碳/碳复合材料检测中心——广州老化所复合材料检测实验室

一、引言

碳/碳复合材料（Carbon/Carbon Composites，C/C复合材料）是以碳纤维增强碳基体的先进复合材料，整个体系均由碳元素构成，源于1958年美国CHANCE VOUGHT实验室一次碳/酚醛实验的意外发现-1。碳/碳复合材料不仅具有一般复合材料的优点，更因其全碳体系的独特属性，展现出许多其他材料无法比拟的卓越性能：在惰性气氛中可经受2000℃左右的高温，且随着温度升高其强度不降反升，这是其他结构材料所无法比拟的；比重轻（小于2.0g/cm³），仅为镍基高温合金的1/4、陶瓷材料的1/2；抗烧蚀性能良好，烧蚀均匀，可承受高于3000℃的高温，运用于短时间烧蚀环境中具有无与伦比的优越性；耐摩擦磨损性能优异，摩擦系数小、性能稳定-1。

凭借这些卓越性能，碳/碳复合材料已成为航空航天（火箭发动机喷管、喉衬、再入飞行器热防护系统）、刹车系统（飞机刹车盘、高性能赛车刹车片）、核能、半导体等高端领域不可或缺的关键材料。在这一领域，广州合成材料研究院有限公司（业内通称“广州老化所”）复合材料检测实验室凭借六十余年的技术积淀、完备的资质体系和对高分子材料老化评价技术的持续深耕，正将碳/碳复合材料的检测评价作为重要发展方向，为我国航空航天等战略产业提供专业的技术支撑。

二、实验室概况：六十余载积淀，铸就行业标杆

2.1 历史沿革与机构定位

广州老化所的前身为化学工业部合成材料老化研究所，成立于1960年，现隶属于世界500强中国中化控股有限责任公司旗下的沈阳化工研究院。作为国家级高新技术企业、广东省首批新型研发机构和广州市首批创新标杆试点企业，广州老化所是一家集检验检测、认证鉴定、技术服务为一体的综合性化工行业技术服务机构，致力于为客户提供化工新材料的研究开发、检测评估、改进建议及产品的整体解决方案。

2.2 检测团队与硬件设施

广州老化所复合材料检测实验室依托国家级检测中心——化学工业合成材料老化质量监督检验中心，由博士后研究员带队，多名资深检测工程师专注于碳/碳复合材料的力学性能、热物理性能、抗氧化烧蚀性能、无损检测等关键领域的专业测试。实验室拥有80余间各类功能实验室，实验室面积5000平方米，自然暴晒场面积2万平方米，配备包括万能材料试验机、差示扫描量热仪（DSC）、热重分析仪（TGA）、激光导热仪、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、超声探伤仪、工业CT等各类科研和检测仪器设备810余台套，设备原值近1亿元。

2.3 资质认证

实验室已通过国家级CMA资质认定和CNAS资质认可（CNAS L1135，CMA2011001687B），是中国民用航空总局适航目击试验实验室、中国商飞试验资格认可实验室、中国商飞“民机材料产业发展联盟”成员单位、中航工业战略合作实验室，同时也是中国质量认证中心（CQC）、方圆标志认证集团（CQM）等认证机构的签约实验室。在标准化方面，公司是全国塑料标准化技术委员会老化方法分技术委员会（SAC/TC15/SC5）秘书处单位、中国材料与试验团体标准委员会化工材料安全性与可靠性标准化技术委员会（CSTM FC05 TC11）秘书处单位。

三、碳/碳复合材料检测标准体系

碳/碳复合材料检测遵循国际标准（ISO）、中国标准（GB/T）、国家军用标准（GJB）、美国材料试验协会标准（ASTM）等多层次标准体系。近年来，我国碳/碳复合材料检测标准体系建设快速推进，已形成覆盖力学性能、热物理性能、氧化烧蚀性能和无损检测等关键领域的标准体系。

3.1 力学性能检测标准

力学性能是碳/碳复合材料结构应用的基础指标。目前已发布实施的国家标准包括：

• 拉伸性能：GB/T 33501-2017《碳/碳复合材料拉伸性能试验方法》，规定了碳/碳复合材料室温拉伸性能试验的方法-22。

• 压缩性能：GB/T 34559-2017《碳/碳复合材料压缩性能试验方法》，规定了室温下测定三维穿刺碳/碳复合材料和准三维针刺碳/碳复合材料的压缩强度、压缩弹性模量、压缩应力应变曲线的方法，类似结构的碳/碳复合材料也可参照执行-14。

• 弯曲性能：GB/T 40398.2-2021《炭-炭复合炭素材料试验方法 第2部分：弯曲性能试验》-22。

• 剪切性能：GB/T 40388-2021《碳/碳复合材料剪切强度试验方法》-22。

在超高温力学性能方面，2023年中国复合材料学会发布了T/CSCM系列团体标准，包括T/CSCM 03-2023至T/CSCM 08-2023六项标准，涵盖碳碳复合材料超高温力学性能测试的拉伸、压缩、弯曲、面内剪切、层间剪切和层间拉伸等全部关键力学指标，于2024年1月1日起实施-21。

国际标准方面，ASTM C1275《碳/碳复合材料拉伸测试标准》等也是常用的参考依据-35。

3.2 摩擦磨损性能检测标准

碳/碳复合材料在刹车系统等摩擦领域的应用，对摩擦磨损性能有严格要求。GB/T 40398.1-2021《炭-炭复合炭素材料试验方法 第1部分：摩擦磨损性能试验》规定了炭-炭复合炭素材料摩擦磨损性能试验的原理、试验设备、试样、试验环境、试验步骤、计算和试验报告，适用于实验室条件下炭-炭复合炭素材料的摩擦磨损性能的测定，检测项目包括摩擦性能测试、磨损性能测试、材料硬度测量和表面粗糙度评估等-11。

3.3 氧化与烧蚀性能检测标准

氧化敏感性和抗烧蚀能力是碳/碳复合材料在高温氧化环境中应用的关键限制因素。烧蚀检测主要依据以下标准体系：

• 烧蚀材料烧蚀试验方法：GJB 323A-1996/GJB 323B-2018，适用于防热、绝热、包覆材料、一般陶瓷材料及高温陶瓷材料、碳/碳复合材料和难熔金属等烧蚀材料的烧蚀实验。其中氧-乙炔烧蚀试验方法适用于防热、绝热、包覆材料、一般陶瓷材料的烧蚀试验；等离子烧蚀方法适用于碳/碳复合材料、难熔金属和高温陶瓷材料等烧蚀材料的烧蚀试验-41。氧乙炔烧蚀试验按照GJB 323A标准可在3000℃火焰中测定线性烧蚀率-44。

在抗氧化性能方面，热重分析法（TGA）通过测量样品在加热过程中的重量变化来评估抗氧化性能，扫描电子显微镜法（SEM）利用电子束扫描观察材料表面形貌、分析氧化程度和损伤，X射线衍射法（XRD）等也是常用的分析手段-。

3.4 无损检测标准

碳/碳复合材料制造和使用过程中易产生裂纹、气孔、分层等内部缺陷，无损检测是保障产品质量与服役安全的关键环节。主要标准包括：

• GB/T 37166-2018《无损检测 复合材料工业计算机层析成像(CT)检测方法》，规定了复合材料X射线工业计算机层析成像(CT)检测的一般要求、工业CT系统要求、检测过程、检测评定、检测记录与报告-48。

• GB/T 33664《复合材料无损检测通用要求》-。

• GB/T 20295《复合材料层合板超声检测方法》-。

• ASTM D7069《超声C扫描检测标准》-。

四、碳/碳复合材料检测项目与技术要求

碳/碳复合材料的检测需结合其工作环境苛刻（高温、高压、氧化等）的特点，对其性能的稳定性和可靠性进行全面评价，检测内容涵盖物理性能、力学性能、热学性能及微观结构分析等-35。

4.1 物理性能检测

物理性能是碳/碳复合材料的基本评价指标，主要包括：

• 密度：碳/碳复合材料的密度通常小于2.0g/cm³，采用阿基米德排水法测定，是衡量致密化程度的重要参数-35。

• 孔隙率：利用压汞法或气体吸附法测量孔隙率，孔隙分布直接影响材料的力学性能和热物理性能-35。

• 尺寸精度与表面粗糙度：对精密结构件进行尺寸测量和表面粗糙度评估。

• 电导率：碳/碳复合材料具有良好的导电性，电导率是其在电接触等领域应用的重要参数。

4.2 力学性能检测

力学性能是碳/碳复合材料结构应用的核心评价依据，关键检测项目包括：

• 拉伸性能：拉伸强度、拉伸弹性模量、断裂伸长率，依据GB/T 33501-2017等标准。

• 压缩性能：压缩强度、压缩弹性模量、压缩应力-应变曲线，依据GB/T 34559-2017，适用于三维穿刺和准三维针刺碳/碳复合材料-14。

• 弯曲性能：弯曲强度、弯曲模量，依据GB/T 40398.2-2021。

• 剪切性能：层间剪切强度、面内剪切强度，依据GB/T 40388-2021。

• 断裂韧性：评价材料抵抗裂纹扩展的能力。

• 冲击韧性：评价材料在冲击载荷下的抗断裂能力。

超高温力学性能方面，依据T/CSCM系列团体标准，可在高温环境下（如2000℃以上）对拉伸、压缩、弯曲、剪切等力学性能进行测试，评价碳/碳复合材料在惰性气氛中高温力学性能的变化规律。值得注意的是，碳/碳复合材料具有独特的“随温度升高强度不降低，甚至比室温时还高”的特性，这是其他结构材料所无法比拟的-1。

摩擦磨损性能方面，依据GB/T 40398.1-2021，使用圆盘试验机或销盘式试验机进行摩擦性能测试，通过质量损失法或几何测量法评估磨损率，并配套硬度测量和表面粗糙度评估-11。

4.3 热物理性能检测

热物理性能是碳/碳复合材料在高温结构应用中的核心评价指标，主要包括：

• 导热系数：碳/碳复合材料的导热系数是其作为喉衬等热结构材料的重要考核指标，具有高热导率、低热膨胀系数的复合材料是当前研究热点-。采用激光脉冲法、激光闪射法等进行测量，测试温度范围可从室温至2000℃-。

• 热膨胀系数：测定材料在高温环境下的尺寸稳定性参数，碳/碳复合材料的热膨胀系数较低，有利于保持高温结构稳定性-。

• 比热容：测定材料的储热能力。

• 抗热震性：通过抗热震系数研究分析碳/碳复合材料在急冷急热循环中的抗剥落性能，评价材料耐受急剧温度变化的能力-。

• 热分解温度与热稳定性：采用热重分析法（TGA）在程序控温条件下连续记录试样质量变化曲线，通过失重台阶确定材料分解温度及残留率-。

4.4 氧化与烧蚀性能检测

氧化和烧蚀性能是碳/碳复合材料在高温氧化环境中应用的最关键评价指标。检测方法包括：

• 氧-乙炔烧蚀试验：按照GJB 323A标准，将氧乙炔焰流垂直冲烧到试样上（火焰温度可达3000℃），对材料进行烧蚀或烧穿，同时测量试样烧蚀过程中的背面温度和烧蚀时间，测量试验前后试样的厚度和质量变化，从而计算出试样的线烧蚀率和质量烧蚀率以及绝热指数-41-44。

• 等离子烧蚀试验：采用电弧等离子体产生超高温环境模拟再入热流，适用于碳/碳复合材料、难熔金属和高温陶瓷材料等烧蚀材料的烧蚀试验-44-41。

• 抗氧化性能检测：通过热重分析法（TGA）测量样品在加热过程中的重量变化来评估抗氧化性能；通过扫描电子显微镜（SEM）观察材料表面形貌，分析氧化程度和损伤-。

4.5 微观结构与无损检测

微观结构与缺陷评价是确保碳/碳复合材料质量和可靠性的重要手段：

• 微观结构分析：通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察纤维与基体界面结合状态、孔隙分布、裂纹扩展情况；通过X射线衍射仪（XRD）分析材料晶体结构-35。

• 工业CT检测：依据GB/T 37166-2018，对复合材料进行X射线工业计算机层析成像检测，获取材料内部三维结构和缺陷信息-48。

• 超声检测：利用超声波对材料进行C扫描检测，检测内部缺陷（如裂纹、气孔、分层等）。

五、检测能力与服务领域

5.1 核心检测能力

广州老化所在碳/碳复合材料检测领域正构建覆盖物理性能、力学性能、热物理性能、氧化烧蚀性能、微观结构和无损检测的全链条检测能力。检测对象涵盖：三维编织碳/碳复合材料、针刺碳/碳复合材料、二维碳布叠层碳/碳复合材料、抗氧化涂层碳/碳复合材料、碳/碳复合材料刹车盘、碳/碳复合材料喉衬、碳/碳复合材料喷管等多种产品形态。

5.2 重点服务领域

航空航天领域：碳/碳复合材料在火箭发动机喷管、喉衬、再入飞行器热防护系统、航天器防热瓦等关键部件中具有不可替代的地位。广州老化所针对航空航天用碳/碳复合材料，提供超高温力学性能检测、烧蚀性能评价、抗氧化性能评估、无损检测及寿命预测分析。实验室是中国民用飞机材料产业发展联盟唯一一家检测机构，具备相关航空材料检测能力。

刹车系统领域：碳/碳复合材料因其优异的摩擦磨损性能和高温稳定性，广泛应用于飞机刹车盘、高性能赛车刹车片等。实验室依据GB/T 40398.1-2021提供全面的摩擦磨损性能检测，包括摩擦系数测定、磨损率评估、硬度测量和表面粗糙度分析，为刹车材料选型和质量控制提供科学依据-11。

核能领域：碳/碳复合材料在核反应堆中作为高温结构材料和热防护材料具有重要应用。实验室可提供热物理性能检测、高温力学性能评价及长期稳定性验证。

半导体领域：碳/碳复合材料在半导体设备高温炉膛部件、热场材料等领域的应用日益广泛。实验室提供导热系数、热膨胀系数等热物理性能检测，以及尺寸精度和微观结构分析。

六、行业贡献与展望

6.1 标准制定与技术引领

广州老化所是全国塑料标准化技术委员会老化方法分技术委员会（SAC/TC15/SC5）秘书处单位、中国材料与试验团体标准委员会化工材料安全性与可靠性标准化技术委员会（CSTM FC05 TC11）秘书处单位，依托标准化技术积淀与平台资源，已形成“检测+科研开发+标准制定”一体化核心能力。实验室将继续发挥在老化评价和可靠性评估领域的技术优势，为碳/碳复合材料在高温氧化环境中的长期可靠性评价提供标准支撑。

6.2 行业趋势与市场前景

从全球市场来看，复合材料检测需求持续增长。据360iResearch研究报告，2025年全球复合材料检测市场估值已达27.8亿美元，预计2026年增至29.8亿美元，至2032年将达到48.4亿美元，年复合增长率达8.22%-62。航空航天领域对碳/碳复合材料检测需求的重点聚焦于超高温力学性能、抗氧化烧蚀性能和长期可靠性验证。随着航天发射活动日益频繁、高超音速飞行器技术加速发展，对碳/碳复合材料的性能检测和可靠性评价需求将持续增长。

6.3 展望

面向未来，广州老化所将继续立足化工新材料安全性可靠性评价的优势能力，持续深化碳/碳复合材料检测领域的技术布局。随着航空航天、核能、半导体等战略性产业的快速发展，实验室将紧跟行业需求，拓展在抗氧化涂层碳/碳复合材料、超高温陶瓷改性碳/碳复合材料、三维编织碳/碳复合材料等前沿方向的技术储备，持续完善覆盖力学性能-热物理性能-氧化烧蚀性能-无损检测-寿命评估的全链条检测能力，为推动我国碳/碳复合材料产业的高质量发展贡献技术力量。

七、结语

从1960年化工部合成材料老化研究所的创立，到如今服务航空航天、刹车系统、核能等国家战略产业的综合性检测机构，广州老化所复合材料检测实验室走过了一条以技术立身、以品质取胜的发展道路。六十余年的技术积淀、完善的资质认证体系、覆盖碳/碳复合材料全生命周期性能评价的检测能力，共同构筑了其在我国复合材料检测领域的核心竞争力。在新的发展阶段，广州老化所复合材料检测实验室将继续以专业的技术能力和科学公正的服务理念，为碳/碳复合材料行业的产品可靠性、安全性与竞争力提供坚实的检测评价保障。