增材制造技術(shù)又稱加成制造,是20世紀70年代末80年代初出現(xiàn)的快速原型技術(shù)發(fā)展而來的一種先進制造技術(shù)。

按照美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)增材制造技術(shù)委員會(F42)的定義，增材制造技術(shù)是 根據(jù)3D CAD模型數(shù)據(jù)，通過增加材料逐層制造的方式，直接制造與相應(yīng)數(shù)學(xué)模型完全-致的三維模型的制造方法。其核心是將所需成型的工件通過切片處理轉(zhuǎn)化成簡單的2D截面組合，而不需要采用傳統(tǒng)的加工機床。增材制造工藝涉及的技術(shù)包括CAD建模、測量技術(shù)、接口軟件技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、精密機械技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)等。

增材制造技術(shù)的成型過程主要包括:①利用增材制造設(shè)備中的軟件，沿試件高度方向進行分層切片，獲得各層的2D輪廓圖;②按照2D輪廓圖，通過增材制造成型設(shè)備進行分層制造材料，成型一系列2D截面片層;③通過增材制造成型設(shè)備將這些片層黏結(jié)，使這些片層順序堆積成3D試件。

目前，已出現(xiàn)20多種增材制造技術(shù)(也可稱為固體快速無模成型技術(shù)),其中_ -些技術(shù)在機械制造、高分子材料等行業(yè)已實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。增材制造技術(shù)擁有無可比擬的靈活性，可用于制備傳統(tǒng)方法無法制備的復(fù)雜形狀。將增材制造技術(shù)用北拓寬復(fù)合材科的應(yīng)用范圍，同時借助增材制造技術(shù)的獨特優(yōu)勢有望進一步提高復(fù)合材料的

在環(huán)氧板材料制備過程中，高溫石墨化處理是必不可少的一步。碳/碳復(fù)合材料的力學(xué)性能、熱物理性能及摩擦、磨損性能與材料碳的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。石墨化程度是碳材料最重要 的結(jié)構(gòu)參數(shù)之一。 通過控制、 . 調(diào)控碳//碳復(fù)合材料各組元及整體的石墨化狀態(tài),可以賦予復(fù)合材料不同的綜合性能，滿足不同的使用要求。一般來說，隨著石墨化程度的提高,材料的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能提高,摩擦、磨損性能得到改善，但力學(xué)性能會受到損傷。因此，根據(jù)材料的使用要求，合理調(diào)控石墨化程度至關(guān)重要

碳結(jié)構(gòu)的基本單元是由碳原子組成的六角網(wǎng)平面。在石墨中，六角網(wǎng)平面的堆積按ABAB-或ABCABC..的規(guī)則排列。而在經(jīng)過低溫處理過的焦炭、玻璃碳等中,網(wǎng)平面的堆積沒有規(guī)則性,網(wǎng)平面中存在空隙、位錯、雜質(zhì)原子等各種缺陷，發(fā)生扭曲,不符合石墨晶體結(jié)構(gòu)的堆積規(guī)則，稱為亂層結(jié)構(gòu)。在高溫?zé)崽幚硐拢瑏y層結(jié)構(gòu)向理想石墨晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化,這-一過程即為石墨化轉(zhuǎn)變過程。

碳材料的石墨化進程受石墨化溫度和保溫時間控制。在石墨化過程中，體系從外界吸收,實現(xiàn)亂層結(jié)構(gòu)石墨晶體結(jié)構(gòu)的有序轉(zhuǎn)化,與此同時，原子的熱運動也將導(dǎo)致局部的無序化。在一定溫度下，這種有序無序轉(zhuǎn)化達到熱力學(xué)平衡石墨化進程終止。達到這種平衡狀266

態(tài)的所需的時受材料的種類和石墨化溫度等的影響。對于同一種材料,溫度越高，這一 時間越短，此外，在有催化劑、應(yīng)力或高壓狀態(tài)下碳材料的石墨化進程加速，可石盟化程度提高。(1)催化石墨化。石墨化是種無序向有序轉(zhuǎn)變的固態(tài)反應(yīng)，這種轉(zhuǎn)變阻力很大,容易形成亞穩(wěn)態(tài),使石墨化難以進行。通過添加金屬或金屬化合物，有可能降低石墨化所需要的溫度 并可提高可石墨化性能。催化石墨化是一一個 復(fù)雜的過程，目前提出的催化機理主要有2種，即溶解再析出機理和碳化物轉(zhuǎn)化機理。

溶解再析出機理認為催化劑能夠溶解碳,且當(dāng)無序碳溶解飽和時，石墨晶體結(jié)構(gòu)為過飽和，溶解的部分碳就會趨向低能級的石墨晶體結(jié)構(gòu)并沉積出來。這一-過程的動力是有序碳和無序碳之間的自由能之差。碳化物轉(zhuǎn)化機理認為金屬元素首先和碳化合生成碳化物，然后再分解生成石墨或易石墨化的碳結(jié)構(gòu)，再轉(zhuǎn)化為石墨。催化石墨化效率與金屬元素在碳中的分散程度有關(guān)，與催化劑的顆粒尺寸、含量、存在狀態(tài)(固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài))等也有關(guān)。

(2)應(yīng)力石墨化。聚合物碳化制備碳/碳復(fù)合材料時,先驅(qū)體聚合物體積收縮,碳纖維體積膨脹,兩者熱膨脹的不匹配使碳纖維和基體碳之間產(chǎn)生局部應(yīng)力。在這種應(yīng)力作用下,聚合物碳層狀結(jié)構(gòu)取向排列且層間距減小，在石墨化過程中生成較為完善的石墨結(jié)構(gòu)。應(yīng)力石墨化現(xiàn)象多見于聚合物碳化碳/碳復(fù)合材料中,纖維與聚合物基體界面結(jié)合越好，越容易產(chǎn)生應(yīng)力石墨化。

(3)高壓石墨化。高壓也可能降低石墨化所需的溫度或使難以石墨化的碳發(fā)生石墨化轉(zhuǎn)變。

環(huán)氧板材料，即碳纖維增強碳基體復(fù)合材料，是由碳纖維和碳基體共同組成的復(fù)合材料。碳材料高熔點的本質(zhì)屬性,賦予了碳/碳復(fù)合材料優(yōu)異的耐熱性(可以經(jīng)受2000“C以上的高溫)，使之成為惰性氣氛下使用溫度最高的材料。但碳材料的特性也決定了不能用一般無機材料或復(fù)合材料的制備方法來制備碳/碳復(fù)合材料，比如碳材料超高的耐溫性不可能像金屬基復(fù)合材料那樣可以使用熔體浸滲法制備;碳原子之間強而穩(wěn)定的共價鍵結(jié)構(gòu)決定了碳原子在燒結(jié)過程中移動性很差,不能通過碳粉燒結(jié)手段制備。

碳/碳復(fù)合材料的制備技術(shù)主要分為兩個基本步驟，即碳纖維預(yù)制體制備和預(yù)制體致密化。前一個步驟是根據(jù)產(chǎn)品形狀和使用需求將碳纖維制成多孔纖維預(yù)制體,后一個步驟是利用液相或氣相的含碳化合物先驅(qū)體熱解形成基體碳，填充碳纖維預(yù)制體的孔隙，從而制得碳/碳復(fù)合材料。根據(jù)碳纖維種類(短切纖維、連續(xù)長纖維)及纖維的排布方式不同，碳纖維預(yù)制體的主要形式有單向碳纖維束、2維碳布、各種碳氈及3維或多維碳纖維編織體等。將基體碳填充到預(yù)制體孔院內(nèi)的方法主要有兩種,即液相浸漬碳化法和化學(xué)氣相滲透(CVI)法。按照使用的含碳先驅(qū)體的不同，液相浸漬碳化法又分為兩種,即聚合物浸漬碳化法和瀝青浸漬碳化法。

碳/碳復(fù)合材料整個體系均由碳元素組成,其力學(xué)性能熱物理性能及摩擦、磨損性能與碳相的石墨化程度密切相關(guān)。在碳/碳復(fù)合材料致密化程度達到設(shè)計要求后,對復(fù)合材料進行高湖石墨化處理通過調(diào)整、控制復(fù)合材料各組元及整體的石墨化狀態(tài)，得到最終綜合性能滿足使用要求的環(huán)氧板材料。

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