制备的 理论和技术瓶颈；开展 C/C 复合材料辐照损伤机理与改性研究，解决 C/C 复合 材料辐照防护的基础理论问题。 2. 主要研究内容 项目以大型、异型构件的高效、均匀增密制备技术和富氧环境下高温、长 时烧蚀行为与防护作为研究重点。 (1) 高性能 C/C 复合材料高效增密与过程控制 深入研究复合碳源组分、物理场、气体流场、中间基团等对提高 CVI 增密 速率和调控热解炭结构的作用， 探明沉积过程中基团的演变规律； 进一步探讨不

37、 同坯体结构、尺寸、形状构件的 CVI 增密过程机理，发展长程传输、长程扩散 快速 CVI 增密技术，实现大尺寸异形构件的 CVI 高质高速制备；探索特种热解 炭的结构及其形成机理， 满足特殊用途应用需要； 研究液相增密过程机理， 设计、 优化浸渍剂组分，发展高效液相增密技术。优化气液相复合增密工艺技术。 (2) C/C 复合材料高导热结构设计与实现机制 分析影响 C/C 复合材料高导热的主次因素，建立 C/C 复合材料高导热数学 理论模型，合理确定模型的边界条件和适用范围，给出高导热 C/C 复合材料的 典型结构特征；开展高导热 C/C 复合材料典型结构特征的多层次设计，研究高 导热 C/C 复合材料结构特征的控制方法，制备高性能的高导热 C/C 复合材料； 开展高导热 C/C 复合材料组织、结构特征及其高温演变研究，研究高导热 C/C 复合材料氧化防护方法，建立高导热 C/C 复合材料结构与其高温导热性能的相 关性。 (3) 炭/ 炭复合材料多相界面设计与表征评价 研究 C/C 复合材料中炭 -炭、炭-陶瓷界面精细结构与缺陷， 探讨界面结构与 C/C