第一篇：先進的散熱系統(tǒng)檢討陶瓷和陶瓷基復合材料的熱交換器

先進的散熱系統(tǒng)檢討陶瓷和陶瓷基復合材料的熱交換器

1.介紹

這項工作的總體目標是在熱交換器中使用當前陶瓷材料（包括單片），熱轉移的主要目標申請評估其潛在的好處和可行性是確定最有前途的換熱器的設計使用陶瓷基礎上從行業(yè)提供的信息，專利，技術這樣的概念，行業(yè)和目前正在使用這些材料的應用是目前正在使用材料是類型被認為包括蒸發(fā)器，熱泵系統(tǒng)，氣體冷卻器，管銀行和基體表面的熱交換。

陶瓷的主要特點進行了調查，以便針對特定用途的陶瓷，然后以針對具體用法指導發(fā)展的最可行的設計這背后的傳統(tǒng)努力熱調查研究工作可以劃分為三個主要方面：更換現(xiàn)有的幾何形狀，結構的重大變化的建筑材料，采用新的幾何概念，利用先進的制造技術，新鋪料的實施可行性的利益最大化，也被評估和處理作為粘接，裝配，裝配，建設過程中的控制環(huán)境的需要，以及機械/的結構制造或實施技術問題還查明，在新興和傳統(tǒng)熱常規(guī)材料陶瓷的相對優(yōu)點傳輸系統(tǒng)。

2．潛在的陶瓷和陶瓷基復合材料（CMCS）

控股承諾在熱交換器的熱使用的固體材料一般可以分為四大類聚合物，金屬，陶瓷，碳素材料在未修改或無鋼筋令人滿意，在某些應用先進的材料需要更強，更硬，更輕的重量，更耐材料提供工程師擁有巨大的能力，以創(chuàng)建無限數量的新材料，有獨特的性能不能用一個單片的建設的系統(tǒng)為未來的換熱器設計，而不是選擇一個單一的材料，多種材料的承諾可能被選中，然后量身定做滿足的材料的具體要求，是構建兩個或兩個以上的材料，俗稱為成分，并有特色的的個人，目前在復合材料中的更大數量的被稱為的被稱為鞏固階段，或加固，因為它與熱，如特殊的碳纖維，碳化硅顆粒和鉆石partices導電增強創(chuàng)建具有高的熱導率和熱膨脹系數（CTE的）廣泛的新材料，它有可能在這項工作中，更詳細的信息都陶瓷基復合材料（CMCS）的屬性 使用這些材料在熱換熱器設計（固體，氣體，液體，天然氣氣等）

美國測試和材料協(xié)會（ASTM）定義為“的文章，其尸體是從基本上是無機非金屬物質，要么是從熔融體冷卻凝固形成的陶瓷材料，或已形成，同時或隨后成熟陶瓷相關這些材料在使用行動通常是離子鍵或共價鍵，可能結晶或無定形，在這種類型的電子結合，陶瓷傾向于前經常發(fā)生塑性變形斷裂從而在相當低的拉伸強度和普遍較差的材料的韌性。此外，由于這些材料往往是多孔，微孔可以作為進一步降低韌性和強度因素的壓力可以結合，導致災難性故障的材料，而不是失敗的通常較為平緩的相關模式金屬。雖然往往被忽視，陶瓷展覽塑料晶體材料，這種變形過程中發(fā)生得非常緩慢，由于陶瓷的剛性結構和脫位，以非結晶的陶瓷材料的防滑系統(tǒng)缺乏，粘性流動是塑性變形的主要來源，也很給出了一個典材料性能非常簡要概述。

兩個熱交換器施工中使用了更傳統(tǒng)的金屬材料，陶瓷材料的主要他們的的溫度，腐蝕，陶瓷材料，可承受的工作溫度（1400度），遠遠超過傳統(tǒng)的金屬例如，散裝的碳鋼熱的材料溫度不應超過425度的，由不銹鋼制造的熱交換器的散裝物料溫度一般應不超過650度。結果，熱交換器，必須受到保護，在某些應用中。熱保護可以通過手段的環(huán)境功能，XINJIANG 2004障涂層覆蓋金屬加A的效果

電阻到的的其他案件的整體性能，從而減少熱量，單位在保持較低的整體材料操作模式的平行流模式，而不是逆流模式的效果添加到空氣是熱的上游廢氣熱交換器上游的整體熱效率降低費用，增加熱交換器的使用壽命。這種技術還具有降低熱交換器的整體效率的影響。

第二陶瓷換熱器的主要優(yōu)點是其耐腐蝕和化學物質的侵蝕。在正常情況下發(fā)生的腐蝕而加劇了高架作業(yè)，腐蝕可以發(fā)生在許多不同的形式，在廢氣流。雖然這個比例形成一個保護層，可引起間歇性使用的換熱器和由此產生的熱循環(huán)的規(guī)模脫落，露出底層材料的進一步攻擊。

開始為熱交換器的計算必須知道一些溫度，質量流量和使用的介質的信息。在這個例子中，這些參數值，這些值雖然ireality與其他設備相關的自由選擇。在第1款中，輸入必要的運行計算將單挑。在第1.2.2從周期天寶計算運行結果進行了討論。

與煙道氣的溫度，質量流量和壓力的攝氏269.27度，130.364公斤/ s和1.023酒吧，與水交換熱量120.78度，18.184公斤/ s和45桿。掐尖的熱交換器設置在20?K，這是一個選擇的金融參數的值。如果選擇一個較小的溫差熱交換的面積必須大于生產成本將增加。輸入參數，周期節(jié)奏的需要運行計算，如表1所示。

當所有必要的輸入參數，填補了周期節(jié)奏可以執(zhí)行計算運行。已完成計算后，將自動顯示系統(tǒng)中的情節(jié)。在這個例子中，創(chuàng)建的Q-T圖。將討論結果的情節(jié)和圖表。

它很容易看到，有兩個輸入參數模型之間的主要區(qū)別。第一個是在能量方程碼（或Eeqcod）。在模型12

此代碼，這意味著thatfirst在能量方程碼。在模型12此代碼，這意味著該儀器的能量方程用于計算焓（或溫度）出口1。在這種情況下，必須是已知的質量流量，因此，在源1。負值表示質量流量，質量流量源。模型2此代碼設置1，表明能量方程被用來計算質量流量。在這種情況下，溫度和質量流量源7來計算。

第二個區(qū)別是不太明顯的，是關于“Tout1”。入口溫度和“Delth”車型之一，在這“Tout1”的關系，可以計算：Tout1= Tin2 – Delth。

對于一個簡單的換熱器，它是有用的傳熱看在QT圖。由于這兩款車型在熱力學的觀點是相同的，有沒有計算值或陰謀的差異。在QT圖（圖2）可以看出，煙氣降溫和水升溫。這個數字線之間的灰色表面，表示在熱交換器（熱）由于傳熱（火用）損失。

設置環(huán)境的定義，在一般的數據窗口（菜單欄）后，將能源和火用流表。一個中等的（火用）是相對于所選擇的環(huán)境。因此，環(huán)境要設置這樣的循環(huán)節(jié)奏可以使這個火用計算。對于這個例子中，環(huán)境是選擇像（25?攝氏度）。仔細一看，在本段將采取從設計計算的結果。再次，兩款車型都使用周期節(jié)奏的計算工作。計算的設計情況，重要的是要知道，如果在關閉設計情況的傳熱率后，第一次或二次側質量流量取決于。在第1.3.1的設計計算，其中出口溫度是未知的，將被視為一個向外的溫度和一個質量流量，而在第1.3.2是未知的。在第1.3.3傳熱計算方法假設現(xiàn)在煙氣質量流量是固定的，并通過熱交換器后，水的出口溫度也必須保持恒定在249.27°C間像在設計情況。為了達到這個值必須控制水的質量流量。周天寶說明Eeqcod熱交換器= 1，可以計算的質量流量。在傳熱模型3的容積率是根據水像在模型1和模型4這個值取決于煙氣像在模型2。現(xiàn)在的根據表5率（UA）將得到解釋。

對于非設計計算周期節(jié)奏，利用傳熱表面熱交換器，尿酸容積率。在設計計算此值的UA可以從發(fā)生的計算傳熱計算。（設計）的價值被稱為后關閉設計尿酸值可以計算出來。的設計情況的UA值等于：

Φ?高= UA*ΔTln[千瓦]。

3．潛在的陶瓷和陶瓷基復合材料的應用（CMCS）

使用陶瓷材料在熱被分為四個基于主熱機制的基礎：（1）液體-液體熱交換器（2）液體-氣體熱交換器（3）氣體-氣體熱交換器;和（4）散熱器。

4.制造方法和陶瓷的探傷CMCs

由更換材料或實施新的配置，在引進陶瓷和陶瓷基在熱交換器復合材料，它是必要考慮在制造過程中的特殊需要，移交，和操作流程。例如，熱膨脹系數差別很大取決于成品類型。

當連接不同的材料時，差熱膨脹或收縮，可有病理上的熱交換本節(jié)的長期耐久性的影響，對實施熱交換器陶瓷材料的重要方面是進一步研究。

5.陶瓷和陶瓷基復合材料的新性質的剝削（CMCs）

陶瓷和陶瓷基復合材料（CMCS）的主要特點進行了研究，在這項研究中，確定熱交換工作的具體用途，可以劃分成三個主要領域：（1）更換現(xiàn)有的幾何形狀的建筑材料，（2）主要構的變化，導致采用新的幾何概念。

第二篇：陶瓷基復合材料的復合機理

陶瓷基復合材料的復合機理、制備、生產、應用及發(fā)展前景

1.陶瓷基復合材料的復合機理

陶瓷基復合材料是以陶瓷為基體與各種纖維復合的一類復合材料。陶瓷基體可為氮化硅、碳化硅等高溫結構陶瓷。這些先進陶瓷具有耐高溫、高強度和剛度、相對重量較輕、抗腐蝕等優(yōu)異性能，其致命的弱點是具有脆性，處于應力狀態(tài)時，會產生裂紋，甚至斷裂導致材料失效。而采用高強度、高彈性的纖維與基體復合，則是提高陶瓷韌性和可靠性的一個有效的方法。纖維能阻止裂紋的擴展，從而得到有優(yōu)良韌性的纖維增強陶瓷基復合材料。

1．1陶瓷基復合材料增強體

用于復合材料的增強體品種很多，根據復合材料的性能要求，主要分為以下幾種。

1.1．1纖維類增強體

纖維類增強體有連續(xù)長纖維和短纖維。連續(xù)長纖維的連續(xù)長度均超過數百。纖維性能有方向性，一般沿軸向均有很高的強度和彈性模量。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（燒結法制）、碳化硅纖維是以500~12000根直徑為5.6~14微米的細纖維組成束絲作為增強體使用。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體使用。連續(xù)纖維制造成本高、性能高，主要用于高性能復合材料。短纖維連續(xù)長度一般幾十毫米，排列無方向性，一般采用生產成本低，生產效率高的噴射成型制造。其性能一般比長纖維低。增強體纖維主要包括無機纖維和有機纖維。

1.1.2顆粒類增強體

顆粒類增強體主要是一些具有高強度、高模量。耐熱、耐磨。耐高溫的陶瓷等無機非金屬顆粒，主要有碳化硅、氧化鋁、碳化鈦、石墨。細金剛石、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體，后者主要有熱塑性樹脂粉末。

1.1.3晶須類增強體

晶須是在人工條件下制造出的細小單晶，一般呈棒狀，其直徑為0.2~1微米，長度為幾十微米，由于其具有細小組織結構，缺陷少，具有很高的強度和模量。

1.1.4金屬絲

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

1.1.5片狀物增強體

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

1.2陶瓷基的界面及強韌化理論

陶瓷基復合材料(CMC)具有高強度、高硬度、高彈性模量、熱化學穩(wěn)定性

等優(yōu)異性能，被認為是推重比10以上航空發(fā)動機的理想耐高溫結構材料。界面 作為陶瓷基復合材料重要的組成相，其細觀結構、力學性能和失效規(guī)律直接影 響到復合材料的整體力學性能，因此研究界面特性對陶瓷基復合材料力學性能 的影響具有重要的意義。

1.2.1界面的粘結形式

（1）機械結合（2）化學結合陶瓷基復合材料往往在高溫下制備，由于增強體與基體的原子擴散，在界面上更易形成固溶體和化合物。此時其界面是具有一定厚度的反應區(qū)，它與基體和增強體都能較好的結合，但通常是脆性的。

若增強體與基體在高溫時不發(fā)生反應，那么在冷卻下來時，陶瓷的收縮大于增強體，由此產生的徑向壓應力?與界面剪切應力??有關：? = ? ??，?為摩擦系數，一般取0.1~0.6。

1.2.2界面的作用

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

2.復合材料的制備與生產

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

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)良的陶瓷基復合材料，制備出高純、超細、組分均勻分布和無團聚的粉體是很關鍵的。

陶瓷粉體的制備主要可分為機械制粉和化學制粉兩種?；瘜W制粉可獲得性能優(yōu)良的高純、超細、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雜的設備，或制備工藝要求嚴格，因而成本也較高。機械法制備多組分粉體工藝簡單、產量大，但得到的粉體組分分布不均勻，特別是當某種組分很少的時候，而且這種方法長會給粉體引入雜質。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合材料的關鍵。坯體在成型中形成的缺陷會在燒成后顯著的表現(xiàn)出來。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部，通過單向或者雙向加壓，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（或其他有機高分子粘合劑）混合后，加熱使蠟（或其他有機高分子粘合劑）熔化，是混合料具有一定流動性，然后將混合料加壓注入模具，冷卻后即可得到致密較結實的坯體。

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性的泥漿，然后注入多孔模具內（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，脫水干燥過程中同時形成具有一定強度的坯體。

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塑化劑溶液按適當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，經干燥、固化后從上剝下成為生坯帶的薄膜，然后根據成品的尺寸和形狀需要對生坯帶作沖切、層合等加工處理，制成待燒結的毛坯成品。

2.2.8注射成型

陶瓷料粉與熱塑性樹脂等有機溶劑在注塑機加熱料筒中塑化后，由柱塞或往復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預制體，再干燥就得到所需的陶瓷基復合材料坯體。

2.3燒結

在高溫下（低于熔點），陶瓷生坯固體顆粒的相互鍵聯(lián)，晶粒長大，空隙(氣孔)和晶界漸趨減少，通過物質的傳遞，其總體積收縮，密度增加，最后成為具有某種顯微結構的致密多晶燒結體，這種現(xiàn)象稱為燒結。陶瓷基復合材料基體常見燒結方法有普通燒結、熱致密化方法、反應燒結、微波燒結和等離子燒結。

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

2.4陶瓷基復合材料特殊的新型制備工藝

2.4.1熔體滲透

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

2.4.2化學氣相滲透（CVI）

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

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

體材料和陶瓷粉末與有機聚合物混合，然后進行成型燒結。

3陶瓷基復合材料的應用

陶瓷基復合材料具有較高的比強度和比模量，韌性好，在要求質量輕的空間及高速切削的應用很有前景。

在軍事上和空間應用上陶瓷基復合材料可做導彈的雷達罩，重返空間飛行器的天線窗和鼻錐，裝甲，發(fā)動機零部件，專用燃燒爐內襯，軸承和噴嘴等。石英纖維增強二氧化硅，碳化硅增強二氧化硅，碳化鉭增強石墨，碳化硼增強石墨，碳，碳化硅或氧化鋁纖維增強玻璃等可用于上與上述目的。

陶瓷基復合材料耐蝕性優(yōu)越，生物相容性好，可用作生體材料，也可用作制作內燃機零部件。陶瓷件復合材料可做切削道具，如碳化硅晶須增強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，而且進刀量和切削速度都可大大提高。

5陶瓷基復合材料現(xiàn)狀與發(fā)展前景

復合材料所面臨的問題是：怎樣把不同的材料有效地結合起來使某些性能得到加強，同時又把成本控制在市場可接受的范圍。目前，只有少數CMC達到實際應用的水平，大多數尚處于實驗室研究階段，但從其具有的優(yōu)異性能和研究狀況來看，CMC有著非常廣闊的應用前景。因而，對CMC的未來發(fā)展趨勢作一預測是非常有必要和有意義的。

5.1為了保證陶瓷基復合材料性能的可靠，除了從工藝上盡量保證陶瓷基復合材料的均一性及完整性之外，對材料性能的準確評價也是一個很重要的問題。因此，無損探傷是一項急待開展的工作。

5.2由宏觀復合形式向微觀復合形式發(fā)展。目前應用最多的是纖維、晶須補強復合材料

補強劑尺寸較大屬于宏觀復合。所謂微觀復合就是均質材料在加工過程中內部析出補強劑，（晶體）與剩余基體構成的原位復合材料或用納米級補強劑補強的納米復合材料。

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

5.4從一元補強、雙元混雜復合向多元混雜方向發(fā)展。用纖維、晶須或顆粒補強劑的陶瓷復合材料已經取得良好的效果，同時二種補強劑雙元混雜的復合材料也取得了一定進展，將會向多元混雜的方向發(fā)展。比如在混雜的纖維補強劑中還可以加入顆粒填料二種以上的納米顆粒同時彌散的復合材料，多元混雜有可能制備出超強度、超韌性的高性能陶瓷材料。

5.5由復合材料的常規(guī)設計向電子計算機輔助設計發(fā)展

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第三篇：陶瓷基復合材料

碳/碳化硅陶瓷基復合材料

一、簡介

陶瓷基復合材料(Ceramic matr ix composite ,CMC)是在陶瓷基體中引入第二相材料, 使之增強、增韌的多相材料, 又稱為多相復合陶瓷(Multiphase composite ceramic)或復相陶瓷(Diphase ceramic)。陶瓷基復合材料是20 世紀80 年代逐漸發(fā)展起來的新型陶瓷材料, 包括纖維(或晶須)增韌(或增強)陶瓷基復合材料、異相顆粒彌散強化復相陶瓷、原位生長陶瓷復合材料、梯度功能復合陶瓷及納米陶瓷復合材料。其因具有耐高溫、耐磨、抗高溫蠕變、熱導率低、熱膨脹系數低、耐化學腐蝕、強度高、硬度大及介電、透波等特點,在有機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用, 成為理想的高溫結構材料。報道,陶瓷基復合材料正是人們預計在21 世紀中可替代金屬及其合金的發(fā)動機熱端結構的首選材料。鑒于此, 許多國家都在積極開展陶瓷基復合材料的研究, 大大拓寬了其應用領域, 并相繼研究出各種制備新技術。

其中,C/SiC 陶瓷基復合材料是其中一個非常重要的體系。C/SiC 陶瓷基復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)陶瓷基復合材料。Cf /SiC 陶瓷基復合材料是利用Cf 來增強增韌SiC 陶瓷, 從而改善陶瓷的脆性, 實現(xiàn)高溫結構材料所必需的性能, 如抗氧化、耐高溫、耐腐蝕等;Cp/SiC 陶瓷基復合材料是利用Cp 來降低SiC 陶瓷的硬度, 實現(xiàn)結構陶瓷的可加工性能,同時具有良好的抗氧化性、耐腐蝕、自潤滑等。本文主要綜述了Cf /SiC 陶瓷基復合材料的制備及應用研究現(xiàn)狀,并且從結構和功能一體化的角度, 提出了采用軟機械力化學法制備Cp 與SiC 復合粉體, 通過無壓燒結得到強度、抗氧化性、耐腐蝕等性能以滿足普通民用工業(yè)用的Cp/SiC 陶瓷基復合材料的制備技術及應用前景。陶瓷基復合材料的性能與其結構緊密相關, 原材料、結構和工藝不同,材料的性能也不同。構成復合材料的組分材料包括纖維、基體和界面, 對于C/SiC 陶瓷基復合材料而言,界面的材料和結構是影響其性能的關鍵。陶瓷基復合材料的性能包括物理化學性能和力學性能, 物化性能主要有密度、孔隙率、線膨脹系數、熱擴散系數、熱導率、比熱容、抗氧化等, 力學性能主要有強度、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] 通過對C/SiC 復合材料進行基體改性, 制備了2D C/C-SiC 復合材料,并與2DC-SiC 的顯微結構和力學性能作了對比, 結果表明, 2D C/CSiC復合材料可在基本保持2D C/SiC 的抗彎強度的基礎上, 顯著提高斷裂韌性,基體改性效果明顯, 并得出結論,纖維的逐級拔出是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的3D-C/SiC 陶瓷基復合材料,其層間抗剪切強度比二維碳布疊層C/SiC 復合材料的剪切強度提高171.4 %, 表現(xiàn)出良好的結構特征和優(yōu)異的力學性能。然而, 2D 層合編織結構雖工藝成熟、成本低、制品尺寸范圍廣,但層間結合強度不高, 易分層;3D 整體編織結構雖能有效提高厚度方向的強度和抗沖擊損傷性能, 但編織角較小時橫向力學性能較差。2.5D C/SiC 復合材料是一種不同于2D 和3D 的新型復合材料, 其編織結構是用緯紗貫穿經紗, 形成互鎖, 從而增強材料層間結合強度, 并改善橫向力學性能。如Boitier 等對2.5D C/SiC 復合材料的拉伸蠕變性能進行測試和研究。Dalmaz 等對2.5D C/SiC 復合材料的循環(huán)疲勞性能和彈性模量進行研究和分析。李宏等對2.5D C/SiC 復合材料的熱物理性能進行了研究并得出結論:從室溫到1400 ℃縱向、橫向的熱膨脹系數隨溫度的升高而緩慢增加,在350 ℃和700 ℃附近出現(xiàn)波動;橫向的熱膨脹系數略高于縱向, 厚度方向的熱擴散系數隨溫度的升高逐漸降低, 且下降速率隨溫度的升高而變緩;經過CVD S iC 涂層后,材料熱擴散系數提高1 ～ 2 倍。姚亞東等以正硅酸乙酯和硝酸鋁為原料, 制備了莫來石溶膠, 用浸涂法在碳/碳化硅Cf /SiC)上制備莫來石涂層(Mullite coating , MC), 對Cf /S iC 和Cf /SiC MC 進行了等溫-氧化實驗,并研究了兩者的氧化規(guī)律。結果表明,Cf /SiC 和Cf /SiC MC 的氧化都可以劃分為3 個主要階段:θ<700 ℃;700 ℃<θ<1000 ℃;1000 ℃<θ<1200 ℃。在各個階段, 控制氧化速率的機理各有不同,Cf /SiCMC 的氧化質量損失比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 陶瓷基復合材料的主要制備技術

前驅體有機聚合物浸漬熱解轉化技術

將前驅體有機聚合物浸漬熱解(裂解)轉化(Polymer infiltrationpyrolysis ,簡稱PIP)制備陶瓷基復合材料是20世紀70 年代至80 年代發(fā)展起來的新工藝和新技術。其基本原理是:合成前驅體有機聚合物, 將纖維預制體在前驅體溶液中浸漬,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化為陶瓷基體, 經反復浸漬熱解最終獲得致密陶瓷基復合材料。Yajima S 曾以聚碳硅烷(Polycarbosilane, 簡稱PCS)為原料制備出SiC 纖維, 開創(chuàng)了有機聚合制備陶瓷的新領域。20 世紀80 年代中期掀起了對PIP 技術制備陶瓷基復合材料的研究熱潮, 20 多年來, 日本、美國、法國和中國等在PIP 技術制備陶瓷基復合材料領域展開了廣泛深入的研究,并取得了一些實用化的成果。簡科等將先驅體聚碳硅烷與二乙烯基苯按物質的量比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 , 經過一段時間后取出, 然后在氬氣保護下高溫熱解, 制得三維編織碳纖維增強碳化硅復合材料, 經過7 個真空浸漬-交聯(lián)固化-高溫熱解周期, 使材料致密化, 制得材料彎曲強度達到556.7MPa 的Cf /SiC 復合材料。然而, 前驅體有機聚合物浸漬熱分解轉化技術制備的陶瓷基復合材料孔隙率高、體積變形大、工藝周期長、生產效率低、工藝成本高, 不利于其推廣應用。因此, 有待于探討新的制備方法, 如PIP 與CV I 聯(lián)用,不僅能夠提高復合材料的致密性, 而且縮短周期, 提高生產效率。

化學氣相沉積及滲積技術

化學氣相沉積技術(Chemical vapor deposition , 簡稱CVD)是在具有貫通間隙的增強相材料(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合材料的方法, 其工藝為纖維編織體骨架或坯體置于化學氣相沉積爐內,通入沉積反應源氣, 在沉積溫度下熱解或發(fā)生反應,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?；瘜W氣相沉積溫度一般為1100 ～ 1500 ℃。如閆志巧等采用化學氣相沉積法, 于1100 ℃在碳纖維增強碳化硅復合材料表面制備SiC 涂層, 研究了涂層連續(xù)沉積和分4 次沉積(每次沉積時間為6h)所制備的SiC 涂層的微觀結構和涂層樣品的氧化性能。結果表明,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)點是:復合材料在制備過程中纖維受到的機械損傷和化學損傷小;可以制備纖維多向排布、編織和復雜形狀的制品;可用于制備組成可調的梯度功能復合材料。但CV D 技術也存在不足:生產周期長, 效率低, 成本高;坯體中的孔隙在CV D 過程中容易堵塞或形成閉孔, 即使提高壓強, 反應源氣體也無法進入, 因而難以獲得高致密性的復合材料。目前常見的有常壓CV D、低壓CV D、等離子CVD、熱CVD、間隙CVD 和激光CVD 等方法?；贑VD 技術存在難以克服的缺點, 人們又在此基礎上發(fā)展了化學氣相滲積技術。其基本原理是將氣態(tài)先驅體送達多孔隙的纖維編制預成型體中的纖維表面, 在其上發(fā)生化學反應,生成不揮發(fā)的產物并沉積, 形成陶瓷基體, 與預成型體中的纖維一道構成復合材料, 并有可能用于凈成型而毋須對復合材料產品進行二次機械加工。CVI 與CVD 相比具有效率高、速度快、密度高、強度高、韌性高、臨界應變值高,可以制備大尺寸部件等諸多優(yōu)點。常規(guī)的CV I 工藝是等溫CVI , 它具有能在同一反應爐中同時沉積多個或不同形狀的預制件的優(yōu)點, 但只能沉積簡單的薄壁件, 對于粗厚型件內部往往出現(xiàn)孔洞, 存在致密性差, 材料沉積不均勻的問題, 同時其工藝周期特別長, 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氣相沉積法來制備Cf /SiC 材料, 制備的復合材料致密性好, 當纖維的體積分數約為50 %時, 材料的密度達到2.44g/cm3 , 為理論密度的96 %。此外還有激光CV I(LCVI)法、強制流動熱梯度CVI法(FCVI)、微波CVI 法(MWCVI)等, 應用這些工藝, 可制備零維到三維的形狀稍微復雜的陶瓷材料構件[ 17 ,18]。如魏璽等根據C 纖維預制體的結構特征, 建立了ICVI 過程中預制體孔隙演變的“多尺度孔隙模型” , 并根據化學反應動力學和傳質學的基本理論, 建立了用于C/SiC 復合材料ICVI過程的數學模型, 很好地描述了C/SiC 復合材料ICVI 致密化過程,對ICVI 工藝的優(yōu)化有指導意義。因此, CVI 技術是目前應用較廣泛的一種制備陶瓷基復合材料行之有效的方法。

料漿浸漬及熱壓燒結法

料漿浸漬及熱壓燒結法是最早用于制備連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料的方法,其基本原理是將具有可燒結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, 使基體材料與纖維結合制成復合材料。該技術已用于制備各種纖維增強玻璃和玻璃陶瓷基復合材料。20世紀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, 并將該法用于先驅體轉化制備Cf /S iC 陶瓷基復合材料, 在料漿浸漬熱壓工藝制備Cf /SiC 復合材料中,可制備性能較好的纖維增強陶瓷基復合材料。但用該法難以制備大尺寸及形狀復雜的陶瓷基復合材料,只能制得一維或二維的纖維增強陶瓷基復合材料, 對于三維編織物增強陶瓷基復合材料, 熱壓時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, 通過多孔碳/碳坯體中氣孔的毛細作用滲透到坯體內部與碳基體反應生成碳化硅基體, 因此, 又稱反應性熔體浸滲法(Reactivemelt infilt ration , RMI)。通過控制硅的用量可以得到C/CSiC 復合材料或C/Si-SiC 復合材料。德國宇航院曾采用反應熔體浸滲多孔C/C 復合材料的方法制備了C/SiC 復合材料。萬玉慧等采用液相硅浸漬法制備了密度為2.31g/cm3的2D C/SiC 陶瓷基復合材料, 并對材料的結構和力學性能進行了研究。采用液相硅浸漬工藝可以制備大尺寸、復雜的薄壁結構組件, 工藝時間短, 材料來源廣泛, 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 復合材料時, 由于熔融Si 與基體C 發(fā)生反應的過程中, 不可避免地會與碳纖維發(fā)生反應, 纖維被浸蝕導致性能下降;同時, 復合材料中殘留有一定量的Si 導致復合材料抗蠕變性能降低。

其他制備方法

上述方法均用來制備碳纖維增強碳化硅(Cf /SiC)陶瓷基復合材料,對于制備碳顆粒復合碳化硅(Cp/SiC)陶瓷基復 合材料,采用軟化學方法[ 23] 較為經濟合理、普遍。隨著科學技術的不斷進步和社會需求的不斷增長, 人們對基礎性材料之一———顆粒的粒徑、純度、形貌及微結構提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)的高溫固相燒結法制得的顆粒粒徑大且分布范圍寬,雜質含量高且波動性大, 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。相對于傳統(tǒng)的高溫固相法而言, 軟化學方法(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,近年來已廣泛應用于制備功能納米材料。作為一類先進的材料制備手段, 軟化學方法接近自然過程, 其因反應條件溫和, 且生產出的納米顆粒高純超細、性能優(yōu)異, 引起了人們的廣泛關注, 并得到迅速發(fā)展[ 24]。因此, 加強軟化學穩(wěn)定體系的基礎理論及應用研究, 對于開發(fā)新的功能材料, 提高材料的性能,不斷拓展新的應用空間具有重要意義。溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠(S ol-Gel)制備技術已用于生產各種高性能陶瓷[ 27] , 在軟化學方法中具有特殊的地位。溶膠-凝膠技術是一種由金屬有機化合物、金屬無機化合物或上述兩者混合物經水解縮聚過程, 逐漸膠化并進行相應的后處理, 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、應用最廣泛的制備納米材料的化學方法之一。溶膠-凝膠法制備的復合組分純度高、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)/陶瓷復合材料, 且制得的陶瓷基復合材料性能良好。Liedtke 等[ 25] 采用快速溶膠-凝膠法, 將碳纖維預制體經過溶膠浸漬、固化得到凝膠, 然后經高溫高壓熱分解制備C/SiC 復合材料, 用此法制備的C/SiC 復合陶瓷的性能和可能的應用將優(yōu)于商業(yè)化的產品。Gadiou 等通過溶膠-凝膠法制備的碳化物涂層提高了C 纖維的抗氧化性能。

軟機械力化學法

機械力化學技術(Mechanochemical process , CP)是利用機械能誘發(fā)化學反應和誘導材料組織、結構和性能產生變化來制備新材料或對材料進行改性處理。機械力化學法與傳統(tǒng)的技術工藝相比,具有以下優(yōu)勢:①減少生產階段, 簡化工藝流程;②不涉及溶劑的使用及熔煉, 減少了對環(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)相產品。21 世紀初, Lu 等將Ti、Si、C 按Ti25 Si25C50 的比例混合, 采用機械力化學法, 經過100h 行星球磨后, 制備出TiC-SiC 復合粉體;崔曉龍等以硅粉和石油焦為原料利用機械合金化技術制備出SiC , 并認為生成物是六方晶型的α-SiC。然而,硬機械力化學法在隨機研磨過程中能量效率低, 并對材料產生污染。但是, 軟機械力化學法(“ Soft ” mechanochemicalprocesses , SMCP)是采用機械法將原材料進行預處理,從而降低其反應活化能, 制備陶瓷復合粉體的一種方法。如Yang Yun 等以C 粉、Si 粉、聚四氟乙烯/PVC/NH4Cl為原料, 采用機械激活(軟機械力化學)燃燒合成反應法(MASHS)在氬氣氛保護下球磨2 ～ 8h , 制備出β-SiC 不同粒徑的超細粉料, 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。筆者通過試驗得出, 軟機械力化學法是制備Cp/SiC 復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 中的分散均勻性問題, 而且能夠降低復合粉體的燒結溫度, 制備出綜合性能(熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性、可加工性等)良好的陶瓷基復合材料。三、應用前景

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

第四篇：陶瓷基復合材料（范文）

陶瓷基復合材料的研究與展望

涂秋梅

（中國計量學院材料科學與工程學院，浙江 杭州 310018）

摘要

陶瓷基復合材料不是傳統(tǒng)意義上的陶瓷，它是以陶瓷為基體與各種纖維復合的一類復合材料，通過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克服傳統(tǒng)陶瓷脆性差的缺點，使得陶瓷基復合材料成為了人們廣泛的研究熱點，也使陶瓷基復合材料展現(xiàn)出了廣泛的應用前景。本文綜述了陶瓷基復合材料的研究現(xiàn)狀，闡述了復合陶瓷材料的特點，介紹了陶瓷基復合材料的應用領域。

關鍵詞：陶瓷基復合材料；研究現(xiàn)狀；特點；應用領域

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正以兩倍于整個世界經濟增長速度而發(fā)展。其中陶瓷基復合材料的發(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性能等方面都具有不可替代的優(yōu)點，它克服了一般陶瓷的脆性，其應用已涉及到空間探索、科研、生產、建設的各個領域[1]。

1.陶瓷基復合材料的概況

陶瓷基復合材料不是傳統(tǒng)意義上的陶瓷，陶瓷基復合材料是以陶瓷為基體與各種纖維復合的一類復合材料。陶瓷基體可為氮化硅、碳化硅等高溫結構陶瓷。這些先進陶瓷具有耐高溫、高強度和剛度、相對重量較輕、抗腐蝕等優(yōu)異性能，而其致命的弱點是具有脆性，處于應力狀態(tài)時，會產生裂紋，甚至斷裂導致材料失效。而采用高強度、高彈性的纖維與基體復合，則是提高陶瓷韌性和可靠性的一個有效的方法。纖維能阻止裂紋的擴展，從而得到有優(yōu)良韌性的纖維增強陶瓷基復合材料。

2.陶瓷基復合材料的增韌技術[2]

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

為了提高復合材料的韌性，必須盡可能提高材料斷裂時消耗的能量。任何固體材料在載荷作用下(靜態(tài)或沖擊)，吸收能量的方式無非是兩種：材料變形和形成新的表面。對于脆性基體和纖維來說，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，由原來的脆性斷裂變成了非脆性斷裂。纖維增強陶瓷基復合材料的增韌機制包括基體預壓縮應力、裂紋擴展受阻、纖維拔出、纖維橋聯(lián)、裂紋偏轉、相變增韌等[3,4]。

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

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

陶瓷晶須是具有一定長徑比且缺陷很少的陶瓷小單晶，因而具有很高的強度，是一種非常理想的陶瓷基復合材料的增韌增強體[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和莫來石等。

晶須增韌陶瓷基復合材料的主要增韌機制包括晶須拔出、裂紋偏轉、晶須橋聯(lián)、其增韌機理與纖維增韌陶瓷基復合材料相類似。晶須增韌效果不隨溫度而變化，因此，晶須增韌被認為是高溫結構陶瓷復合材料的主要增韌方式。晶須增韌陶瓷復合材料主要有2種方法[7]。(1)外加晶須法：即通過晶須分散、晶須與基體混合、成形、再經煅燒制得增韌陶瓷。如加入到氧化物、碳化物、氮化物等基體中得到增韌陶瓷復合材料，此法目前較為普遍；(2)原位生長晶須法：將陶瓷基體粉末和晶須生長助劑等直接混合成形，在一定的條件下原位合成晶須，同時制備出含有該晶須的陶瓷復合材料，這種方法尚未成熟，有待進一步探索。2.3顆粒增韌

用顆粒作為增韌劑，制備顆粒增韌陶瓷基復合材料，其原料的均勻分散及燒結致密化都比短纖維及晶須復合材料簡便易行。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，仍有一定的韌化效果，同時會帶來高溫強度、高溫蠕變性能的改善。所以，顆粒增韌陶瓷基復合材料同樣受到重視，并開展了有效的研究工作。從增韌機理上分，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添加顆粒使基體和顆粒間產生彈性模量和熱膨脹失配來達到強化和增韌的目的。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，不僅改善了陶瓷的燒結性能，而且可以以多種方式阻礙陶瓷中裂紋的擴展，如裂紋的鈍化、偏轉、釘扎及金屬粒子的拔出等，使得復合材料的抗彎強度和斷裂韌性得以提高。Al2O3-10%(體積分數)Ni3Al復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，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。復合材料中裂紋在擴展過程中碰到緊鄰的長條狀Ni3Al顆粒后發(fā)生明顯的偏轉從而減小了裂紋擴展的驅動力，提高了復合材料的韌性。而圖1(b)所示的材料的斷裂韌性值僅為3 MPa·m1/2，對Al2O3陶瓷基本起不到增韌的效果。這是因為球狀的Ni3Al對促使裂紋偏轉作用很小。由此可見第二相對裂紋偏轉的程度取決于其顆粒形狀。顆粒的長徑比越大，對裂紋偏轉作用越明顯，阻止其擴展的能量越大，直到阻止其繼續(xù)擴展。因此為了顯著地提高復合材料的斷裂韌性，應該合理地選擇第二相顆粒的長徑比[9]。

圖1 Ni3Al顆粒對裂紋偏轉的作用(b)長條狀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，當裂紋經過顆粒時，其尖端在顆粒出發(fā)生彎曲，形狀改變，裂紋長度的增加和新裂紋表面的形成都會消耗能量，從而達到提高復合材料韌性的效果。第二相增韌顆粒從微米級減小到亞微米或納米時，材料的性能同樣會發(fā)生顯著變化，納米復相陶瓷便應運而生。在實現(xiàn)陶瓷的完全納米化比較困難的情況下，納米復合增韌則是一種非常切實可行的技術。

2.陶瓷基復合材料的成型[1]

陶瓷基復合材料的成形方法分為兩類：一類是針對陶瓷短纖維、晶須、顆粒等增強體，復合材料的成形工藝與陶瓷基本相同，如料漿澆鑄法、熱壓燒結法等；另一類是針對碳、石墨、陶瓷連續(xù)纖維增強體，復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法和化學氣相滲透法。料漿浸滲法是將纖維增強體編織成所需形狀，用陶瓷漿料浸滲，干燥后進行燒結。該法的優(yōu)點是不損傷增強體，工藝較簡單，無需模具。缺點是增強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體布成一定結構的坯體，干燥后在高溫、高壓下熱壓燒結為制品。與浸滲法相比，該方法所獲制品的密度與力學性能均有所提高。

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

3.陶瓷基復合材料的應用前景

目前有將陶瓷基復合材料用作耐磨材料，做軸承、刀具等。復合材料的應用是十分廣泛，幾乎包括日常生活、化學工業(yè)、機械、電子、石油、食品、航空航天、國防等各個部門與領域。陶瓷基復合材料已實用化或即將實用化的領域有刀具、滑動構件、發(fā)動機制件、能源構件等。法國已將長纖維增強碳化硅復合材料應用于制造高速列車的制動件，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)纖維補強陶瓷基復合材料(Continuous FiberReinforced Ceramic Matrix Composites，簡稱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合材料。由于其具有高強度和高韌性，特別是具有與普通陶瓷不同的非失效性斷裂方式，使其受到世界各國的極大關注。連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料已經開始在航天航空、國防等領域得到廣泛應用[10,11]。20多年來，世界各國特別是歐美以及日本等對纖維增強陶瓷基復合材料的制備工藝和增強理論進行了大量的研究，取得了許多重要的成果，有的已經達到實用化水平。如法國生產的“Cerasep”可作為“Rafale”戰(zhàn)斗機的噴氣發(fā)動機和“Hermes”航天飛機的部件和內燃機的部件[4]；SiO2纖維增強SiO2復合材料已用作“哥倫比亞號”和“挑戰(zhàn)者號”航天飛機的隔熱瓦[5]。由于纖維增強陶瓷基復合材料有著優(yōu)異的高溫性能、高韌性、高比強、高比模以及熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，能有效地克服對裂紋和熱震的敏感性。

4.總結

新型材料的開發(fā)與應用已成為當今科技進步的一個重要標志，陶瓷基復合材料使材料的韌性大大改善，同時其強度、模量有了提高。陶瓷基復合材料具有優(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，陶瓷基復合材料已實用化，它正以其優(yōu)良的性能引起人們的重視。目前，陶瓷基復合材料幾乎遍及現(xiàn)代科技的每一個領域?？梢灶A見，隨著對其理論問題的不斷深入研究和制備技術的不斷開發(fā)與完善，它的應用范圍將不斷擴大，應用前景十分廣闊。參考文獻：

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第五篇：陶瓷基復合材料

陶瓷基復合材料論文

2015年5月5日

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

關鍵詞：陶瓷基復合材料

基體

增強體

強韌化機理

制備技術

前言：陶瓷基復合材料是以陶瓷為基體與各種纖維復合的一類復合材料。陶瓷基體可為氮化硅、碳化硅等高溫結構陶瓷。這些先進陶瓷具有耐高溫、高強度和剛度、相對重量較輕、抗腐蝕等優(yōu)異性能，而其致命的弱點是具有脆性，處于應力狀態(tài)時，會產生裂紋，甚至斷裂導致材料失效。而采用高強度、高彈性的纖維與基體復合，則是提高陶瓷韌性和可靠性的一個有效的方法。纖維能阻止裂紋的擴展，從而得到有優(yōu)良韌性的纖維增強陶瓷基復合材料。

陶瓷基復合材料具有優(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、陶瓷基復合材料基本概述

陶瓷基復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、高強度、重量輕和價格低等優(yōu)點?；瘜W鍵往往是介于離子鍵與共價鍵之間的混合鍵。陶瓷基復合材料中的增強體通常也稱為增韌體。從幾何尺寸上可分為纖維(長、短纖維)、晶須和顆粒三類。碳纖維主要用在把強度、剛度、重量和抗化學性作為設計參數的構件；其它常用纖維是玻璃纖維和硼纖維。纖維增強陶瓷基復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以及莫來石等。

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

二、陶瓷基復合材料的結構性能

(1)陶瓷能夠很好地滲透進纖維點須和顆粒增強材料；(2)同增強材料之間形成較強的結合力；

(3)在制造和使用過程中同增強纖維間沒有化學反應；

(4)對纖維的物理性能沒有損傷；(5)很好的抗蠕變、抗沖擊、抗疲勞性能；

(6)高韌性；

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

陶瓷基復合材料的基體為陶瓷，這是一種包括范圍很廣的材料，屬于無機化合物?，F(xiàn)代陶瓷材料的研究，最早是從對硅酸鹽材料的研究開始的，隨后又逐步擴大到了其他的無機非金屬材料。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、高強度、重量輕和價格低等優(yōu)點。2.瓷基體的種類

陶瓷基體材料主要以結晶和非結晶兩種形態(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力學穩(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2175℃。穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷的比熱容和導熱系數小，韌性好，化學穩(wěn)定性良好，高溫時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低，優(yōu)異的抗冷熱聚變能力，能耐除氫氟酸外的各種無機酸和堿溶液，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、高硬度陶瓷。碳化硼粉末可以通過無壓燒結、熱壓等制備技術形成致密的材料。3．陶瓷復合材料的增強體

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

纖維類增強體有連續(xù)長纖維和短纖維。連續(xù)長纖維的連續(xù)長度均超過數百。纖維性能有方向性，一般沿軸向均有很高的強度和彈性模量。2)顆粒

顆粒類增強體主要是一些具有高強度、高模量。耐熱、耐磨。耐高溫的陶瓷等無機非金屬顆粒，主要有碳化硅、氧化鋁、碳化鈦、石墨。細金剛石、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體，后者主要有熱塑性樹脂粉末。3)晶須

晶須是在人工條件下制造出的細小單晶，一般呈棒狀，其直徑為0.2~1微米，長度為幾十微米，由于其具有細小組織結構，缺陷少，具有很高的強度和模量。晶須與顆粒對陶瓷材料的增韌均有一定作用，且各有利弊。晶須的增強增韌效果好，但含量高時會使致密度下降；顆?？煽朔ы毜倪@一弱點，但其增強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，則可取長補短，達到更好的效果。目前，已有了這方面的研究工作，如使用SiCw與ZrO2來共同增韌，用SiCw與SiCp來共同增韌等。

4.陶瓷基復合材料增強體分布 1.纖維增強陶瓷基復合材料 1）單向排布長纖維復合材料

當外加應力進一步提高時，由于基體與纖維間的界面離解，同時又由于纖維的強度高于基體的強度，從而使纖維從基體中拔出。當拔出的長度達到某一臨界值時，會使纖維發(fā)生斷裂。因此，裂紋的擴展必須克服由于纖維的加入而產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力的場合。

而許多陶瓷構件則要求在二維及三維方向上均具有優(yōu)良的性能，這就要進一步研究多向排布纖維增韌陶瓷基復合材料。2.晶須和顆粒增強陶瓷基復合材料

長纖維增韌陶瓷基復合材料雖然性能優(yōu)越，但它的制備工藝復雜，而且纖維在基體中不易分布均勻。因此，近年來又發(fā)展了短纖維、晶須及顆粒增韌陶瓷基復合材料。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，因此在制備復合材料時，只需將晶須分散后與基體粉末混合均勻，然后對混好的粉末進行熱壓燒結，即可制得致密的晶須增韌陶瓷基復合材料。晶須增韌陶瓷基復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。

5.陶瓷基復合材料的界面和強韌化機理 1）界面的粘結形式

（1）機械結合（2）化學結合 陶瓷基復合材料往往在高溫下制備，由于增強體與基體的原子擴散，在界面上更易形成固溶體和化合物。此時其界面是具有一定厚度的反應區(qū)，它與基體和增強體都能較好的結合，但通常是脆性的。

2）界面的作用

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

在實際應用中，除選擇纖維和基體在加工和使用期間能形成穩(wěn)定的熱力學界面外，最常用的方法就是在與基體復合之前，往增強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部存在著各種裂紋； 陶瓷的裂紋類型有：

（1）加工過程中產生的裂紋；（2）產品設計導致產生的裂紋；（3）使用過程中產生的裂紋；

三、瓷基復合材料的制備技術

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

1.粉末冶金法

制備工藝過程：原料（陶瓷粉末、增強劑、粘結劑和助燒劑）均勻混合（球磨、超聲等）冷壓成形（熱壓）燒結。關鍵是均勻混合和燒結過程防止體積收縮而產生裂紋。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題，采用漿體（濕態(tài)）法制備陶瓷基復合材料。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。這可通過調整水溶液的PH值來實現(xiàn)。

對漿體進行超聲波震動攪拌可進一步改善彌散性。彌散的漿體可直接澆鑄成型或熱（冷）壓后燒結成型。適用于顆粒、晶須和短纖維增韌陶瓷基復合材料。采用漿體浸漬法可制備連續(xù)纖維增韌陶瓷基復合材料。纖維分布均勻，氣孔率低。3.反應燒結法

用反應燒結法制備陶瓷基復合材料，除基體材料幾乎無收縮外，還具有以下優(yōu)點：增強劑的體積比可以相當大；可用多種連續(xù)纖維預制體；

大多數陶瓷基復合材料的反應燒結溫度低于陶瓷的燒結溫度,因此可避免纖維的損傷。反應燒結法最大的缺點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合材料，化學反應、熔體粘度、熔體對增強材料的浸潤性是首要考慮的問題，直接影響材料的性能。陶瓷熔體可通過毛細作用滲入增強劑預制體的孔隙。施加壓力或抽真空將有利于浸漬過程。5.直接氧化法

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

溶膠(Sol)是由化學反應沉積而產生的微小顆粒（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法是指金屬有機或無機化合物經溶液、溶膠、凝膠等過程而固化，再經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構, 使均勻性達到微米、納米甚至分子量級水平。使用這種方法，可將各種增強劑加入，基體溶膠中攪拌均勻，當基體溶膠形成凝膠后，這些增強組元穩(wěn)定、均勻分布在基體中，經過干燥或一定溫度熱處理，然后壓制燒結形成相應的復合材料。

四、陶瓷基復合材料的應用

陶瓷材料具有耐高溫、高強度、高硬度及耐腐蝕性好等特點，但其脆性大的弱點限制了它的廣泛應用。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1900 ℃。陶瓷基復合材料已實用化或即將實用化的領域包括：刀具、滑動構件、航空航天構件、發(fā)動機制件、能源構件等。

五、今后面對的問題及前景展望

現(xiàn)在看來，人們已開始對陶瓷基復合材料的結構、性能及制造技術等問題進行科學系統(tǒng)的研究，但這其中還有許多尚未研究情楚的問題。因此，從這一方面來說，還需要陶瓷專家們對理論問題進一步研究。新型材料的開發(fā)與應用已成為當今科技進步的一個重要標志，陶瓷基復合材料正以其優(yōu)良的性能引起人們的重視，可以預見，隨著對其理論問題的不斷深入研究和制備技術的不斷開發(fā)與完善，它的應用范圍將不斷擴大，它的應用前景是十分光明的。

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