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张立同，等：连续纤维增韧陶瓷基复合材料可持续发展战略探讨
积防热系统，已经在Ｘ系列空天飞行器上试飞成功［５］，成为继ｃ／ｃ之后的新一代防热材料。可以避免类似哥伦比亚号使用Ｃ／Ｃ复合材料造成的灾难性事故，从而奠定了Ｃ／ＳｉＣ在高温防热领域的主导地位。
在工业燃气涡轮发电机中，以ＣＭＣ－ＳｉＣ燃烧室内衬和覆环为代表的静止件已经完成全寿命试车考核，短时间内可以进入实际应用阶段。
ＣＭＣ—ＳｉＣ材料作为核聚变反应堆第一壁，进行了系统的高温辐照实验。发现在１１００℃以下高温辐照对ＳｉＣ／ＳｉＣ的力学性能没有明显影响，下一步计划将测试温度提高到１４００℃。
ＣＭＣ—ＳｉＣ材料用作大型超轻结构太空反射镜仍处于研发阶段，主要解决超轻结构设计和反射性能。
ＣＭＣ—ＳｉＣ材料作为飞机高速刹车系统，正在试车考核与飞行验证。在奥迪Ａ８和保时捷等高档轿车上已经获得应用。
２．２ＣＭＣ－ＳｉＣ在国内的应用现状
我国近年来已经全面突破ＣＭＣ—ＳｉＣ的制备技术，应用研究也取得重大进展。我国高推重比航空发动机的研究起步晚，ＣＭＣ—ＳｉＣ的应用考核缺乏经费支持，只能进行短期试验考核［６］。燃烧室浮壁瓦片进行了试验台短时考核，壁面温度１２２７～１０４７℃，压力２ＭＰａ，３０ｒａｉｎ。全尺寸调节片进行了发动机挂片试车考核，压力０．２８ＭＰａ，马赫数１．５５，壁面温度１０４７℃。
我国卫星和轨控发动机喷管通过试车考核，同等条件下喷管的寿命是ｃ／ｃ的１０倍以上。
多种固体火箭发动机上试验了ｃ／ｓｉｃ构件，在同等条件下Ｃ／ＳｉＣ构件的线烧蚀率比ｃ／ｃ低１倍左右。
我国亚燃冲压发动机的喷管喉衬和燃气发生器已通过试车考核进入应用阶段，整体燃烧室处于研制阶段。
跨大气层空天飞行器高温防热系统的Ｃ／ＳｉＣ头锥帽和机翼前缘已经装机试飞成功，标志着我国在高温大面积防热领域取得了重大突破。
Ｃ／ＳｉＣ飞机刹车盘已经进入台架试车和系统考核阶段，与国际同步发展。
２．３ＣＭＣ的发展趋势
为了满足新型航空航天器更苛刻的服役环境，对更长寿命、更高温度和结构功能一体化ＣＭＣ提
出需求。为了适应这些需求，可以在ＣＭＣ二ＳｉＣ的基础上进行改性，从而具有新性能。如引入硼化物对ＣＭＣ—ＳｉＣ进行自愈合改性，用难熔金属碳化物和硼化物对ＣＭＣ—ＳｉＣ进行提高使用温度的改性，用适当电磁特性的材料对ＳｉＣ改性或用Ｓｉ。Ｎ。替代。２．３．１ＣＭＣ—ＳｉＣ的白愈合改性
为了满足ＣＭＣ－ＳｉＣ在高推重比航空发动机上长寿命使用需求，发展自愈合陶瓷基复合材料（ＳＨＣＭＣ）［７］。ＳＨＣＭＣ是通过对ＣＭＣ—ＳｉＣ的纤维、界面、基体和涂层材料进行改性，使其在高温氧化性环境使用时，各结构单元能迅速与入侵的环境介质反应生成玻璃封填相，就地消耗环境介质，形成对环境介质的层层防线，实现长寿命自愈合。目前自愈合温度范围为７００～１２００℃，预计自愈合温度潜力可达１５００℃。
纤维是承载单元，纤维自愈合是避免纤维损伤的最后防线，可有效提高环境自愈合寿命。纤维与基体热膨胀失配是基体产生裂纹降低自愈合寿命的关键，而两种纤维混合可以减小热膨胀失配。界面是实现强韧化的关键单元，多元多层界面不仅可以实现自愈合，而且可以实现强韧化（图２）。Ｈｉ—Ｎｉ—ｃａｌｏｎＳｉＣ／ＳｉＣ复合材料的多元多层界面具有精细的微结构，可以偏折微裂纹。多元多层基体是自愈合最重要的防线（图３［８］），可消耗主要环境介质，避免损伤功能界面和承载纤维。多元多层涂层是自愈合的第一道防线，对自愈合性能和抗环境性能有重要影响。
图２ＨｉＮｉｃａｌｏｎＳｉＣ／ＳｉＣ多层自愈合界面结构［２］
Ｆｉｇ．２Ｈｉ—ＮｉｃａｌｏｎＳｉＣ／ＳｉＣｃｏｍｐｏｓｉｔｅｗｉｔｈ
ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓｅｌｆ—ｈｅａｌｉｎｇｉｎｔｅｒｐｈａｓｅ［２］
多元弥散是自愈合的另一种途径，可用于自愈
合基体和涂层的制备与修复‘９＇１０３。图４是多元弥散
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复舍材料学报
图３多层自愈合基体ＳｉＣ／ＳｉＣ复合材料［８］Ｆｉｇ．３Ｓｉｃ／ＳｉＣｃｏｍｐｏｓｉｔｅｗｉｔｈｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓｅｌｆ—ｈｅａｌｉｎｇｍａｔｒｉｘＥ８］
图４多元弥散Ｓｉ—Ｂ—Ｃ—Ｎ陶瓷
Ｆｉｇ．４ＰｈａｓｅｓｅｐａｒａｔｉｏｎｉｎＳｉ—Ｂ—Ｃ—Ｎｃｅｒａｍｉｃｓ
Ｓｉ—Ｂ—Ｃ—Ｎ陶瓷的微结构照片。高应力状态时多元多层和多元弥散由于不能及时生成封填相而不能自愈合，必须提高基体的开裂应力。自愈合组元与环境介质反应生成的封填相容易腐蚀、挥发和水解，需要抗环境涂层的保护。稀土硅化物封填层在１５００℃水蒸汽中具有环境稳定性；稀土硅化物／莫来石涂层系统在１４８２℃具有化学稳定性。２．３．２难熔金属碳化物改性
高比冲液体火箭发动机中期要求发展发汗冷却推力室和主动冷却喷管，远期发展完全无冷却喷管；高比冲固体火箭发动机中期要求发展难熔金属碳化物陶瓷或者组合设计，远期发展难熔金属碳化物陶瓷基复合材料；超燃冲压发动机中期要求发展头罩前缘和燃料注射支撑件，远期发展燃料冷却壁；超高声速飞行器防热系统中期要求发展耐用控制面板，远期发展尖锐机翼前缘。
这些涉及到发展高熔点难熔金属改性和复合冷却技术，前者存在新材料体系问题，后者是涉及复合材料构件的设计与制造问题。
超高温复相结构陶瓷对缺陷敏感，存在明显的体积效应，因而构件尺寸受到极大限制，只适合用于局部极高温区。
由于超高温陶瓷组分中往往离不开ＳｉＣ，因此，通过对Ｃ／ＳｉＣ进行超高温基体改性和涂层改性以达到更高温度使用要求，这是一条发展超高温复合材料的有效途径。这不仅可以克服超高温复相陶瓷的缺点，延长使用寿命，同时能够确保使用可靠性。ＣＶＩ和ＣＶＤ是制备超高温基体和涂层的有效方法；ＲＭＩ结合Ｓｌｕｒｒｙ简单可行［１ｕ；采用ＳｐａｒｋＰｌａｓｍａＳｉｎｔｅｒｉｎｇ（ＳＰＳ）制备超高温复相结构陶瓷，可以降低烧结温度，减小成分挥发，实现快速致密化。采用ＰｌａｓｍａＳｐｒａｙＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＰＳＤ）制备超高温涂层简单快速，但涂层容易产生气孔，而且与ｃ／ＳｉＣ的结合强度不高。
对Ｃ／ＳｉＣ进行主动冷却可以不改变材料而大幅度提高使用温度，但对结构可靠性提出更高要求。
２．３．３结构功能一体化
高马赫数飞行器或航空发动机尾喷管等要求材料在具有高温结构性能的同时，具有电磁波吸收和透过等功能。因此，需要材料在保证力学性能的同时具有特殊的物理功能。由于缺少可用的功能纤维，发展雷达波陶瓷吸收剂及发展高温雷达和红外透波陶瓷仍然是目前的主要发展趋势。
石英是目前使用最广的天线罩材料，介电性能最好，但力学性能和抗雨蚀性差，使用温度也难以再提高，氮化硅可以有效改善上述性能。石英一氮化硅复相陶瓷有望具有更好的综合性能，发展Ｓｉ～Ｎ—Ｂ一０系和Ａ卜Ｏ—Ｎ系非晶态陶瓷更值得关注。化学气相渗透法（ＣＶＩ）和有机前驱体热解法（ＰＩＰ）能够克服烧结法的诸多缺点，使天线罩的制造向近尺寸、可设计和高性能方向发展。
远期目标是首先突破功能结构一体化纤维，并在ＣＭＣ—ＳｉＣ或ＣＭＣ—Ｓｉ３Ｎ。的基础上改性，发展结构功能一体化的吸波陶瓷基复合材料，制备方法也由烧结法向ＰＩＰ和ＣＶＩ方向发展。
３我国面临的机遇与挑战
３．１机遇
ＣＭＣ—ＳｉＣ是高性能航空航天器不可缺少的防热结构一体化材料，性能的可设计性强。构件考核
验证表明，ＣＭＣ—ＳｉＣ可满足航空航天器复杂服役 万方数据
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连续纤维增韧陶瓷基复合材料可持续发展战略探讨
作者：张立同， 成来飞， ZHANG Litong， CHENG Laifei
作者单位：西北工业大学,超高温结构复合材料国防科技重点实验室,西安,710072
刊名：
复合材料学报
英文刊名：ACTA MATERIAE COMPOSITAE SINICA
年，卷(期)：2007,24(2)
被引用次数：26次
参考文献(12条)
1.Xu Y D;Cheng L F;Zhang L T Carbon/silicon carbide composites prepared by chemical vapor
infiltration combined with silicon melt infiltration 1999(08)
2.Haug J;Lamparter P;Weinmann M;Aldinger F Diffraction study on the atomic structure and phase separation of amorphous ceramics in the Si-(B)-C-N system:2.Si-B-C-N ceramics 2004(01)
3.Schmidt S;Beyer S;Knabe H;Immich H Meistring R Gessler A Advanced ceramic matrix composite materials for current and future propulsion technology applications[外文期刊] 2004(3,9)
4.Naslain R Design,preparation and properties of non-oxide CMCs for application in engines and nuclear reactors:An overview 2004(02)
5.张立同;成来飞;徐永东新型碳化硅陶瓷基复合材料的研究进展[期刊论文]-航空制造技术 2003(01)
6.Golczewski J A;Aldinger F Phase separation in Si-(B)-C-N polymer-derived ceramics[外文期刊]
2006(02)
7.Bourrat X;Alrivie M;Michaux A TEM thin foil preparation for ceramic composites with multilayered matrix[外文期刊] 2005(06)
8.张立同;成来飞;徐永东;刘永胜 曾庆丰 董宁 栾新刚自愈合碳化硅陶瓷基复合材料研究及应用进展[期刊论文]-航空材料学报 2006(03)
9.Zhang L T;Cheng L F;Luan X G;Mei H Xu Y D Environmental performance testing system for thermostructure materials applied in aeroengines[外文期刊] 2006
10.Imuta M;Gotoh J Development of high temperature materials including CMCs for space application[外文期刊] 1999
11.Krenkel W;Heidenreich B;Renz R C/C-SiC composites for advanced friction systems[外文期刊]
2002(07)
12.Kermc M;Kalin M;Vi-zintin J Development and use of an apparatus for tribological evaluation of ceramic-based brake materials[外文期刊] 2005(7,12)
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1.徐永东.成来飞.张立同.尹洪峰连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料研究[期刊论文]-硅酸盐学报2002,30(2)
2.李建章.张立同.成来飞.徐永东.李斗星.Li Jianzhang.Zhang Litong.Cheng Laifei.Xu Yongdong.Li Douxing 纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料的界面区研究[期刊论文]-稀有金属材料与工程2007,36(9)
3.张立同.成来飞.徐永东连续纤维增韧陶瓷基复合材料的研究与应用[会议论文]-2003
4.陆有军.王燕民.吴澜尔.LU Youjun.WANG Yanmin.WU Lan'er碳/碳化硅陶瓷基复合材料的研究及应用进展[期刊论文]-材料导报2010,24(21)
5.张立同.成来飞.徐永东.刘永胜.曾庆丰.董宁.栾新刚.ZHANG Li-tong.CHENG Lai-fei.XU Yong-dong.LIU Yong-
sheng.ZENG Qing-feng.DONG Ning.LUAN Xin-gang自愈合碳化硅陶瓷基复合材料研究及应用进展[期刊论文]-航空材料学报2006,26(3)
6.张立同.成来飞连续纤维增韧陶瓷基复合材料可持续发展战略探讨[会议论文]-2006
7.何柏林.孙佳.HE Bo-lin.SUN Jia碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的研究进展及应用[期刊论文]-硅酸盐通报2009,28(6)
8.何柏林.孙佳陶瓷基复合材料增韧技术的研究进展[期刊论文]-粉末冶金工业2009,19(4)
9.张立同.成来飞.徐永东新型碳化硅陶瓷基复合材料的研究进展[期刊论文]-航空制造技术2003(1)
引证文献(26条)
1.陈刘定.童小燕.程起有.姚磊江平纹编织C/SiC复合材料层间断裂行为试验研究[期刊论文]-机械强度 2012(1)
2.李庆.李丹.张运.武建军短纤维增韧铁硼化合物基复合材料应力研究[期刊论文]-热加工工艺 2011(2)
3.丁冬海.周万城.张标.罗发.朱冬梅连续SiC纤维增韧SiC基体复合材料研究进展[期刊论文]-硅酸盐通报 2011(2)
4.苏力争.钟剑锋.曹俊高导热T/R组件新型封装材料现状及发展方向[期刊论文]-电子机械工程 2011(1)
5.张权明CMC在航天领域的应用[期刊论文]-宇航材料工艺 2011(6)
6.李志永.李立翰.郑日恒.闫联生.崔红针刺预制体分层对燃烧室C/C-SiC热防护结构的影响[期刊论文]-推进技术2011(5)
7.焦健.史一宁.邱海鹏.孙明.李秀倩.罗京华高性能连续碳纤维增强碳化硅复合材料的制备及其高温力学性能的研究[期刊论文]-功能材料 2011(z3)
8.刘巧沐.张立同.成来飞.栾新刚.孟志新C/SiC-ZrC复合材料在甲烷燃气环境中的氧化行为[期刊论文]-复合材料学报 2011(4)
9.曹素.刘永胜.左新章.张立同.成来飞涂敷含硼硅玻璃SiC涂层的C/SiC复合材料空气氧化行为[期刊论文]-复合材料学报 2011(2)
10.李龙彪.宋迎东.孙志刚正交铺设陶瓷基复合材料单轴拉伸行为[期刊论文]-复合材料学报 2011(1)
11.孙志刚.李龙彪.朱彬.宋迎东界面层参数对陶瓷基复合材料单轴拉伸行为的影响[期刊论文]-航空动力学报2010(3)
12.程起有.童小燕.陈刘定.姚磊江.李斌平纹编织碳纤维增韧碳化硅复合材料的力学性能及损伤演化[期刊论文]-硅酸盐学报 2010(5)
13.张钧.栾新刚.成来飞.张立同应力氧化环境中3D Cf/SiC复合材料损伤演变[期刊论文]-硅酸盐学报 2010(5)
14.左新章.张立同.刘永胜.成来飞.曾庆丰CH3SiCl3-BCl3-H2体系气相沉积的热力学计算[期刊论文]-复合材料学报 2010(5)
15.童长青.成来飞.殷小玮.刘永胜.张立同浆料浸渍结合反应熔渗法制备2D C/SiC-ZrB2复合材料[期刊论文]-航空材料学报 2009(4)
16.何柏林.孙佳碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的研究进展及应用[期刊论文]-硅酸盐通报 2009(6)
17.程起有.童小燕.陈刘定.姚磊江.李斌平纹编织碳纤维增强碳化硅复合材料低速冲击特性及冲击后的压缩强度[期刊论文]-硅酸盐学报 2009(11)
18.王海龙.汪长安.张锐.黄勇.许红亮.卢红霞纳米SiC晶须和SiC颗粒混合增韧ZrB2陶瓷性能[期刊论文]-复合材料学报 2009(4)
19.李龙彪.宋迎东.孙志刚界面脱粘对陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线的影响[期刊论文]-固体力学学报 2009(1)
20.江东亮高性能陶瓷的研究进展[期刊论文]-中国材料进展 2009(12)
21.李龙彪.宋迎东.孙志刚.孙杰纤维泊松收缩对陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线的影响[期刊论文]-南京航空航天大学学报 2009(2)
22.YANG Ya-zheng.YANG Jia-ling.FANG Dai-ning Research progress on thermal protection materials and structures of hypersonic vehicles[期刊论文]-应用数学和力学（英文版） 2008(1)
23.杨亚政.杨嘉陵.方岱宁高超声速飞行器热防护材料与结构的研究进展[期刊论文]-应用数学和力学 2008(1)
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26.聂宏.魏小辉大型民用飞机起落架关键技术[期刊论文]-南京航空航天大学学报 2008(4)
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