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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划微纳米陶瓷基复合材料红外辐射特性与调控机理研究陶瓷基复合材料课程论文陶瓷基复合材料综述报告(Summaryreportofceramicmatrixcomposites)学院名称：材料科学与工程学院专业班级：复合材料1111学生姓名：不知道学号：指导教师：陶瓷基复合材料综述报告摘要：本文综述了陶瓷基复合材料的研究现状，基体和增强增韧纤维的选择，对陶瓷基复合材料的界面、增韧技术及其制造工艺,尤其是对CVI工艺做出了较为全面的总结和介绍,最后,对陶瓷基复合材料未来发展进行了展望。关键词：
2、陶瓷基复合材料表；增韧技术；制造工艺；界面；发展趋势SummaryreportofceramicmatrixcompositesAbstract:Thispaperreviewstheresearchstatusofceramicmatrixcomposites,thematrixandthetougheningandreinforcingfiberchoice,inceramicmatrixcomposites,interfacialtougheningtechnologyandmanufacturingprocess,especiallymadeamorecomprehensivesumm
3、aryandintroductionofCVItechnology,finally,thefuturedevelopmentofTaoCijicompositeswasprospected.Keywords:ceramicmatrixcompositesheet;tougheningtechnology;manufacturingprocess;(来自:写论文网:微纳米陶瓷基复合材料红外辐射特性与调控机理研究)interface;developmenttrend前言陶瓷基复合材料(Ceramicmatrixcomposite,CMC)是在陶瓷基体中引入第二相材料,使之增强、增韧的多相材料,又称
4、为多相复合陶瓷(Multiphasecompositeceramic)或复相陶瓷(Diphaseceramic)1。陶瓷基复合材料是20世纪80年代逐渐发展起来的新型陶瓷材料,包括纤维(或晶须)增韧(或增强)陶瓷基复合材料、异相颗粒弥散强化复相陶瓷、原位生长陶瓷复合材料、梯度功能复合陶瓷及纳米陶瓷复合材料。其因具有耐高温、耐磨、抗高温蠕变、热导率低、热膨胀系数低、耐化学腐蚀、强度高、硬度大及介电、透波等特点,在有机材料基和金属材料基不能满足性能要求的工况下可以得到广泛应用,成为理想的高温结构材料。因此越来越受到人们的重视。但由于陶瓷材料本身脆性的弱点，作结构材料使用时缺乏足够的可靠性。因而，改
5、善陶瓷材料的脆性已成为陶瓷材料领域亟待解决的问题之一。文献2报道,陶瓷基复合材料正是人们预计在21世纪中可替代金属及其合金的发动机热端结构的首选材料。鉴于此,许多国家都在积极开展陶瓷基复合材料的研究,大大拓宽了其应用领域,并相继研究出各种制备新技术3。1陶瓷基复合材料的基体和纤维的选择基体材料的选择对基体材料,要求它有较高的耐高温性能,与纤维(或晶须)之间有良好的界面相容性,同时还应考虑到复合材料制造工艺性能。可供选择的基体材料有:玻璃、玻璃-陶瓷、氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷材料。(1)玻璃基复合材料的优点是易于制作(因燃烧过程中可通过基体的粘性流动来进行致密化),且增韧效果好。但其致命的缺点是
6、由于玻璃相的存在容易产生高温蠕变,同时玻璃相还容易向晶态转化而发生析晶,使性能受损,使用温度也受到限制。(2)氧化物类陶瓷是60年代以前主要使用的陶瓷材料,主要有MgO、Al2O3、SiO2、ZrO2和莫来石等,但这些材料均不宜用于高应力和高温环境中。(3)非氧化物陶瓷,如Si3N4、SiC等由于具有较高的强度、模量和抗热震性及优异的高温机械性能而受到人们的重视,与金属材料相比,这类陶瓷材料还有密度较低等特点。增强增韧纤维的选择陶瓷基复合材料中最早使用的纤维是金属纤维,如W、Mo、Ta等,用来增韧Si3N4、莫来石、Al2O3和Ta2O5等,这样的陶瓷基复合材料虽然可以得到较高的室温强度,但其
7、致命的缺点是在高温下容易发生氧化,所以又发展了SiC涂层W芯纤维4。用这种纤维增韧的Si3N4复合材料,断裂功可提高到3900Jm-2,但强度却仅有55MPa(图1),纤维的抗氧化性仍未解决,而且当T为800时,强度会严重下降。C纤维由于有较高的强度、弹性模量和低的成本而被广泛应用于复合材料领域中,但实际中发现,在高温下C纤维与许多陶瓷基体会发生化学反应。图1Si3N4陶瓷使用SiC涂层W芯纤维增韧前后断裂功的变化5Nicalon是由聚碳硅烷熔融纺丝后经热解而成的SiC纤维,其中含有过量的O和C,而过量的C有利于CMC制造过程中在f/m界面上形成富C层,它的存在有利于增韧,但在1000以上它会
8、严重氧化,使纤维性能大幅度下降,高温下这种纤维增强复合材料还会产生脆化,主要是因为纤维在高温下性能受损,f/m界面结合加强。氧化物陶瓷纤维还很少受到人们的关注,主要是因为这些纤维与许多陶瓷基体界面结合过于牢固,同时纤维本身还很容易发生晶粒长大,如果其中含有玻璃相时,则会发生高温蠕变6,起不到良好的增韧效果。但一系列涂层技术的研究和应用,可望这类纤维的应用前景能有所改观。所以目前还迫切需要开发高性能的陶瓷基复合材料的增韧纤维。2陶瓷基复合材料增韧技术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
9、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。纤维的引入不仅提高了陶瓷材料的韧性,更重要的是使陶瓷材料的断裂行为发生了根本性变化,由原来的脆性断裂变成了非脆性断裂。纤维增强陶瓷基复合材料的增韧机制包括基体预压缩应力、裂纹扩展受阻、纤维拔出、纤维桥联、裂纹偏转、相变增韧等7,8。能用于增强陶瓷基复合材料的纤维种类较多,包括氧化铝系列(包括莫来石)、碳化硅系列、氮化硅系列、碳纤维等,除了上述系列纤维外,目前正在开发的还有BN、TiC、B4C等复相纤维9。韩桂芳等10用浆料法结合真空浸渗工艺,制备了二维
10、(2D)石英纤维增强多孔Si3N4-SiO2基复合材料,增加浸渗次数虽不能有效提高复合材料强度,但却使裂纹偏转因子变小,断裂模式由韧性断裂向脆性断裂转变,断口形貌由纤维成束拔出变为多级拔出。尹洪峰等11利用LPCVI技术制备了三维连续纤维增韧碳化硅基复合材料,实验表明当复合材料界面相厚度为m时,体积密度为21012105g/cm3时,用碳纤维T300增韧后的复合材料的弯曲强度为459MPa,断裂韧性为XXMPa?m1/2,断裂功为25170J?m-2。国外学者12,13也研究了纤维增强陶瓷材料,并显著的提高了其断裂韧性。纤维拔出是纤维复合材料的主要增韧机制,通过纤维拔出过程的摩擦耗能,使复合材
11、料的断裂功增大,纤维拔出过程的耗能取决于纤维拔出长度和脱粘面的滑移阻力,滑移阻力过大,纤维拔出长度较短,增韧效果不好,如果滑移阻力过小,尽管纤维拔出较长,但摩擦做功较小,增韧效果也不好,反而强度较低。纤维拔出长度取决于纤维强度分布、界面滑移阻力。因此,在构组纤维增韧陶瓷基复合材料时,应该考虑:纤维的强度和模量高于基体,同时要求纤维强度具有一定的Weibull分布；纤维与基体之间具有良好的化学相容性和物理性能匹配；界面结合强度适中,既能保证载荷传递,又能在裂纹扩展中适当解离,又能有较长的纤维拔出,达到理想的增韧效果。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
12、种非常理想的陶瓷基复合材料的增韧增强体14。陶瓷晶须目前常用的有SiC晶须,Si3N4晶须和Al2O3晶须。基体常用的有ZrO2,Si3N4,SiO2,Al2O3和莫来石等。黄政人等15采用30%(体积分数)B-SiC晶须增强莫来石,在SPS烧结条件下材料强度比热压高10%左右,为570MPa,断裂韧性为415MPa?m1/2比纯莫来石提高100%以上。王双喜等16研究发现,在2%(摩尔分数)Y2O3-超细料中加入30%(体积分数)的SiC晶须,可以细化2Y-ZrO2材料的晶粒,并且使材料的断裂方式由沿晶断裂为主变为穿晶断裂为主的混合断裂,从而显著提高了复合材料的刚度和韧性。晶须增韧陶瓷基复合
13、材料的主要增韧机制包括晶须拔出、裂纹偏转、晶须桥联、其增韧机理与纤维增韧陶瓷基复合材料相类似。晶须增韧效果不随温度而变化,因此,晶须增韧被认为是高温结构陶瓷复合材料的主要增韧方式。晶须增韧陶陶瓷基复合材料在航天领域的应用概念：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
14、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，根据复合材料的性能要求，主要分为以下几种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。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晶须类增强体晶须是在人工条件下制造
15、出的细小单晶，一般呈棒状，其直径为1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。金属丝用于复合材料的高强福、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。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。界面的粘结形式机械结合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。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。强韧化技术纤维增韧
