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1、1新型复合材料及其应用-陶瓷基复合材料摘要：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。 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。一、陶瓷基复合材料增强体用于复合材料的增强体品种很多，根据复合材料的
2、性能要求，主要分为以下几种1.1 纤维类增强体纤维类增强体有连续长纤维和短纤维。连续长纤维的连续长度均超过数百。纤维性能有方向性，一般沿轴向均有很高的强度和弹性模量。1.2 颗粒类增强体颗粒类增强体主要是一些具有高强度、高模量。耐热、耐磨。耐高温的陶瓷等无机非金属颗粒，主要有碳化硅、氧化铝、碳化钛、石墨。细金刚石、高岭土、滑石、碳酸钙等。主要还有一些金属和聚合物颗粒类增强体，后者主要有热塑性树脂粉末1.3 晶须类增强体晶须是在人工条件下制造出的细小单晶，一般呈棒状，其直径为 0.21 微米，长度为几十微米，由于其具有细小组织结构，缺陷少，具有很高的强度和模量。1.4 金属丝用于复合材料的高强福
3、、高模量金属丝增强物主要有铍丝、钢丝、不锈钢丝和钨丝等，金属丝一般用于金属基复合材料和水泥基复合材料的增强，但前者比较多见。1.5 片状物增强体用于复合材料的片状增强物主要是陶瓷薄片。将陶瓷薄片叠压起来形成的陶瓷复合2材料具有很高的韧性。二、陶瓷基的界面及强韧化理论陶瓷基复合材料(CMC)具有高强度、高硬度、高弹性模量、热化学稳定性等优异性能，被认为是推重比 10 以上航空发动机的理想耐高温结构材料。界面作为陶瓷基复合材料重要的组成相，其细观结构、力学性能和失效规律直接影响到复合材料的整体力学性能，因此研究界面特性对陶瓷基复合材料力学性能的影响具有重要的意义。2.1 界面的粘结形式 （1）机械
4、结合 （2）化学结合陶瓷基复合材料往往在高温下制备，由于增强体与基体的原子扩散，在界面上更易形成固溶体和化合物。此时其界面是具有一定厚度的反应区，它与基体和增强体都能较好的结合，但通常是脆性的。2.2 界面的作用陶瓷基复合材料的界面一方面应强到足以传递轴向载荷并具有高的横向强度；另一方面要弱到足以沿界面发生横向裂纹及裂纹偏转直到纤维的拔出。2.3 强韧化技术2.1.1纤维增韧为了提高复合材料的韧性,必须尽可能提高材料断裂时消耗的能量。任何固体材料在载荷作用下(静态或冲击),吸收能量的方式无非是两种:材料变形和形成新的表面。对于脆性基体和纤维来说,允许的变形很小,因此变形吸收的断裂能也很少。为了
5、提高这类材料的吸能,只能是增加断裂表面,即增加裂纹的扩展路径。2.1.2晶须增韧陶瓷晶须是具有一定长径比且缺陷很少的陶瓷小单晶,因而具有很高的强度,是一种非常理想的陶瓷基复合材料的增韧增强体。32.1.3相变增韧相变增韧 ZrO2 陶瓷是一种极有发展前途的新型结构陶瓷,其主要是利用 ZrO2 相变特性来提高陶瓷材料的断裂韧性和抗弯强度,使其具有优良的力学性能,低的导热系数和良好的抗热震性。它还可以用来显著提高脆性材料的韧性和强度,是复合材料和复合陶瓷中重要的增韧剂2.1.4颗粒增韧用颗粒作为增韧剂,制备颗粒增韧陶瓷基复合材料,其原料的均匀分散及烧结致密化都比短纤维及晶须复合材料简便易行。因此,
6、尽管颗粒的增韧效果不如晶须与纤维,但如颗粒种类、粒径、含量及基体材料选择得当,仍有一定的韧化效果,同时会带来高温强度、高温蠕变性能的改善。所以,颗粒增韧陶瓷基复合材料同样受到重视,并开展了有效的研究工作。2.1.5 纳米复合陶瓷增韧纳米技术一出现,便在改善传统材料性能方面显示出极大的优势,该方面的研究有可能使陶瓷增韧技术获得革命性突破。纳米陶瓷由于晶粒的细化,晶界数量会极大增加,同时纳米陶瓷的气孔和缺陷尺寸减小到一定尺寸就不会影响到材料的宏观强度,结果可使材料的强度、韧性显著增加。2.1.5自增韧陶瓷如果在陶瓷基体中引入第二相材料,该相不是事先单独制备的,而是在原料中加入可以生成第二相的原料,
7、控制生成条件和反应过程,直接通过高温化学反应或者相变过程,在主晶相基体中生长出均匀分布的晶须、高长径比的晶粒或晶片的增强体,形成陶瓷复合材料,则称为自增韧。这样可以避免两相不相容、分布不均匀问题,强度和韧性都比外来第二相增韧的同种材料高。一粉末冶金法：原料（陶瓷粉末、增强剂、粘结剂、助烧剂）均匀混合（球磨、超声等）冷压成型（热压）烧结。关键是均匀混合和烧结过程防止体积收缩而产生裂纹。二、浆体法（湿态法）4为了克服冶金法各组元混合不均的问题，采用浆体（湿态）法制备陶瓷基复合材料。其混合体为浆体形式。混合体中各组元保持散凝状，即浆体中呈弥散分布。这可以通过调整水溶液 PH 来实现。对浆体进行超声波
8、震动搅拌则可进一步改善弥散性。弥散的浆体可直接浇铸成型或热（冷）压后烧结成型。适用于颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料。采用浆体浸渍法可制备连续纤维增韧陶瓷基复合材料。纤维分布，气孔率低三、反应烧结法用此方法制备陶瓷基复合材料，除基体材料几乎无收缩外，还具有以下优点：增强剂的体积可以比相当大、可用多种连续纤维预制体、大多说陶瓷基复合材料的反应烧结温度低于陶瓷的烧结温度，因此可以避免纤维的损伤。此方法的最大缺点是高气孔率难以避免。四、液态浸渍法用此方法制备的陶瓷基复合材料，化学反应、熔体粘度、熔体对增强材料的浸润性是首要考虑的问题。这些问题直接影响着材料的性能。陶瓷熔体可通过毛细作用渗入增强剂
9、预制的孔隙。施加压力或抽真空将有利于浸渍过程。五、直接氧化法按部件形状制备增强体预制体，将隔板放在其表面以上阻止基体材料的生长。溶化的金属在氧化形成所需的反应物。由于在氧化产物中得空隙管道的液吸作用，溶化金属会不断地供给生长前沿。六、溶胶-凝胶溶胶-凝胶法也可以采用浆体浸渍法制备增强相预制体，溶胶-凝胶法的优点是基体成分容易控制，复合材料的均匀性好，加工温度较低。其缺点是所制的复合材料收缩率大，导致基体经常发生开裂三、陶瓷基复合材料的应用。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
10、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5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13。20 世纪 70 年代初,J Aveston2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
11、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4;SiO2 纤维增强 SiO2 复合材料已用作“哥伦比亚号”和“挑战者号”航天飞机的隔热瓦5。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
12、和热震的敏感性四、陶瓷基复合材料的发展前景陶瓷材料是一种本质脆性材料，在制备、机械加工以及使用过程中，容易产生一些内在和外在缺陷，从而导致陶瓷材料灾难性破坏，严重限制了陶瓷材料应用的广度和深度，因此提高陶瓷材料的韧性成为影响陶瓷材料在高技术领域中应用的关键。近年来，受自然界高性能生物材料的启发，材料界提出了模仿生物材料结构制备高韧性陶瓷材料的思路。1990 年 Clegg 等创造性材料制备的 Sic 薄片与石墨片层交替叠层结构复合材料与常规 SiC 陶瓷材料相比，其断裂韧性和断裂功提高了几倍甚至几十倍，成功地实现了仿贝壳珍珠层的宏观结构增韧。国内外科研人员在陶瓷基层状复合材料力学性能方面进行了
13、大量的试验研究，取得了很大进展。陶瓷基层状复合材料力学性能优劣关键在于界面层材料，能够应用在高温环境下，抗氧化的界面层材料还有待进一步开发；此外，在应用 C、BN 等弱力学性能的材料作为界面层时，虽然能够得到综合性能优异的层状复合材料，但是基体层与界面层之间结合强度低的问题也有待进一步解决。陶瓷基层状复合材料的制备工艺具有简便易行、易于推广、周期短而廉价的优点，可以应用于制备大的或形状复杂的陶瓷部件。这种层状结构还能够与其它增韧机制相结合，形成不同尺度多级增韧机制协同作用，实现了简单成分多重结构复合，从本质上突破了复杂成分简单复合的旧思路。这种新的工艺思路是对陶瓷基复合材料制备工艺的重大突破，
14、将为陶瓷基复合材料的应用开辟广阔前景。6参考文献1.陆有军, 王燕民,吴澜尔.碳碳化硅陶瓷基复合材料的研究及应用进展J. 材料导报,2010,21(6)；14-192.李丹，武建军，董允.连续纤维增强复合材料的制备方法J. 材料导报：网络版，2008，5（3） ；22-243.冯倩，王文强，王震，杨金山. C 纤维和 SiC 纤维增强 SiC 基复合材料微观结构分析J. 实验室研究与探索，2010，1（3） ；4.何新波，张长瑞等. 连续纤维增强陶瓷基复合材料概述J. 材料科学与工程，2002，2（7） ；273-278,2625. 李香兰，纤维增强陶瓷基复合材料的发展及应用 J. 硅谷，20
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