陶瓷基复合材料的进展及应用论文

陶瓷基复合材料的研究与应用 院系： 班级： 姓名： 学号： 教师： 陶瓷基复合材料的研究与应用 摘 要 陶瓷材料具有熔点和硬度高、密度低、耐磨损和腐蚀以及高温稳定性好等优 点，但作为高温结构材料，低韧性使其致命的弱点。其断裂过程在瞬间完成，断 裂前没有任何征兆，即不像塑形的金属材料存在着明显的屈服和流变。鉴于此， 单相陶瓷材料的应用受到了很大的限制，因此，改善陶瓷材料的韧性成为了提高 陶瓷材料使用可靠性的关键。通常使用的韧性有相变增韧、颗粒增韧、晶须 增韧以及连续纤维增韧等，众多陶瓷增韧方式中，连续纤维增韧效果最为明显[1]。 上世纪八十年代中后期以来，连续纤维增强陶瓷基复合材料的研究与开发已经成 为高技术现代陶瓷研究与开发的一个前沿，并运用到航空、航天、军事等重要领 域中。 关键词：陶瓷基;复合材料;增韧 陶瓷基复合材料的研究与应用 目 录 绪 论.................................................................................................................... 1 第一章 陶瓷基复合料料的研制进展.................................................................. 2 1.1 陶瓷基复合材料简单介绍 ............................................................................ 2 1.2 纤维增强陶瓷及复合材料的主要种类 ........................................................... 3 1.2.1.连续纤维增强陶瓷基复合材料 ........................................................... 4 1.2.2 连续纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法.......................................... 5 1.2.3 非连续纤维增强陶瓷基复合材料........................................................ 8 1.3 纤维增强陶瓷基体的增韧机制 ...................................................................... 9 1.4 增强纤维和晶须 ..........................................................................................10 第二章 陶瓷复合材料的应用............................................................................ 11 2.1 在飞机和导弹发动机上的应用 ..................................................................... 11 2.2 陶瓷基复合材料在航天器上的应用 ..............................................................12 2.3 陶瓷基复合材料的其它应用 ........................................................................13 结束语.................................................................................................................. 15 参考文献.............................................................................................................. 16 陶瓷基复合材料的研究与应用 1 绪 论 陶瓷基复合材料，近些年来得到长足的发展，在航空航天领域显示了广阔的 应用前景，预计在未来的应用中，将和金属基复合材料一样呈现大幅度上升趋势。 过去研究的重点集中在对基体的增强方法和增强材料的选择上。研究表明，用连 续纤维增强陶瓷基体能得到高强度和较好韧性的复合材料，其强度和韧性与纤维 的取向有关，用晶须或粒子增强基体，制造简单，但单向强度不如连续纤维 增强的复合材料[2]。陶瓷基复合材料制造中存在的问题，仍是制造工艺不成熟和 使用可靠性差，要想达到大规模的实际应用，还必须继续加深对给出复合材料最 优力学性能的纤维/基体界面结合特性的了解和定量化。显然，研制高力学性能、 热稳定性好和抗氧化性（或涂敷抗氧化性涂层）的纤维仍是提高陶瓷基复合材料 性能的主要途径，但同时还应加强对基体材料例如高纯度、超细粉末的研究，以 改善复合材料的显微结构和减少裂纹。此外，还应注意纤维和基体材料的适当匹 配，以获得低热膨胀系数的复合材料，扩大陶瓷基复合材料的应用范围。当然， 复合制造工艺的不断完善，相应的基础理论和无损检测技术的研究，也应作为保 证陶瓷基复合材料能成功和重复性制造的重要环节而加以重视。 陶瓷基复合材料的研究与应用 2 第一章 陶瓷基复合料料的研制进展 1.1 陶瓷基复合材料简单介绍 陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体 可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、 相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态 时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。而采用高强度、高弹性的纤维与基体 复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展， 从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料[3]。 陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品。其最高 使用温度主要取决于基体特征。陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有 刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。法国已将长纤维增强碳化硅复合材 料应用于制造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意的使用 效果。 连续纤维补强陶瓷基复合材料(Continuous FiberReinforced Ceramic Matrix Composites,简称 CFCC)是将耐高温的纤维植入陶瓷基体中形成的一种高性能复 合材料。由于其具有高强度和高韧性,特别是具有与普通陶瓷不同的非失效性断 裂方式,使其受到世界各国的极大关注。连续纤维增强陶瓷基复合材料已经开始 在航天航空、国防等领域得到广泛应用。20 世纪 70 年代初,J Aveston 在连续纤维 增强聚合物基复合材料和纤维增强金属基复合材料研究基础上,首次提出纤维增 强陶瓷基复合材料的概念,为高性能陶瓷材料的研究与开发开辟了一个方向。随 着纤维制备技术和其它相关技术的进步,人们逐步开发出制备这类材料的有效方 法,使得纤维增强陶瓷基复合材料的制备技术日渐成熟。20 多年来,世界各国特别 是欧美以及日本等对纤维增强陶瓷基复合材料的制备工艺和增强理论进行了大 量的研究,取得了许多重要的成果,有的已经达到实用化水平。如法国生产的 “Cerasep”可作为“Rafale”战斗机的喷气发动机和“Hermes”航天飞机的部件和内燃 机的部件;SiO2纤维增强SiO2复合材料已用作“哥伦比亚号”和“挑战者号”航天飞 陶瓷基复合材料的研究与应用 3 机的隔热瓦。由于纤维增强陶瓷基复合材料有着优异的高温性能、高韧性、高比 强、高比模以及热稳定性好等优点,能有效地克服对裂纹和热震的敏感性[4]。因此, 在热防护领域有着重要的应用和广泛的市场。 陶瓷虽然具有耐高温、耐化学侵蚀 硬度高和密度低等优点，但它具有的脆 性（低韧性）， 是限制其在航空航天领域中应用的致命弱点。尽管在过去的研制 中，通过改进制造工艺，加入烧结助剂（如 MgO、CaO 等），陶瓷材料中引入 ZrO2,利用其由四方晶到单斜晶的相变增韧，可使陶瓷的韧性有所提高，但与金 属材料的韧牲相比仍然很低。近些年来的研究表明，利用连续纤维或不连续晶须 增强陶瓷基体得到陶瓷基复合材料，是提高陶瓷材料断裂韧性和抗拉强度的最有 效的方法 例如烧结的的 Al2O3 的断裂韧性为 2MPa·m 1/2, 如果用 20% 体积的 SiC 晶须增强，断裂韧性可达 8Mpa·m1/2, 而且抗热震性能大大提高；用纤维增 强的硅酸铝锉 其断裂韧性达到 15MPa·m1/2,，进一步对陶瓷材料的增韧研究， 将使陶瓷充分发挥其性能潜力。 1.2 纤维增强陶瓷及复合材料的主要种类 虽然用于纤维增强陶瓷基复合材料的纤维种类较多．但迄今为止，能够真正 实用的纤维种类并不多一现简要介绍如下： 第一类为氧化铝系列(包括莫来石)纤维一这类纤维的高温抗氧化性能优良， 有可能用于 14000C 以上的高温环境．但目前作为 FRCMCs 的增强材料主要存在 以下两个问题：一是高温下晶体相变、晶粒粗化以及玻璃相的蠕变导致纤维的高 温强度下降；二是在高温成型和使用过程中，氧化物纤维易与陶瓷基体(尤其足 氧化物陶瓷)形成强结合的界面，导致 FRCMCs 的脆性破坏，丧失了纤维的补强 增韧作用。 第二类为碳化硅系列纤维 目前制备碳化硅纤维的方法主要有两种：一足化 学气相沉积法(CVD)： 用这种方法制备的碳化硅纤维，其高温性能好，但由于 直径太大(大于 100um)，不利于制备形状复杂的 FRCMCs 构件，且价格昂贵，因 而其应用受到很大限制。二足有机聚合物先驱体转化法。在这种方法制备的纤维 中，最典型的例子是日本碳公司生产的 Nicalon 和 Tyranno 等纤维。这种纤维的 陶瓷基复合材料的研究与应用 4 共同特点是，纤维中不同程度地含有氧和游离碳杂质，从而影响纤维的高温性能。 最近，H 本碳公司生产的低含氧量碳化硅纤维(Hi．Nicalon)具有较好的高温稳定 性，其强度在 1500～1600℃温度下变化不大。 第三类为氮化硅系列纤维。它们实际卜是由 Si、N、C 和 0 等组成的复相陶 瓷纤维，现已有商品出售。这类纤维也是通过有机聚合物先驱体转化法制备的， 日前也存存着与先驱体碳化硅纤维同样的问题，因而其性能与先驱体碳化硅纤维 相近。 第四类为碳纤维。碳纤维已有三十余年的发展历史，它是目前开发得最成熟， 性能最好的纤维之一，已被广泛用作复合材料的增强材料。其高温性能非常好， 在惰性气氛中，2000~C 温度范围内其强度基本不下降，是目前增强纤维中高温 性能最佳的一类纤维。然而，高温抗氧化性能差是其最大的弱点。空气中，温度 高于 360℃ 后即出现明显的氧化失重和强度下降，如能解决这个问题(如采用纤 维表面涂层等方法)，碳纤维仍小失为 FRCMCs 的最佳侯选材料[5]。 1.2.1.连续纤维增强陶瓷基复合材料 与其它增韧方式相比,连续纤维增强陶瓷基复合材料(CFCC) 具有较高的韧 性,当受外力冲击时,能够产生非失效性破坏形式,可靠性高,是提高陶瓷材料性能 最有效的方法之一。CFCC 的研究始于 1973 年 S1R1Levitt 制成的高强度碳纤 维增强玻璃基复合材料。70 年代中期,日本碳公司(Nippon Carbon Co. ) 高性能 SiC 连续纤维 2Nicalon 的研制成功,使制造纯陶瓷质 CFCC 成为可能。80 年代 中期, E1Fitzer 等用化学气相沉积法制备出高性能的 Nicalon 纤维增强 SiC 基陶 瓷复合材料,有力地推动了 CFCC 的发展。十几年来,世界各国尤其是美国、日本、 欧共体等都对 CFCC 的制备工艺及增韧机理进行了大量的研究,取得了一些重要 成果,少数材料已达到实用化水平。 目前用于增强陶瓷基复合材料的连续纤维主要有 SiC 纤维、C 纤维、B 纤 维及氧化物纤维等，其中 C 纤维的使用温度最高，可超过 1650 ℃,但只能在非 氧化气氛条件下工作。对于 C 纤维增强陶瓷基复合材料高温下的氧化保护问题, 国际上目前尚没有完全解决。除 C 纤维外，其它纤维在超过 1400 ℃的高温下均 存在强度下降问题,由于陶瓷材料一般都需在 1500℃以上烧成,通常的制备方法 陶瓷基复合材料的研究与应用 5 都会使陶瓷纤维由于热损伤而造成力学性能的退化[6]。CVI 工艺虽然可解决制备 过程中的这一问题,但成本十分昂贵,且材料在高温下使用时仍会面临纤维性能退 化的问题。因此要使连续纤维增强陶瓷基复合材料的性能有所突破,关键是要研 制出高温强度高且抗氧化的陶瓷纤维。 从目前来看,解决纤维问题的途径主要有 2 条：一是提高 SiC 纤维的纯度, 降低纤维中的氧含量。如近年来采用电子束辐照固化方法发展出了一种低含氧量 (质量分数为 015 %) 的Hi2NicalonSiC 纤维,其高温性能比普通Nicalon SiC 纤维 有了明显的提高;二是发展高性能的氧化物单晶纤维。氧化物连续纤维出现较晚, 且一般为多晶纤维,高温下纤维会发生再结晶,使其性能下降,而单晶纤维则可避 免这一问题。例如目前蓝宝石单晶纤维使用温度可达 1500 ℃,使材料的高温性能 有了很大提高[7] 。随着能承受更高温度的氧化物单晶纤维的出现,高温结构陶瓷 基复合材料的研究必将有所突破。 从发展趋势上看,非氧化物/ 非氧化物陶瓷基复合材料中, SiC/ SiCf 、Si3N4/ SiCf 仍是研究的重点,有望在 1600 ℃以下使用;氧化物/ 非氧化物陶瓷基复合材 料由于氧化物基体的氧渗透率过高,在高温长时间的应用条件下几乎没有任何潜 在的可能;能满足 1600 ℃以上高强和高抗蠕变要求的复合材料,最大的可能是氧 化物/ 氧化物陶瓷基复合材料[8]。 连续纤维增强陶瓷基复合材料虽然在力学性能上具有一定优势,但是连续纤 维的生产、排布和编织等工艺复杂,复合材料的成型和都很困难,复合材料强度较 低,成本高昂。同时,高性能的耐高温陶瓷纤维问题至今尚未完全解决,这都极大地 限制了它的推广应用。 1.2.2 连续纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法 （一）料浆浸渍和热压烧结法 料浆浸渍和热压烧结法的基本原理是将具有可烧结性的基体原料粉末与连 续纤维用浸渍工艺制成坯件，然后高温下加压烧结，使基体材料与纤维结合成复 合材料[9] 。工艺图如图 1 所示。 陶瓷基复合材料的研究与应用 6 图 1 料浆浸渍和热压烧结制备连续纤维 增强陶瓷基复合材料的工艺流程 料浆浸渍是指让纤维通过盛有料浆的容器浸挂料浆后缠绕在卷简上，烘干， 沿卷简母线切断，取下后得到无纬布，将无纬布剪裁成一定规格的条带或片，在 模具中叠排，即成为预成型坯件。经高温去胶和烧结得到复合材料制件。热压烧 结应按预定规律(即热压)升温和加压。热压过程中，最初阶段是高温去胶， 随粘结剂挥发、逸出，将发生基体颗粒重新分布、烧结和在外压作用下的粘性流 动等过程，最终获得致密化的复合材料。此种工艺己用于制备以玻璃相为基体的 复合材料。 （二）直接氧化沉积法 直接氧化沉积法最早被用于制备 A12O3／A1 复合材料，后推广用于制备连 续纤维增强氧化物陶瓷基复合材料。LANXIDE 法工艺原理为：将连续纤维预成 型坯件置于熔融金属上面，因毛细管作用，熔融金属向预成型体中渗透。由于熔 融金属中含有少量添加剂，并处于空气或氧化气氛中，浸渍到纤维预成型体中的 熔融金属与气相氧化剂反应形成氧化物基体，产生的氧化物沉积在纤维周围，形 成含有少量残余金属的、致密的连续纤维增强陶瓷基复合材料。此种方法适用于 制备以氧化铝为基体的陶瓷基复合材料，如 SiC／A1203，在 1200~C 的抗弯强 度为 350MPa，断裂韧性为 18 MPa·m1/2” ，室温时的抗弯强度为 450 MPa， 断裂韧性为 21 M Pa·m1/2 。 直接氧化沉积法工艺优点是：对增强体几乎无损伤，所制得的陶瓷基复合材 料中纤维分布均匀；在制备过程中不存在收缩，因而复合材料制件的尺寸精确； 工艺简单，生产效率较高，成本低，所制备的复合材料具有高比强度，良好韧性 及耐高温等特性。 陶瓷基复合材料的研究与应用 7 （三）溶胶-凝胶法 溶胶一凝胶法(Sol—ge1)是用有机先驱体制成的溶胶浸渍纤维预制体，然后 水解、缩聚，形成凝胶，凝胶经干燥和热解后形成复合材料。此工艺组分纯度高， 分散性好，而且热解温度不高(低于 1400~C)，溶胶易于润湿纤维，因此更利于 制备连续纤维增强陶瓷基复合材料。该工艺缺点是：由于是用醇盐水解来制得基 体，所以复合材料的致密性差，不经过多次浸渍很难达到致密化，且此工艺不适 于部分非氧化物陶瓷基复合材料的制备。 （四）化学气相法 化学气相法主要包括化学气相沉积法(CVD)、化学气相渗透法(CVI)等。最 常用的复合材料制备方法是 CVI 法，它是在 CVD 法基础上发展起来的。该制备 方法是将纤维预制体置于密闭的反应室内，采用气相渗透的方法，使气相物质在 加热的纤维表面或附近产生化学反应，并在纤维预制体中沉积，从而形成致密的 复合材料。 该技术的主要优点是：(1)由于是在低于基体熔点的温度下制备合成陶瓷基 体材料，避免了纤维与基体材料的高温化学反应，制备过程中对纤维损伤小，材 料内部的残余应力小。(2)通过改变工艺条件，能制备多种陶瓷材料，有利于材 料的优化设计和多功能化。(3)能制备形状复杂、近净尺寸和纤维体积分数大的 复合材料。主要缺点是：生产周期长，设备复杂，制备成本高；制成品孔隙率大， 材料致密度低，从而影响复合材料的性能；不适于制备厚壁部件。 （五）先驱体转化法 先驱体转化法又称聚合法浸渍裂解法(PIP 法)或先驱体裂解法，是近年来发 展迅速的一种 FRCMCs 制备工艺。与溶胶一凝胶法一样，先驱体转化法也是利 用有机先驱体在高温下裂解而转化为无机陶瓷基体的一种方法。溶胶．凝胶法主 要是用于氧化物陶瓷基复合材料，而先驱体转化法主要用于非氧化物陶瓷，目前 主要以碳化物和氮化物为主。 这种方法的主要特点是：(1)在单一的聚合物和多相的聚合物中浸渍，能得 到组成均匀的单向或多相陶瓷基体，具有比 CVI 法更高的陶瓷转化率；(2)预制 件中没有基体粉末．因而纤维不会受到机械损伤；(3)裂解温度较低(小于 1300℃)， 陶瓷基复合材料的研究与应用 8 无压烧成，因而可减轻纤维的损伤和纤维与基体间的化学反应：(4)可以对先驱 体进行分子设计，制备所期的 相或多相陶瓷基体，杂质元素容易控制；(5)充分 利用聚合物基和 C／C 复合材料的成型技术，可仿形制造出形状复杂的 FRCMCs 异型件。该法的主要缺点在于：(1)致密周期较长，制品的孔隙率较高；(2)基体 密度在裂解前后相差很大，致使基体的体积收缩很大(可达 50～70％ )。由于增 强材料的骨架牵制着基体的体积收缩，因而在基体内部容易产生裂纹和气孔，破 坏了复合材料的整体性，并最终影响复合材料的性能[10]。 1.2.3 非连续纤维增强陶瓷基复合材料 各种增韧手段在制备工艺和增韧效果上各有优劣。其中相变增韧可以大幅度 地提高陶瓷材料的常温韧性和强度,但因在高温下相变增韧机制失效而限制了其 在高温领域的应用。颗粒弥散及晶须复合增韧 CMC 制备工艺较简单,可明显提高 陶瓷材料的抗弯强度和断裂韧性。将颗粒、晶须等增强物加入到基体材料中,由 于两者弹性模量和热膨胀系数的差异而在界面形成应力区,这种应力区与外加应 力发生相互作用,使扩展裂纹产生钉扎、偏转、分叉或以其它形式(如相变) 吸收 能量，从而提高了材料的断裂抗力[11]。表 1 列出了一些具有代表性的颗粒弥散 及晶须复合增韧陶瓷基复合材料的力学性能[12] 。 对于高温下使用的颗粒弥散及晶须复合增韧陶瓷基复合材料,就基体而言,综 合考虑高温强度、抗热震性、比重、抗蠕变性、抗氧化性等,首选材料仍是 Si3N4 和 SiC。在高温下它们的表面会形成氧化硅保护层,能满足 1600 ℃以下高温抗氧 化的要求。通过在基体材料中加入合适的增强物及选择适当的材料结构,可大幅 度提高陶瓷材料的强度和韧性。 表 1 一些典型陶瓷基复合材料的性能[12] (MPa) ( / ) (MPa m1/ 2) Si3N4/ 20vol %SiCW 500 12. 0 Si3N4/ 10wt %SiCW 1068 386 (1300 ) 9. 4 陶瓷基复合材料的研究与应用 9 Si3N4/ SiC 900 20. 0 Si3N4/ SiC 1550 7. 5 SiC/ SiCW 501 271 (1200 ) 6. 0 SiC/ 25wt %TiC 580 6. 5 SiC/ 15vol %ZrB2 560 6. 5 SiC/ Si3N4 930 7. 0 SiC/ 33 %TiC233 %TiB2 970 5.9 Al2O3/ SiC 800 8.7 Al2O3/ SiC 152 0 4. 8 Al2O3/ Si3N4 850 4. 7 Al2O3/ TiC 940 4. 0 Al2O3/ YAG 373 198 (1650 ) 4. 0 / ZrO2-SiC 500 6. 1 Y2TZP/ 20 %SiC 1050 8. 0 ZrO2/ 30vol %SiC 650 400 (1000 ) 12. 0 1.3 纤维增强陶瓷基体的增韧机制 研究认为纯陶瓷材料的裂纹敏感性(脆性)是由陶瓷固有的强的定向共价键 造成的。陶瓷的弹性模量很高而应变不足，它不能象金属那样用剪切变形减少或 消除应力集中，因此，裂纹前端非常尖锐，抗裂纹增长能力很低，从而导致脆性 发生。解决陶瓷材料脆性的有力措施是限制裂纹前端的扩展，最有效的一种方法 陶瓷基复合材料的研究与应用 10 是对陶瓷基体用连续纤维或不连续晶须增强，它能在裂纹的表面之间形成桥梁， 并趋向于把裂纹拽紧而防止其继续扩展。这对于单轴向增强的陶瓷尤为有效，它 能使复合材料免于灾难性的脆性破坏，而使其破坏的原因只是由于损伤的逐渐积 累、 导致非线性应力-应变响应和因承载能力超过允许的最大值而引起。在无规 则的晶须增强情况下，可以得到接近金属的断裂韧性。采用晶须增强的陶瓷基复 合材料，能使其高温抗蠕变能力提高几个数量级【13】。 纤维增强陶瓷基复合材料的制造涉及到在显微规模上形成抗裂纹结构。在用 晶须，例如 SiC,晶须增强陶瓷基体（如 Al2O3、Si3N4 ）时，其关键是如何在三维 方向上均匀密实地排列 SiC 晶须和用基体材料将其余的空间填满；在用连续纤维 增强陶瓷基体时，连续纤维必须以特定的方式铺设（例如以相距一定间隔的均匀 单向排列或编织型式）。对基体不可能采用熔化制造工艺，而只能采用固态烧结 或化学方法使复合材料致密[14]。 目前正在从事的一种方法是将晶须和基体一起处理的亚微细粒的胶体科学， 以产生所需求的显微结构的复合材料。用这种方法比常规的干粉末工艺制造的复 合材料具有更均匀的显微结构，这种均匀性反映在低温下具有较高的强度和改善 了高温下抗蠕变的性能。 采用粒子、晶须或连续纤维增强陶瓷基体不仅能增强材料的抗裂纹能力，而 且还使材料容许的临界裂纹尺寸增大（临界裂纹尺寸与韧性成平方关系增加）。 复合材料韧性的提高至少可以从如下三点得 以解释： 1) 使裂纹前端的扩展偏转； 2) .通过纤维的拔出 在与基体结合较弱处拔出 而吸收能量； 3) 将裂纹桥接起来（即把裂纹的两个面拽到一起）。 1.4 增强纤维和晶须 1. 碳纤维 碳纤维能在极高的温度下保持良好的力学性能 但在耐氧化的陶瓷基体中引 入碳纤维未必能消除碳-碳复合材料中固有的氧化问题，基体中的氧可能会通过 孔隙和显微裂纹转移到纤维表面，也可通过某些陶瓷材料中的离子转移到纤维表 陶瓷基复合材料的研究与应用 11 面。此外，任何暴露的纤维端都易出现氧化。如果这些问题能通过采用纤维涂层 或其它方法解决，取得优越的耐高温陶瓷复合材料是可能的。 2. 碳化硅纤维 英国的和考陶尔德等公司正在研制耐高温增强纤维，研究发现，碳化硅纤维 潜力很大。日本碳公司生产的碳化硅纤维除具有硼纤维、碳纤维更好的抗氧化性 外，而且与金属树脂及陶瓷基体的相容性良好，是一种引人注目的陶瓷纤维，可 以二维或缎纹编织形式用于敷层。据称这种纤维的使用温度可达 1250℃，但同 陶瓷复合显得低些。日本公司生产的纤维是一种加进钛的纤维，钛的加入能减缓 高温下的结晶和晶粒增长速度，从而提高了使用温度。据称它比 Nicalon的使用 温度提高 100℃。 3. 氧化铝纤维 该种纤维具有较强的抗氧化性,与多种高温陶瓷基体形成较好的界面结合,现 在研制的 Al2O3 纤维是在原有的拔丝烧结工艺的基础上加以改进的结果。 Nazarenko 等人用直径为 1µm 的粒子挤成 20~50µm 直径的纤维,纤维中含有 1% 重量成分的 MgO, 在烧结成丝后的强度可达 2.0~3.0GPa . 住友公司和杜邦公司 生产的细晶粒多晶α-Al2O3 纤维,平均直径为 20µm,抗拉强度 2.0GPa。 4. 陶瓷晶须 用陶瓷晶须增强陶瓷基体能够在较宽的温度范围提高结构的性能，试验数据 说明用陶瓷晶须增强陶瓷基体能够提高复合材料的脆性断裂容限，保持陶瓷原有 性能不变。由于工艺过程的改进，材料的强度也得到提高，目前研究和利用最多 的是 SiC 和 Si3N4 晶须[15]。 第二章 陶瓷复合材料的应用 2.1 在飞机和导弹发动机上的应用 飞机和导弹发动机性能的提高和燃料的节省依赖于燃气温度的提高，这就需 要提高涡轮进口的温度。如将涡轮进口温度从 900℃提高到 1800℃，热效率可大 陶瓷基复合材料的研究与应用 12 大提高。现用耐热合金很难胜任这样高的温度，而陶瓷复合材料却能在这样高的 温度下有效地工作，陶瓷复合材料将取代诸如转子燃烧室、火焰稳定器、罩板和 涡轮叶片等所用的铝材和镍基超耐热合金[16]。 由于陶瓷复合材料的密度是耐热 合金的 1/3 左右，且能取消额外的压气机空气用来冷却，这 就使发动机的重量 大大降低，从而提高了发动机的比推力。从研究的情况来看，基复合材料有可能 成为理想的推进器材料。美国碳硅公司用 SiC 晶须增强 Si3N4 制成了高性能燃气 喷管，并有可能用作导弹发动机的喷管材料制造的发动机，喷管内调节片是采用 SiC 维增强的基复合材料，该调节片己用在幻影 2000 战斗机的涡轮风扇发动机 上，并在 1989 年的巴黎航空博览会上进行了飞行表演，据称该发动机喷管的外 调节片是采用碳纤维增强的 SiC 基复合材料制造。英国罗·罗公司对未来航空发 动机部件材料进行了预测，预计发动机高压压气机叶片和机匣、高压与低压涡轮 盘及叶片、燃烧室、加力燃烧室、火焰稳定器及排气喷管等都可能采用陶瓷基复 合材料。杜邦公司研制的陶瓷基复合材料，能承受 1200~1300℃温度 制成的发 动机部件使用寿命达到 2000 小时。 美国国防部 1989 年 3 月向国会武装部队委 员会提交的关键技术报告，在关于用于飞机、导弹和飞行器的吸气式推进装 置的技术发展中，对飞机和巡航导弹用的涡轮发动机的涡轮材料提出在 1995 年 和 2000 年分别采用耐温 1650℃和 2200℃的陶瓷基复合材料，以进一步提高飞机 和导弹的性能。据称日本开始的一项航空发动机技术计划，其高温材料发展计划 也包括同样的内容[17]。 2.2 陶瓷基复合材料在航天器上的应用 众所周知，美国航天飞机轨道器上的防热系统采用陶瓷隔热瓦，第一代 LI-900、LI-2000 都为 SiO2 陶瓷材料.第二代为纤维耐熔复合隔热材料(FRCI)，实 际是在 SiO2 基体中加入硼硅酸盐纤维的陶瓷基复合材料，比 LI 系列有更高的强 度和韧性，用于航天飞机轨道器温度 648~1260℃的部位，代替 HRSI.据称美国洛 克希德导弹和空间公司还为未来的航天运输系统研制了高温性能（HTP)陶瓷基 复合材料，以作为第三代陶瓷防热瓦，其基本成分为氧化硅基体和氧化铝纤维， 它具有良好的热稳定性，抗弯强度比 LI 系列提高 1~2 倍，使用温度达到,1427℃. 此外,美国艾姆斯研究中心还为再入航天器专门研究了一种陶瓷复合防热结构,其 陶瓷基复合材料的研究与应用 13 上壳采用 SiC 渗透NextelAB321 纤维布陶瓷基复合材料,AB321为铝硼硅氧化物， 下壳为陶瓷材料，中间为一层或多层隔热材料。这种结构能耐高温，不易发生热 应力破坏，并能重复使用。另外，美国还在为跨越大气层飞行器和机动再入飞行 器研制 SiC 或 SiO2 纤维增强陶瓷基体的复合材料。欧洲动力公司为法国海尔梅 斯航天飞机高温防热研制了以 SiC 为基体的两种陶瓷基复合材料，即 C/ SiC 和 SiC/SiC， 它们都是将纤维按一定方式编织成预制件，然后用 CVD 法或 CVI 法 使 SiC 沉积或渗透到预制件上，其耐温能力分别为 1700℃和 1200℃，强度和韧 性都高于一般陶瓷材料，并且具有较高的层间剪切强度和热辐射率。 英国霍托 尔航天飞机和西德桑格尔空天飞机的防热系统，除采用 C/C 复合材料外，还分 别采用 C/SiC 和 SiC/ SiC 防热结构。据称，美国的 NASP 空天飞机的平尾舵面拟 采用 SiC/SiC、C/SiC 陶瓷基复合材料，刘易斯和艾姆斯研究中心正在从事这种 陶瓷舵面的研究工作[18]。 2.3 陶瓷基复合材料的其它应用 陶瓷基复合材料的耐磨性、耐高温和抗化学侵蚀能力，使其可以用作发动机 上的高速轴承、活塞及活塞环、密封环、阀座和阀门导轨等要求转速高和配合精 度高的部件。陶瓷基复合材料还可以作为火箭和导弹发动机燃烧室的隔热内衬和 高超音速飞行器的蒙皮、框架、加强肋和翼前缘等[19]。 陶瓷基复合材料还作为一种多功能材料而被研制和应用。据称美国联合技术 公司研制了一种空间防御系统，它是以纤维增强易碎的陶瓷基体制成的，它坚硬、 质量轻、耐辐射和抗激光攻击，可以作为太空平台向来袭的核弹头发射的小火箭， 称为无核太空灵巧火箭。洛克希德公司的研究实验室生产的石墨或 SiC 纤维增强 SiO2 的陶瓷基复合材料，1984 年就被证明具有抗核辐射和抗激光的能力，可用 于抗核和抗激光加固材料。SiC 玻璃陶瓷基复合材料不仅能耐 1300℃的高温，而 且还能制成一种隐身用的材料，即使在高温下也能降低雷达的可探测性。据称， 用℃纤维增强 10%TiO2 和 90%SiO2 的陶瓷基复合材料已经经受了激光照射，厚 0.23mm 的复合材料，经 120W/c ㎡的激光照射，60min 才能使材料烧蚀掉[20]。 除此以外，用氧化铝纤维增强的陶瓷基复合材料也具有抗激光破坏能力，例如用 氧化铝纤维增强熔融状态的玻璃，可得到使用温度为 1100℃的陶瓷基复合材料， 陶瓷基复合材料的研究与应用 14 它具有良好的抗激光破坏能力。 陶瓷基复合材料的研究与应用 15 结束语 陶瓷基复合材料，近些年来得到长足的发展，在航空航天领域显示了广阔的 应用前景，预计在未来的应用中, 将和金属基复合材料一样呈现大幅度上升趋 势。过去研究的重点集中在对基体的增强方法和增强材料的选择上。研究表明， 用连续纤维增强陶瓷基体能得到高强度和较好韧性的复合材料，其强度和韧性与 纤维的取向有关；用晶须或粒子增强毖体, 制造工艺简单, 但单向强度不如连续 纤维增强的复合材料。陶瓷基复合材料制造中存在的问题, 仍是制造工艺不成熟 和使用可靠性差。要想达到大规模的实际应用，还必须继续加深对给出复合材料 最优力学性能的纤维/ 基体界面结合特性的了解和定量化。显然，研制高力学性 能、热稳定性好和抗氧化性(或涂敷抗氧化性涂层)的纤维，仍是提高陶瓷基复合 材料性能的主要途径, 但同时还应加强对基体材料例如高纯度、超细粉末的研究, 以改善复合材料的显微结构和减少裂纹。此外, 还应注意纤维和基体材料的适当 匹配, 以获得低热膨胀系数的复合材料, 扩大陶瓷基复合材料的应用范围。当然， 复合制造工艺的不断完善, 相应的基础理论和无损检测技术的研究, 也应作为保 证陶瓷基复合材料能成功和重复性制造的重要环节而加以重视。 陶瓷基复合材料的研究与应用 16 参考文献 [1] 王俊奎,周施真. 陶瓷基复合材料的研究进展[J]. 复合材料学报,1990,(4). 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