碳/碳復(fù)合材料(c-c composite or carbon-carbon composite material，簡(jiǎn)稱：C/C復(fù)合材料)是碳纖維及其織物增強(qiáng)的碳基體復(fù)合材料。具有低密度(<2.0g/cm3)、高強(qiáng)度、高比模量、高導(dǎo)熱性、低膨脹系數(shù)、摩擦性能好，以及抗熱沖擊性能好、尺寸穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。
C/C復(fù)合材料種類多，性能各異，它們?nèi)绾伪碚髂兀勘疚慕o大家介紹幾種常見表征方法。
1.掃描電子顯微鏡（SEM）
C/C-Cuf復(fù)合材料、C/C-Cu復(fù)合材料和純碳帶在各自的基體中都表現(xiàn)出緊湊結(jié)構(gòu)，圖b、e顯示純碳帶在基體中具有均勻的微觀結(jié)構(gòu)，有許多直徑超過20µm的孔隙。圖c、f顯示c/c-Cu復(fù)合材料由碳纖維、樹脂碳（深色區(qū)域）和銅合金（淺色區(qū)域）組成。
圖1：C/C-Cuf復(fù)合材料、C/C-Cu復(fù)合材料和純碳帶SEM圖像
2.透射電子顯微鏡（TEM）
通過TEM研究GNs在CNTs表面的生長(zhǎng)過程，a顯示了CNT表面的典型TEM圖像，表明CNT具有多層結(jié)構(gòu)和良好的結(jié)晶度。在CF-CNT-GN-30中，CNT壁中觀察到納米缺口（b、c黃色星形）是GN的生長(zhǎng)核，生長(zhǎng)形成GN和CNT基底之間的共價(jià)鍵。d中觀察到不同尺寸的GNs，表明在整個(gè)生長(zhǎng)階段都存在成核反應(yīng)。在CF-CNT-GN-60中的CNT的石墨壁處顯示出許多蝕刻坑（e、f），CF-CNT-GN-120中CNT襯底被嚴(yán)重蝕刻和破壞，部分CNT消失（h），在反應(yīng)的后期，許多交織的GNs完全覆蓋CNT，形成狼牙棒狀的雜化CNT-GN雜化結(jié)構(gòu)（h、i），CNT-GN-90最有可能制備具有高力學(xué)性能的CNT-GN-C/C復(fù)合材料。
圖2：CF-CNT-GN雜化預(yù)制件的TEM圖像(a) CNT; (b, c) CF-CNT-GN-30; (def) CF-CNT-GN-60; (g) CF-CNT-GN-90 ；(h, i) CF-CNT-GN-120
3. 偏光顯微鏡（PLM）
采用PLM研究CNT-C/C和CNT-GN-C/C復(fù)合材料的拋光橫截面，對(duì)于熱解碳（PyC）晶粒尺寸大得多的CNT-C-C復(fù)合材料，可以觀察到直的晶界。相CNT-GN-C/C復(fù)合材料中的PyC具有較小的晶粒尺寸和較短的彎曲晶界。CNT-C/C的PyC結(jié)晶尺寸明顯大于CNT-GN-C/C復(fù)合材料的PyC晶粒尺寸，表明CNT-GN-C/C復(fù)合材料中存在細(xì)化的基體。
圖3：CNT-C/C和CNT-GN-C/C復(fù)合材料橫截面PLM圖像
4. 拉曼光譜（Raman）
圖中顯示了洋蔥狀碳OLC/CNF膜在不同碳化溫度下的拉曼光譜結(jié)果。所有樣品分別在1350 cm−1和1580 cm−1附近具有明顯的D峰和G峰（sp2雜交的特征峰，其存在表明材料中存在石墨結(jié)構(gòu)）。
圖4：拉曼光譜圖
5.傅里葉紅外光譜（FTIR）
使用傅里葉紅外光譜儀分析OLC/CNF前體、OLC/CNF-中間體和OLC/CNF.膜的化學(xué)官能團(tuán)。OLC/CNF前體的特征峰為–CN、–CH和–CH2，在紅外光譜中分別位于2243–2240 cm−1、2940 cm−1、2850 cm−1、1450 cm−1和1360 cm−1和1050 cm−1處（見圖S7）。預(yù)氧化后，位于2243 cm−1的–CN官能團(tuán)逐漸消失，取而代之的是位于約1660 cm−1處的–C–C–。由于–C–C–的出現(xiàn)，1450 cm−1處的–CH2逐漸消失（非常微弱）。
800cm−1處出現(xiàn)一個(gè)微弱的峰值，碳原子開始重組。此時(shí)，OLC/CNF前體轉(zhuǎn)化為OLC/CNF中間體，碳化過程中，隨著溫度的升高，官能團(tuán)僅保留在1547cm−1（–C–C–）和1270 cm−1（-C–C-），碳化基本完成。碳化溫度達(dá)到1100℃時(shí)，所有官能團(tuán)特征峰幾乎消失，表明碳化已經(jīng)完成。OLC/CNF中間體轉(zhuǎn)變?yōu)镺LC/CNF膜。
圖5：OLC/CNF前體、OLC/CNF-中間體和OLC/CNF.膜的FTIR圖
6.X射線光電子能譜(XPS)
酸處理樣品的碳原子結(jié)合能增加了1eV，表明纖維表面的碳原子在酸處理后形成C-O鍵和C-H鍵。
圖6：全光譜XPS及C元素的XPS光譜
7.X射線衍射（XRD）
G/CFF-50峰值在25.8?處，26.88?處的衍射峰是石墨化之前石墨預(yù)浸料中的石墨，石墨化后的衍射峰位置為26.58?，44.7?， 和54.7?，對(duì)應(yīng)于石墨的（0 0 2）、（0 0 3）和（0 0 4）晶相。高溫石墨化導(dǎo)致前體的晶體重構(gòu)，晶格間距減小，從而合成了C/C復(fù)合材料。具有不同CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的樣品對(duì)應(yīng)的衍射峰強(qiáng)度不同，總體趨勢(shì)是先增加后略有減少。
圖7：石墨化前后G/CFF預(yù)成型體的XRD圖譜
8.X射線探傷
X射線斷層掃描對(duì)孔分布及孔徑分析，G/CFF-50的孔徑主要在13µm左右，這種尺寸的孔徑數(shù)量約占62%。C/C-50孔徑分布在13、20和27µm左右，該尺寸的孔徑數(shù)量分別約占15%、26%和13%。G/CFF-50的孔體積約占整個(gè)樣品的1.65%，而C/C-50的孔容積約占3.47%，X射線結(jié)果表明，高溫石墨化會(huì)導(dǎo)致孔隙膨脹，導(dǎo)致樣品密度降低，但熱等靜壓可以有效抑制孔隙膨脹。
圖8：（a）G/CFF-50、（b）C/C-50孔徑統(tǒng)計(jì)
9.比表面積及孔徑分析(BET)
OLC/CNF前體的吸附和解吸曲線顯示出可逆的III型等溫線，造成這種情況的主要原因是無孔氣體吸附等溫線。
圖9：OLC/CNF中間體的吸附和解吸曲線
10.納米壓痕
采用納米壓痕試驗(yàn)研究CNT-GN-C/C、CNT-C/C力學(xué)性能和典型的深度-載荷曲線。CNT-C/C的壓痕深度更深，CNT-GN-C/C的彈性模量更大，表明CNT-GN-C/C基體的內(nèi)聚力和承載能力增加。
圖10：納米壓痕的典型載荷-深度曲線
11.常規(guī)力學(xué)性能（萬能試驗(yàn)機(jī)）
OLC/CNF的拉伸應(yīng)力和拉伸應(yīng)變隨著OLC含量的增加而前兆增加。當(dāng)OLC的添加量為10wt%時(shí)，拉伸應(yīng)力達(dá)到其最高值（3.9MPa）。
圖11：OLC/CNF拉伸測(cè)試
12.熱膨脹系數(shù)（CTE）
HT-C/Cs的CTE最低，LT-C/C復(fù)合材料的CTE最高。LT/HT-C/C復(fù)合材料CTE接近LT-C/C和HT-C/C的平均CTE。
圖12：具有不同改性工藝的C/Cs的CTE
13.熱導(dǎo)率
UD-3的最高熱導(dǎo)率為5.321W/（m•K），GD-1的最低熱導(dǎo)率為3.385W/（m·K）。
圖13：梯度和均勻C/C復(fù)合材料的的平面外熱導(dǎo)率
14.氧乙炔燒蝕
所有樣品的中心都被強(qiáng)烈燒蝕，而邊緣完好，燒蝕中心表面的最高溫度在1958℃-2060℃之間。GD-3的最低質(zhì)量消融率和線性消融率分別為0.0055g/s和0.0145mm/s。UD-1的最高質(zhì)量消融率和線性消融率分別為0.0112 g/s和0.0350 mm/s。在相同的纖維體積分?jǐn)?shù)下，梯度復(fù)合材料的燒蝕速率低于均勻復(fù)合材料。
圖14.燒蝕后C/C復(fù)合材料的宏觀形貌
表1:三維編織C/C復(fù)合材料的燒蝕性能
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