第一篇：新型碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的研究及進(jìn)展

新型碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的研究進(jìn)展

Progress in Research Work of Ne w CMC--SiC [ 摘要] 新型碳化硅陶瓷基復(fù)合材料具有密度低、高強(qiáng)度、高韌性和耐高溫等綜合性能已得到世界各國(guó)高度重視，本文主要介紹了新型碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的研究和發(fā)展現(xiàn)狀 ,闡述了CV I-CMC-SiC 制造技術(shù)在我國(guó)的研究進(jìn)展 ,開(kāi)展了CVI-CMC-SiC的性能與微結(jié)構(gòu)特性的研究和 CV I 過(guò)程控制及其對(duì)性能影響的研究 ,研制了多種 CMCSiC 微結(jié)構(gòu) 應(yīng)用研究

碳化硅陶瓷因具有高強(qiáng)度、高硬度、抗腐蝕、耐高溫和低密度而被廣泛用于高溫和某些苛刻的環(huán)境中,尤其在航空航天飛行器[1]需要承受極高溫度的特殊部位具有很大的潛力。但是,陶瓷不具備像金屬那樣的塑性變形能力,在斷裂過(guò)程中除了產(chǎn)生新的斷裂表面吸收表面能以外,幾乎沒(méi)有其它吸收能量的機(jī)制,這就嚴(yán)重限制了其作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。碳纖維具有比強(qiáng)度高、比模量大、高溫力學(xué)性能和熱性能良好等優(yōu)點(diǎn),在惰性氣氛中2000℃時(shí)仍能保持強(qiáng)度基本不下降。用碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料,材料在斷裂的過(guò)程中通過(guò)纖維拔出、纖維橋聯(lián)、裂紋偏轉(zhuǎn)等增韌機(jī)制來(lái)消耗能量,使材料表現(xiàn)為非脆性斷裂。CMC-SiC復(fù)合材料綜合了碳纖維優(yōu)異的高溫性能和碳化硅基體高抗氧化性能,受到了世界各國(guó)的高度關(guān)注,并廣泛應(yīng)用在航空、航天、光學(xué)系統(tǒng)、交通工具等領(lǐng)域。

CMC－SiC具有高比強(qiáng)、高比模、耐高溫、抗燒蝕、抗氧化和低密度等特點(diǎn)，其密度為2～2.5 g/cm3，僅是高溫合金和鈮合金的1/3～1/4，鎢合金的1/9～1/10。CMC－SiC主要包括碳纖維增韌碳化硅(C/SiC)和碳化硅纖維增韌[2]碳化硅(SiC/SiC)兩種，由于碳纖維價(jià)格便宜且容易獲得，因而C/SiC成為SiC陶瓷基復(fù)合材料研究、考核與應(yīng)用的首選。CMC－SiC的應(yīng)用可 覆蓋瞬時(shí)壽命(數(shù)十秒～數(shù)百秒)、有限壽命(數(shù)十分鐘～數(shù)十小時(shí))和長(zhǎng)壽命(數(shù)百小時(shí)～上千小時(shí))3類服役環(huán)境的需求。用于瞬時(shí)壽命的固體火箭發(fā)動(dòng) 機(jī)，C/SiC的使用溫度可達(dá)2 800～3 000 ℃；用于有限壽命的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，C/SiC的使用溫度可達(dá)2 000～2 200 ℃；用于長(zhǎng)壽命航空發(fā)動(dòng)機(jī)，C/SiC的使用溫度為1 650℃，SiC/SiC為1 450 ℃，提高SiC纖維的使用溫度是保證SiC/SiC用于1 650 ℃的關(guān)鍵。由于C/SiC抗氧化性能較SiC/SiC差，國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)為，航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件最終獲得應(yīng)用的應(yīng)該是SiC/SiC。

因此CMC－SiC被認(rèn)為是繼碳－碳復(fù)合材料(C/C)[3]之后發(fā)展的又一新型戰(zhàn)略性材料，可大幅度提高現(xiàn)有武器裝備和發(fā)展未來(lái)先進(jìn)武器裝備 性能，發(fā)達(dá)國(guó)家都在競(jìng)相發(fā)展。此外，CMC－SiC在核能、高速剎車、燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件、高溫氣體過(guò)濾和熱交換器等方面還有廣泛應(yīng)用潛力。

1、我國(guó)CVI－CMC－SiC 制造技術(shù)的研究進(jìn)展

CMC－SiC的制造方法有反應(yīng)燒結(jié)(RB)，熱壓燒結(jié)(HP)，前驅(qū)體浸漬熱解(PIP)，反應(yīng)性熔體滲透(RMI)以及CVI，CVI－PIP，CVI－RMI和 PIP－HP等。CVI是目前唯一已商業(yè)化的制造方法，其適應(yīng)性強(qiáng)，原理上適用于所有無(wú)機(jī)非金屬材料，可制造多維編織體復(fù)合材料的界面層、基體和表面涂層。CVI必須使氣 相反應(yīng)物滲透到纖維預(yù)制體的每一根單絲纖維上，而單絲的最小間距僅為1μm左右，因此CVI過(guò)程的控制比CVD困難得多。與其他成型方法相比，CVI法制 造CMC具有制備溫度低(≈1 000℃)；氣相滲透能力強(qiáng)，便于制造大型、薄壁、復(fù)雜的近終形構(gòu)件，能對(duì)基體、界面和表面層進(jìn)行微觀尺度的化學(xué)成分與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。CVI法的主要缺點(diǎn)是工藝控制難度大，法國(guó)從發(fā)明CVI法制造CMC－SiC到形成規(guī)模生產(chǎn)花費(fèi)了近20年，其他國(guó)家雖然也對(duì)CVI法制備CMC－SiC進(jìn)行了不少研究，但是均 未形成商品化技術(shù)。CVI法生產(chǎn)周期比較長(zhǎng)，因而一般認(rèn)為成本高，排放的尾氣產(chǎn)物復(fù)雜并有污染性，目前國(guó)際市場(chǎng)上還沒(méi)有適用的定型CVI設(shè)備出售。

2、CVI過(guò)程的控制及其對(duì)性能的影響

2.1 CVI過(guò)程的評(píng)價(jià)參數(shù)

評(píng)價(jià)CVI致密化過(guò)程可用密度ρ（孔隙率)、致密化速度v(時(shí)間)和滲透率Ι等參數(shù)來(lái)表征。I值越大，預(yù)制體內(nèi)部纖維束上沉積越多，復(fù)合材料的密度梯度越小，沉積物分布越均勻；反之,在預(yù)制體外部沉積越多，密度梯度越大。致密化速度越快，滲透率越高，材料密度越高，表明CVI技術(shù)也越先進(jìn)。2.2 致密度對(duì)CVI－CMC－SiC性能的影響

CVI工藝參數(shù)的優(yōu)化目標(biāo)是提高致密度、致密化速度和密度均勻性，而致密度是CVI－CMC－SiC性能的決定性影響因素。致密度增加，材料的彎曲強(qiáng)度、斷裂韌性和斷裂功均有明顯增加；致密度增加，基體與纖維之間的載荷傳遞效果提高，纖維的增韌補(bǔ)強(qiáng)作用得以充分發(fā)揮；致密度增加，復(fù)合材料應(yīng)力－位移中線彈 性階段的斜率增大，彈性模量增加。低致密度的復(fù)合材料斷裂以纖維束拔出為主，應(yīng)力－位移曲線表現(xiàn)為經(jīng)過(guò)最大載荷后載荷下降很快；當(dāng)致密度高時(shí)，基體與纖維 之間的載荷傳遞效果好，以纖維單絲拔出為主，纖維的拔出阻力大，復(fù)合材料的強(qiáng)度高，經(jīng)最大載荷后載荷下降慢，此時(shí)增韌效果好。2.3 CVI工藝因素[4]與非工藝參數(shù)對(duì)CVI－CMC－SiC性能的影響(1)非正常物理場(chǎng)的影響。

非正常物理場(chǎng)對(duì)CVI過(guò)程的致密度和致密化速度的影響很大。由于非正常物理場(chǎng)嚴(yán)重阻礙了致密化過(guò)程的進(jìn)行，使得SiC不易向纖維預(yù)制體內(nèi)部的孔隙中滲透沉積，C/SiC的密度低，孔隙率高，因而斷裂應(yīng)變很小，斷裂功很低。(2)化學(xué)場(chǎng)對(duì)CVI－SiC－CMC的影響。

在CVI過(guò)程中，化學(xué)場(chǎng)對(duì)纖維結(jié)構(gòu)、性能和PyC(熱解碳)界面層結(jié)構(gòu)和形貌影響很大，因而顯著影響了C/SiC的性能。在不合理化學(xué)場(chǎng)下，沉積的PyC 界面層不致密、不均勻且表面粗糙，從而失去了界面層的功能；而且纖維表面受到嚴(yán)重?fù)p傷，這種損傷發(fā)生在活性部位，而不是均勻發(fā)生在纖維表面，使C/SiC 的強(qiáng)度低，韌性差，成為CVI過(guò)程的控制因素。CVI－CMC－SiC的性能與微結(jié)構(gòu)特征

3.1 應(yīng)力應(yīng)變特征

從C/SiC復(fù)合材料和帶缺口SiC/SiC復(fù)合材料的典型彎曲應(yīng)力－位移曲線可以看出，它們都具有類似金屬的韌性斷裂特征，對(duì)缺口不敏感。SiC/SiC比C/SiC具有更高的斷裂應(yīng)變，因而具有更高的使用可靠性。3.2 氧化特征

在不同溫度下氧化5 h后，從C/SiC和有涂層C/SiC的氧化特征曲線可以看出，由于碳纖維與SiC基體熱膨脹失配引起的基體裂紋，使C/SiC在700℃左右的低溫下更 容易氧化，因而C/SiC的氧化對(duì)溫度梯度非常敏感。采用陶瓷涂層雖然可以改善C/SiC高溫防氧化性能，但不能有效提高低溫抗氧化性能；采用玻璃封填雖 然可以提高低溫抗氧化性能，但惡化了高溫抗氧化性能。采用玻璃封填和陶瓷涂層相結(jié)合的方法，可以大幅度降低C/SiC抗氧化性能對(duì)溫度梯度的敏感性，實(shí)現(xiàn) 全溫度范圍的防氧化。

與C/SiC相比，SiC纖維與SiC基體之間具有良好的熱膨脹匹配，SiC/SiC具有良好的抗氧化性能，特別是在燃?xì)猸h(huán)境下。但由于SiC/SiC的界面層也是PyC，因此長(zhǎng)壽命SiC/SiC仍然需要防氧化涂層。3.3 抗熱震性

從燃?xì)庀?00～1 300 ℃熱震循環(huán)次數(shù)對(duì)C/SiC強(qiáng)度的影響可以看出，熱震100次后C/SiC的強(qiáng)度下降不明顯，而且主要發(fā)生在熱震50次以前。表明C/SiC具有非常優(yōu)異的抗熱震疲勞性能，這從根本上改變了陶瓷材料抗熱震性能差的弱點(diǎn)。

3.4 抗燒蝕性

C/SiC不僅是一種新型熱結(jié)構(gòu)材料和摩擦材料，也是一種優(yōu)良的抗燒蝕材料。C/SiC和SiC/SiC處于同一水平但C/SiC的抗燒蝕性能比C/C更優(yōu)異。3.5 CVI－CMC－SiC的微結(jié)構(gòu)特征

由于PyC界面層實(shí)現(xiàn)了纖維與基體間的適當(dāng)弱結(jié)合，承載過(guò)程中基體主裂紋沿界面擴(kuò)展，使纖維斷裂后出現(xiàn)脫粘和拔出。大量纖維的脫粘和拔出延緩了裂紋擴(kuò)展，使CVI－CMC－SiC具有很高的斷裂功和較高的斷裂應(yīng)變，從而具有類似金屬的斷裂行為。纖維的拔出有纖維絲拔出和纖維束拔出兩種。

CVI－CMC－SiC的界面結(jié)合強(qiáng)度與界面層材料、結(jié)構(gòu)與厚度有關(guān)，而界面結(jié)合強(qiáng)度直接影響CVI－SiC－CMC的性能。界面結(jié)合強(qiáng)度越 高，CVI－CMC－SiC的強(qiáng)度越高，但韌性越差；反之則強(qiáng)度越低，韌性越高。因此，合理控制界面結(jié)合強(qiáng)度是實(shí)現(xiàn)增韌補(bǔ)強(qiáng)的關(guān)鍵。我國(guó)連續(xù)纖維增韌SiC陶瓷基復(fù)合材料的性能與應(yīng)用研究

4.1 材料性能

研制了4種牌號(hào)的CVI－CMC－SiC，與國(guó)際材料性能水平相比，除個(gè)別性能指標(biāo)與于國(guó)際先進(jìn)材料水平相當(dāng)外，其余大多數(shù)性能指標(biāo)均高于其他國(guó)際先進(jìn)材 料的最高水平。目前尚未見(jiàn)到國(guó)際上對(duì)CVI－CMC－SiC性能有全面系統(tǒng)的報(bào)道，西北工業(yè)大學(xué)超高溫復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)室CVI－CMC－SiC的迅速發(fā)展也 引起國(guó)際同行的極大關(guān)注和高度評(píng)價(jià)，CVI－CMCSiC的發(fā)明者Naslain[5]教授來(lái)函說(shuō)：“你們實(shí)驗(yàn)室在該領(lǐng)域是國(guó)際先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室之一”。4.2 應(yīng)用考核

目前已成功研制了20余種160余件CVI－CMC－SiC構(gòu)件，其中液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)全尺寸C/SiC噴管通過(guò)了高空臺(tái)試車，CMC－SiC浮壁瓦片模擬件[6]和調(diào)節(jié)片分別通過(guò)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境的短時(shí)間考核，C/SiC固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)流管通過(guò)了無(wú)控飛行考核。結(jié)論

(1)連續(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(CMC－SiC)具有類似金屬的斷裂行為，對(duì)裂紋不敏感，不會(huì)發(fā)生災(zāi)難性破壞。其耐高溫和低密度特性，使其成為發(fā)展先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和空天飛行器防熱結(jié)構(gòu)[7]的關(guān)鍵材料。(2)CVI法是制造大型、薄壁、復(fù)雜CMC－SiC構(gòu)件的主要方法，也是唯一已商品化的方法，可以在微觀尺度上設(shè)計(jì)和制備復(fù)合材料的基體、界面層和表面防護(hù)涂 層。實(shí)施變工藝參數(shù)控制可獲得制備周期短、密度高、致密化速率高和密度梯度小的復(fù)合材料，已使我國(guó)成為國(guó)際上第三個(gè)掌握CVI法[8]批量制備構(gòu)件技術(shù)的國(guó)家。

(3)我國(guó)已形成具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CMC－SiC制造技術(shù)和設(shè)備體系[9]，發(fā)展了4種牌號(hào)的CMC－SiC，并具有制備大型、薄壁、復(fù)雜構(gòu)件的能力，多種構(gòu)件通過(guò)了發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境的考核，材料性能和整體研究水平躋身國(guó)際先進(jìn)行列。

（4）堅(jiān)持發(fā)展與環(huán)境的統(tǒng)一 ,實(shí)施綠色制造。綠色制造理念是伴隨著全球綠色革命興起的一種科學(xué)思維和生態(tài)文化 ,其目標(biāo)和宗旨是使制造業(yè)的產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造、包裝、運(yùn)輸、使用、維護(hù) ,直至報(bào)廢處理和善后處理的整個(gè)產(chǎn)品生命周期中對(duì)生態(tài)環(huán)境的不利影響降至最小 ,對(duì)資源的利用效率增至最大。中國(guó)要吸取工業(yè)化國(guó)家在發(fā)展過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn) ,避免走先污染后治理的老路 ,要注意做到發(fā)展與環(huán)境的統(tǒng)一。在建設(shè)生產(chǎn)能力 ,引進(jìn)國(guó)外技術(shù)、確定產(chǎn)品對(duì)象、選擇生產(chǎn)設(shè)備、選用生產(chǎn)材料、產(chǎn)品報(bào)廢和回收處理等所有環(huán)節(jié) ,都要貫徹保護(hù)生態(tài)環(huán)境、有利可持續(xù)發(fā)展、造福人類的現(xiàn)代制造文化 ,真正實(shí)現(xiàn)綠色制造 ,這也是新時(shí)代制造強(qiáng)國(guó)必須具備的基本理念和制造文化的核心內(nèi)容之一。（5）注重關(guān)鍵技術(shù)和集成創(chuàng)新 ,不斷增強(qiáng)裝備制造能力 ,中國(guó)必將成為世界制造強(qiáng)國(guó)?！伴L(zhǎng)風(fēng)破浪會(huì)有時(shí) ,直掛云帆濟(jì)滄海”。中華民族前輩先賢的理想與抱負(fù)將由今天的中華兒女來(lái)實(shí)現(xiàn) ,讓我們團(tuán)結(jié)奮斗 ,開(kāi)拓創(chuàng)新 ,共同營(yíng)造“會(huì)當(dāng)凌絕頂 ,一覽眾山小”的美好前景。我們堅(jiān)信 ,未來(lái)的中國(guó)制造業(yè)更美好!未來(lái)的中國(guó)更美好!參 考 文 獻(xiàn)

1：李成功 ,傅恒志 ,于翹等.航空航天材料.北京 : 國(guó)防工業(yè)出版社 ,2002 2：Evans A G J.Amer Ceram Soc ,1990(73):187 3：Naslain R.Key Eng Mater ,1998(164 ,165):3～8 4：Golecki I ,Hanigofsky J A ,Freeman GB ,et al.J Amer Ce2 ram Soc ,1997(R20):37～124 5：Lakey J , Hanigofsky J A.Amer Ceram Soc Bull , 1995(78):1564～1570 6：Stinton D P ,Besmann T M ,lowden R A.Amer Ceram Soc Bull ,1988 67(2):36 7：Inghels E ,Lamon J J.Mater Sci ,1991(26):5403 8：Xu Y D ,Zhang L T ,Cheng L F.J Amer Ceram Soc Bull , 1997(80):1897 9：Xu Y D , Zhang L T , Cheng L F , et al , Carbon , 1998(36):1051

第二篇：陶瓷基復(fù)合材料的復(fù)合機(jī)理

陶瓷基復(fù)合材料的復(fù)合機(jī)理、制備、生產(chǎn)、應(yīng)用及發(fā)展前景

1.陶瓷基復(fù)合材料的復(fù)合機(jī)理

陶瓷基復(fù)合材料是以陶瓷為基體與各種纖維復(fù)合的一類復(fù)合材料。陶瓷基體可為氮化硅、碳化硅等高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。這些先進(jìn)陶瓷具有耐高溫、高強(qiáng)度和剛度、相對(duì)重量較輕、抗腐蝕等優(yōu)異性能，其致命的弱點(diǎn)是具有脆性，處于應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂導(dǎo)致材料失效。而采用高強(qiáng)度、高彈性的纖維與基體復(fù)合，則是提高陶瓷韌性和可靠性的一個(gè)有效的方法。纖維能阻止裂紋的擴(kuò)展，從而得到有優(yōu)良韌性的纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。

1．1陶瓷基復(fù)合材料增強(qiáng)體

用于復(fù)合材料的增強(qiáng)體品種很多，根據(jù)復(fù)合材料的性能要求，主要分為以下幾種。

1.1．1纖維類增強(qiáng)體

纖維類增強(qiáng)體有連續(xù)長(zhǎng)纖維和短纖維。連續(xù)長(zhǎng)纖維的連續(xù)長(zhǎng)度均超過(guò)數(shù)百。纖維性能有方向性，一般沿軸向均有很高的強(qiáng)度和彈性模量。連續(xù)纖維中又分為單絲和束絲，碳（石墨）纖維、氧化鋁纖維和碳化硅纖維（燒結(jié)法制）、碳化硅纖維是以500~12000根直徑為5.6~14微米的細(xì)纖維組成束絲作為增強(qiáng)體使用。而硼纖維、碳化硅纖維是以直徑為95~140微米的單絲作為增強(qiáng)體使用。連續(xù)纖維制造成本高、性能高，主要用于高性能復(fù)合材料。短纖維連續(xù)長(zhǎng)度一般幾十毫米，排列無(wú)方向性，一般采用生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)效率高的噴射成型制造。其性能一般比長(zhǎng)纖維低。增強(qiáng)體纖維主要包括無(wú)機(jī)纖維和有機(jī)纖維。

1.1.2顆粒類增強(qiáng)體

顆粒類增強(qiáng)體主要是一些具有高強(qiáng)度、高模量。耐熱、耐磨。耐高溫的陶瓷等無(wú)機(jī)非金屬顆粒，主要有碳化硅、氧化鋁、碳化鈦、石墨。細(xì)金剛石、高嶺土、滑石、碳酸鈣等。主要還有一些金屬和聚合物顆粒類增強(qiáng)體，后者主要有熱塑性樹(shù)脂粉末。

1.1.3晶須類增強(qiáng)體

晶須是在人工條件下制造出的細(xì)小單晶，一般呈棒狀，其直徑為0.2~1微米，長(zhǎng)度為幾十微米，由于其具有細(xì)小組織結(jié)構(gòu)，缺陷少，具有很高的強(qiáng)度和模量。

1.1.4金屬絲

用于復(fù)合材料的高強(qiáng)福、高模量金屬絲增強(qiáng)物主要有鈹絲、鋼絲、不銹鋼絲和鎢絲等，金屬絲一般用于金屬基復(fù)合材料和水泥基復(fù)合材料的增強(qiáng)，但前者比較多見(jiàn)。

1.1.5片狀物增強(qiáng)體

用于復(fù)合材料的片狀增強(qiáng)物主要是陶瓷薄片。將陶瓷薄片疊壓起來(lái)形成的陶瓷復(fù)合材料具有很高的韌性。

1.2陶瓷基的界面及強(qiáng)韌化理論

陶瓷基復(fù)合材料(CMC)具有高強(qiáng)度、高硬度、高彈性模量、熱化學(xué)穩(wěn)定性

等優(yōu)異性能，被認(rèn)為是推重比10以上航空發(fā)動(dòng)機(jī)的理想耐高溫結(jié)構(gòu)材料。界面 作為陶瓷基復(fù)合材料重要的組成相，其細(xì)觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和失效規(guī)律直接影 響到復(fù)合材料的整體力學(xué)性能，因此研究界面特性對(duì)陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)性能 的影響具有重要的意義。

1.2.1界面的粘結(jié)形式

（1）機(jī)械結(jié)合（2）化學(xué)結(jié)合陶瓷基復(fù)合材料往往在高溫下制備，由于增強(qiáng)體與基體的原子擴(kuò)散，在界面上更易形成固溶體和化合物。此時(shí)其界面是具有一定厚度的反應(yīng)區(qū)，它與基體和增強(qiáng)體都能較好的結(jié)合，但通常是脆性的。

若增強(qiáng)體與基體在高溫時(shí)不發(fā)生反應(yīng)，那么在冷卻下來(lái)時(shí)，陶瓷的收縮大于增強(qiáng)體，由此產(chǎn)生的徑向壓應(yīng)力?與界面剪切應(yīng)力??有關(guān)：? = ? ??，?為摩擦系數(shù)，一般取0.1~0.6。

1.2.2界面的作用

陶瓷基復(fù)合材料的界面一方面應(yīng)強(qiáng)到足以傳遞軸向載荷并具有高的橫向強(qiáng)度；另一方面要弱到足以沿界面發(fā)生橫向裂紋及裂紋偏轉(zhuǎn)直到纖維的拔出。因此，陶瓷基復(fù)合材料界面要有一個(gè)最佳的界面強(qiáng)度。強(qiáng)的界面粘結(jié)往往導(dǎo)致脆性破壞，裂紋在復(fù)合材料的任一部位形成并迅速擴(kuò)展至復(fù)合材料的橫截面，導(dǎo)致平面斷裂。這是由于纖維的彈性模量不是大大高于基體，因此在斷裂過(guò)程中，強(qiáng)界面結(jié)合不產(chǎn)生額外的能量消耗。若界面結(jié)合較弱，當(dāng)基體中的裂紋擴(kuò)展至纖維時(shí)，將導(dǎo)致界面脫粘，發(fā)生裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋搭橋、纖維斷裂以至于最后纖維拔出。所有這些過(guò)程都要吸收能量，從而提高復(fù)合材料的斷裂韌性。

2.復(fù)合材料的制備與生產(chǎn)

陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝主要有以下幾部分組成：粉體制備、增強(qiáng)體（纖維、晶須）制備和預(yù)處理，成型和燒結(jié)。

2.1粉體制備

粉體的性能直接影響到陶瓷的性能，為了獲得性能優(yōu)良的陶瓷基復(fù)合材料，制備出高純、超細(xì)、組分均勻分布和無(wú)團(tuán)聚的粉體是很關(guān)鍵的。

陶瓷粉體的制備主要可分為機(jī)械制粉和化學(xué)制粉兩種?；瘜W(xué)制粉可獲得性能優(yōu)良的高純、超細(xì)、組分均勻的粉體，是一類很有前途的粉體制備方法。但是這類方法或需要較復(fù)雜的設(shè)備，或制備工藝要求嚴(yán)格，因而成本也較高。機(jī)械法制備多組分粉體工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)量大，但得到的粉體組分分布不均勻，特別是當(dāng)某種組分很少的時(shí)候，而且這種方法長(zhǎng)會(huì)給粉體引入雜質(zhì)。除此外，還可用物理法，即用蒸發(fā)-凝聚法。該方法是將金屬原料加熱到高溫，使之汽化，然后急冷，凝聚成分體，該法可制備出超細(xì)的金屬粉體。

2.2成型

有了良好的粉體，成型就成了獲得高性能陶瓷復(fù)合材料的關(guān)鍵。坯體在成型中形成的缺陷會(huì)在燒成后顯著的表現(xiàn)出來(lái)。一般成型后坯體的密度越高則燒成的收縮就越小，制品的尺寸精度越容易控制。陶瓷材料常用的成型方法有：

2.2.1模壓成型

模壓成型是將粉體填充到模具內(nèi)部，通過(guò)單向或者雙向加壓，將粉料壓成所需形狀。

2.2.2等靜壓成型

一般等靜壓成型是指將粉料裝入橡膠或塑料等可變形的容器中，密封后放入液壓油或者水等流體介質(zhì)中，加壓獲得所需坯體。

2.2.3熱壓鑄成型

熱壓鑄成型是將粉料與蠟（或其他有機(jī)高分子粘合劑）混合后，加熱使蠟（或其他有機(jī)高分子粘合劑）熔化，是混合料具有一定流動(dòng)性，然后將混合料加壓注入模具，冷卻后即可得到致密較結(jié)實(shí)的坯體。

2.2.4擠壓成型

擠壓成型就是利用壓力把具有塑性的粉料通過(guò)模具擠出，模具的形狀就是成型坯體的形狀。

2.2.5軋模成型

軋模成型是將加入粘合劑的坯料放入相向滾動(dòng)的壓輥之間，使物料不斷受到擠壓得到薄膜狀坯體的一種成型方法。

2.2.6注漿成型

注漿成型是基于多孔石膏模具能夠吸收水分的物理特性，將陶瓷粉料配成具有流動(dòng)性的泥漿，然后注入多孔模具內(nèi)（主要為石膏模），水分在被模具（石膏）吸入后便形成了具有一定厚度的均勻泥層，脫水干燥過(guò)程中同時(shí)形成具有一定強(qiáng)度的坯體。

2.2.7流延法成型

一種陶瓷制品的成型方法，首先把粉碎好的粉料與有機(jī)塑化劑溶液按適當(dāng)配比混合制成具有一定黏度的料漿，料漿從容器同流下，被刮刀以一定厚度刮壓涂敷在專用基帶上，經(jīng)干燥、固化后從上剝下成為生坯帶的薄膜，然后根據(jù)成品的尺寸和形狀需要對(duì)生坯帶作沖切、層合等加工處理，制成待燒結(jié)的毛坯成品。

2.2.8注射成型

陶瓷料粉與熱塑性樹(shù)脂等有機(jī)溶劑在注塑機(jī)加熱料筒中塑化后，由柱塞或往復(fù)螺桿注射到閉合模具的模腔中形成制品的加工方法。

2.2.9泥漿滲透法

泥漿滲透法是先將陶瓷基體坯料制成泥漿，然后在室溫使其滲入增強(qiáng)預(yù)制體，再干燥就得到所需的陶瓷基復(fù)合材料坯體。

2.3燒結(jié)

在高溫下（低于熔點(diǎn)），陶瓷生坯固體顆粒的相互鍵聯(lián)，晶粒長(zhǎng)大，空隙(氣孔)和晶界漸趨減少，通過(guò)物質(zhì)的傳遞，其總體積收縮，密度增加，最后成為具有某種顯微結(jié)構(gòu)的致密多晶燒結(jié)體，這種現(xiàn)象稱為燒結(jié)。陶瓷基復(fù)合材料基體常見(jiàn)燒結(jié)方法有普通燒結(jié)、熱致密化方法、反應(yīng)燒結(jié)、微波燒結(jié)和等離子燒結(jié)。

其中反應(yīng)燒結(jié)是指粉末混合料中至少有兩種組分相互發(fā)生反應(yīng)的燒結(jié)。微波燒結(jié)是一種材料燒結(jié)工藝的新方法，它具有升溫速度快、能源利用率高、加熱效率高和安全衛(wèi)生無(wú)污染等特點(diǎn)，并能提高產(chǎn)品的均勻性和成品率，改善被燒結(jié)材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能，近年來(lái)已經(jīng)成為材料燒結(jié)領(lǐng)域里新的研究熱點(diǎn)。

2.4陶瓷基復(fù)合材料特殊的新型制備工藝

2.4.1熔體滲透

熔體滲透是指將復(fù)合材料基體加熱到高溫使其熔化成熔體，然后滲入增強(qiáng)物的預(yù)制體中，再冷卻就得到所需的復(fù)合材料。

2.4.2化學(xué)氣相滲透（CVI）

化學(xué)氣相滲透（CVI）制備陶瓷基復(fù)合材料是將含揮發(fā)性金屬化合物的氣體在高溫反應(yīng)形成陶瓷固體沉積在增強(qiáng)劑預(yù)制體的空隙中，使預(yù)制體逐漸致密而形成陶瓷基復(fù)合材料。

2.4.3由有機(jī)聚合物合成由有機(jī)聚合物可以合成SiC、Si3N4，并可作為基體制備陶瓷基復(fù)合材料。通常是將增強(qiáng)

體材料和陶瓷粉末與有機(jī)聚合物混合，然后進(jìn)行成型燒結(jié)。

3陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用

陶瓷基復(fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度和比模量，韌性好，在要求質(zhì)量輕的空間及高速切削的應(yīng)用很有前景。

在軍事上和空間應(yīng)用上陶瓷基復(fù)合材料可做導(dǎo)彈的雷達(dá)罩，重返空間飛行器的天線窗和鼻錐，裝甲，發(fā)動(dòng)機(jī)零部件，專用燃燒爐內(nèi)襯，軸承和噴嘴等。石英纖維增強(qiáng)二氧化硅，碳化硅增強(qiáng)二氧化硅，碳化鉭增強(qiáng)石墨，碳化硼增強(qiáng)石墨，碳，碳化硅或氧化鋁纖維增強(qiáng)玻璃等可用于上與上述目的。

陶瓷基復(fù)合材料耐蝕性優(yōu)越，生物相容性好，可用作生體材料，也可用作制作內(nèi)燃機(jī)零部件。陶瓷件復(fù)合材料可做切削道具，如碳化硅晶須增強(qiáng)氧化鋁刀具切削鎳基合金，鑄鐵和鋼的零件，不但使用壽命增加，而且進(jìn)刀量和切削速度都可大大提高。

5陶瓷基復(fù)合材料現(xiàn)狀與發(fā)展前景

復(fù)合材料所面臨的問(wèn)題是：怎樣把不同的材料有效地結(jié)合起來(lái)使某些性能得到加強(qiáng)，同時(shí)又把成本控制在市場(chǎng)可接受的范圍。目前，只有少數(shù)CMC達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的水平，大多數(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，但從其具有的優(yōu)異性能和研究狀況來(lái)看，CMC有著非常廣闊的應(yīng)用前景。因而，對(duì)CMC的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)作一預(yù)測(cè)是非常有必要和有意義的。

5.1為了保證陶瓷基復(fù)合材料性能的可靠，除了從工藝上盡量保證陶瓷基復(fù)合材料的均一性及完整性之外，對(duì)材料性能的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)也是一個(gè)很重要的問(wèn)題。因此，無(wú)損探傷是一項(xiàng)急待開(kāi)展的工作。

5.2由宏觀復(fù)合形式向微觀復(fù)合形式發(fā)展。目前應(yīng)用最多的是纖維、晶須補(bǔ)強(qiáng)復(fù)合材料

補(bǔ)強(qiáng)劑尺寸較大屬于宏觀復(fù)合。所謂微觀復(fù)合就是均質(zhì)材料在加工過(guò)程中內(nèi)部析出補(bǔ)強(qiáng)劑，（晶體）與剩余基體構(gòu)成的原位復(fù)合材料或用納米級(jí)補(bǔ)強(qiáng)劑補(bǔ)強(qiáng)的納米復(fù)合材料。

5.3由結(jié)構(gòu)復(fù)合向結(jié)構(gòu)功能一體化方向發(fā)展。到目前為止，研究的陶瓷基復(fù)合材料基本上是結(jié)構(gòu)復(fù)合型材料。將逐步向結(jié)構(gòu)功能一體化方向發(fā)展，也就是復(fù)合材料既能滿足力學(xué)性能的要求，同時(shí)還具有其他物理、化學(xué)和電學(xué)性能。

5.4從一元補(bǔ)強(qiáng)、雙元混雜復(fù)合向多元混雜方向發(fā)展。用纖維、晶須或顆粒補(bǔ)強(qiáng)劑的陶瓷復(fù)合材料已經(jīng)取得良好的效果，同時(shí)二種補(bǔ)強(qiáng)劑雙元混雜的復(fù)合材料也取得了一定進(jìn)展，將會(huì)向多元混雜的方向發(fā)展。比如在混雜的纖維補(bǔ)強(qiáng)劑中還可以加入顆粒填料二種以上的納米顆粒同時(shí)彌散的復(fù)合材料，多元混雜有可能制備出超強(qiáng)度、超韌性的高性能陶瓷材料。

5.5由復(fù)合材料的常規(guī)設(shè)計(jì)向電子計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)發(fā)展

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第三篇：陶瓷基復(fù)合材料

碳/碳化硅陶瓷基復(fù)合材料

一、簡(jiǎn)介

陶瓷基復(fù)合材料(Ceramic matr ix composite ,CMC)是在陶瓷基體中引入第二相材料, 使之增強(qiáng)、增韌的多相材料, 又稱為多相復(fù)合陶瓷(Multiphase composite ceramic)或復(fù)相陶瓷(Diphase ceramic)。陶瓷基復(fù)合材料是20 世紀(jì)80 年代逐漸發(fā)展起來(lái)的新型陶瓷材料, 包括纖維(或晶須)增韌(或增強(qiáng))陶瓷基復(fù)合材料、異相顆粒彌散強(qiáng)化復(fù)相陶瓷、原位生長(zhǎng)陶瓷復(fù)合材料、梯度功能復(fù)合陶瓷及納米陶瓷復(fù)合材料。其因具有耐高溫、耐磨、抗高溫蠕變、熱導(dǎo)率低、熱膨脹系數(shù)低、耐化學(xué)腐蝕、強(qiáng)度高、硬度大及介電、透波等特點(diǎn),在有機(jī)材料基和金屬材料基不能滿足性能要求的工況下可以得到廣泛應(yīng)用, 成為理想的高溫結(jié)構(gòu)材料。報(bào)道,陶瓷基復(fù)合材料正是人們預(yù)計(jì)在21 世紀(jì)中可替代金屬及其合金的發(fā)動(dòng)機(jī)熱端結(jié)構(gòu)的首選材料。鑒于此, 許多國(guó)家都在積極開(kāi)展陶瓷基復(fù)合材料的研究, 大大拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域, 并相繼研究出各種制備新技術(shù)。

其中,C/SiC 陶瓷基復(fù)合材料是其中一個(gè)非常重要的體系。C/SiC 陶瓷基復(fù)合材料主要有兩種類型, 即碳纖維/碳化硅(Cf /SiC)和碳顆粒/碳化硅(Cp/SiC)陶瓷基復(fù)合材料。Cf /SiC 陶瓷基復(fù)合材料是利用Cf 來(lái)增強(qiáng)增韌SiC 陶瓷, 從而改善陶瓷的脆性, 實(shí)現(xiàn)高溫結(jié)構(gòu)材料所必需的性能, 如抗氧化、耐高溫、耐腐蝕等;Cp/SiC 陶瓷基復(fù)合材料是利用Cp 來(lái)降低SiC 陶瓷的硬度, 實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)陶瓷的可加工性能,同時(shí)具有良好的抗氧化性、耐腐蝕、自潤(rùn)滑等。本文主要綜述了Cf /SiC 陶瓷基復(fù)合材料的制備及應(yīng)用研究現(xiàn)狀,并且從結(jié)構(gòu)和功能一體化的角度, 提出了采用軟機(jī)械力化學(xué)法制備Cp 與SiC 復(fù)合粉體, 通過(guò)無(wú)壓燒結(jié)得到強(qiáng)度、抗氧化性、耐腐蝕等性能以滿足普通民用工業(yè)用的Cp/SiC 陶瓷基復(fù)合材料的制備技術(shù)及應(yīng)用前景。陶瓷基復(fù)合材料的性能與其結(jié)構(gòu)緊密相關(guān), 原材料、結(jié)構(gòu)和工藝不同,材料的性能也不同。構(gòu)成復(fù)合材料的組分材料包括纖維、基體和界面, 對(duì)于C/SiC 陶瓷基復(fù)合材料而言,界面的材料和結(jié)構(gòu)是影響其性能的關(guān)鍵。陶瓷基復(fù)合材料的性能包括物理化學(xué)性能和力學(xué)性能, 物化性能主要有密度、孔隙率、線膨脹系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)、熱導(dǎo)率、比熱容、抗氧化等, 力學(xué)性能主要有強(qiáng)度、模量、斷裂韌性、疲勞、高溫蠕變、抗熱震性、耐燒蝕等性能。韓秀峰等[4] 通過(guò)對(duì)C/SiC 復(fù)合材料進(jìn)行基體改性, 制備了2D C/C-SiC 復(fù)合材料,并與2DC-SiC 的顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能作了對(duì)比, 結(jié)果表明, 2D C/CSiC復(fù)合材料可在基本保持2D C/SiC 的抗彎強(qiáng)度的基礎(chǔ)上, 顯著提高斷裂韌性,基體改性效果明顯, 并得出結(jié)論,纖維的逐級(jí)拔出是KIC提高的原因。郭友軍等[ 5] 采用CVI 法制備了在厚度方向上具有纖維增強(qiáng)的3D-C/SiC 陶瓷基復(fù)合材料,其層間抗剪切強(qiáng)度比二維碳布疊層C/SiC 復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度提高171.4 %, 表現(xiàn)出良好的結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)異的力學(xué)性能。然而, 2D 層合編織結(jié)構(gòu)雖工藝成熟、成本低、制品尺寸范圍廣,但層間結(jié)合強(qiáng)度不高, 易分層;3D 整體編織結(jié)構(gòu)雖能有效提高厚度方向的強(qiáng)度和抗沖擊損傷性能, 但編織角較小時(shí)橫向力學(xué)性能較差。2.5D C/SiC 復(fù)合材料是一種不同于2D 和3D 的新型復(fù)合材料, 其編織結(jié)構(gòu)是用緯紗貫穿經(jīng)紗, 形成互鎖, 從而增強(qiáng)材料層間結(jié)合強(qiáng)度, 并改善橫向力學(xué)性能。如Boitier 等對(duì)2.5D C/SiC 復(fù)合材料的拉伸蠕變性能進(jìn)行測(cè)試和研究。Dalmaz 等對(duì)2.5D C/SiC 復(fù)合材料的循環(huán)疲勞性能和彈性模量進(jìn)行研究和分析。李宏等對(duì)2.5D C/SiC 復(fù)合材料的熱物理性能進(jìn)行了研究并得出結(jié)論:從室溫到1400 ℃縱向、橫向的熱膨脹系數(shù)隨溫度的升高而緩慢增加,在350 ℃和700 ℃附近出現(xiàn)波動(dòng);橫向的熱膨脹系數(shù)略高于縱向, 厚度方向的熱擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的升高逐漸降低, 且下降速率隨溫度的升高而變緩;經(jīng)過(guò)CVD S iC 涂層后,材料熱擴(kuò)散系數(shù)提高1 ～ 2 倍。姚亞?wèn)|等以正硅酸乙酯和硝酸鋁為原料, 制備了莫來(lái)石溶膠, 用浸涂法在碳/碳化硅Cf /SiC)上制備莫來(lái)石涂層(Mullite coating , MC), 對(duì)Cf /S iC 和Cf /SiC MC 進(jìn)行了等溫-氧化實(shí)驗(yàn),并研究了兩者的氧化規(guī)律。結(jié)果表明,Cf /SiC 和Cf /SiC MC 的氧化都可以劃分為3 個(gè)主要階段:θ<700 ℃;700 ℃<θ<1000 ℃;1000 ℃<θ<1200 ℃。在各個(gè)階段, 控制氧化速率的機(jī)理各有不同,Cf /SiCMC 的氧化質(zhì)量損失比Cf /SiC 的低50 %左右, 由此得出,MC 有效提高了Cf /SiC 的抗氧化性能。

二、C/ SiC 陶瓷基復(fù)合材料的主要制備技術(shù)

前驅(qū)體有機(jī)聚合物浸漬熱解轉(zhuǎn)化技術(shù)

將前驅(qū)體有機(jī)聚合物浸漬熱解(裂解)轉(zhuǎn)化(Polymer infiltrationpyrolysis ,簡(jiǎn)稱PIP)制備陶瓷基復(fù)合材料是20世紀(jì)70 年代至80 年代發(fā)展起來(lái)的新工藝和新技術(shù)。其基本原理是:合成前驅(qū)體有機(jī)聚合物, 將纖維預(yù)制體在前驅(qū)體溶液中浸漬,在一定條件下交聯(lián)固化, 然后在一定的溫度和氣氛下熱解轉(zhuǎn)化為陶瓷基體, 經(jīng)反復(fù)浸漬熱解最終獲得致密陶瓷基復(fù)合材料。Yajima S 曾以聚碳硅烷(Polycarbosilane, 簡(jiǎn)稱PCS)為原料制備出SiC 纖維, 開(kāi)創(chuàng)了有機(jī)聚合制備陶瓷的新領(lǐng)域。20 世紀(jì)80 年代中期掀起了對(duì)PIP 技術(shù)制備陶瓷基復(fù)合材料的研究熱潮, 20 多年來(lái), 日本、美國(guó)、法國(guó)和中國(guó)等在PIP 技術(shù)制備陶瓷基復(fù)合材料領(lǐng)域展開(kāi)了廣泛深入的研究,并取得了一些實(shí)用化的成果。簡(jiǎn)科等將先驅(qū)體聚碳硅烷與二乙烯基苯按物質(zhì)的量比1 ∶0.4 配置成溶液, 真空浸漬碳纖維三維編織體, 120 ℃下交聯(lián)固化6h , 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后取出, 然后在氬氣保護(hù)下高溫?zé)峤? 制得三維編織碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料, 經(jīng)過(guò)7 個(gè)真空浸漬-交聯(lián)固化-高溫?zé)峤庵芷? 使材料致密化, 制得材料彎曲強(qiáng)度達(dá)到556.7MPa 的Cf /SiC 復(fù)合材料。然而, 前驅(qū)體有機(jī)聚合物浸漬熱分解轉(zhuǎn)化技術(shù)制備的陶瓷基復(fù)合材料孔隙率高、體積變形大、工藝周期長(zhǎng)、生產(chǎn)效率低、工藝成本高, 不利于其推廣應(yīng)用。因此, 有待于探討新的制備方法, 如PIP 與CV I 聯(lián)用,不僅能夠提高復(fù)合材料的致密性, 而且縮短周期, 提高生產(chǎn)效率。

化學(xué)氣相沉積及滲積技術(shù)

化學(xué)氣相沉積技術(shù)(Chemical vapor deposition , 簡(jiǎn)稱CVD)是在具有貫通間隙的增強(qiáng)相材料(如纖維、晶須或顆粒)坯體或纖維編織體骨架中沉積陶瓷基體制備陶瓷基復(fù)合材料的方法, 其工藝為纖維編織體骨架或坯體置于化學(xué)氣相沉積爐內(nèi),通入沉積反應(yīng)源氣, 在沉積溫度下熱解或發(fā)生反應(yīng),生成所需的陶瓷基體材料,沉積在坯體的孔隙中, 并逐步填滿。化學(xué)氣相沉積溫度一般為1100 ～ 1500 ℃。如閆志巧等采用化學(xué)氣相沉積法, 于1100 ℃在碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料表面制備SiC 涂層, 研究了涂層連續(xù)沉積和分4 次沉積(每次沉積時(shí)間為6h)所制備的SiC 涂層的微觀結(jié)構(gòu)和涂層樣品的氧化性能。結(jié)果表明,與連續(xù)涂層樣品相比,4 次涂層能顯著提高C/SiC 樣品的抗氧化性能。CVD 工藝的優(yōu)點(diǎn)是:復(fù)合材料在制備過(guò)程中纖維受到的機(jī)械損傷和化學(xué)損傷小;可以制備纖維多向排布、編織和復(fù)雜形狀的制品;可用于制備組成可調(diào)的梯度功能復(fù)合材料。但CV D 技術(shù)也存在不足:生產(chǎn)周期長(zhǎng), 效率低, 成本高;坯體中的孔隙在CV D 過(guò)程中容易堵塞或形成閉孔, 即使提高壓強(qiáng), 反應(yīng)源氣體也無(wú)法進(jìn)入, 因而難以獲得高致密性的復(fù)合材料。目前常見(jiàn)的有常壓CV D、低壓CV D、等離子CVD、熱CVD、間隙CVD 和激光CVD 等方法?；贑VD 技術(shù)存在難以克服的缺點(diǎn), 人們又在此基礎(chǔ)上發(fā)展了化學(xué)氣相滲積技術(shù)。其基本原理是將氣態(tài)先驅(qū)體送達(dá)多孔隙的纖維編制預(yù)成型體中的纖維表面, 在其上發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成不揮發(fā)的產(chǎn)物并沉積, 形成陶瓷基體, 與預(yù)成型體中的纖維一道構(gòu)成復(fù)合材料, 并有可能用于凈成型而毋須對(duì)復(fù)合材料產(chǎn)品進(jìn)行二次機(jī)械加工。CVI 與CVD 相比具有效率高、速度快、密度高、強(qiáng)度高、韌性高、臨界應(yīng)變值高,可以制備大尺寸部件等諸多優(yōu)點(diǎn)。常規(guī)的CV I 工藝是等溫CVI , 它具有能在同一反應(yīng)爐中同時(shí)沉積多個(gè)或不同形狀的預(yù)制件的優(yōu)點(diǎn), 但只能沉積簡(jiǎn)單的薄壁件, 對(duì)于粗厚型件內(nèi)部往往出現(xiàn)孔洞, 存在致密性差, 材料沉積不均勻的問(wèn)題, 同時(shí)其工藝周期特別長(zhǎng), 材料制備成本較高。為了降低成本, 縮短工藝周期和優(yōu)化工藝,陸續(xù)出現(xiàn)了脈沖法、熱梯度法、壓差溫度梯度法等。北京航空材料研究院提出了一種位控化學(xué)氣相沉積法來(lái)制備Cf /SiC 材料, 制備的復(fù)合材料致密性好, 當(dāng)纖維的體積分?jǐn)?shù)約為50 %時(shí), 材料的密度達(dá)到2.44g/cm3 , 為理論密度的96 %。此外還有激光CV I(LCVI)法、強(qiáng)制流動(dòng)熱梯度CVI法(FCVI)、微波CVI 法(MWCVI)等, 應(yīng)用這些工藝, 可制備零維到三維的形狀稍微復(fù)雜的陶瓷材料構(gòu)件[ 17 ,18]。如魏璽等根據(jù)C 纖維預(yù)制體的結(jié)構(gòu)特征, 建立了ICVI 過(guò)程中預(yù)制體孔隙演變的“多尺度孔隙模型” , 并根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和傳質(zhì)學(xué)的基本理論, 建立了用于C/SiC 復(fù)合材料ICVI過(guò)程的數(shù)學(xué)模型, 很好地描述了C/SiC 復(fù)合材料ICVI 致密化過(guò)程,對(duì)ICVI 工藝的優(yōu)化有指導(dǎo)意義。因此, CVI 技術(shù)是目前應(yīng)用較廣泛的一種制備陶瓷基復(fù)合材料行之有效的方法。

料漿浸漬及熱壓燒結(jié)法

料漿浸漬及熱壓燒結(jié)法是最早用于制備連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的方法,其基本原理是將具有可燒結(jié)性的基體原料粉末與連續(xù)纖維用浸漬工藝制成坯體, 然后在高溫下加壓燒結(jié), 使基體材料與纖維結(jié)合制成復(fù)合材料。該技術(shù)已用于制備各種纖維增強(qiáng)玻璃和玻璃陶瓷基復(fù)合材料。20世紀(jì)90 年代初又將此工藝用于制備非氧化物陶瓷基體, 如S iC、Si3N4 陶瓷基體等, 并將該法用于先驅(qū)體轉(zhuǎn)化制備Cf /S iC 陶瓷基復(fù)合材料, 在料漿浸漬熱壓工藝制備Cf /SiC 復(fù)合材料中,可制備性能較好的纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。但用該法難以制備大尺寸及形狀復(fù)雜的陶瓷基復(fù)合材料,只能制得一維或二維的纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料, 對(duì)于三維編織物增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料, 熱壓時(shí)易使纖維骨架變形移位和受到損傷, 并且纖維與基體的比例較難控制, 成品中的纖維不易均勻分布。

液相硅浸漬法

液相硅浸漬法(Liquid silicon infiltration , 簡(jiǎn)稱LSI)是指在真空條件下, 固體硅在1600 ℃下熔融成液態(tài)硅, 通過(guò)多孔碳/碳坯體中氣孔的毛細(xì)作用滲透到坯體內(nèi)部與碳基體反應(yīng)生成碳化硅基體, 因此, 又稱反應(yīng)性熔體浸滲法(Reactivemelt infilt ration , RMI)。通過(guò)控制硅的用量可以得到C/CSiC 復(fù)合材料或C/Si-SiC 復(fù)合材料。德國(guó)宇航院曾采用反應(yīng)熔體浸滲多孔C/C 復(fù)合材料的方法制備了C/SiC 復(fù)合材料。萬(wàn)玉慧等采用液相硅浸漬法制備了密度為2.31g/cm3的2D C/SiC 陶瓷基復(fù)合材料, 并對(duì)材料的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。采用液相硅浸漬工藝可以制備大尺寸、復(fù)雜的薄壁結(jié)構(gòu)組件, 工藝時(shí)間短, 材料來(lái)源廣泛, 可以近凈成型, 成本較低。然而LS I 工藝的不足在于制備Cf /SiC 復(fù)合材料時(shí), 由于熔融Si 與基體C 發(fā)生反應(yīng)的過(guò)程中, 不可避免地會(huì)與碳纖維發(fā)生反應(yīng), 纖維被浸蝕導(dǎo)致性能下降;同時(shí), 復(fù)合材料中殘留有一定量的Si 導(dǎo)致復(fù)合材料抗蠕變性能降低。

其他制備方法

上述方法均用來(lái)制備碳纖維增強(qiáng)碳化硅(Cf /SiC)陶瓷基復(fù)合材料,對(duì)于制備碳顆粒復(fù)合碳化硅(Cp/SiC)陶瓷基復(fù) 合材料,采用軟化學(xué)方法[ 23] 較為經(jīng)濟(jì)合理、普遍。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和社會(huì)需求的不斷增長(zhǎng), 人們對(duì)基礎(chǔ)性材料之一———顆粒的粒徑、純度、形貌及微結(jié)構(gòu)提出了越來(lái)越高的要求。傳統(tǒng)的高溫固相燒結(jié)法制得的顆粒粒徑大且分布范圍寬,雜質(zhì)含量高且波動(dòng)性大, 一定程度上影響了材料的性能。因此, 高溫固相法已不能滿足科技發(fā)展的要求。相對(duì)于傳統(tǒng)的高溫固相法而言, 軟化學(xué)方法(Soft chemistry , SF)是一種在低溫低壓的“軟環(huán)境”中制備粉體材料的方法,近年來(lái)已廣泛應(yīng)用于制備功能納米材料。作為一類先進(jìn)的材料制備手段, 軟化學(xué)方法接近自然過(guò)程, 其因反應(yīng)條件溫和, 且生產(chǎn)出的納米顆粒高純超細(xì)、性能優(yōu)異, 引起了人們的廣泛關(guān)注, 并得到迅速發(fā)展[ 24]。因此, 加強(qiáng)軟化學(xué)穩(wěn)定體系的基礎(chǔ)理論及應(yīng)用研究, 對(duì)于開(kāi)發(fā)新的功能材料, 提高材料的性能,不斷拓展新的應(yīng)用空間具有重要意義。溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠(S ol-Gel)制備技術(shù)已用于生產(chǎn)各種高性能陶瓷[ 27] , 在軟化學(xué)方法中具有特殊的地位。溶膠-凝膠技術(shù)是一種由金屬有機(jī)化合物、金屬無(wú)機(jī)化合物或上述兩者混合物經(jīng)水解縮聚過(guò)程, 逐漸膠化并進(jìn)行相應(yīng)的后處理, 最終獲得氧化物或其他化合物的工藝。如今它已成為研究最多、應(yīng)用最廣泛的制備納米材料的化學(xué)方法之一。溶膠-凝膠法制備的復(fù)合組分純度高、分散性好,可廣泛用于制備顆粒(包括納米粒子)/陶瓷、(纖維-顆粒)/陶瓷復(fù)合材料, 且制得的陶瓷基復(fù)合材料性能良好。Liedtke 等[ 25] 采用快速溶膠-凝膠法, 將碳纖維預(yù)制體經(jīng)過(guò)溶膠浸漬、固化得到凝膠, 然后經(jīng)高溫高壓熱分解制備C/SiC 復(fù)合材料, 用此法制備的C/SiC 復(fù)合陶瓷的性能和可能的應(yīng)用將優(yōu)于商業(yè)化的產(chǎn)品。Gadiou 等通過(guò)溶膠-凝膠法制備的碳化物涂層提高了C 纖維的抗氧化性能。

軟機(jī)械力化學(xué)法

機(jī)械力化學(xué)技術(shù)(Mechanochemical process , CP)是利用機(jī)械能誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)和誘導(dǎo)材料組織、結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生變化來(lái)制備新材料或?qū)Σ牧线M(jìn)行改性處理。機(jī)械力化學(xué)法與傳統(tǒng)的技術(shù)工藝相比,具有以下優(yōu)勢(shì):①減少生產(chǎn)階段, 簡(jiǎn)化工藝流程;②不涉及溶劑的使用及熔煉, 減少了對(duì)環(huán)境的污染;③可獲得用傳統(tǒng)的工藝很難或不能獲得的亞穩(wěn)相產(chǎn)品。21 世紀(jì)初, Lu 等將Ti、Si、C 按Ti25 Si25C50 的比例混合, 采用機(jī)械力化學(xué)法, 經(jīng)過(guò)100h 行星球磨后, 制備出TiC-SiC 復(fù)合粉體;崔曉龍等以硅粉和石油焦為原料利用機(jī)械合金化技術(shù)制備出SiC , 并認(rèn)為生成物是六方晶型的α-SiC。然而,硬機(jī)械力化學(xué)法在隨機(jī)研磨過(guò)程中能量效率低, 并對(duì)材料產(chǎn)生污染。但是, 軟機(jī)械力化學(xué)法(“ Soft ” mechanochemicalprocesses , SMCP)是采用機(jī)械法將原材料進(jìn)行預(yù)處理,從而降低其反應(yīng)活化能, 制備陶瓷復(fù)合粉體的一種方法。如Yang Yun 等以C 粉、Si 粉、聚四氟乙烯/PVC/NH4Cl為原料, 采用機(jī)械激活(軟機(jī)械力化學(xué))燃燒合成反應(yīng)法(MASHS)在氬氣氛保護(hù)下球磨2 ～ 8h , 制備出β-SiC 不同粒徑的超細(xì)粉料, 將傳統(tǒng)的燃燒合成SiC 微粉的燃燒溫度從2273 ～ 3273K 降低到1600 ～ 1700K , 甚至更低。筆者通過(guò)試驗(yàn)得出, 軟機(jī)械力化學(xué)法是制備Cp/SiC 復(fù)合粉體行之有效的方法之一, 采用該法不僅較好地改善了碳顆粒在SiC 中的分散均勻性問(wèn)題, 而且能夠降低復(fù)合粉體的燒結(jié)溫度, 制備出綜合性能(熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、可加工性等)良好的陶瓷基復(fù)合材料。三、應(yīng)用前景

可應(yīng)用于剎車材料、航空航天用熱結(jié)構(gòu)材料、衛(wèi)星反射鏡用材料、高溫玻璃支架、夾具及模具材料等，應(yīng)用范圍之廣，作用之大是未來(lái)主要材料之一。

第四篇：陶瓷基復(fù)合材料（范文）

陶瓷基復(fù)合材料的研究與展望

涂秋梅

（中國(guó)計(jì)量學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

摘要

陶瓷基復(fù)合材料不是傳統(tǒng)意義上的陶瓷，它是以陶瓷為基體與各種纖維復(fù)合的一類復(fù)合材料，通過(guò)往陶瓷材料中加入起增韌作用的第二相而增加陶瓷的韌性來(lái)克服傳統(tǒng)陶瓷脆性差的缺點(diǎn)，使得陶瓷基復(fù)合材料成為了人們廣泛的研究熱點(diǎn)，也使陶瓷基復(fù)合材料展現(xiàn)出了廣泛的應(yīng)用前景。本文綜述了陶瓷基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀，闡述了復(fù)合陶瓷材料的特點(diǎn)，介紹了陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：陶瓷基復(fù)合材料；研究現(xiàn)狀；特點(diǎn)；應(yīng)用領(lǐng)域

Research and Prospect of composite ceramic

Qiumei Tu(College of Material Science and Engineering, China Jiliang University，Zhejiang Hangzhou 310018)

Abstract Ceramic matrix composite materials is not the traditional sense of ceramics, it is a kind of composite material with ceramic composite matrix with various fiber, the second phase in ceramic materials are added to the toughening effect and increase the toughness of ceramic to overcome the traditional shortcomings make the brittleness of ceramic, ceramic matrix composites becomes a research hotspot extensive, also make the ceramic matrix composites showed wide application prospect.This paper summarized the present research situation of ceramic matrix composites, expounds the characteristics of composite ceramic materials, introduces the field of application of Tao Ciji composites.Keywords: ceramic matrix composites;research status;characteristics;application 0.前言

近些年新材料的世界市場(chǎng)正以兩倍于整個(gè)世界經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度而發(fā)展。其中陶瓷基復(fù)合材料的發(fā)展尤為矚目。同金屬材料相比,陶瓷材料在耐熱性、耐磨性、抗氧化、抗腐蝕以及高溫力學(xué)性能等方面都具有不可替代的優(yōu)點(diǎn)，它克服了一般陶瓷的脆性，其應(yīng)用已涉及到空間探索、科研、生產(chǎn)、建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域[1]。

1.陶瓷基復(fù)合材料的概況

陶瓷基復(fù)合材料不是傳統(tǒng)意義上的陶瓷，陶瓷基復(fù)合材料是以陶瓷為基體與各種纖維復(fù)合的一類復(fù)合材料。陶瓷基體可為氮化硅、碳化硅等高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。這些先進(jìn)陶瓷具有耐高溫、高強(qiáng)度和剛度、相對(duì)重量較輕、抗腐蝕等優(yōu)異性能，而其致命的弱點(diǎn)是具有脆性，處于應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂導(dǎo)致材料失效。而采用高強(qiáng)度、高彈性的纖維與基體復(fù)合，則是提高陶瓷韌性和可靠性的一個(gè)有效的方法。纖維能阻止裂紋的擴(kuò)展，從而得到有優(yōu)良韌性的纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。

2.陶瓷基復(fù)合材料的增韌技術(shù)[2]

陶瓷基復(fù)合材料中的增強(qiáng)體通常也稱為增韌體。從幾何尺寸上可分為纖維（長(zhǎng)、短纖維）、晶須和顆粒三類。2.1纖維增韌

為了提高復(fù)合材料的韌性，必須盡可能提高材料斷裂時(shí)消耗的能量。任何固體材料在載荷作用下(靜態(tài)或沖擊)，吸收能量的方式無(wú)非是兩種：材料變形和形成新的表面。對(duì)于脆性基體和纖維來(lái)說(shuō)，允許的變形很小，因此變形吸收的斷裂能也很少。為了提高這類材料的吸能，只能是增加斷裂表面，即增加裂紋的擴(kuò)展路徑。

纖維的引入不僅提高了陶瓷材料的韌性，更重要的是使陶瓷材料的斷裂行為發(fā)生了根本性變化，由原來(lái)的脆性斷裂變成了非脆性斷裂。纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的增韌機(jī)制包括基體預(yù)壓縮應(yīng)力、裂紋擴(kuò)展受阻、纖維拔出、纖維橋聯(lián)、裂紋偏轉(zhuǎn)、相變?cè)鲰g等[3,4]。

能用于增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的纖維種類較多，包括氧化鋁系列(包括莫來(lái)石)、碳化硅系列、氮化硅系列、碳纖維等，除了上述系列纖維外，目前正在開(kāi)發(fā)的還有BN、TiC、B4C等復(fù)相纖維[5]。

纖維拔出是纖維復(fù)合材料的主要增韌機(jī)制，通過(guò)纖維拔出過(guò)程的摩擦耗能，使復(fù)合材料的斷裂功增大，纖維拔出過(guò)程的耗能取決于纖維拔出長(zhǎng)度和脫粘面的滑移阻力，滑移阻力過(guò)大，纖維拔出長(zhǎng)度較短，增韌效果不好，如果滑移阻力過(guò)小，盡管纖維拔出較長(zhǎng)，但摩擦做功較小，增韌效果也不好，反而強(qiáng)度較低。纖維拔出長(zhǎng)度取決于纖維強(qiáng)度分布、界面滑移阻力。2.2晶須增韌

陶瓷晶須是具有一定長(zhǎng)徑比且缺陷很少的陶瓷小單晶，因而具有很高的強(qiáng)度，是一種非常理想的陶瓷基復(fù)合材料的增韌增強(qiáng)體[6]。陶瓷晶須目前常用的有SiC晶須，Si3N4晶須和Al2O3晶須?；w常用的有ZrO2、Si3N4、SiO2、Al2O3和莫來(lái)石等。

晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料的主要增韌機(jī)制包括晶須拔出、裂紋偏轉(zhuǎn)、晶須橋聯(lián)、其增韌機(jī)理與纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料相類似。晶須增韌效果不隨溫度而變化，因此，晶須增韌被認(rèn)為是高溫結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料的主要增韌方式。晶須增韌陶瓷復(fù)合材料主要有2種方法[7]。(1)外加晶須法：即通過(guò)晶須分散、晶須與基體混合、成形、再經(jīng)煅燒制得增韌陶瓷。如加入到氧化物、碳化物、氮化物等基體中得到增韌陶瓷復(fù)合材料，此法目前較為普遍；(2)原位生長(zhǎng)晶須法：將陶瓷基體粉末和晶須生長(zhǎng)助劑等直接混合成形，在一定的條件下原位合成晶須，同時(shí)制備出含有該晶須的陶瓷復(fù)合材料，這種方法尚未成熟，有待進(jìn)一步探索。2.3顆粒增韌

用顆粒作為增韌劑，制備顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料，其原料的均勻分散及燒結(jié)致密化都比短纖維及晶須復(fù)合材料簡(jiǎn)便易行。因此，盡管顆粒的增韌效果不如晶須與纖維，但如顆粒種類、粒徑、含量及基體材料選擇得當(dāng)，仍有一定的韌化效果，同時(shí)會(huì)帶來(lái)高溫強(qiáng)度、高溫蠕變性能的改善。所以，顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料同樣受到重視，并開(kāi)展了有效的研究工作。從增韌機(jī)理上分，顆粒增韌分為非相變第二相顆粒增韌、延性顆粒增韌、納米顆粒增韌[8]。

非相變第二相顆粒增韌主要是通過(guò)添加顆粒使基體和顆粒間產(chǎn)生彈性模量和熱膨脹失配來(lái)達(dá)到強(qiáng)化和增韌的目的。延性顆粒增韌是在脆性陶瓷基體中加入第二相延性顆粒來(lái)提高陶瓷的韌性，一般加入金屬粒子。金屬粒子作為延性第二相引入陶瓷基體內(nèi)，不僅改善了陶瓷的燒結(jié)性能，而且可以以多種方式阻礙陶瓷中裂紋的擴(kuò)展，如裂紋的鈍化、偏轉(zhuǎn)、釘扎及金屬粒子的拔出等，使得復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性得以提高。Al2O3-10%(體積分?jǐn)?shù))Ni3Al復(fù)合材料中的斷裂主要是沿晶斷裂，Ni3Al顆粒的存在使裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖1(a)。圖1(a)所示的材料室溫下斷裂韌性值為7 MPa·m1/2。復(fù)合材料中裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中碰到緊鄰的長(zhǎng)條狀Ni3Al顆粒后發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)從而減小了裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力，提高了復(fù)合材料的韌性。而圖1(b)所示的材料的斷裂韌性值僅為3 MPa·m1/2，對(duì)Al2O3陶瓷基本起不到增韌的效果。這是因?yàn)榍驙畹腘i3Al對(duì)促使裂紋偏轉(zhuǎn)作用很小。由此可見(jiàn)第二相對(duì)裂紋偏轉(zhuǎn)的程度取決于其顆粒形狀。顆粒的長(zhǎng)徑比越大，對(duì)裂紋偏轉(zhuǎn)作用越明顯，阻止其擴(kuò)展的能量越大，直到阻止其繼續(xù)擴(kuò)展。因此為了顯著地提高復(fù)合材料的斷裂韌性，應(yīng)該合理地選擇第二相顆粒的長(zhǎng)徑比[9]。

圖1 Ni3Al顆粒對(duì)裂紋偏轉(zhuǎn)的作用(b)長(zhǎng)條狀Ni3Al顆粒；(b)球狀Ni3Al顆粒

另外，在圖1中還可以明顯的看出裂紋的彎曲，當(dāng)裂紋經(jīng)過(guò)顆粒時(shí)，其尖端在顆粒出發(fā)生彎曲，形狀改變，裂紋長(zhǎng)度的增加和新裂紋表面的形成都會(huì)消耗能量，從而達(dá)到提高復(fù)合材料韌性的效果。第二相增韌顆粒從微米級(jí)減小到亞微米或納米時(shí)，材料的性能同樣會(huì)發(fā)生顯著變化，納米復(fù)相陶瓷便應(yīng)運(yùn)而生。在實(shí)現(xiàn)陶瓷的完全納米化比較困難的情況下，納米復(fù)合增韌則是一種非常切實(shí)可行的技術(shù)。

2.陶瓷基復(fù)合材料的成型[1]

陶瓷基復(fù)合材料的成形方法分為兩類：一類是針對(duì)陶瓷短纖維、晶須、顆粒等增強(qiáng)體，復(fù)合材料的成形工藝與陶瓷基本相同，如料漿澆鑄法、熱壓燒結(jié)法等；另一類是針對(duì)碳、石墨、陶瓷連續(xù)纖維增強(qiáng)體，復(fù)合材料的成形工藝常采用料漿浸滲法、料漿浸漬后熱壓燒結(jié)法和化學(xué)氣相滲透法。料漿浸滲法是將纖維增強(qiáng)體編織成所需形狀，用陶瓷漿料浸滲，干燥后進(jìn)行燒結(jié)。該法的優(yōu)點(diǎn)是不損傷增強(qiáng)體，工藝較簡(jiǎn)單，無(wú)需模具。缺點(diǎn)是增強(qiáng)體在陶瓷基體中的分布不大均勻。

料漿浸漬熱壓成形法是將纖維或織物增強(qiáng)體置于制備好的陶瓷粉體漿料里浸漬，然后將含有漿料的纖維或織物增強(qiáng)體布成一定結(jié)構(gòu)的坯體，干燥后在高溫、高壓下熱壓燒結(jié)為制品。與浸滲法相比，該方法所獲制品的密度與力學(xué)性能均有所提高。

氣相滲透工藝是將增強(qiáng)纖維編織成所需形狀的預(yù)成形體，并置于一定溫度的反應(yīng)室內(nèi)，然后通入某種氣源，在預(yù)成形體孔穴的纖維表面上產(chǎn)生熱分解或化學(xué)反應(yīng)沉積出所需陶瓷基質(zhì)，直至預(yù)成形體中各孔穴被完全填滿，獲得高致密度、高強(qiáng)度、高韌度的制件。

3.陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用前景

目前有將陶瓷基復(fù)合材料用作耐磨材料，做軸承、刀具等。復(fù)合材料的應(yīng)用是十分廣泛，幾乎包括日常生活、化學(xué)工業(yè)、機(jī)械、電子、石油、食品、航空航天、國(guó)防等各個(gè)部門(mén)與領(lǐng)域。陶瓷基復(fù)合材料已實(shí)用化或即將實(shí)用化的領(lǐng)域有刀具、滑動(dòng)構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)制件、能源構(gòu)件等。法國(guó)已將長(zhǎng)纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料應(yīng)用于制造高速列車的制動(dòng)件，顯示出優(yōu)異的摩擦磨損特性，取得滿意的使用效果。連續(xù)纖維補(bǔ)強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料(Continuous FiberReinforced Ceramic Matrix Composites，簡(jiǎn)稱CFCC)是將耐高溫的纖維植入陶瓷基體中形成的一種高性能復(fù)合材料。由于其具有高強(qiáng)度和高韌性，特別是具有與普通陶瓷不同的非失效性斷裂方式，使其受到世界各國(guó)的極大關(guān)注。連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料已經(jīng)開(kāi)始在航天航空、國(guó)防等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[10,11]。20多年來(lái)，世界各國(guó)特別是歐美以及日本等對(duì)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝和增強(qiáng)理論進(jìn)行了大量的研究，取得了許多重要的成果，有的已經(jīng)達(dá)到實(shí)用化水平。如法國(guó)生產(chǎn)的“Cerasep”可作為“Rafale”戰(zhàn)斗機(jī)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和“Hermes”航天飛機(jī)的部件和內(nèi)燃機(jī)的部件[4]；SiO2纖維增強(qiáng)SiO2復(fù)合材料已用作“哥倫比亞號(hào)”和“挑戰(zhàn)者號(hào)”航天飛機(jī)的隔熱瓦[5]。由于纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料有著優(yōu)異的高溫性能、高韌性、高比強(qiáng)、高比模以及熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，能有效地克服對(duì)裂紋和熱震的敏感性。

4.總結(jié)

新型材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用已成為當(dāng)今科技進(jìn)步的一個(gè)重要標(biāo)志，陶瓷基復(fù)合材料使材料的韌性大大改善，同時(shí)其強(qiáng)度、模量有了提高。陶瓷基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐高溫性能，主要用作高溫及耐磨制品，其最高使用溫度主要取決于基體特征，并顯示出優(yōu)異的摩擦磨損特性，取得滿意的使用效果，陶瓷基復(fù)合材料已實(shí)用化，它正以其優(yōu)良的性能引起人們的重視。目前，陶瓷基復(fù)合材料幾乎遍及現(xiàn)代科技的每一個(gè)領(lǐng)域?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著對(duì)其理論問(wèn)題的不斷深入研究和制備技術(shù)的不斷開(kāi)發(fā)與完善，它的應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大，應(yīng)用前景十分廣闊。參考文獻(xiàn)：

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第五篇：陶瓷基復(fù)合材料

陶瓷基復(fù)合材料論文

2015年5月5日

摘要：陶瓷基復(fù)合材料主要以高性能陶瓷為基體．通過(guò)加入顆粒、晶須、連續(xù)纖維和層狀材料等增強(qiáng)體而形成的復(fù)合材料。如碳化硅、氮化硅、氧化鋁等，具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、重量輕和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。陶瓷基復(fù)合材料的研究還處于較初級(jí)階段，我國(guó)對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的研究則剛剛起步不久。

關(guān)鍵詞：陶瓷基復(fù)合材料

基體

增強(qiáng)體

強(qiáng)韌化機(jī)理

制備技術(shù)

前言：陶瓷基復(fù)合材料是以陶瓷為基體與各種纖維復(fù)合的一類復(fù)合材料。陶瓷基體可為氮化硅、碳化硅等高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。這些先進(jìn)陶瓷具有耐高溫、高強(qiáng)度和剛度、相對(duì)重量較輕、抗腐蝕等優(yōu)異性能，而其致命的弱點(diǎn)是具有脆性，處于應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂導(dǎo)致材料失效。而采用高強(qiáng)度、高彈性的纖維與基體復(fù)合，則是提高陶瓷韌性和可靠性的一個(gè)有效的方法。纖維能阻止裂紋的擴(kuò)展，從而得到有優(yōu)良韌性的纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。

陶瓷基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐高溫性能，主要用作高溫及耐磨制品。其最高使用溫度主要取決于基體特征。

正文

一、陶瓷基復(fù)合材料基本概述

陶瓷基復(fù)合材料的基體為陶瓷。如碳化硅、氮化硅、氧化鋁等，具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、重量輕和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。化學(xué)鍵往往是介于離子鍵與共價(jià)鍵之間的混合鍵。陶瓷基復(fù)合材料中的增強(qiáng)體通常也稱為增韌體。從幾何尺寸上可分為纖維(長(zhǎng)、短纖維)、晶須和顆粒三類。碳纖維主要用在把強(qiáng)度、剛度、重量和抗化學(xué)性作為設(shè)計(jì)參數(shù)的構(gòu)件；其它常用纖維是玻璃纖維和硼纖維。纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料是改善陶瓷材料韌性的重要手段。目前常用的晶須是SiC和A12O3，常用的基體則為A12O3，ZrO2，SiO2，Si3N4以及莫來(lái)石等。

晶須具有長(zhǎng)徑比，含量較高時(shí)，橋架效應(yīng)使致密化困難，引起了密度的下降導(dǎo)致性能下降。顆粒代替晶須在原料的混合均勻化及燒結(jié)致密化方面均比晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料要容易。常用的顆粒也是SiC、Si3N4和A12O3等。陶瓷基復(fù)合材料發(fā)展遲滯，發(fā)展過(guò)程中也遇到了比其它復(fù)合材料更大的困難。陶瓷基復(fù)合材料的研究還處于較初級(jí)階段，我國(guó)對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的研究則剛剛起步不久。

二、陶瓷基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)性能

(1)陶瓷能夠很好地滲透進(jìn)纖維點(diǎn)須和顆粒增強(qiáng)材料；(2)同增強(qiáng)材料之間形成較強(qiáng)的結(jié)合力；

(3)在制造和使用過(guò)程中同增強(qiáng)纖維間沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)；

(4)對(duì)纖維的物理性能沒(méi)有損傷；(5)很好的抗蠕變、抗沖擊、抗疲勞性能；

(6)高韌性；

(7)化學(xué)穩(wěn)定性，具有耐腐蝕、耐氧化、耐潮濕等化學(xué)性能 1．陶瓷基復(fù)合材料的基體

陶瓷基復(fù)合材料的基體為陶瓷，這是一種包括范圍很廣的材料，屬于無(wú)機(jī)化合物。現(xiàn)代陶瓷材料的研究，最早是從對(duì)硅酸鹽材料的研究開(kāi)始的，隨后又逐步擴(kuò)大到了其他的無(wú)機(jī)非金屬材料。目前被人們研究最多的是碳化硅、氮化硅、氧化鋁等，它們普遍具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、重量輕和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。2.瓷基體的種類

陶瓷基體材料主要以結(jié)晶和非結(jié)晶兩種形態(tài)的化合物存在，按照組成化合物的元素不同，又可以分為氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷等。此外，還有一些會(huì)以混合氧化物的形態(tài)存在。

1）氧化物陶瓷基體

（1）氧化鋁陶瓷基體

以氧化鋁為主要成分的陶瓷稱為氧化鋁陶瓷，氧化鋁僅有一種熱動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的相態(tài)。氧化鋁陶瓷包括高純氧化鋁瓷，99氧化鋁陶瓷，95氧化鋁陶瓷，85氧化鋁陶瓷等。

(2)氧化鋯陶瓷基體

以氧化鋯為主要成分的陶瓷稱為氧化鋯陶瓷。氧化鋯密度5.6-5.9g/cm3，熔點(diǎn)2175℃。穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)小，韌性好，化學(xué)穩(wěn)定性良好，高溫時(shí)具有抗酸性和抗堿性。

2）氮化物陶瓷基體

(1)氮化硅陶瓷基體

以氮化硅為主要成分的陶瓷稱氮化硅陶瓷，氮化硅陶瓷有兩種形態(tài)。此外氮化硅還具有熱膨脹系數(shù)低，優(yōu)異的抗冷熱聚變能力，能耐除氫氟酸外的各種無(wú)機(jī)酸和堿溶液，還可耐熔融的鉛、錫、鎳、黃鋼、鋁等有色金屬及合金的侵蝕且不粘留這些金屬液。

(2)氮化硼陶瓷基體

以氮化硼為主要成分的陶瓷稱為氯化硼陶瓷。氮化硼是共價(jià)鍵化合物 3）碳化物陶瓷基體

以碳化硅為主要成分的陶瓷稱為碳化硅陶瓷。碳化硅是一種非常硬和抗磨蝕的材料，以熱壓法制造的碳化硅用來(lái)作為切割鉆石的刀具。碳化硅還具有優(yōu)異的抗腐蝕性能，抗氧化性能

(1)碳化硼陶瓷基體

以碳化硼為主要成分的陶瓷稱為碳化硼陶瓷。碳化硼是一種低密度、高熔點(diǎn)、高硬度陶瓷。碳化硼粉末可以通過(guò)無(wú)壓燒結(jié)、熱壓等制備技術(shù)形成致密的材料。3．陶瓷復(fù)合材料的增強(qiáng)體

陶瓷基復(fù)合材料中的增強(qiáng)體，通常也稱為增韌體。從幾何尺寸上增強(qiáng)體可分為纖維(長(zhǎng)、短纖維)、晶須和顆粒三類。1)纖維

纖維類增強(qiáng)體有連續(xù)長(zhǎng)纖維和短纖維。連續(xù)長(zhǎng)纖維的連續(xù)長(zhǎng)度均超過(guò)數(shù)百。纖維性能有方向性，一般沿軸向均有很高的強(qiáng)度和彈性模量。2)顆粒

顆粒類增強(qiáng)體主要是一些具有高強(qiáng)度、高模量。耐熱、耐磨。耐高溫的陶瓷等無(wú)機(jī)非金屬顆粒，主要有碳化硅、氧化鋁、碳化鈦、石墨。細(xì)金剛石、高嶺土、滑石、碳酸鈣等。主要還有一些金屬和聚合物顆粒類增強(qiáng)體，后者主要有熱塑性樹(shù)脂粉末。3)晶須

晶須是在人工條件下制造出的細(xì)小單晶，一般呈棒狀，其直徑為0.2~1微米，長(zhǎng)度為幾十微米，由于其具有細(xì)小組織結(jié)構(gòu)，缺陷少，具有很高的強(qiáng)度和模量。晶須與顆粒對(duì)陶瓷材料的增韌均有一定作用，且各有利弊。晶須的增強(qiáng)增韌效果好，但含量高時(shí)會(huì)使致密度下降；顆?？煽朔ы毜倪@一弱點(diǎn)，但其增強(qiáng)增韌效果卻不如晶須。由此很容易想到，若將晶須與顆粒共同使用，則可取長(zhǎng)補(bǔ)短，達(dá)到更好的效果。目前，已有了這方面的研究工作，如使用SiCw與ZrO2來(lái)共同增韌，用SiCw與SiCp來(lái)共同增韌等。

4.陶瓷基復(fù)合材料增強(qiáng)體分布 1.纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料 1）單向排布長(zhǎng)纖維復(fù)合材料

當(dāng)外加應(yīng)力進(jìn)一步提高時(shí)，由于基體與纖維間的界面離解，同時(shí)又由于纖維的強(qiáng)度高于基體的強(qiáng)度，從而使纖維從基體中拔出。當(dāng)拔出的長(zhǎng)度達(dá)到某一臨界值時(shí)，會(huì)使纖維發(fā)生斷裂。因此，裂紋的擴(kuò)展必須克服由于纖維的加入而產(chǎn)生的拔出功和纖維斷裂功，這樣，使得材料的斷裂更為困難，從而起到了增韌的作用。2）多向排布纖維增韌復(fù)合材料

單向排布纖維增韌陶瓷只是在纖維排列方向上的縱向性能較為優(yōu)越，而其橫向性能顯著低于縱向性能，所以只適用于單軸應(yīng)力的場(chǎng)合。

而許多陶瓷構(gòu)件則要求在二維及三維方向上均具有優(yōu)良的性能，這就要進(jìn)一步研究多向排布纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。2.晶須和顆粒增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料

長(zhǎng)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料雖然性能優(yōu)越，但它的制備工藝復(fù)雜，而且纖維在基體中不易分布均勻。因此，近年來(lái)又發(fā)展了短纖維、晶須及顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料。由于短纖維與晶須相似，故只討論后兩種情形。由于晶須的尺寸很小，從客觀上看與粉末一樣，因此在制備復(fù)合材料時(shí)，只需將晶須分散后與基體粉末混合均勻，然后對(duì)混好的粉末進(jìn)行熱壓燒結(jié)，即可制得致密的晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料。晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料的性能與基體和晶須的選擇、晶須的含量及分布等因素有關(guān)。

5.陶瓷基復(fù)合材料的界面和強(qiáng)韌化機(jī)理 1）界面的粘結(jié)形式

（1）機(jī)械結(jié)合（2）化學(xué)結(jié)合 陶瓷基復(fù)合材料往往在高溫下制備，由于增強(qiáng)體與基體的原子擴(kuò)散，在界面上更易形成固溶體和化合物。此時(shí)其界面是具有一定厚度的反應(yīng)區(qū)，它與基體和增強(qiáng)體都能較好的結(jié)合，但通常是脆性的。

2）界面的作用

陶瓷基復(fù)合材料的界面一方面應(yīng)強(qiáng)到足以傳遞軸向載荷并具有高的橫向強(qiáng)度；另一方面要弱到足以沿界面發(fā)生橫向裂紋及裂紋偏轉(zhuǎn)直到纖維的拔出。3）界面性能的改善

在實(shí)際應(yīng)用中，除選擇纖維和基體在加工和使用期間能形成穩(wěn)定的熱力學(xué)界面外，最常用的方法就是在與基體復(fù)合之前，往增強(qiáng)材料表面上沉積一層薄的涂層。6.陶瓷的斷裂韌性及裂紋類型

陶瓷有很高的強(qiáng)度，但是它同樣有較低的斷裂韌性。陶瓷斷裂韌性低的主要原因是在它內(nèi)部存在著各種裂紋； 陶瓷的裂紋類型有：

（1）加工過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋；（2）產(chǎn)品設(shè)計(jì)導(dǎo)致產(chǎn)生的裂紋；（3）使用過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋；

三、瓷基復(fù)合材料的制備技術(shù)

陶瓷基復(fù)合材料的制造通常分為兩個(gè)步驟：第一步是將增強(qiáng)材料滲入未固結(jié)(成粉木狀)的基體材料排列整齊或混合均勾；第二步是運(yùn)用各種加工條件在盡 量不破壞增強(qiáng)材料和基體行能的前提下制成復(fù)合材料制品。

1.粉末冶金法

制備工藝過(guò)程：原料（陶瓷粉末、增強(qiáng)劑、粘結(jié)劑和助燒劑）均勻混合（球磨、超聲等）冷壓成形（熱壓）燒結(jié)。關(guān)鍵是均勻混合和燒結(jié)過(guò)程防止體積收縮而產(chǎn)生裂紋。2.漿體法（濕態(tài)法）

為克服粉末冶金法中各組元混合不均的問(wèn)題，采用漿體（濕態(tài)）法制備陶瓷基復(fù)合材料。其混合體為漿體形式，混合體中各組元保持散凝狀，即在漿體中呈彌散分布。這可通過(guò)調(diào)整水溶液的PH值來(lái)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)漿體進(jìn)行超聲波震動(dòng)攪拌可進(jìn)一步改善彌散性。彌散的漿體可直接澆鑄成型或熱（冷）壓后燒結(jié)成型。適用于顆粒、晶須和短纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。采用漿體浸漬法可制備連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。纖維分布均勻，氣孔率低。3.反應(yīng)燒結(jié)法

用反應(yīng)燒結(jié)法制備陶瓷基復(fù)合材料，除基體材料幾乎無(wú)收縮外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：增強(qiáng)劑的體積比可以相當(dāng)大；可用多種連續(xù)纖維預(yù)制體；

大多數(shù)陶瓷基復(fù)合材料的反應(yīng)燒結(jié)溫度低于陶瓷的燒結(jié)溫度,因此可避免纖維的損傷。反應(yīng)燒結(jié)法最大的缺點(diǎn)是高氣孔率難以避免。

4.液態(tài)浸漬法

用此方法制備陶瓷基復(fù)合材料，化學(xué)反應(yīng)、熔體粘度、熔體對(duì)增強(qiáng)材料的浸潤(rùn)性是首要考慮的問(wèn)題，直接影響材料的性能。陶瓷熔體可通過(guò)毛細(xì)作用滲入增強(qiáng)劑預(yù)制體的孔隙。施加壓力或抽真空將有利于浸漬過(guò)程。5.直接氧化法

按部件形狀制備增強(qiáng)體預(yù)制體,將隔板放在其表面上以阻止基體材料的生長(zhǎng)。熔化的金屬在氧氣的作用下發(fā)生直接氧化反應(yīng)形成所需的反應(yīng)產(chǎn)物。由于在氧化產(chǎn)物中的空隙管道的液吸作用，熔化金屬會(huì)連續(xù)不斷地供給到生長(zhǎng)前沿。6.溶膠–凝膠(Sol-Gel)法

溶膠(Sol)是由化學(xué)反應(yīng)沉積而產(chǎn)生的微小顆粒（100nm)的懸浮液；凝膠(Gel)是水分減少的溶膠，即比溶膠粘度大的膠體。Sol-Gel法是指金屬有機(jī)或無(wú)機(jī)化合物經(jīng)溶液、溶膠、凝膠等過(guò)程而固化，再經(jīng)熱處理生成氧化物或其它化合物固體的方法。該方法可控制材料的微觀結(jié)構(gòu), 使均勻性達(dá)到微米、納米甚至分子量級(jí)水平。使用這種方法，可將各種增強(qiáng)劑加入，基體溶膠中攪拌均勻，當(dāng)基體溶膠形成凝膠后，這些增強(qiáng)組元穩(wěn)定、均勻分布在基體中，經(jīng)過(guò)干燥或一定溫度熱處理，然后壓制燒結(jié)形成相應(yīng)的復(fù)合材料。

四、陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用

陶瓷材料具有耐高溫、高強(qiáng)度、高硬度及耐腐蝕性好等特點(diǎn)，但其脆性大的弱點(diǎn)限制了它的廣泛應(yīng)用。隨著現(xiàn)代高科技的迅猛發(fā)展，要求材料能在更高的溫度下保持優(yōu)良的綜合性能。陶瓷基復(fù)合材料可較好地滿足這一要求。

它的最高使用溫度主要取決于基體特性，其工作溫度按下列基體材料依次提高：玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、碳素材料，其最高工作溫度可達(dá)1900 ℃。陶瓷基復(fù)合材料已實(shí)用化或即將實(shí)用化的領(lǐng)域包括：刀具、滑動(dòng)構(gòu)件、航空航天構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)制件、能源構(gòu)件等。

五、今后面對(duì)的問(wèn)題及前景展望

現(xiàn)在看來(lái)，人們已開(kāi)始對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、性能及制造技術(shù)等問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)的研究，但這其中還有許多尚未研究情楚的問(wèn)題。因此，從這一方面來(lái)說(shuō)，還需要陶瓷專家們對(duì)理論問(wèn)題進(jìn)一步研究。新型材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用已成為當(dāng)今科技進(jìn)步的一個(gè)重要標(biāo)志，陶瓷基復(fù)合材料正以其優(yōu)良的性能引起人們的重視，可以預(yù)見(jiàn)，隨著對(duì)其理論問(wèn)題的不斷深入研究和制備技術(shù)的不斷開(kāi)發(fā)與完善，它的應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大，它的應(yīng)用前景是十分光明的。

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