高密度C/C复合材料由碳纤维增强和石墨碳基体组成，是应用于超高温环境的重要结构材料。这种复合材料具有优异的机械性能、优异的热特性和显著的抗烧蚀性。在空间再入飞行器的鼻盖、固体火箭发动机喷管、高超声速飞行器的尖锐前缘等苛刻的气动加热环境中，高密度C/C复合材料能够起到至关重要的作用。然而，传统的制造方法依赖于沥青前驱体和热等静压浸渍碳化(HIPIC)技术，耗时且昂贵，严重依赖于昂贵的热等静压设备。因此，对基体碳源前驱体和新型制备工艺的探索将是保障大范围工程化应用的主要基础。

我们注意到，哈尔滨工业大学张幸红教授团队前期在《Advanced Material》期刊报道了以葡萄糖为前驱体的高性能C/C复合材料的制备技术。最近，该团队再次通过分子结构设计与工艺探索创新，在《Journal of Material Science & Technology》期刊以“Polyarylacetylene as a Novel Graphitizable Precursor for Fabricating High-Density C/C Composite via Ultra-High Pressure Impregnation and Carbonization”为题，报告了一种利用聚芳基乙炔(PAA)树脂和超高压浸渍和碳化(UHPIC)技术制备高性能C/C复合材料的新方法。文章表明，PAA树脂具有极高的炭收率(85 wt.%)、UHPIC技术具有极高的各向同性压力(超过200 MPa)，共同促进了C/C复合材料的致密化。该实验实现了高密度(1.90 g/cm³)的、高石墨化程度(81%)C/C复合材料的高效制备。该复合材料表现出令人印象深刻的性能，包括146 MPa的抗弯强度，187 MPa的抗压强度和147 W/(m∙K)的室温导热系数。当C/C复合材料暴露在3000 K的氧乙炔火焰中100 s时，它表现出最小的线性烧蚀，速率为1.27×10^-2 mm/s。本研究证明了PAA树脂不同于传统的树脂材料，具有特殊的石墨化特性。该文章报道的短周期和低成本的方法在航空航天应用中具有重要的前景。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.09.044

图11300°C和3000°C热处理的PAA树脂的形貌和晶体特性。1300℃热处理的SEM (a)，HR-TEM (b)，SAED (c)；3000℃热处理的SEM (d-f)，TEM (g)，HR-TEM (h)和SAED (i)；以及碳材料的XRD曲线(j)和拉曼位移(k)

图2PAA树脂及碳化产物的FT-IR (a)， XPS (b-d)和分子动力学模拟(e)。其中，C-1300°C和C-3000°C表示在1300°C和3000℃热处理条件下的碳材料

图3PAA树脂的TG-DSC-MS (a)、宏观照片(b)、SEM (c- e)、HR-TEM (f-h)、XRD (i)和高密度C/C复合材料的Raman-mapping(j)

图4 C/C复合材料在1300℃和2800℃下的抗弯强度(a)和抗压强度(b)。基于密度（c）和热处理温度（d）的抗弯强度与以往研究的比较

图5 C/C复合材料性能测试后的SEM图像。(a-f)在1300℃下制备的非石墨化C/C复合材料的裂纹，(g-l)在2800℃下制备的石墨化C/C复合材料的裂纹

图6高密度C/C复合材料的耐烧蚀性能分析。（a）温度变化，（b）线性烧蚀率比较，（c-h）SEM图像和（i）耐烧蚀机理阐释

该研究证明了PAA树脂作为生产高密度C/C复合材料的创新碳前驱体的卓越能力。PAA树脂的有效利用和UHPIC技术的创新拓宽了高密度C/C复合材料的制备途径，为该材料在航空航天工业中的广泛应用提供了一条有潜力的技术方案。此外，PAA树脂的应用潜力应超出C/C复合材料的领域。预计该研究将为高结晶度的多维石墨材料的发展做出贡献。PAA树脂材料有潜力用于制备多种材料，包括用于热管理目的的高导热碳纤维和碳膜，以及用于隔热系统的具有优越机械性能的碳泡沫。UHPIC技术由于能够实现微纳米孔的完全浸渍，为合成各种低孔隙率无机复合材料提供了一种高效且经济可行的方法。

总之，本研究强调了PAA树脂作为碳前驱体的显著特性和适应性，以及UHPIC技术在制备高密度C/C复合材料中的优势。这些发现为碳基材料的进步及其在航空航天、热管理和隔热系统等不同领域的潜在应用提供了重要的见解。