本书为专著。本书基于作者近年的研究工作归纳、整理而成，主要介绍了催化化学气相沉积表面自生纳米相，对炭纤维进行表面改性处理，进而制备纳米相增强C/C复合材料的方法，探讨自生纳米相对C/C复合材料的微观结构、力学、导热、氧化和摩擦磨损等性能的影响。本书为国家自然科学基金项目的研究成果总结，具有较高的理论水平和实践应用价值。其在纳米相增强复合材料的理论和应用方面均具有一定的独创性，首次在炭纤维表面原位生长了碳化硅纳米纤维，并很好的解答了炭纳米纤维和碳化硅纳米纤维对C/C复合材料的制备工艺、微观结构和性能的积极影响，为纳米纤维增强C/C复合材料的深入研究奠定了基础，为高性能复合材料的制备指引了方向。本书既可以作为C/C复合材料相关行业人员的参考书籍，也可以作为复合材料专业本科生及硕士研究生的教材。

　　徐先锋，男，1971年生，博士（后），湖北理工学院材料科学与工程学院教授，省高等学校中青年骨干教师，黄石市突出贡献专家。主要从事C/C复合材料方向研究工作，主持完成国家自然科学基金1项，参与973、863、国家自然科学基金等课题多项；发表学术论文40余篇，其中SCI、EI检索论文30余篇；出版教材3部；授权发明专利3项，实用新型专利2项。

版权信息
前言
1 综述
1.1 C/C复合材料
1.2 炭纤维
1.3 炭纤维表面改性方法
1.4 碳、碳化硅纳米材料
1.5 纳米纤维增强、增韧C/C复合材料
2 实验方案、材料和研究方法
2.1 实验方案
2.2 实验材料
2.3 试样处理及制备方法
2.4 分析测试方法
3 炭纤维表面自生CNT/CNF的结构及形成机制
3.1 引言
3.2 实验过程
3.3 镍催化剂的加载
3.4 CCVD生长炭纳米的表征
3.5 镍催化剂对纳米炭形态的影响
3.6 CCVD工艺对自生CNT/CNF结构的影响
3.7 CCVD生长CNT/CNF的机制
3.8 本章小结
4 自生SiCNF改性炭纤维及其影响因素
4.1 引言
4.2 实验过程
4.3 CCVD生长SiCNF的表征
4.4 镍催化剂颗粒形态对SiCNF的影响
4.5 沉积工艺对CCVD生长SiCNF的影响
4.6 本章小结
5 纳米相增强C/C复合材料的微观结构
5.1 引言
5.2 实验过程
5.3 微观形貌观察
5.4 原位生长纳米纤维改性C/C复合材料的微观结构
5.5 纳米改性对CVI PyC结构的影响
5.6 纳米改性对PyC石墨化度的影响
5.7 炭纤维与基体之间界面层的形成机理
5.8 本章小结
6 纳米相增强C/C复合材料的力学性能
6.1 引言
6.2 纳米纤维改性C/C复合材料的力学性能
6.3 纳米纤维含量对C/C复合材料力学性能的影响
6.4 纳米纤维改性对C/C复合材料力学性能的影响机理
6.5 纳米纤维改性C/C复合材料的单层板结构模型
6.6 本章小结
7 纳米相增强C/C复合材料的导热性能
7.1 引言
7.2 原位生长纳米纤维改性C/C复合材料的导热性能
7.3 纳米纤维含量对C/C复合材料导热性能的影响
7.4 纳米纤维对C/C复合材料导热性能的影响机理
7.5 本章小结
8 纳米相增强C/C复合材料的氧化性能
8.1 引言
8.2 纳米纤维改性后炭纤维的TG-DSC分析
8.3 纳米纤维改性后C/C复合材料的非等温氧化行为及机理
8.4 纳米纤维改性C/C复合材料的等温氧化行为及氧化机理
8.5 纳米纤维含量对C/C复合材料氧化性能的影响
8.6 纳米纤维改性C/C复合材料的短时间氧化及其残余力学性能
8.7 本章小结
9 纳米相增强C/C复合材料的摩擦磨损性能
9.1 引言
9.2 纳米纤维改性C/C复合材料的基本摩擦磨损性能
9.3 纳米纤维对C/C复合材料摩擦磨损机理的影响
9.4 纳米纤维改性C/C复合材料的制动摩擦磨损性能
9.5 本章小结
10 结论
参考文献

　　随着C/C复合材料应用领域的拓展，更加苛刻的使用环境对其性能提出了更高的要求。为了提高C/C复合材料的综合性能或某些特殊性能，对其增强相炭纤维进行改性是必要且可行的。
　　本书系国家重点基础研究发展计划资助项目（2006CB600904）和国家自然科学基金资助项目（51165006）研究成果。结合作者近年的研究工作，本书的主要内容如下：
　　（1）研究炭纤维表面催化化学气相沉积（Catalytic Chemical Vapor Deposition，CCVD）原位生长炭纳米管／炭纳米纤维（CNTICNF）或碳化硅纳米纤维（SiCNF）改性的方法及其影响因素。
　　在炭纤维表面电镀镍催化剂颗粒后，采用CCVD原位生长CNT/CNF或SiCNF的方法，研究CNT/CNF或SiCNF形态、分布和数量的影响因素，以期达到控制纳米纤维（NF）生长状态的目的，并探讨电镀镍催化剂原位生长纳米相的机制。
　　（2）研究炭纤维纳米改性对C/C复合材料结构和性能的影响。
　　在炭纤维无纬布上电镀镍后，CCVD原位生长CNT/CNF或SiCNF，制成纳米纤维和炭纤维复合预制体后，化学气相渗透（Chemical Vapor Infiltration.CVI）热解炭PyC增密得到密度相近的纳米纤维增强增韧的C/C复合材料，研究纳米纤维在C/C复合材料中对PyC基体的结构、石墨化度、炭纤维与PyC基体的界面结合状态和复合材料力学、导热、抗氧化、摩擦磨损等性能的影响。
　　本书既可以作为C/C复合材料相关行业人员的参考书籍，也可以作为复合材料专业本科生及硕士研究生的教材。
　　有不妥之处，欢迎各位同行、读者批评指正。

　　炭基复合材料是以炭纤维（织物）或碳化硅等陶瓷纤维（织物）为增强体，以炭为基体的复合材料的总称。其中应用最广泛的一类是炭纤维/炭基复合材料（C/C复合材料）。
　　C/C复合材料是以炭（或石墨）纤维为增强相，炭（或石墨）为基体，通过加工和炭化处理制成的全炭质复合材料。其中，增强相的炭（或石墨）纤维可以是短纤维或连续的长纤维，也可以是炭（或石墨）纤维编织物；基体炭一般为热解炭（Pyrogenation Carbon，PyC）、树脂炭或沥青炭。
　　作为炭基复合材料家族中的一员，C/C复合材料在高温热处理之后，碳元素含量高于99％，具有类似石墨的耐酸、碱和盐的化学稳定性；具有密度低（理论密度为2.2 g·cm－3）、高比强度和比模量、断裂韧性好；具有与生物体良好的相容性；具有高的热传导性、低的热膨胀系数；具有耐高温、抗腐蚀、抗热冲击性能和高温稳定性，在2000℃时强度不仅不会降低，反而会略有增加；具有抗烧蚀性能良好、烧蚀均匀，可以短时间承受3300℃的高温；具有耐摩擦磨损性能优异，摩擦系数小、性能稳定等优点。因而被广泛应用于航空航天和军事工业、交通、能源、信息和生物等领域。
　　例如，轻质高强的C/C复合材料在苛刻的环境下具有可靠的性能，能耐受超过3300℃的温度，可将其用作固体火箭发动机喉衬、喷嘴和鼻锥等热结构材料；由于具有良好的摩擦磨损性能而用作飞机、汽车和高速火车的刹车材料；由于具有在高温下还能保持其强度的能力，而且具有可设计的高热导率，而将其应用于高端热保护系统中。
　　C/C复合材料具备诸多优点而被广泛应用，这与炭纤维的结构和特性、基体炭的结构和特性以及炭纤维和基体炭的界面结合状态等因素密不可分，主要表现在：
　　（1）强度和模量。C/C复合材料的强度和模量除取决于增强纤维本身的强度和模量外，还与增强纤维的方向、含量以及纤维与基体界面的结合程度有关，也取决于基体炭本身的结构和特性。研究表明，在平行纤维轴向方向上拉伸强度和模量高，在偏离纤维轴向方向上低。另外，光滑层（Slippery Layer，SL）基体炭的弯曲强度和层间剪切强度（Interlaminar ShearingStrenth，ILSS）明显高于粗糙层（Rough Layer，RL）和SL＋RL两种基体炭的弯曲强度和ILSS。
　　（2）断裂韧性。C/C复合材料在断裂时具备较好的断裂韧性，但通过纤维拉断、拔出和诱导裂纹产生偏转等方式提高的断裂韧性强烈地依赖于纤维和炭基体的界面结合状态，当纤维和炭基体的界面呈弱结合状态时纤维被拔出，强结合状态时纤维被拉断，并有可能诱导裂纹产生偏转。
　　（3）热传导性。C/C复合材料的热传导性，随纤维和炭基体石墨化度R的提高而增大，随石墨微晶层平面大小La的增加而增加，并与炭纤维的排布方向有关，在平行纤维轴向的方向上C/C复合材料的热传导性好，在垂直纤维轴向的方向上C/C复合材料的热传导性差。
　　（4）热膨胀系数。C/C复合材料的热膨胀系数，随纤维和炭基体石墨化度的提高而增大，并与晶体的取向度有关，在平行石墨层片方向热膨胀系数比垂直石墨层片方向上热膨胀系数小。
　　（5）摩擦磨损性能。C/C复合材料的摩擦磨损性能主要和石墨化度及基体炭的结构有关，以粗糙层结构为主的热解基体炭有利于C/C复合材料获得优良的制动摩擦磨损性能，在各种刹车速度与刹车压力条件下均可保持高而稳定的摩擦系数，且耐磨性好。
　　（6）密度和孔隙。C/C复合材料的很多特性都是和密度密不可分的，譬如，弯曲强度和ILSS随密度增高而增大，且密度越高，强度增长越大；必须看到，孔隙也是C/C复合材料的重要特性之一，譬如，炭纤维的密度愈高，孔隙率愈低，热导率愈大；合适的孔隙形状、大小和数量，对保证其抗冲击性能和抗热震性是有利的。而密度和孔隙又主要是由纤维的原始表面状态、编织技术和致密化工艺决定的。
　　但同时必须注意到，随着科技的进步，C/C复合材料的应用领域还在逐步扩大，其使用条件也将更加苛刻，为了获得高性能的炭纤维、优质结构的基体炭和良好的炭纤维/基体炭的结合界面，从而制备更高性能C/C复合材料，世界各国材料工作者正在进行以下研究工作：
　　①改进炭纤维的生产制备工艺，研发更高性能的炭纤维；
　　②对炭纤维进行改性处理，改善纤维自身的力学、热物理性能，更好的发挥纤维的增强增韧效果；
　　③改进炭纤维的编织技术，以此改善因纤维排布方向而带来的C/C复合材料力学和热物理性能的各向异性，并形成合适的孔隙结构；
　　④改进炭纤维预制体的致密化技术，以期得到合适结构的基体炭，形成合适的孔隙结构，获得高密度的C/C复合材料；