第一篇：晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料研究進(jìn)展

晶須增韌陶瓷復(fù)合材料研究進(jìn)展

蘆珊（學(xué)號(hào)07093095）電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化09-1班

信息與電氣工程學(xué)院

摘要

綜述了晶須增韌陶瓷復(fù)合材料的制備方法和分類(lèi);討論了晶須陶瓷基復(fù)合材料的性能以及晶須參數(shù)對(duì)陶瓷材料力學(xué)性能、耐磨性、蠕變性能等方面的影響;并對(duì)陶瓷基復(fù)合材料晶須在陶瓷材料中的應(yīng)用、存在的問(wèn)題及研究的發(fā)展趨勢(shì)等作以介紹。

關(guān)鍵字

晶須增韌 晶須參數(shù) 耐磨性 蠕變性 陶瓷

1.引言

陶瓷材料具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)異特性,但存在脆性大、易斷裂的缺點(diǎn),從而限制了其實(shí)際應(yīng)用范圍,因此改善陶瓷材料的脆性、增大強(qiáng)度、提高其在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性成為其能否廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。陶瓷材料的韌性可以通過(guò)晶須、纖維增韌,顆粒彌散增韌和相變?cè)鲰g等機(jī)理增強(qiáng)。晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料被認(rèn)為是能解決高溫應(yīng)用的有效措施,目前該材料已商業(yè)化并應(yīng)用于切削刀具、耐磨零件、宇航和軍用器件等。[1] 晶須是具有近似規(guī)整截面,其截面積小于4~10cm 2 ,長(zhǎng)徑比在5~1000,甚至更高,且內(nèi)、外結(jié)構(gòu)幾乎完整的一類(lèi)單晶纖維材料。目前應(yīng)用較多的是Si-C晶須陶瓷基復(fù)合材料。

2.晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的制備

制備方法主要有兩種：要有2種方法 :(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] 制備過(guò)程主要有三個(gè)：晶須的分散、成型和燒結(jié)。

2.1晶須的分散主要包括以下過(guò)程：（1）酸洗清理。對(duì)晶須進(jìn)行酸洗清理或熱處理，可改變其表面的氧含量，從而影響晶須/基體界面的性質(zhì)。（2）晶須的過(guò)篩與分選。晶須的過(guò)篩有兩種效果：意識(shí)將緊密粘結(jié)在一起而又不易分離的晶須團(tuán)聚體或夾雜物除去：二是是晶須的尺寸大小控制在一定范圍內(nèi)。[3] 2.2 晶須增韌陶瓷經(jīng)復(fù)合材料的成型 成型方法主要包括：半干法成型、注漿成型、流延成型、注射成型、擠出成型和軋模成型。2.3燒結(jié)致密化工藝

主要有無(wú)壓燒結(jié)和壓力輔助燒結(jié)。2.3.1無(wú)壓燒結(jié)

相對(duì)熱壓和熱等靜壓燒結(jié)燒結(jié)溫度高、工藝復(fù)雜、設(shè)備造價(jià)高等缺陷,無(wú)壓燒結(jié)在含有添加劑的情況下具有燒結(jié)溫度低、工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。在Si-C晶須增強(qiáng)的陶瓷復(fù)合材料在沒(méi)有添加燒結(jié)助劑的情況下,實(shí)現(xiàn)了碳化硅晶須增強(qiáng)鋯莫來(lái)石復(fù)合材料的常壓燒結(jié),碳化硅晶須的添加明顯提高了鋯莫來(lái)石材料的力學(xué)性能,實(shí)現(xiàn)了良好的物理化學(xué)匹配。[4] 2.3.2壓力輔助燒結(jié)

壓力輔助燒結(jié)主要有熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、和等離子體放電燒結(jié)。(1)熱等靜壓燒結(jié)

熱等靜壓(HIP)工藝具有降低燒結(jié)溫度、抑制晶粒長(zhǎng)大、減少添加劑含量等優(yōu)點(diǎn),這主要是由于HIP燒結(jié)過(guò)程中,作用于樣品表面各向均衡的壓力,既能促進(jìn)致密化過(guò)程,又能抑制晶粒的長(zhǎng)大,因而更有利于改善材料的性能。[5]熱壓燒結(jié)是通過(guò)同時(shí)的高溫和壓力作用克服晶須的架橋效應(yīng)，晶須含量可達(dá)到60％，致密度可達(dá)到理論密度的95%[2]。熱等靜壓與熱壓燒結(jié)工藝相比,具有一定程度上降低燒結(jié)溫度的優(yōu)點(diǎn),但存在燒結(jié)工藝更加復(fù)雜、設(shè)備造價(jià)更高、不能進(jìn)行大件制品燒結(jié)等缺陷,故在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用有限。(2)化學(xué)氣相滲透(CVI)法

傳統(tǒng)的晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料使用燒結(jié)助劑來(lái)燒結(jié),但是高溫時(shí)低溶相的存在會(huì)破壞基體中的晶須,并且傳統(tǒng)的燒結(jié)方法會(huì)形成強(qiáng)的晶須與基體界面,從而降低晶須的增韌效果?；瘜W(xué)氣相沉積在Si-C晶須增強(qiáng)的復(fù)合材料中運(yùn)用日趨成熟，大大提高了復(fù)合材料的斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度[6]。(3)等離子體放電燒結(jié)

等離子體放電燒結(jié)是一種交心的燒結(jié)方法，與熱壓燒結(jié)類(lèi)似的燒結(jié)過(guò)程也是在一定壓力作用下進(jìn)行的，所不同的是借助于等離子體放電燒結(jié)復(fù)合材料可在較低溫度下達(dá)到同樣的燒結(jié)致密度。[7] 放電等離子燒結(jié)與傳統(tǒng)的熱壓燒結(jié)有著本質(zhì)的區(qū)別,其主要特點(diǎn)是通過(guò)陶瓷顆粒間的空位瞬時(shí)產(chǎn)生放電等離子,放電等離子激活和凈化燒結(jié)體內(nèi)部表面,進(jìn)而使得這些顆粒自身發(fā)熱,且在極短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)和物質(zhì)傳導(dǎo),因而具有非常高的熱效率,可在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)使燒結(jié)體達(dá)到致密。[8]

3.晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的的性能

3.1對(duì)力學(xué)性能的影響(1)對(duì)韌性的影響

晶須增韌是陶瓷經(jīng)復(fù)合材料一種重要的增韌方法，是改善陶瓷脆性有效途徑。在SiCw-Al2O3基體復(fù)合材料中，韌性隨晶須直徑增大而提高的試驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)晶須直徑從0.3m提高到1.5m時(shí),該復(fù)合材料的斷裂韌性從6.5MPam提高至12MPam。[9]早在七十年代,Lange等 研究了Si3 N 4 陶瓷的強(qiáng)度、斷裂韌性和顯微結(jié)構(gòu)的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)了長(zhǎng)柱狀-Si3N4晶粒能夠改善和提高材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性(達(dá)到6MPa/m)。Luo等利用熱壓的方法制備的Y-La系自增韌Si3N4,其室溫抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別860~960MPa和814~11172MPa/m ,而1350e時(shí)的強(qiáng)度和韌性分別為680~720MPa/m和22~24MPa/m[10]。(2)提高耐磨性

在SiCw-Al2O3陶瓷基復(fù)合材料中，隨著SiCw引入量的增多，材料的硬度不斷提高，硬度賦予了SiCw-Al2O3陶瓷基復(fù)合材料黑好的磨削特性。(3)對(duì)蠕變性能的影響

對(duì)蠕變速率的研究主要集中在施加應(yīng)力、溫度、晶須含量、氣氛等與應(yīng)變速

率的關(guān)系以及應(yīng)力因子n的確定。研究結(jié)果表明，SiCw-Al2O3陶瓷基復(fù)合材料的抗蠕變性能均優(yōu)于單項(xiàng)Al2O3陶瓷材料，其蠕變速率低出1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，這得益于晶須位于基質(zhì)相晶界，抑制蠕變變形[7]。3.2提高抗震性

林廣涌等[11] 研究表明,未加SiCw的Al2O3及ZrO 2(Y 2 O 3)基陶瓷材料經(jīng)1次熱震循環(huán)即有裂紋產(chǎn)生,而加入20%的SiCw經(jīng)過(guò)6次才有裂紋,而經(jīng)過(guò)8次仍沒(méi)有開(kāi)裂。羅學(xué)濤等 [12] 在1000e和500e溫差的熱震實(shí)驗(yàn)表明:SiCw對(duì)熱沖擊引起裂紋擴(kuò)展的影響起著關(guān)鍵作用。3..3改變其他性能

改變其它性能如導(dǎo)電性、吸波性等。

4.晶須增韌機(jī)制

晶須增韌的理論主要 是1988年P(guān).F.Becher提出的晶須增韌公式，即晶須的應(yīng)變能和從集體拔出的能量變化，這種能量變化，提高了陶瓷材料的韌性。

[3]。

微裂紋效應(yīng)

微裂紋增韌是較早提出的在多種材料中都存在的一種增韌機(jī)理:即在裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)和殘余應(yīng)力作用下,晶須成為微裂紋源,而在裂紋前方形成散布的(不連通的)微裂紋區(qū)。[13] 4.2 裂紋偏轉(zhuǎn)效應(yīng)

裂紋偏轉(zhuǎn)增韌是裂紋非平面斷裂效應(yīng)的一種增韌方式。裂紋擴(kuò)展到達(dá)晶須減

少, 時(shí),被迫沿晶須偏轉(zhuǎn),這意味著裂紋的前行路徑更長(zhǎng),裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度裂紋偏轉(zhuǎn)的角度越大,能量釋放率就越低,增韌效果就越好,斷裂韌性就提高。[2] 4.3裂紋橋聯(lián)效應(yīng)

裂紋橋聯(lián)是一種裂紋尖端尾部效應(yīng)。即裂紋擴(kuò)展過(guò)程中遇上晶須時(shí),裂紋有可能發(fā)生穿晶破壞,也有可能出現(xiàn)互鎖現(xiàn)象(Interlocking)即裂紋繞過(guò)晶須并形成摩擦橋[2]。4.4 晶須拔出效應(yīng)

拔出效應(yīng)是指當(dāng)裂紋擴(kuò)展遇到高強(qiáng)度晶須時(shí),在裂紋尖端附近晶須與基體界面上存在較大的剪切應(yīng)力,該應(yīng)力極易造成晶須與界面的分離開(kāi)裂,晶須可以從基體中拔出,因界面摩擦而消耗外界載荷的能量而達(dá)到增韌的目的。同時(shí)晶須從基體中拔出會(huì)產(chǎn)生微裂紋來(lái)吸收更多的能量。[14]

5.晶須參數(shù)對(duì)其性能的影響

5.1晶須強(qiáng)度

晶須強(qiáng)度Rw提高,能使裂紋閉合力界面滑移長(zhǎng)度Ls都增加,所以Kb和Kd都相大,使材料韌性提高。隨晶須強(qiáng)度提高, K b和基本上呈線性增長(zhǎng)。在晶須強(qiáng)度較低時(shí), K b< 在晶須強(qiáng)度較高時(shí),有Kb>Kd,說(shuō)明隨晶須增加,占主導(dǎo)地位的增韌機(jī)理逐漸由裂紋偏韌機(jī)理過(guò)渡到裂紋橋聯(lián)增韌機(jī)理。[15] 5.2晶須彈性模量

晶須彈性模量下降,說(shuō)明晶須在發(fā)生斷裂之前可以有較大的彈性變形,從使晶須斷裂要消耗較多的能量,橋聯(lián)增韌效果增大。[15] 5.3晶須尺寸

大尺寸晶須有利于陶瓷韌化,在晶須長(zhǎng)徑比超過(guò)一定的值后,尺過(guò)變化只影響橋聯(lián)增韌效果,并且能使橋聯(lián)增韌效果超過(guò)裂紋編轉(zhuǎn)增韌效果。[15]

6.晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用、存在的問(wèn)題及展望

6.1應(yīng)用

SiC陶瓷材料比其它同種材料制成的刀具具有更高的硬度、抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性、耐磨性和耐熱性,因而具有更長(zhǎng)的壽命。從80年代中期以來(lái),人們將其廣泛

用于切削工具中。磷酸鈣系生物陶瓷晶須同其它增強(qiáng)材料相比,不僅不影響材料的增強(qiáng)效果,而且由于良好的生物相容性,可廣泛應(yīng)用于生物陶瓷材料中。利用羥基磷灰石晶須的生物活性也可制得生物復(fù)合材料。利用晶須的特殊性能制備各種性能優(yōu)異的功能型復(fù)合材料 ,如鉍鍶鈣銅氧系晶須的超導(dǎo)性制得超導(dǎo)體復(fù)合材料,二氧化錫晶須的導(dǎo)電性制得導(dǎo)體等先進(jìn)復(fù)合材料[16]。6.2存在的問(wèn)題及展望

（1）目前許多的制備技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)階段沒(méi)有大規(guī)模的生產(chǎn)運(yùn)用，如SiC晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料等，對(duì)其動(dòng)力學(xué)過(guò)程還不十分了解。加強(qiáng)對(duì)制備工藝的研究，將是研究的重點(diǎn)之一。

（2）對(duì)于晶須參數(shù)對(duì)陶瓷基復(fù)合材料性能的影響雖有許多模型等，實(shí)驗(yàn)得出了許多好的結(jié)果，但對(duì)于不同的材料其影響機(jī)制不同，是否可以提出一種比較統(tǒng)一的影響條件規(guī)律仍有待研究。

（3）對(duì)于晶須增韌來(lái)說(shuō)，這種單一的增韌機(jī)理具有一定的局限性，將來(lái)的研究中對(duì)于多種增韌機(jī)制并存時(shí)大幅提高增韌效果的解決辦法，早已有實(shí)踐，如晶須和相變復(fù)合增韌陶瓷的復(fù)合增韌研究等[17]。

（4）除了利用陶瓷材料的力學(xué)性能外，發(fā)展期功能特性和機(jī)械性能的結(jié)合將是未來(lái)研究應(yīng)用的重要方向。

參考文獻(xiàn)

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第二篇：陶瓷材料晶須增韌11

金屬?gòu)?qiáng)化理論課程論文

陶瓷材料的晶須增韌

摘要：晶須增韌機(jī)理 以及晶須增韌的應(yīng)用 關(guān)鍵詞： 1前言：

晶須強(qiáng)韌化是用高強(qiáng)度、高模量的陶瓷纖維與陶瓷基體構(gòu)成陶瓷基復(fù)合材料，靠裂紋偏轉(zhuǎn)彎曲、纖維脫粘、纖維拔出和纖維橋連等機(jī)制來(lái)達(dá)到模高陶瓷的韌性和強(qiáng)度的一種方法，這樣的復(fù)合材料稱(chēng)做纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。晶須對(duì)陶瓷的增強(qiáng)、增韌效果不僅取決于纖維和陶瓷本身的性能(強(qiáng)度、彈性模量、線脹系數(shù)等)，而且還取決于兩者間是否有良好的匹配性(物理和化學(xué)相容性)及界而的結(jié)合狀態(tài)。因而有的陶瓷材料加入纖維后可能強(qiáng)度和韌性同時(shí)提高，而有的陶瓷材料則僅僅韌性提高而強(qiáng)度下降。因?yàn)閷?duì)陶瓷來(lái)說(shuō)．韌性往往顯得要比強(qiáng)廢更為重要，因此有時(shí)即便是復(fù)合后僅韌性提高而強(qiáng)度下降，攤的復(fù)合也是值得的。

2增韌機(jī)理

1．裂紋彎曲和偏轉(zhuǎn)增韌

在裂紋擴(kuò)展尖端應(yīng)力場(chǎng)中，增強(qiáng)體會(huì)導(dǎo)致裂紋彎曲和倔轉(zhuǎn)，從而使基體的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子降低，起到阻礙裂紋擴(kuò)展的作用。隨增強(qiáng)體長(zhǎng)徑比的增加，裂紋彎曲增韌的效果增加。裂紋一般很難穿過(guò)晶須，更容易繞過(guò)晶須并盡量貼近表面而擴(kuò)展，即裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)。裂紋偏轉(zhuǎn)增韌示意圖見(jiàn)圖7—25。

裂紋偏轉(zhuǎn)后受的拉應(yīng)力往往低于偏轉(zhuǎn)前的，而且裂紋的擴(kuò)展路徑增長(zhǎng)，裂紋擴(kuò)展中需消耗更多的能量，因而起到增韌的作用。裂紋偏轉(zhuǎn)可以繞著晶須傾斜偏轉(zhuǎn)或扭轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)，一般認(rèn)為，裂紋偏轉(zhuǎn)增韌主要是扭轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)機(jī)制起作用。

2．晶須脫粘增韌

在復(fù)合材料中，晶須或短纖維脫粘會(huì)產(chǎn)生新表面，因此需要能量，見(jiàn)圖7—26。盡管單位面積的表面能很小，但所有脫粘纖維總的表面能則很大。假設(shè)纖維的脫粘能等于應(yīng)力釋放引起的纖維上的應(yīng)變釋放能，則每根纖維的脫粘能為：

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其中：d為纖維直徑人為纖維臨界長(zhǎng)度14為纖維拉伸斷裂強(qiáng)度；Zf為纖維彈性模量。將纖維體積

代人，則可求出單位面積的最大脫粘能QD：

由上述分析可知，若想通過(guò)纖維脫粘達(dá)到最大增韌效果，應(yīng)使纖維體積含量增高，Lc要大，即纖維與基體的界面要弱。因?yàn)長(zhǎng)c與界面應(yīng)力成反比。

3．晶須橋連增韌

對(duì)于特定位向和分布的晶須，裂紋很難偏轉(zhuǎn)．只能沿著原來(lái)的擴(kuò)展方向繼續(xù)擴(kuò)展，如圖7—28所示。這時(shí)緊靠裂紋尖端處的晶須并未斷裂，而是在裂紋兩側(cè)搭橋，使裂紋表面產(chǎn)生一個(gè)壓應(yīng)力．以抵消外加拉應(yīng)力的作用，從而使裂紋難以進(jìn)一步擴(kuò)展，起到增韌作用，即纖維橋連增韌。

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4．晶須拔出增韌

晶須拔出，是指靠近裂紋尖端的晶須或短纖維在外力作用下沿著它和基體的界面滑出的現(xiàn)象。纖維拔出示意圖見(jiàn)圖7—27。很顯然纖維首先發(fā)生脫粘才能拔出。纖維撥出會(huì)使裂紋尖端應(yīng)力松弛，從而減緩了裂紋的擴(kuò)展。纖維的拔出需要外力作功，因此起到增韌作用。

提高界面的結(jié)合強(qiáng)度會(huì)提高纖維的拔出效應(yīng)對(duì)韌性的貢獻(xiàn)。如果纖維與基體間的結(jié)合太弱，稍受力纖維就從基體中拔出．基體無(wú)法把外界載荷傳遞給纖維，纖維不能成為承受載荷的主體，因面強(qiáng)韌化效果差，甚至可能?chē)Y(jié)合稀松，纖維的存在類(lèi)似于孔洞，反而會(huì)降低強(qiáng)度和韌性；反之如果纖維與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度過(guò)高，則不能發(fā)生纖維與基體的界面解離(裂紋偏轉(zhuǎn)的一部分)和纖維的拔出，材料將以災(zāi)難性的脆性方式斷裂面不是以韌性方式斷裂，雖然可以提高強(qiáng)皮但不能提高韌性。因此，影響增韌效果最為關(guān)鍵的問(wèn)題之一是界面強(qiáng)度，此界面強(qiáng)度應(yīng)適中，不能高于纖維的斷裂強(qiáng)度。

3影晌Sic晶須增韌的因素

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3.1界面性質(zhì)

3.1.1界面的物理相容性

界面的物理相容性是指纖維與基體問(wèn)彈性模量和線脹系數(shù)的關(guān)系。在cMc材料中，纖維和基體一般是不同的物質(zhì)，因而線脹系數(shù)和彈性模量通常是不同的，即使是同種物質(zhì)(如SiC纖維和SiC陶瓷基體)，因晶體結(jié)構(gòu)不同或各向異性，其線脹系數(shù)和彈性模量也會(huì)有所不同，而線脹系數(shù)和彈性模量的差異會(huì)對(duì)纖維強(qiáng)韌化的效果產(chǎn)生非常重要的影響。由于材料在燒結(jié)后的冷卻過(guò)程中，因線脹系數(shù)不同，在界面上會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變，甚至可能因陶瓷基體本身的脆性(大多數(shù)陶瓷材料的斷裂應(yīng)變值小于o．05％)面出現(xiàn)微裂紋，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱失配。殘余應(yīng)力正比于?a?T，其中?a＝af-am,af和am分別為纖維和基體的線脹系數(shù)；?a是燒結(jié)象度與當(dāng)前溫度的差值。若?a＞o，即纖維線脹系數(shù)大于基體線脹系數(shù)時(shí)，纖維沿軸向受拉應(yīng)力，基體受壓應(yīng)力，纖維產(chǎn)生一定的預(yù)拉應(yīng)力，成為載荷 的主要承載者，有利于強(qiáng)度和韌性的提高；反之若?a＜0，纖維沿軸向受壓應(yīng)力，基體受拉應(yīng)力，當(dāng)材料受外力作用時(shí)，纖維不能先于基體象提載荷，不利于強(qiáng)韌化。因此對(duì)同一種纖維，基體的線脹系數(shù)小，強(qiáng)韌化效果好。在應(yīng)變相同的情況下，若纖維的彈性模量比基體大，纖維將分提大部分載荷，從面有利于強(qiáng)韌化；反之若纖維彈性模量小于基體的，則纖維的作用不能充分發(fā)揮出來(lái)。

因此一般要求Ef＞Em、和af＞am、Ef、Em、af、am分別為纖維和基體的彈性模量和線脹系數(shù)。

3.1.2界面的化學(xué)相容性

界面化學(xué)相容性是指在燒結(jié)和使用溫度下，纖維與基體間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)及纖維性能在該溫度下不致退化，否則纖維的增強(qiáng)韌補(bǔ)作用將要降低，面且還會(huì)因由此結(jié)材料帶來(lái)的缺陷導(dǎo)致材料的性能下降。因此有必要研究纖維與基體之間界面的結(jié)合方式及其對(duì)材料性能的影響。

纖維與基體的界面結(jié)合有兩種，一種是物理結(jié)合，一種是化學(xué)結(jié)合。當(dāng)界面為物理結(jié)合時(shí)，界面兩相僅為機(jī)械咬合．界面結(jié)合強(qiáng)度較低，這時(shí)只須考慮彈性模量和綏脹系數(shù)的匹配性即可，而無(wú)須考慮化學(xué)相容性。而當(dāng)界面為化學(xué)結(jié)合時(shí)，界面有新相生成．且購(gòu)相間為化學(xué)鍵相接，界向結(jié)合強(qiáng)度較高，不易發(fā)生界面解離和纖維拔出，有利于增強(qiáng)、增韌。但若界面結(jié)合過(guò)強(qiáng)(超過(guò)纖維強(qiáng)度)，不能發(fā)生界固解離和纖維拔出，只能導(dǎo)致纖維斷裂；過(guò)多的纖維斷裂，必將導(dǎo)致材料以脆性方式斷裂，雖然可提高強(qiáng)度，但卻不能提高韌性。

實(shí)際上，在正常的燒結(jié)溫度下．纖維一般不會(huì)與陶瓷基體發(fā)生全面的化學(xué)反應(yīng)而損害纖維的整體性能，但往往會(huì)與基體發(fā)生—定的界面反應(yīng)，形成過(guò)強(qiáng)的界面強(qiáng)度：比如碳纖維就會(huì)與多種陶瓷特別是氧化物陶瓷形成過(guò)強(qiáng)的界面。因此，為獲得良好的增韌效果，通常要對(duì)纖維進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫱繉犹幚?，以起隔離作用，防止形成過(guò)強(qiáng)的界面。

3.2 晶須的性能

3.2.1 晶須尺寸要從晶須的長(zhǎng)徑比來(lái)考慮。隨著晶須長(zhǎng)徑比的增加，晶須完整性越好，金屬?gòu)?qiáng)化理論課程論文

結(jié)構(gòu)中所包含的缺陷也會(huì)減少，晶須性能越高。但是晶須長(zhǎng)徑比越小導(dǎo)致單位體積用量的增多和界面面積增大，在基質(zhì)中不易分布均勻，造成復(fù)合困難。總之復(fù)合材料對(duì)SIC晶須的共同要求是:完整的p一SIC晶須單晶含量高，直晶率高，彎晶和復(fù)晶的含量低，晶須的直徑、長(zhǎng)短和長(zhǎng)徑比的分布均勻性好，晶須中的缺陷少，雜質(zhì)的含量低。

3.2.2 晶須含量晶須含量的不同將影響到增韌機(jī)理和復(fù)合材料的斷裂模式。如果晶須含量過(guò)高，易形成團(tuán)聚，在基體中分散不均勻，復(fù)合材料的斷裂韌性值不會(huì)太高;反之如果晶須含量過(guò)低，不但起不到增韌的作用，反而成為多余夾雜甚至成為缺陷源。因此晶須只在在一定的含量下，才能有效實(shí)現(xiàn)增韌作用，根據(jù)簡(jiǎn)化模型可以計(jì)算晶須的最佳配比。

3.2.3晶須強(qiáng)度增韌效應(yīng)分析顯示晶須的強(qiáng)度是很重要的。根據(jù)前人研究表明，隨著晶須強(qiáng)度的增加，橋接增韌效應(yīng)也增加。同樣拔出效應(yīng)也隨晶須強(qiáng)度增加而增加。而含缺陷的晶須導(dǎo)致增韌效果降低。

3.2.4 晶須排布晶須在基體中的排布方向?qū)υ鲰g效果影響很大。實(shí)踐證明:當(dāng)晶須增韌陶瓷刀具材料，晶須排布平行于前刀面時(shí)，晶須徑向受拉，造成界面脫離基體，起不到增韌的效果;當(dāng)晶須排布垂直于前刀面時(shí)，晶須軸向受拉，通過(guò)裂紋偏轉(zhuǎn)和拔出效應(yīng)吸收裂紋擴(kuò)展能量，起到增韌的效果。SiC增強(qiáng)陶瓷基材料的研究與應(yīng)用

碳化硅晶須增強(qiáng)陶瓷材料的研究中,開(kāi)始主要以Al2O3,ZrO2,莫來(lái)石等為基體材料,隨著復(fù)合技術(shù)的不斷成熟,基體材料又出現(xiàn)了Si3N4等非氧化物材料。碳化硅晶須的加入使復(fù)合材料的斷裂韌性、抗彎強(qiáng)度等性能有明顯的改善。

SiC晶須增韌氧化鋁陶瓷

氧化鋁陶瓷具有熔點(diǎn)高、硬度高、耐磨、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),但其強(qiáng)度較低。用SiC晶須增強(qiáng)氧化鋁的研究首先是由Becber于1984年報(bào)道的。實(shí)驗(yàn)證明[8],當(dāng)SiC晶須的體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí),SiCw/Al2O3復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度達(dá)508MPa,斷裂韌性KIC為8.78MPa·m1/2,比純鋁的KIC提高了近一倍。碳化硅晶須補(bǔ)強(qiáng)后從而進(jìn)一步拓寬了氧化鋁的用途,目前已被應(yīng)用于磨損部件、切削刀具和內(nèi)燃機(jī)的某些構(gòu)件。其中SiC晶須增韌的陶瓷切削刀具材料,以其良好的斷裂韌性和抗熱沖擊性能在切削高溫合金等難加工材料方面表現(xiàn)了優(yōu)異的性能,延長(zhǎng)了刀具的使用壽命,切削效率遠(yuǎn)高于普通刀具,應(yīng)用潛力巨大。但目前用于刀具的SiC晶須增強(qiáng)氧化鋁陶瓷還存在以下兩個(gè)問(wèn)題題:一是SiC晶須在切削加工時(shí)能與金屬鈦和鋁發(fā)生化學(xué)反應(yīng),而不適合金屬鈦和鋁工件的加工;二是切削溫度超過(guò)1000℃,SiC晶須也會(huì)與鋼發(fā)生化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生硅化鐵,使刀具很快磨損[9]。

3.2 SiC晶須增韌氧化鋯陶瓷

四方氧化鋯陶瓷增韌之源是氧化鋯中的相變,因而增韌效果受溫度的制約。但在中高溫條件下為熱力學(xué)穩(wěn)定期,其相變?cè)鲰g作用消失。而且,由于其斷裂應(yīng)力與相變臨界應(yīng)力相互制約,強(qiáng)度和斷裂韌性值往往不能同時(shí)達(dá)到最大,晶須補(bǔ)強(qiáng)效應(yīng)被認(rèn)為是彌補(bǔ)該材料上述缺陷的最有效的方法之一[10]。王雙喜等[11]研究發(fā)現(xiàn),在2mol%Y2O3-超細(xì)料中加入30vol%的SiC

金屬?gòu)?qiáng)化理論課程論文

晶須,可以細(xì)化2Y-ZrO2材料的晶粒,并且使材料的斷裂方式由沿晶斷裂為主變?yōu)榇┚嗔褳橹鞯幕旌蠑嗔?從而顯著提高了復(fù)合材料的剛度和韌性。氧化鋯增韌陶瓷可用來(lái)制造發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件,如連桿、軸承、汽缸內(nèi)襯等,此外,由于其隔熱性能優(yōu)異、線膨脹系數(shù)高(與金屬相當(dāng)),故在隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)上可作為金屬的匹配件材料。

3.3 SiC晶須增韌莫來(lái)石陶瓷

莫來(lái)石是Al2O3-SiO2二元體系中唯一在常溫和高溫條件下都穩(wěn)定的晶相,是一種重要的結(jié)構(gòu)和功能陶瓷候選材料,目前已成為先進(jìn)陶瓷來(lái)石材料的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性都比較低,從而影響了其實(shí)際應(yīng)用。中科院上海硅酸鹽研究所的黃政人等[12]采用30vol%βSiC晶須增強(qiáng)莫來(lái)石,在SPS燒結(jié)條件下材料強(qiáng)度比熱壓高10%左右為570MPa,斷裂韌性為4.5Mpa·m1/2比純莫來(lái)石提高100%以上。呂林等[9]的研究將莫來(lái)石陶瓷材料的增韌補(bǔ)強(qiáng)與發(fā)動(dòng)機(jī)低應(yīng)力化設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái),所研制的6150無(wú)水冷發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)700h臺(tái)架耐久考核實(shí)驗(yàn),耐久性試驗(yàn)的時(shí)間達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。

3.4 SiC晶須增韌氮化硅陶瓷

SiC晶須增韌Si3N4陶瓷是提高其斷裂韌性和穩(wěn)定性的主要途徑之一。已有的研究表明[13]晶須增韌效果不僅取決于晶須的分散程度、晶須尺寸和體積分?jǐn)?shù),而且與晶須的空間位置及方向性密切相關(guān)。Wang Chang an[14]等對(duì)SiC晶須的氮化硅基復(fù)合材料中晶須取向的研究表明,當(dāng)晶須方向基本一致且晶須與基體界面弱連接時(shí),此方向中的斷裂韌性具有極大值,抗折強(qiáng)度和斷裂韌性分別為1038MPa和10.7MPa·m1/2;王東方等[15]在氮化硅增韌的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),SiCw/Si3N4的硬度達(dá)22GPa,斷裂韌性為10MPa·m1/2,分別比純氮化硅提高了10%和近兩倍。氮化硅陶瓷的一系列優(yōu)異的物理機(jī)械性能及化學(xué)性能,在高溫結(jié)構(gòu)材料、工具陶瓷材料、耐磨陶瓷材料和耐磨腐蝕陶瓷材料等方面,具有極大的市場(chǎng)和應(yīng)用潛力。隨著晶須增韌研究的不斷深入,氮化硅陶瓷在刀具、軸承、發(fā)動(dòng)機(jī)、絕緣材料等方面的應(yīng)用將會(huì)更加完善。

3.5 SiC晶須增韌其它陶瓷材料

近年來(lái)的研究證明,SiC晶須在增強(qiáng)鈦酸鋁陶瓷、氧化鋅陶瓷、石英玻璃、多孔硅陶瓷等實(shí)驗(yàn)中都得到了較好的增韌效果,此外,在增韌金屬基復(fù)合材料和高分子材料中也有廣泛的應(yīng)用。

瞿峻[1]，熊惟皓研究Sic晶須增強(qiáng)Ti(C，N)基金屬陶瓷的結(jié)果表明，當(dāng)微米級(jí)SIC晶須的添加量為1%時(shí)，抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性達(dá)到最高，分別為1905MPa和9.SMPa.m1/2，隨著晶須添加量的增加，其力學(xué)性能呈下降趨勢(shì)。

丁燕鴻，楊楊[2]采用SIC晶須作為增韌劑，以金屬粘結(jié)相和碳化物硬質(zhì)相作為添加劑，經(jīng)過(guò)混合成型后，采用真空燒結(jié)法制備出新型的SIC晶須增韌Ti(C，N)基金屬陶瓷復(fù)合材料刀具(牌號(hào)為T(mén)N3OW)。對(duì)TN3釁切削刀具材料的成分、制備工藝、顯微組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和理論分析。結(jié)果表明:與TN30切削刀具相比，TN30W刀具材料具有更高的硬度值、更好的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性等優(yōu)良的性能;在SIC晶須含量為15%、燒結(jié)溫度為1470℃

金屬?gòu)?qiáng)化理論課程論文

時(shí)，TN3OW切削刀具能獲得最佳的綜合力學(xué)性能，特別是抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性得到明顯的提高。

劉宗偉，張建華[3]對(duì)HAP/siCw復(fù)合生物陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。研究了晶須含量和晶須取向?qū)?fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。分析了晶須取向?qū)?fù)合材料力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)SICw擇優(yōu)分布在垂直于熱壓面內(nèi)，材料在平行于熱壓面的方向上力學(xué)性能最好，在垂直于熱壓面的方向上力學(xué)性能最差。

張淑婷，姚廣春[4] 本文首次研究了添加SIC晶須制備SICwN/FiZeO;陶瓷復(fù)合材料。結(jié)果表明，SIC晶須的添加起到了良好的補(bǔ)強(qiáng)效果。加入SIC晶須后抗熱震性有所下降，顯著提高了試樣抗沖擊性能，沖擊斷口有明顯的纖維脫粘及拔出現(xiàn)象，其增強(qiáng)機(jī)理為纖維的脫粘和拔出效應(yīng)。SIC纖維的加入使試樣的抗折強(qiáng)度略有上升。添加SIC纖維能夠顯著提高試樣的抗熱震性，殘余抗折強(qiáng)度保持率隨著纖維添加量的增加顯著上升。界面的分析結(jié)果表明，復(fù)合材料界面是纖維與基體之間形成的互擴(kuò)散層，界面結(jié)合牢固，使復(fù)合材料力學(xué)性能提高。

鄭建智，鄭勇[5] 研究了三種晶粒長(zhǎng)大抑制劑和SiC晶須對(duì)金屬陶瓷組織和性能的影響，得出如下結(jié)論：加入Cr3C2、VC對(duì)金屬陶瓷晶粒的細(xì)化作用不明顯，而加入TiC后，硬質(zhì)相聚集，氣孔率增加，力學(xué)性能較差；加入0.5 wt.%SiC晶須后，金屬陶瓷晶粒細(xì)小，組織均勻，抗彎強(qiáng)度、硬度和斷裂韌性都較高。而隨著晶須加入量的增加，界面的潤(rùn)濕性降低，孔隙率增加，力學(xué)性能急劇降低。

趙永樂(lè)，鄭勇[6]研究了SiC晶須添加量對(duì)Ti(C,N)基金屬陶瓷顯微組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：SiC晶須添加量為1.0wt%時(shí)，可使晶粒細(xì)化，顯著提高金屬陶瓷的強(qiáng)韌性，比金屬陶瓷基體分別提高了24%、29%；SiC晶須增韌金屬陶瓷的機(jī)理主要是裂紋偏轉(zhuǎn)、晶須的拔出及晶須的橋聯(lián)增韌。

羅學(xué)濤，陳小君等[7]通過(guò)SIC晶須在載體纖維中定向擠出和熱壓燒結(jié)工藝制備了高度定向SIC晶須增韌Si3N謐復(fù)合材料，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，70%以上SIC晶須的定向角在0~100之間，具有較好的方向性.過(guò)高的燒結(jié)溫度和晶須含量使材料抗彎強(qiáng)度降低·晶須定向方向的斷裂韌性(單邊切口垂直于定向晶須)比橫向方向高出20%.1000和SO0oC溫差的熱震實(shí)驗(yàn)表明，定向SIC晶須復(fù)合材料比隨機(jī)SIC晶須復(fù)合材料的抗熱震性能高得多。

曹玉軍,劉 杰[8]通過(guò)正交試驗(yàn)法對(duì)WC/SiCW陶瓷復(fù)合材料進(jìn)行了成分和熱壓工藝參數(shù)優(yōu)化,經(jīng)優(yōu)化制備的該類(lèi)復(fù)合材料與純WC材料相比,抗彎強(qiáng)度提高了約50%,斷裂韌性提高了30%~40%,維氏硬度提高了10%~15%。切削試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明,本試驗(yàn)制得的WC/SiCW復(fù)合陶瓷刀具材料的車(chē)削性能優(yōu)于同類(lèi)型硬質(zhì)合金材料,表明通過(guò)SiCW替代金屬粘結(jié)相來(lái)增韌補(bǔ)強(qiáng)WC陶瓷刀具材料的方法是可行的。

丁燕鴻，劉建文[9]主要研究了不同的SiC晶須(簡(jiǎn)稱(chēng)SiCw)加入量和真空燒結(jié)溫度對(duì)Ti(C,N)基金屬陶瓷復(fù)合材料性能的影響,并對(duì)SiCw的增韌機(jī)理進(jìn)行了探討。結(jié)果表明:在SiCw的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%、真空燒結(jié)溫度為1470℃時(shí),SiCw增韌Ti(C,N)基金屬陶瓷復(fù)合材料

金屬?gòu)?qiáng)化理論課程論文 的綜合力學(xué)性能最佳;材料中存在裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋橋接和晶須拔出等增韌機(jī)理。

魏源遷，山口勝美等[10]為了考察使用SiC晶須作為磨料和酚醛樹(shù)脂結(jié)合劑制成的一種SiC晶須砂輪砂輪的磨削特性對(duì)難加工材料如模具鋼SKD11(HRC60)進(jìn)行了大量的磨削試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明該砂輪不僅具有很高的磨削比(6000以上)和磨削效率,而且能獲得納米級(jí)加工表面(Ra1.5nm/Ry16nm)。

王海龍,汪長(zhǎng)安等[11]研究了SiCW和SiCP的添加量對(duì)于SiC/ZrB2陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能的影響,并分析了SiCW和SiCP對(duì)ZrB2陶瓷力學(xué)性能影響的協(xié)同作用和增韌機(jī)制。結(jié)果表明SiC/ZrB2復(fù)合材料強(qiáng)度和韌性提高的原因在于SiCW和SiCP抑制ZrB2晶粒長(zhǎng)大,促進(jìn)ZrB2的致密化,此外, SiCW和SiCP的協(xié)同作用也有助于材料韌性的提高。

聶立芳,張玉軍,魏紅康

5晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用

SICw是金屬基、陶瓷基和聚合物基等先進(jìn)復(fù)合材料的增強(qiáng)劑，能夠提高復(fù)合材料的強(qiáng)度、韌性、硬度、耐熱性、耐磨性、耐蝕性和觸變性等。還具有導(dǎo)電、絕緣、抗靜電、減振、阻尼、隔音、吸波、防滑、阻燃等多種功能[5]。能夠制造高性能的工程塑料、復(fù)合材料、膠粘劑、密封劑等，有著廣泛的用途。SICw是已合成晶須中硬度最高、模量最大、抗拉強(qiáng)度最大、耐熱溫度最高的晶須產(chǎn)品。陶瓷種類(lèi)繁多，基體材料性能復(fù)雜，在不同條件下其補(bǔ)強(qiáng)增韌機(jī)理不同，并且在很大程度上是取決于晶須一基體之間的界面結(jié)合情況，用SIC晶須作為增強(qiáng)體時(shí)，復(fù)合材料的性能會(huì)因基體的不同而不同，相應(yīng)的也就有了不同的用途。見(jiàn)上表1一2。展望

SiC晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料始于上世紀(jì)80年代后期。近年來(lái),隨著研究的深入和技術(shù)的進(jìn)步,其發(fā)展十分迅速,在機(jī)械、電子、航天等領(lǐng)域得到了推廣和應(yīng)用。然而SiC晶須在實(shí)際應(yīng)用中還存在幾方面問(wèn)題:(1)晶須在基體中分散的均勻工藝提出了較高的要求。(2)燒結(jié)過(guò)

金屬?gòu)?qiáng)化理論課程論文

程致密化。SiC晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料中,晶須含量高則韌性越大,但就目前的燒結(jié)工藝而言,只能制備晶須含量少于30%的材料,因此,如何改善工藝提高燒結(jié)過(guò)程的致密化是有待解決的問(wèn)題。(3)不管是何種增韌機(jī)制,增韌都是外加應(yīng)力在晶須-基體界面附近被部分吸收的結(jié)果。因此,有效的提高界面結(jié)合狀態(tài)是提高增韌效果的重要環(huán)節(jié)。對(duì)晶須進(jìn)行表面處理或在坯體中添加劑的加入將是未來(lái)研究的重點(diǎn)。此外,SiC晶須產(chǎn)量小、成本高等缺點(diǎn)也是限制其應(yīng)用的一個(gè)因素。[12]

參考文獻(xiàn)

1.瞿峻,熊惟皓,柯陽(yáng)林,劉文俊,葉大萌,姚振華.納米SiC晶須增強(qiáng)Ti(C,N)基金屬陶瓷的顯微組織與力學(xué)性能.機(jī)械工程材料, 2009: 66-69.2.丁燕鴻,楊楊.SiC晶須/顆粒增韌金屬陶瓷切削刀具的研究.株洲工學(xué)院學(xué)報(bào), 2006, 04: 66-68.3.納米羥基磷灰石_SiC晶須復(fù)合生物陶瓷材料及其加工.4.纖維增強(qiáng)NiFe_2O_4基陽(yáng)極材料的制備及性能研究.5.高性能Mo_2FeB_2基金屬陶瓷的制備工藝及合金化研究.6.高強(qiáng)韌性Ti_C_N_基金屬陶瓷制備技術(shù)的研究.7.羅學(xué)濤,陳小君,黃前軍,陳立富.定向SiC晶須增韌Si_3N_4陶瓷的制備及熱震性能研究.無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào), 2004, 03: 107-112.8.SiC晶須增韌WC陶瓷刀具材料的研究.9.丁燕鴻,劉建文.SiC晶須增韌Ti(C,N)基金屬陶瓷復(fù)合材料的研究.粉末冶金技術(shù), 2007, 04: 17-19+26.10.SiC晶須砂輪的開(kāi)發(fā)及其磨削特性.11.納米SiC晶須和SiC顆粒混合增韌ZrB_2陶瓷性能.12.SiC晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料的研究進(jìn)展.

第三篇：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(lèi)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(lèi)增強(qiáng)體

纖維類(lèi)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(lèi)增強(qiáng)體

顆粒類(lèi)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(lèi)增強(qiáng)體，后者主要有熱塑性樹(shù)脂粉末。

1.1.3晶須類(lèi)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。化學(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(lèi)很有前途的粉體制備方法。但是這類(lèi)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(zhuān)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(chēng)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(zhuān)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?xún)?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

參考文獻(xiàn)

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第四篇：石墨烯強(qiáng)韌陶瓷基復(fù)合材料研究進(jìn)展

石墨烯強(qiáng)韌陶瓷基復(fù)合材料研究進(jìn)展

趙琰 建筑工程學(xué)院

摘要：石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)性能，可作為強(qiáng)韌相引入陶瓷材料中，解決陶瓷材料的脆性問(wèn)題。本文綜述了石墨烯強(qiáng)韌的陶瓷基復(fù)合材料的研究進(jìn)展。在介紹石墨烯力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，著重闡述了石墨烯/陶瓷基復(fù)合材料的材料體系、制備方法、強(qiáng)韌化效果和強(qiáng)韌化機(jī)理，討論了實(shí)現(xiàn)石墨烯對(duì)陶瓷材料強(qiáng)韌化的關(guān)鍵問(wèn)題，并對(duì)未來(lái)石墨烯強(qiáng)韌陶瓷基復(fù)合材料的研究工作進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：石墨烯；陶瓷；強(qiáng)韌 1.引言

二十世紀(jì)八十年代以來(lái)，納米材料與技術(shù)得到了極大的發(fā)展，而納米碳材料也是從這一時(shí)期開(kāi)始進(jìn)入歷史舞臺(tái)。1985年，由60個(gè)碳原子構(gòu)成的“足球”分子C60被三位英美科學(xué)家Curl、Smalley和Kroto發(fā)現(xiàn)，隨后C70、C86等大分子相繼出現(xiàn)，為碳家族添加了一大類(lèi)新成員富勒烯(Fullerene)。1991年，日本電鏡專(zhuān)家Iijima發(fā)現(xiàn)了由石墨層片卷曲而成的一維管狀納米結(jié)構(gòu)—碳納米管(CNTs)，其性能奇特，應(yīng)用前景廣闊，現(xiàn)已成為一維納米材料的典型代表[1]。2004年，英國(guó)科學(xué)家Andre Geim和Konstantin Novoselov發(fā)現(xiàn)了碳材料“家譜”中的一位新成員—石墨烯(Graphene)，石墨烯僅由一個(gè)原子層厚的單層石墨片構(gòu)成，是一種二維納米材料。作為碳的二維晶體結(jié)構(gòu)，石墨烯的出現(xiàn)最終將碳的同素異形體勾勒為一副點(diǎn)、線、面、體(從零維到三維)相結(jié)合的完美畫(huà)面，如圖1所示[2,3]。縱觀近三十年的納米材料與技術(shù)的發(fā)展史，我們可以看到，每一種新的納米碳材料的發(fā)現(xiàn)都極大的推動(dòng)了納米材料與技術(shù)的發(fā)展。2.石墨烯的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能

石墨烯是由sp2雜化的碳原子緊密排列而成的蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)，厚度約0.35 nm，僅為一個(gè)原子的尺寸。石墨烯是碳材料的基本組成單元，石墨烯可以包裹形成零維的富勒烯，可以卷曲形成一維的碳納米管，還可以堆積成為三維的石墨，通過(guò)二維的石墨烯可以構(gòu)建所有其他維度的碳材料[4]。同單壁、多壁碳納米管之間的關(guān)系類(lèi)似，除了嚴(yán)格意義上的石墨烯(單層)外，少數(shù)層的石墨層片在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上明顯區(qū)別與塊體石墨，在廣義上也被歸為石墨烯的范疇[3]。

圖1 碳的同素異形體

[2]

石墨烯在熱學(xué)、電學(xué)、力學(xué)等方面均具有優(yōu)異的性能，其室溫下的熱導(dǎo)率約為3000-5000 Wm-1K-1，電子遷移率可達(dá)10000-20000 cm2V-1s-1[5,6]，理論和實(shí)驗(yàn)研究均表明石墨烯是目前已知的材料中強(qiáng)度和硬度最高的晶體結(jié)構(gòu)[7-13]。利用原子力顯微鏡(AFM)和納米壓痕技術(shù)可以測(cè)量石墨烯的力學(xué)性能，如圖2所示，不同研究者的測(cè)試結(jié)果列于表1。從表1可以看出，機(jī)械剝離法制備的石墨烯力學(xué)性能較好，其楊氏模量可達(dá)1 TPa，強(qiáng)度可達(dá)130 GPa，而化學(xué)剝離法制備的石墨烯，由于其表面存在缺陷和含氧官能團(tuán)，力學(xué)性能受到一定影響。石墨烯優(yōu)異的性能，使其可作為復(fù)合材料中的添加相，實(shí)現(xiàn)材料的功能化和結(jié)構(gòu)化。

圖2 懸浮的石墨烯膜，(a)跨越圓形孔陣列的石墨烯薄片的掃描電子顯微鏡(SEM)圖，(b)石墨烯膜的非接觸式AFM圖，(c)懸浮的石墨烯薄片的納米壓痕示意圖，(d)斷裂膜的AFM圖

[13]

表1 石墨烯力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

研究者

研究機(jī)構(gòu)

測(cè)試結(jié)果

機(jī)械剝離法制備的單層石墨烯的楊C Lee, X Wei, J W

Columbia University(USA)氏模量為1.0 ± 0.1 TPa，強(qiáng)度為130 ±

Kysar等 GPa[13]

Max-Planck-Institut für C Gómez-Navarro, M

Festk?rperforschung Burghard, K Kern

(Germany)

化學(xué)還原法制備的單層石墨烯的彈

性模量為0.25 ± 0.15 TPa[12]

M Poot, H S J van der Zant

Delft University of Technology(Netherlands)

當(dāng)石墨層數(shù)在八層以下時(shí)，力學(xué)性能

依賴(lài)于石墨烯的層數(shù)[11]

3.石墨烯在陶瓷材料中的應(yīng)用

陶瓷材料具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性、高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，但是脆性是其致命的缺點(diǎn)，限制了陶瓷材料的應(yīng)用范圍，因此，陶瓷材料的強(qiáng)韌化一直是材料學(xué)家長(zhǎng)期關(guān)注的問(wèn)題。目前，陶瓷材料的強(qiáng)韌方法包括：ZrO2相變?cè)鲰g、纖維增韌、晶須增韌、顆粒增韌等[14]。

隨著石墨烯制備、化學(xué)修飾和分散技術(shù)的成熟，近年來(lái)基于石墨烯的復(fù)合材料研究進(jìn)展很快[15-37]?；谑﹥?yōu)異的力學(xué)性能，將其作為強(qiáng)韌相引入陶瓷材料的研究也已展開(kāi)。

表2 石墨烯/陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)性能的研究結(jié)果

強(qiáng)韌相

基體

制備方法

氧化石墨烯與Al2O3機(jī)械混

Al2O3

合，用一水肼還原，放電等

離子燒結(jié)(SPS)十二烷基硫酸鈉(SDS)作為Graphene Nanosheet

Al2O3

分散劑，超聲混合，高頻感

應(yīng)加熱燒結(jié)(HFIHS)

添加0.5 wt%，斷裂韌

性提高72 %[29] 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Graphene Nanosheet

添加2 wt%，斷裂韌性

提高53 %[28]

添加3 wt%，斷裂韌性Graphene Few-layer Graphene Graphene Platelet

Al2O3 ZrO2-toughened Al2O3(ZTA)Graphene

ZrO2

球磨混合，HFIHS 十六烷基三甲基溴化銨

添加1.5 vol%，斷裂韌Graphene Platelet

Si3N4

(CTAB)作為分散劑，超聲結(jié)合球磨混合，SPS Multilayer Graphene;

添加1 wt% Multilayer Exfoliated Graphene Nanoplatelet;Nano Graphene Platelet

熱壓燒結(jié)，添加0.2 wt%，彎曲強(qiáng)度提高

N-甲基吡咯烷酮(NMP)作Graphene Platelet

Si3N4

為溶劑，超聲結(jié)合球磨混合，熱壓燒結(jié)和無(wú)壓燒結(jié) %，斷裂韌性提高10 %；無(wú)壓燒結(jié)，添加2 wt%，彎曲強(qiáng)度提高147 %，斷裂韌性提

高30 %[36]

Graphite Nanosheet 羥基磷灰石

超聲混合，SPS

(HA)

添加0.5 wt%，彎曲強(qiáng)

度提高12 %[37]

Si3N4

聚乙二醇作為分散劑，高能

Graphene，斷裂韌性提

球磨，熱等靜壓燒結(jié)

高43 %[35] 性提高235 %[34]

Al2O3

球磨混合，HFIHS 氧化石墨烯與Al2O3膠體滴

定混合，SPS

添加0.81 vol%，斷裂

球磨混合，SPS

韌性提高40 %[32] 添加3 wt%，斷裂韌性

提高367 %[33] 提高22 %[30] 硬度稍有降低[31]

表2列出了不同研究者制備的石墨烯/陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)性能的研究結(jié)果。從表2可以看出，石墨烯在不同的陶瓷基體中(Al2O3、ZTA、ZrO2、Si3N4、HA)均可達(dá)到明顯的補(bǔ)強(qiáng)增韌的效果，增韌方面的效果尤其突出，其強(qiáng)韌化機(jī)制主要包括裂紋的偏轉(zhuǎn)、分支，石墨烯的橋聯(lián)、斷裂、拔出等，如圖3和圖4所示。

值得注意的是，與納米顆粒的團(tuán)聚或納米纖維之間的糾纏不同，石墨烯材料，特別是化學(xué)還原法制備的石墨烯，因其平面形貌和層間相互作用，很容易發(fā)生層狀堆積。由于制備技術(shù)的限制和石墨烯本身容易團(tuán)聚的特點(diǎn)，目前作為陶瓷材料強(qiáng)韌相研究的石墨烯材料并不是嚴(yán)格意義上的單層石墨烯，通常為多層的石墨烯，當(dāng)其厚度方向達(dá)到幾個(gè)納米時(shí)，可稱(chēng)其為石墨烯納米片。雖然隨著石墨層數(shù)的增加，石墨烯中存在缺陷的可能將增加，這將導(dǎo)致其力學(xué)性能有所降低，但是石墨烯作為陶瓷材料的強(qiáng)韌相，由于其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)和巨大的接觸面積，依然可以顯著提高陶瓷材料的力學(xué)性能，因此圍繞石墨烯和石墨烯納米片展開(kāi)的陶瓷基復(fù)合材料的研究是十分必要的。

圖3 石墨烯納米片/ 氮化硅納米復(fù)合材料中的韌化機(jī)制，(a)顯微硬度測(cè)試預(yù)制裂紋(插圖)，對(duì)于裂紋的進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)在幾處位置有石墨烯納米片對(duì)裂紋的橋聯(lián)，其中的兩處展示在高分辨率的SEM圖片上，(b)對(duì)裂紋的進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)裂紋曲折的擴(kuò)展路徑，(c)材料的斷口形

貌揭示了復(fù)合材料中存在三維增韌機(jī)制[34]

圖4(a-c)不同Al2O3/GNS納米復(fù)合材料斷口的高分辨SEM圖片；(a)Al2O3/0.25GNS納米復(fù)合材料觀察到短的GNS拔出和其與Al2O3基體的結(jié)合；(b)Al2O3/0.5GNS納米復(fù)合材料觀察到相對(duì)大尺寸的GNS拔出和分離的石墨烯層片(小的白色箭頭)；(c)一個(gè)多層石墨烯結(jié)構(gòu)和GNS的拔出；(d)GNS拔出增韌機(jī)制和相鄰GNS層片滑移現(xiàn)象的示意圖；(e,f)外力作用下晶

格中的原子經(jīng)歷滑移運(yùn)動(dòng)的示意圖[29]

在陶瓷基體中實(shí)現(xiàn)石墨烯的強(qiáng)韌作用主要取決于兩個(gè)關(guān)鍵因素，一是石墨烯的分散，二是基體與石墨烯之間的界面結(jié)合。

強(qiáng)韌相在基體中的分布狀態(tài)對(duì)于復(fù)合材料的力學(xué)性能至關(guān)重要，石墨烯由于其平面形貌和層間相互作用，很容易發(fā)生層狀堆積，因此石墨烯的有效分散對(duì)于復(fù)合材料力學(xué)性能的提高顯得尤為重要，眾多研究者在此方面進(jìn)行了大量的研究。研究結(jié)果表明，采用不同的溶劑、添加表面活性劑或?qū)κ┻M(jìn)行化學(xué)修飾等方法有利于提高石墨烯的分散性[38-41]。石墨烯在有機(jī)介質(zhì)中的分散效果較好，如NMP；選用無(wú)機(jī)介質(zhì)作為溶劑，通常需要添加分散劑，如陰離子表面活性劑SDS、陽(yáng)離子表面活性劑CTAB、非離子型表面活性劑聚乙二醇和聚乙烯吡咯烷酮等。為了獲得良好的分散效果，石墨烯和基體材料可采用球磨、超聲分散、膠體滴定等一種或多種方式依次使用的方法進(jìn)行混合。與石墨烯相比，氧化石墨烯表面官能團(tuán)較多，分散性較好，將氧化石墨烯與陶瓷基體混合，然后用還原劑進(jìn)行還原，如一水肼、氫氣等，可得到分散效果良好的石墨烯/陶瓷基體的混合粉體。需要注意的是，除了采用多種方法得到分散良好的石墨烯/陶瓷基體的混合漿體，還應(yīng)注意分散后料漿的干燥方法，避免干燥過(guò)程中石墨烯的二次團(tuán)聚。

為提高石墨烯與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度，有利于載荷在界面間的傳遞，可對(duì)石墨烯進(jìn)行物理或化學(xué)的表面修飾和改性。需要注意的是，雖然對(duì)石墨烯進(jìn)行表面修飾有利于其分散和提高界面結(jié)合強(qiáng)度，但是由于化學(xué)修飾引入的缺陷對(duì)石墨烯面內(nèi)力學(xué)性能的降低在復(fù)合材料的設(shè)計(jì)中也應(yīng)加以考慮。同時(shí)，當(dāng)石墨烯與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度過(guò)高時(shí)，不利于石墨烯撥出增韌機(jī)制的發(fā)揮，因此對(duì)復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度的控制至關(guān)重要，然而目前對(duì)于這方面的研究報(bào)道還很少。

對(duì)于陶瓷基材料，燒結(jié)過(guò)程對(duì)力學(xué)性能的影響很大。采用先進(jìn)的燒結(jié)方法，如熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、SPS、HFIHS，可以降低燒結(jié)溫度、縮短保溫時(shí)間、有效保護(hù)石墨烯的二維結(jié)構(gòu)，獲得致密度高、晶粒尺寸均勻細(xì)小的復(fù)合材料，有利于力學(xué)性能的提高。4.結(jié)論與展望

石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)性能，同時(shí)其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)和巨大的接觸面積，使其在陶瓷材料中具有明顯的補(bǔ)強(qiáng)增韌的效果。石墨烯對(duì)陶瓷材料強(qiáng)韌作用的實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵在于石墨烯的有效分散和基體與石墨烯之間適宜的界面結(jié)合，這將是今后研究中需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。通過(guò)表面改性達(dá)到石墨烯的有效分散同時(shí)控制其與陶瓷基體的界面結(jié)合狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)陶瓷材料補(bǔ)強(qiáng)增韌的可控制備，有利于擴(kuò)展陶瓷材料的使用范圍。

本論文得到國(guó)家自然科學(xué)基金(81171463)、山東省高校科技計(jì)劃(J14LA59)、淄博市科技發(fā)展計(jì)劃(2014kj010079)資助。

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第五篇：陶瓷基復(fù)合材料的研究進(jìn)展及其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

陶瓷基復(fù)合材料的研究進(jìn)展及其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

摘要：綜述了陶瓷基復(fù)合材料(CMCs)的研究進(jìn)展。就CMCs的增韌機(jī)理、制備工藝和其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)展作了詳細(xì)介紹。闡述了CMCs研究和應(yīng)用中存在的問(wèn)題。最后，指出了CMCs的發(fā)展目標(biāo)和方向。關(guān)鍵詞：陶瓷基復(fù)合材料；航空發(fā)動(dòng)機(jī)；增韌機(jī)理；制備工藝

The Research Development of Ceramic Matrix Compositesand

Its Application on Aeroengine Abstract:The development

and

research

status

of

ceramic

matrix compositeswerereviewed in this paper.The main topics include the toughening mechanisms, the preparation progressand the application on aeroengine were introduced comprehensively.Also, the problems in the research and application of CMCswere presented.Finally, the future research aims and directions were proposed.Keywords: Ceramic matrix composites, Aeroengine, Fiber toughening,Preparation progress

1引言

推重比作為發(fā)動(dòng)機(jī)的核心參數(shù)，其直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，進(jìn)而直接影響飛機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)是發(fā)展新一代戰(zhàn)斗機(jī)的基礎(chǔ)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度和降低結(jié)構(gòu)重量是提高推重比的有效途徑[1]?，F(xiàn)有推重比10一級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度達(dá)到了1500~1700℃，如M88-2型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度達(dá)到1577℃，F(xiàn)119型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度達(dá)到1700℃左右，而推重比15~20一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度將達(dá)到1800~2100℃，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了發(fā)動(dòng)機(jī)中高溫合金材料的熔點(diǎn)溫度。目前，耐熱性能最好的鎳基高溫合金材料工作溫度達(dá)到1100℃左右，而且必須采用隔熱涂層，同時(shí)設(shè)計(jì)先進(jìn)的冷卻結(jié)構(gòu)。在此需求之下，迫切需要發(fā)展新一代耐高溫、低密度、低膨脹、高性能的結(jié)構(gòu)材料[2]。在各類(lèi)型新型耐高溫材料中，陶瓷基復(fù)合材料(CeramicMatrixComposites,CMCs)材料具有高的熔點(diǎn)、剛度、硬度和高溫強(qiáng)度，并且抗蠕變，疲勞性能好。其不僅克服了金屬材料密度高和耐溫低，而且克服了結(jié)構(gòu)陶瓷脆性大和可靠性差，碳/碳復(fù)合材料抗氧化性差和強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，尤其作為航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)需要承受極高溫度的特殊部位的結(jié)構(gòu)用材料具有很大潛力[3,4]。

CMCs是以陶瓷材料為基體，以陶瓷纖維、晶須、晶片或顆粒為補(bǔ)強(qiáng)體，通過(guò)適當(dāng)?shù)膹?fù)合工藝制備且性能可設(shè)計(jì)的一類(lèi)新型材料，又稱(chēng)為多相復(fù)合陶瓷(MultiphaseCompositeCeramic)，包括纖維(或晶須)增韌陶瓷基復(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[5]。本文主要介紹連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料保留了陶瓷材料耐高溫、抗氧化、耐磨耗、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，充分發(fā)揮陶瓷纖維增強(qiáng)增韌作用，克服了陶瓷材料斷裂韌性低和抗外部沖擊載荷性能差的先天缺陷。相比合金基復(fù)合材料，CMCs工作溫度高達(dá)1650℃，不僅可以通過(guò)減少冷卻氣流，提高渦輪熱效率，而且降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和制造難度。此外，CMCs密度約為耐高溫鎳基合金的1/4~1/3，鎢基合金的1/10~1/9，可以大大減輕發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量，降低油耗的同時(shí)提高推重比。

2CMCs國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

70代初，由于認(rèn)識(shí)到單體碳化硅、氮化硅等陶瓷材料的性能還較難實(shí)現(xiàn)高溫?zé)釞C(jī)應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)，J.Aveston在纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料和纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料基礎(chǔ)上，首次提出了纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料(FRCMCs)的概念[6]。八十年代以來(lái)，高模量高強(qiáng)碳纖維、氧化鋁纖維和抗高溫氧化性能良好的碳化硅纖維的出現(xiàn)，以及性能優(yōu)越且低成本的SiC晶須的商業(yè)化生產(chǎn)，使纖維及須增韌陶瓷復(fù)合材料等一躍成為令人矚目的新材料[7]。1973年，LevittS.R.首次以LAS玻璃為基體材料制得了高強(qiáng)度碳纖維增強(qiáng)玻璃基復(fù)合材料[8]。80年代中期，E.Fitzer等[9]和P.J.Lamicq等[10]將化學(xué)氣相沉積(ChemicalVaporDeposition,CVD)工藝引入FRCMCs的制備中，制得了高性能的碳化硅纖維增強(qiáng)SiC復(fù)合材料，從而全面推動(dòng)了FRCMCs的研究工作。在當(dāng)時(shí)，美國(guó)已有很多研究單位從事陶瓷基復(fù)合材料的研究和應(yīng)用工作，其中有UTRC、OakRidge國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、伊利諾斯大學(xué)、MIT、福特汽車(chē)公司等。此外，美國(guó)NASA制定的先進(jìn)高溫?zé)釞C(jī)材料計(jì)、DOE/NASA的先進(jìn)渦輪技術(shù)應(yīng)用計(jì)劃(ATTAP)、美國(guó)國(guó)家宇航計(jì)劃(NASP)都把高溫結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料作為重點(diǎn)研究對(duì)象，其研制目標(biāo)是將發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的使用溫度提高到1650℃或更高[11]，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度，達(dá)到節(jié)能、減重、提高推重比和延長(zhǎng)壽命的目的，滿足軍事和民用熱機(jī)的需要。日本對(duì)這種高性能結(jié)構(gòu)材料也極其重視，大阪工業(yè)技術(shù)研究所，東京工業(yè)大學(xué)和日產(chǎn)、三菱等汽車(chē)公司進(jìn)行了陶瓷復(fù)料及其結(jié)構(gòu)應(yīng)用研究[12]。1972年，我國(guó)上海硅酸鹽研究所率先開(kāi)展此項(xiàng)研究，經(jīng)較廣泛地搜探各種可能的纖維或晶須與陶瓷基體在化學(xué)上的相容性之后，首先選擇了碳纖維補(bǔ)強(qiáng)石英作為研究對(duì)象，研制成功相應(yīng)的復(fù)合材料[13]。此后，航空材料所、北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等相繼開(kāi)展了各種陶瓷基復(fù)合材料的研究工作。

目前，世界各國(guó)尤其是美國(guó)、日本、歐共體國(guó)家等都對(duì)CMCs的制備工藝及增韌機(jī)制進(jìn)行了大量的研究，并取得了一些重要成果。已經(jīng)制備和通過(guò)試驗(yàn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)CMCs構(gòu)件主要有：燃燒室內(nèi)襯套(combustorliner)、燃燒室筒(Combustorcan)、翼或螺旋槳前緣(leadingedge)、噴口導(dǎo)流葉片(guidevane)、渦輪葉片(turbinevane)、渦輪殼環(huán)(turbineshroudring)等[14,15]。在CMCs的研究中，研究最多的主要是纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料，主要包括碳纖維增強(qiáng)碳化硅(Cf/SiC)、碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅(SiCf/SiC)以及氧化物/氧化物陶瓷基復(fù)合材料[16,17]。

國(guó)外學(xué)者Schneider等[18]對(duì)莫來(lái)石纖維增強(qiáng)莫來(lái)石CMCs進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，已能制備和加工異形復(fù)雜構(gòu)件，制備的燃燒室隔熱瓦已通過(guò)模擬試驗(yàn)。Carellie等[19]對(duì)多孔氧化物CMCs的研究較為深入，利用陶瓷漿料浸漬-纏繞工藝制備的Nextel720纖維增強(qiáng)的多孔莫來(lái)石和氧化鋁CMCs的室溫拉伸強(qiáng)度約為149MPa，1200℃處理1000h后強(qiáng)度保留率高達(dá)97.3%。Kikuo等[20]通過(guò)泥漿浸漬/熱壓法制備Cf/SiC復(fù)合材料。在真空條件下，其室溫彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性分別為420MPa和13MPa·m1/2；在1400～1600℃時(shí)分別為600MPa和20MPa·m1/2，由于斷裂轉(zhuǎn)移和界面結(jié)合減弱導(dǎo)致纖維拔出的增加，高溫下材料的力學(xué)性能得以提高。EricP.bouillon等[21]分別用Cf/Si-C-B和SiCf/Si-C-B材料制備了6個(gè)噴管密封片，并在F100-PW-229發(fā)動(dòng)機(jī)加力狀態(tài)下做了600h和1000h試驗(yàn)，構(gòu)件沒(méi)有破壞。

由于工藝和原料的限制以及技術(shù)保密等原因，國(guó)內(nèi)關(guān)于CMCs應(yīng)用的公開(kāi)報(bào)道較少，大多處于試驗(yàn)探究階段。肖鵬等[22]制備的C/C-SiC復(fù)合材料在中等能載(1.5kJ/cm2)條件下摩擦系數(shù)較高，磨損量較低，具有優(yōu)良的摩擦磨損性能。為提升連續(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(CMCs-SiC)的抗氧化性，徐永東等人[23,24]制備三維碳/碳化硅復(fù)合材料，測(cè)試了的組織與力學(xué)性能，驗(yàn)證了其組織自愈合機(jī)制，探究涂層表面缺陷的影響以及生成的氧化物薄膜厚度的時(shí)間的關(guān)系。梅輝[25]，郭洪寶[26]等報(bào)道了有關(guān)三維和二維編制Cf/SiC復(fù)合材料的拉壓性能和斷裂韌性研究的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，兩者均表明，Cf/SiC復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能。此外，國(guó)防科技大學(xué)陳朝輝課題組[27]采用PIP工藝制備的Cf/SiC復(fù)合材料于2005年成功通過(guò)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)熱試車(chē)考核，產(chǎn)品性能優(yōu)異，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)與應(yīng)用。

3CMCs的增韌機(jī)理[28,29]

為改善陶瓷材料的力學(xué)性能，特別是脆性，CMCs采取的增韌形式主要有相變?cè)鲰g、顆粒彌散增韌和纖維增韌。在CMCs的幾種增韌形式中，由于通常采用的ZrO2相變?cè)鲰g陶瓷在高溫(900℃以上)時(shí)會(huì)失去相變?cè)鲰g的作用，顆粒(微米級(jí))增韌陶瓷的效果目前仍比較有限，較難滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫環(huán)境。相比之下，纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料表現(xiàn)出更為優(yōu)異的耐高溫以及力學(xué)性能。因此，本文主要探究FRCMCs的增韌機(jī)理。

陶瓷材料斷裂過(guò)程的實(shí)質(zhì)是表面能增加的過(guò)程，F(xiàn)RCMCs斷裂時(shí)通過(guò)纖維拔出、橋聯(lián)、脫粘和斷裂，以及裂紋的微化、彎曲、偏轉(zhuǎn)等方式提升其斷裂時(shí)表面能增量，從而使其韌性得到很大提高，圖1為FRCMCs增韌機(jī)制示意圖。

圖1FRCMCs增韌機(jī)制示意圖

Fig.1Schematicdiagramoftoughening mechanismofFRCMCs 在上述幾種斷裂機(jī)制中，纖維拔出是FRCMCs的最主要增韌機(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。因此，在構(gòu)組纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料時(shí)，應(yīng)該考慮:纖維的強(qiáng)度和模量高于基體，同時(shí)要求纖維強(qiáng)度具有一定的Weibull分布；纖維與基體之間具有良好的化學(xué)相容性和物理性能匹配；界面結(jié)合強(qiáng)度適中，既能保證載荷傳遞，又能在裂紋擴(kuò)展中適當(dāng)解離，又能有較長(zhǎng)的纖維拔出，達(dá)到理想的增韌效果。

4CMCs的制備工藝

增強(qiáng)體發(fā)揮其增韌機(jī)制的程度與復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)有關(guān)，如增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)、基體的致密度、界面的結(jié)合強(qiáng)度以及氣孔的體積分?jǐn)?shù)等，而這些結(jié)構(gòu)的狀態(tài)均由制備工藝決定。經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，適于制備陶瓷基復(fù)合材料的方法[30]有：泥漿浸漬熱壓法(Slurryinfiltrationandhotpressing,SIHP)，先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法(PrecursorInfiltrationPyrolysis,PIP)、化學(xué)氣相滲透法(ChemicalVaporInfiltration, CVI)、反應(yīng)熔滲法(ReactiveMeltInfiltration,RMI)。

(1)泥漿浸漬熱壓法 泥漿浸漬熱壓法是將目標(biāo)陶瓷的粉體制成泥漿，然后引入至纖維預(yù)制件中，得到連續(xù)碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。其主要工藝是將纖維浸漬泥漿后進(jìn)行制成無(wú)緯布，經(jīng)切片、疊加、熱模壓成型和熱壓燒結(jié)后，獲得致密化的復(fù)合材料，主要用于制備單向纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料，過(guò)程示意圖如圖2所示。該工藝簡(jiǎn)單，成本較低。但熱壓工藝容易使纖維造成損傷，降低了復(fù)合材料的力學(xué)性能。此外，該工藝需要較高的燒結(jié)溫度，對(duì)設(shè)備要求高，且不適合制備形狀復(fù)雜的構(gòu)件。

圖2泥漿浸漬熱壓法過(guò)程示意圖 Fig.2SchematicdiagramofprocessofSIHP(2)先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法

先驅(qū)體轉(zhuǎn)化方法[31]是以有機(jī)聚合物先驅(qū)體溶解或熔化后，在真空或氣壓的作用下浸漬到纖維預(yù)制體內(nèi)部，然后經(jīng)交聯(lián)固化后高溫裂解轉(zhuǎn)化為目標(biāo)陶瓷的過(guò)程。先驅(qū)體在交聯(lián)固化和裂解過(guò)程中，小分子逸出會(huì)使基體發(fā)生較大地收縮，導(dǎo)致材料的微結(jié)構(gòu)不致密，并伴有裂紋出現(xiàn)；受先驅(qū)體轉(zhuǎn)化率的限制，為了獲得密度較高的陶瓷基復(fù)合材料，必須經(jīng)過(guò)反復(fù)浸漬熱解，工藝成本較高；很難獲得高純度和化學(xué)計(jì)量的陶瓷基體，且先驅(qū)體本身可選擇的種類(lèi)有限。據(jù)此，該工藝可與其他工藝聯(lián)用，來(lái)克服這些缺點(diǎn)。如PIP與CVI聯(lián)用制備二維C/ZrC-SiC復(fù)合材料[32]，以及PIP與CVD聯(lián)用快速實(shí)現(xiàn)C/SiC材料的致密化[33]，但與RMI工藝的聯(lián)用少有報(bào)道。(3)化學(xué)氣相滲透法

CVI法起源于20世紀(jì)60年代中期，是在化學(xué)氣相沉積法(ChemicalVaporDeposition,CVD)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的制備陶瓷基復(fù)合材料的新方法[34]。其基本工藝過(guò)程是：將碳纖維預(yù)制體置于CVI爐中，源氣（即與載氣混合的一種或數(shù)種氣態(tài)先驅(qū)體）通過(guò)擴(kuò)散或由壓力差產(chǎn)生的定向流動(dòng)輸送至預(yù)成型體周?chē)笙蚱鋬?nèi)部擴(kuò)散，在纖維表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并原位沉積。過(guò)程示意圖如圖3所示。CVI工藝的突出優(yōu)點(diǎn)是可在遠(yuǎn)低于基體材料熔點(diǎn)的溫度下合成陶瓷基體，降低纖維與基體間的高溫化學(xué)反應(yīng)帶來(lái)的纖維性能下降。但由于CVI工藝的反應(yīng)是以氣相形式發(fā)生的，氣體在預(yù)制體內(nèi)部各部位的沉積速度不一致，易形成密度梯度；反應(yīng)涉及反應(yīng)化學(xué)、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)及晶體生長(zhǎng)等多方面內(nèi)容，過(guò)程非常復(fù)雜；材料的致密化速度低，制備周期長(zhǎng)，工藝成本高。

圖3CVI工藝過(guò)程示意圖 Fig.3SchematicdiagramofprocessofCVI(4)反應(yīng)熔滲法

反應(yīng)熔滲法是在20世紀(jì)80年代，德國(guó)Firzer[35]首先用液Si浸漬C/C多孔體制備C/C-SiC多相復(fù)合材料進(jìn)而發(fā)展起來(lái)的復(fù)合材料制備工藝。工藝包括三個(gè)基本過(guò)程：首先將碳纖維預(yù)制件放入密閉的模具中，采用高壓沖型或樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模工藝制備纖維增韌聚合物材料；然后在高溫惰性環(huán)境中裂解，得到低密度碳基復(fù)合材料；最后采用熔體Si在真空下通過(guò)毛細(xì)作用進(jìn)行浸滲處理，使Si熔體與碳基體反應(yīng)生成SiC基體，過(guò)程示意圖如圖4所示。該工藝最大的優(yōu)點(diǎn)為能夠通過(guò)一次成型制備致密且基本無(wú)缺陷的基體，而且預(yù)成型件與構(gòu)件之間結(jié)構(gòu)尺寸變化較小，被認(rèn)為是快速、低成本制備近凈成型復(fù)雜形狀構(gòu)件的有效途徑。可控的基體物質(zhì)包含ZrC、HfC、TiC、TaC、NbC及Zr-Si-C、Hf-Si-C、Ti-Si-C等碳化物的混合物，在制備纖維增強(qiáng)瓷基復(fù)合材料方面優(yōu)勢(shì)明顯[36]。

圖4反應(yīng)熔滲法過(guò)程示意圖 Fig.4SchematicdiagramofprocessofRMI 各國(guó)對(duì)陶瓷基復(fù)合材料工藝都進(jìn)行了詳細(xì)的研究，其中日本擁有聚碳硅烷(PCS)和連續(xù)SiC纖維制備技術(shù)，主要開(kāi)展PIP工藝制備纖維增強(qiáng)SiC復(fù)合材料的研究，特別是在SiCf/SiC復(fù)合材料制備上具有較高的研究水平；法國(guó)以CVI技術(shù)為主，且技術(shù)水平屬?lài)?guó)際領(lǐng)先；德國(guó)以RMI和PIP技術(shù)為主，特別是RMI技術(shù)世界領(lǐng)先；美國(guó)對(duì)PIP、CVI和RMI工藝均有研究，且均有較高的研究水平，特別是RMI工藝，已經(jīng)成為GE公司陶瓷基復(fù)合材料制備的主流工藝[37]。

5CMCs在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用情況

5.1在尾噴管部件上的應(yīng)用 20世紀(jì)80年代，法國(guó)SNECMA公司采用商業(yè)牌號(hào)為“Sepcarbinox”的碳化硅基陶瓷復(fù)合材料進(jìn)行外調(diào)節(jié)片的研制，先后在M53-2和M88-2發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)10余年的努力，于1996年進(jìn)入生產(chǎn)，這是陶瓷基復(fù)合材料在此領(lǐng)域首次得到的實(shí)際應(yīng)用。大大減輕了質(zhì)量。2002年，SNECMA公司已經(jīng)驗(yàn)證了其壽命目標(biāo)，并開(kāi)始投入批生產(chǎn)。同時(shí)，SNECMA公司也嘗試將陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用到M88-2發(fā)動(dòng)機(jī)的承受很高熱應(yīng)力的內(nèi)調(diào)節(jié)片上，以提高其使用壽命。圖5給出了M88-2發(fā)動(dòng)機(jī)的外調(diào)節(jié)片。目前，SNECMA公司與PW公司正在將SepcarbinoxA500CT噴管調(diào)節(jié)片轉(zhuǎn)移到外場(chǎng)進(jìn)行評(píng)估，并準(zhǔn)備在F-15E戰(zhàn)斗機(jī)/F100-PW-229發(fā)動(dòng)機(jī)和F-16戰(zhàn)斗機(jī)/F100-PW-229發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行飛行試驗(yàn)，PYBBNA500CT密封片準(zhǔn)備在F-15一體化飛行器先進(jìn)控制技術(shù)(ACTIVE)戰(zhàn)斗機(jī)驗(yàn)證機(jī)上進(jìn)行飛行試驗(yàn)[38]。

圖5M88-2發(fā)動(dòng)機(jī)的外調(diào)節(jié)片 Fig.5OuteradjustmentsheetofM88-2engine 5.2在燃燒室部件上的應(yīng)用

陶瓷基復(fù)合材料在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室火焰筒上的應(yīng)用研究起步較早。早在90年代，GE公司和P&W公司的EPM(EnablingPropulsionMaterials)項(xiàng)目就已使用SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料制備燃燒室襯套（見(jiàn)圖6），該襯套在1200℃環(huán)境下工作可以超過(guò)10000h[39]。美國(guó)綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)計(jì)劃用碳化硅基復(fù)合材料制備的火焰筒（見(jiàn)圖7），已在具有JTAGG（先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器計(jì)劃）第I階段溫度水平的XTE65/2驗(yàn)證機(jī)中被驗(yàn)證：在目標(biāo)油氣比下，燃燒室溫度分布系數(shù)低，具有更高的性能，可耐溫1480℃[40]。在AMG研究計(jì)劃中，日本科學(xué)家采用化學(xué)氣相沉積(CVD)等工藝加工的連續(xù)纖維增強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料燃燒室火焰筒，試驗(yàn)達(dá)到了1873K的出口溫度，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)損傷[41]。

圖6SiCf/SiC制備出的燃燒室襯套圖7CMCs制備的火焰筒 Fig.6SiCf/SiCcombustorlinerFig.7CMCsinnerliner 5.3在渦輪部件上的應(yīng)用

渦輪葉片工作在燃燒室出口，是發(fā)動(dòng)機(jī)中承受熱沖擊最嚴(yán)重的零件，其耐溫能力直接決定著高性能發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提升。目前，國(guó)外多家研究機(jī)構(gòu)已成功運(yùn)用陶瓷基復(fù)合材料制備出耐高溫的渦輪葉片。美國(guó)NASAGlenn研究中心研制的SiCf/SiC渦輪葉片（見(jiàn)圖8）可使冷卻空氣流量減少15%~25%，并通過(guò)在燃燒室出口氣流速度60m/s、6個(gè)大氣壓（約6×105Pa）和1200℃工作環(huán)境中的試驗(yàn)考核[42]。日本AMG計(jì)劃研制的碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料渦輪整體葉盤(pán)葉片段，于1998年暴露在熱燃?xì)饬髦校M(jìn)行了旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)，工作轉(zhuǎn)速達(dá)到30000r/min，葉尖轉(zhuǎn)速達(dá)到386m/s，燃?xì)鉁囟冗_(dá)到973K，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何振動(dòng)和損傷[41]。圖5展示的是陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉片和高溫合金葉片在110個(gè)熱循環(huán)對(duì)比試驗(yàn)后的照片，照片中左側(cè)為陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉片，右側(cè)為高溫合金葉片。從圖9中可以看出，經(jīng)110次熱循環(huán)后，高溫合金葉片葉身前緣和后緣已被嚴(yán)重?zé)g，而陶瓷基復(fù)合材料葉片基本完整。由此可以看出陶瓷基復(fù)合材料制備的渦輪葉片比高溫合金制備的渦輪葉片耐熱腐蝕能力強(qiáng)[42]。

圖8NASAGlenn研究中心制備的CMCs葉片 Fig.8CMCsblademadebyNASAGlennResearchCenter

圖9CMC葉片與高溫合金葉片熱循環(huán)試驗(yàn)對(duì)比

Fig.9ThermalcycletestingpictureofCMCandhigh-temperaturealloyvane 6CMCs研究和應(yīng)用中所存在問(wèn)題

盡管陶瓷基復(fù)合材料性能優(yōu)異，但是到目前為止其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用仍然非常有限。除材料性能有待于進(jìn)一步提高外，還有幾個(gè)需要重視的問(wèn)題。

(1)技術(shù)突破。陶瓷基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的研發(fā)，涉及到纖維等原材料研發(fā)、預(yù)制體編織、基體致密化、材料的精確加工與裝配、環(huán)境屏障涂層制備、無(wú)損檢測(cè)及考核驗(yàn)證等多個(gè)環(huán)節(jié)[43]，各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)均取得突破才能推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

(2)制造成本。陶瓷基復(fù)合材料的高成本實(shí)際上已成為阻礙其發(fā)展的一個(gè)巨大障礙，因此材料的低成本制造技術(shù)將是今后的一個(gè)重要研究方向。要降低成本首先在原材料上要盡量選取已工業(yè)化批量生產(chǎn)的材料，在性能允許的范圍內(nèi)優(yōu)先使用低價(jià)格材料。其次要盡量減少材料的后加工，陶瓷材料的后加工在其成本中占有很大的比重，因此，在制備過(guò)程中要選擇適當(dāng)?shù)某尚沃圃旆椒?，以減少后加工量。

(3)可重復(fù)性。提高陶瓷材料的可重復(fù)制造性和可靠性，降低其缺陷敏感性和尺寸效應(yīng)，也是今后的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容，這直接關(guān)系到陶瓷基復(fù)合材料制件的批量生產(chǎn)及其在實(shí)際結(jié)構(gòu)中的大量應(yīng)用。因此在制備過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按工藝要求進(jìn)行，盡量減少不確定因素和隨意性，避免材料成分出現(xiàn)偏析和產(chǎn)生大的缺陷。

(4)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。目前陶瓷基復(fù)合材料制件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要參照金屬材料的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，由于兩者間性質(zhì)相去甚遠(yuǎn)，這一做法已顯得越來(lái)越不適應(yīng)，在一定程度上制約了陶瓷材料的發(fā)展速度，因此有必要為陶瓷材料制定新的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以利于陶瓷材料的研究和應(yīng)用。

7結(jié)束語(yǔ)

陶瓷基復(fù)合材料具有重大應(yīng)用價(jià)值，它的工業(yè)化應(yīng)用將對(duì)高溫?zé)釞C(jī)、航空航天工業(yè)和軍事應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響[44]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)有很多科研單位和大學(xué)發(fā)表了陶瓷基復(fù)合材料方面的研究論文，這表明我國(guó)在陶瓷基復(fù)合材料研究領(lǐng)域已有一定的實(shí)力。但與美國(guó)、法國(guó)等西方先進(jìn)國(guó)家相比，缺乏工程驗(yàn)證和技術(shù)集成的經(jīng)驗(yàn)積累。CMCs無(wú)論在材料制備、性能分析和結(jié)構(gòu)應(yīng)用等諸方面都還存在問(wèn)題。因此，目前國(guó)內(nèi)仍需加強(qiáng)關(guān)于CMCs基礎(chǔ)研究工作，改進(jìn)工藝，降低成本，完善設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，加速CMCs在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用。

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