摘要：陶瓷基复合材料具有抗热震冲击、耐高温、耐腐蚀、抗氧化和抗烧蚀低膨胀、低密度、热稳定性好的优点，这些优点使其成为备受关注的新型耐高温结构材料。陶瓷基复合材料的连接不仅具有陶瓷材料连接的难点、异种材料连接的问题、加强相与基体的不利反应及加强相的氧化与性能的降低，还具有陶瓷基复合材料承压能力差的缺点。因此陶瓷基复合材料的连接成为一个研究的热点。
1.陶瓷基复合材料及其应用
陶瓷复合材料虽然具有高温强度高、抗氧化、抗高温蠕变等耐高温性能和高硬度、高耐磨性、线膨胀系数小及耐化学腐蚀等一系列优越的性能特点，但也存在致命的弱点，即脆性，它不能承受激烈的机械冲击和热冲击，这限制了它的应用。而用粒子、晶须或纤维增韧的陶瓷基复合材料，则可使其脆性大大改善。陶瓷基复合材料（CMC）是目前备受重视的新型耐高温结构材料。[1，2，3]陶瓷虽然具有作为发动机热端结构材料的十分明显的优点，但其本质上的脆性却极大地限制了它的推广应用。增韧的思路经历了从消除缺陷或减少缺陷尺寸、减少缺陷数量，发展到制备能够容忍缺陷，即对缺陷不敏感的材料。目前常见的几种增韧方式主要有相变增韧、颗粒( 晶片) 弥散增韧、晶须( 短切纤维) 复合增韧以及连续纤维增韧补强等。此外还可通过材料结构的改变来达到增韧的目的，如自增韧结构、仿生叠层结构以及梯度功能材料等。目前陶瓷基复合材料分为：非连续纤维增强陶瓷基复合材料、连续纤维增强陶瓷基复合材料、层状陶瓷基复合材料。
1.1非连续纤维增强陶瓷基复合材料
相变增韧可以大幅度地提高陶瓷材料的常温韧性和强度，但因在高温下相变增韧机制失效而限制了其在高温领域的应用。颗粒弥散及晶须复合增韧CMC 制备工艺较简单，可明显提高陶瓷材料的抗弯强度和断裂韧性。将颗粒、晶须等增
强物加入到基体材料中，由于两者弹性模量和热膨胀系数的差异而在界面形成应力区，这种应力区与外加应力发生相互作用，使扩展裂纹产生钉扎、偏转、分叉或以其它形式( 如相变) 吸收能量，从而提高了材料的断裂抗力。对于高温下使用的颗粒弥散及晶须复合增韧陶瓷基复合材料，就基体而言，综合考虑高温强度、抗热震性、比重、抗蠕变性、抗氧化性等，首选材料仍是Si3N4和SiC。在高温下它们的表面会形成氧化硅保护层，能满足1600℃以下高温抗氧化的要求。通过在基体材料中加入合适的增强物及选择适当的材料结构，可大幅度提高陶瓷材料的强度和韧性。[4]
1.2连续纤维增强陶瓷基复合材料
连续纤维增强陶瓷基复合材料( CFCC) 具有较高的韧性，当受外力冲击时，能够产生非失效性破坏形式，可靠性高，是提高陶瓷材料性能最有效的方法之一。CFCC 的研究始于1973 年S1R1Levitt 制成的高强度碳纤维增强玻璃基复合材料。[5] 70年代中期，日本碳公司(Nippon Carbon Co.) 高性能SiC连续纤维Nicalon 的研制成功，使制造纯陶瓷质CFCC 成为可能。80年代中期，E1Fitzer[6]等用化学气相沉积法制备出高性能的Nicalon 纤维增强SiC基陶瓷复合材料，有力地推动CFCC的发展。十几年来，世界各国尤其是美国、日本、欧共体等都对CFCC 的制备工艺及增韧机理进行了大量的研究，取得了一些重要成果，少数材料已达到实用化水平。
从目前来看，解决纤维问题的途径主要有2条；一是提高SiC 纤维的纯度，降低纤维中的氧含量。二是发展高性能的氧化物单晶纤维。氧化物连续纤维出现较晚，且一般为多晶纤维，高温下纤维会发生再结晶，使其性能下降，而单晶纤维则可避免这一问题。例如目前蓝宝石单晶纤维使用温度可达1500℃，使材料的高温性能有了很大提高。[7]
随着能承受更高温度的氧化物单晶纤维的出现，高温结构陶瓷基复合材料的研究必将有所突破。连续纤维增强陶瓷基复合材料虽然在力学性能上具有一定优势，但是连续纤维的生产、排布和编织等工艺复杂，复合材料的成型和烧结致密化都很困难，复合材料强度较低，成本高昂。同时，高性能的耐高温陶瓷纤维问题至今尚未完全解决，这都极大地限制了它的推广应用。
1.3层状陶瓷基复合材料
近年来，人们模拟自然界贝壳的结构，设计出一种仿生结构材料—层状陶瓷复合材料，其独特的结构使陶瓷材料克服了单体时的脆性，在保持高强度、抗氧化的同时，大幅度提高了材料的韧性和可靠性，因而可应用于安全系数要求较高的领域，为陶瓷材料的实用化带来了新的希望。层状陶瓷复合材料的基体层为高性能的陶瓷片层, 界面层可以是非致密陶瓷、石墨或延性金属等。与非层状的基体材料相比，层状陶瓷复合材料的断裂韧性与断裂功可以产生质的飞跃。
层状复合不仅可有效改善陶瓷材料的韧性，而且其制备工艺具有操作简单、易于推广、周期短而廉价的优点，尤其适合于制备薄壁类陶瓷部件。同时，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，立足于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。[8]
1.4陶瓷基复合材料的应用
（一）航空燃气涡轮发动机的应用
Cf / SiC复合材料在高温下有足够的强度，且有良好的抗氧化能力和抗热震性，非常适合作为高温结构材料。
使用Cf / SiC 复合材料不仅能减轻质量、延长使用寿命，同时具有很低的操作损耗。NASA Lewis 研究中心制备的Cf / SiC 涡轮发动机在燃烧环境及相应热机械载荷作用下其材料的耐热和力学疲劳性能良好，耐高含氢气体环境性能优越。因此Cf/ SiC 复合材料目前被广泛应用于军事和商业运载器，包括应用在涡轮发动机的消耗管道、涡轮泵旋转体、喷管等。欧洲一些研究机构也研制了Cf/ SiC 复合材料发动机喷管和燃烧室部件。[9]
（二）热保护系统的应用
在航天领域，当飞行器进入大气层后，由于摩擦产生的大量热量，将导致飞行器受到严重的烧蚀，为了减小飞行器的这种烧蚀，需要一个有效的防热体系。在热结构材料的构件中包括航天飞机和导弹的鼻锥、导翼，机翼和盖板等。Cf / SiC复合材料是制作抗烧蚀表面隔热板的较佳候选材料之一，它具有质轻耐用的
特点。目前，欧洲正集中研究载人飞船及可重复使用的飞行器的可简单装配的热结构及热保护材料，其中Cf / SiC复合材料是一种重要材料体系，并已达到很高的生产水平。在美国，用Cf / SiC复合材料制备的T PS 可用于航天操作工具和航天演习工具，AlliedSignal 复合材料公司生产的Cf / SiC材料在高温环境测试中显示出优异的性能。波音公司通过测试热保护系统大平板隔热装置，也证实了Cf / SiC复合材料具有优异的热机械疲劳特性。[10]
（三）高温连接件的应用
主要应用于连接固定热的外表面和航空框架结构中冷的衬垫，及用作密封装置。未来的空间运输系统和超音速的航天飞机中均要求热保护系统和装置能够耐高热的机械和空气动力载荷，大多数结构和元件需要固定系统，Cf / SiC复合材料高温连接件能够满足热性能和力学性能的要求，这些材料将由CVI 法制得, 能够在- 100℃～1800℃范围内使用，拉伸强度大于230MPa。目前可生产的连接件尺寸在8～12mm 范围内，在连接件上涂上一层抗氧化涂层可使它适用于氧化气氛中。由于金属材料的热性能和化学性能不稳定, 及单相陶瓷太脆的缺点,因此Cf / SiC 复合材料的应用成为必然。Cf / SiC 陶瓷材料已经被制成螺钉和其他连接件。
（四）光学和光机械结构中的应用
Cf / SiC复合材料除了具有优良的高温性能，而且在恶劣环境下工作的超轻光学系统中，其光学和光机械结构同样具有重要的应用前景。Cf / SiC复合材料是一种轻质高强的工程材料，它有着可调的力学和热学性能，与传统的粉末基体陶瓷相比，由于其韧性的提高和可忽略的体积收缩，设计非常自由。到目前为止，Cf / SiC已经用于制造超轻反射镜、微波屏蔽反射镜等光学结构部件。另外, 由于Cf / SiC具有优异的力学性能，同时它的高热导性与其合适的热膨胀系数结合较好，因此其热稳定性也比其他反射镜基座材料优越，被广泛应用于光学系统中的结构材料及反射镜支撑体系，如反射镜底座。
（五）在刹车系统中的应用
Cf / SiC复合材料由于其低密度、高强度以及良好的耐磨性等性能也被逐渐用于高速飞行器和高速汽车、火车上的刹车系统。国外一些航天中心和设计研究
机构采用液态硅浸渗的方法制备的Cf / SiC复合材料正考虑用于制造汽车的刹车片。在这种刹车盘中，刹车片表面之间具有冷却通道，这种结构可以改善刹车盘的散热性，大幅度提高刹车系统的寿命。此通过应用Cf / SiC复合材料刹车片，刹车片的质量小于以前使用的钢刹车片质量的50%，刹车系统中其他组件的质量同样能够减轻50% 左右，这样不但能够大幅度减少费用，同时也能明显提高刹车系统的功能，因此Cf / SiC复合材料应用在刹车系统是一个潜在的大市场。
2.陶瓷基复合材料的连接问题和连接方法
2.1陶瓷基复合材料的连接问题
陶瓷基复合材料的连接不仅具有连接陶瓷材料的难点，如高熔点及有些陶瓷的高温分解使熔焊困难、多数陶瓷的电绝缘性使之不能用电弧或电阻焊进行焊接、陶瓷固有脆性使其无法承受高压力的方法进行连接、陶瓷材料的化学惰性使其不易润湿而造成钎焊困难等等，还应注意连接异种材料时的问题，如选择连接方法与材料时要同时考虑基体材料与加强材料的适应性。另外在连接陶瓷基复合材料时还应考虑避免加强相纤维的氧化与性能的下降等。因此连接时间和连接温度一般不能太长太高。除此之外，由于纤维增强的陶瓷基复合材料的耐压性能较差，因而连接时不能施加较大的压力。[11]
2.2陶瓷基复合材料的连接方法
常用的连接方法大致可分为三类: 粘接、机械连接、焊接。粘接的界面为物理及化学作用，接头强度低，使用温度也较低, 一般低于200℃。机械连接界面是机械力作用，接头无气密性，易产生应力集中。考虑到CMCS 复杂的受力条件, 较高的使用温度及可靠性因素时，焊接的方法较为适用。由于CMCS 连接的难点: 基体熔点高，不能使用熔焊，耐压能力差,不能使用大的压力进行固相扩散连接。复合材料的化学惰性使之不易润湿而造成钎焊的困难，连接材料对复合材料的适用性，避免增强相和基体之间不利的化学反应而造成CMCS性能的下降。考虑到以上的问题，因此目前常用的焊接方法有: 钎焊、无压固相反应连接、ARCJIONT、
聚合物分解连接及在线液相渗透连接。
(一)粘接
粘接是在粘接剂的作用下，使类似的材料或不同材料界面、内部紧密连接的技术。粘接具有固化速度快，使用温度范围宽，抗老化性能好等特点被广泛的应用在飞机的应急修理，炮弹导弹辅助件连接，修复涡轮，修复压缩机转子等方面。粘接剂主要是一些环氧树脂类、改性酚醛类、有机硅等，形成的接头一般只有在使用温度较低，一般低于200℃，且大多用于静载荷和超低静载荷零件。(二)机械连接
机械连接可分为两种，一种是传统意义上的用紧固件如销钉、螺钉、铆钉和螺栓等进行结合的连接。这种方法连接CMCS 的参数有: 纤维类型与制备方法；纤维的走向；结构形式；纤维的体积分数；紧固件材料等。其优点是: 易于质量控制，安全可靠，强度分散性小；抗剥离能力强，能传递大载荷；便于装卸。但它也存在许多缺点：连接结构一般采用间隙配合，不用干涉配合；制孔和安装过程中易使孔产生分层、掉渣等缺陷，影响连接强度；各向异性显著；应力集中高；对碳纤维复合材料，为防止电偶腐蚀，一般用与之电位接近的钛、钛合金、耐蚀不锈钢、蒙乃尔合金等金属材料的紧固件；而且紧固件的使用增加了整个构件的重量。
另一种是成型连接方法。这种方法可以在制备两个待连接构件时进行接头的设计，使之在制备后自动完成连接。在机械连接中，载荷的传递是依靠连接件进行的。由于机械连接需要增加构件的重量，对连接件的形状有较高要求，而这正是陶瓷基复合材料较难做到的一点。因此，机械连接在陶瓷基复合材料的应用还很少。[12]
(三)焊接
焊接一般是指界面发生化学反应的连接，其优点是连接强度高，使用温度高, 构件精度高；它的缺点是由于焊接温度高，热物理失配引起的界面应力也高。
对于CMCS 来说，由于有多种材料的存在，CMCS与其他的材料在高温连接时, 界面附近易出现复杂的残余应力，这不仅容易引起陶瓷基体力学性能的下降，而且还可能降低纤维和基体间的结合，使纤维和基体之间发生破坏；而且由于纤维
增强的CMCS 表现出各向异性，因此钎焊面和纤维布面之间的关系也会影响接头的强度，当纤维和钎焊面垂直时, 接头的强度一般较高, 这和残余应力有关。
但是考虑到构件的使用温度,气密性,承载能力和可靠性等因素一般认为焊接是连接复合材料较为合适的一种方法。几种有效的连接CMCS的焊接方法有: 钎焊、局部过渡液相连接、无压固相反应连接、聚合物分解连接、ARC Joint 和在线液相渗透连接。
①钎焊
钎焊是利用钎料在高温下熔化，其中的活性组元和复合材料发生反应，形成稳定的反应梯度层，从而将两种材料连接到一起。
CMCS的化学惰性使之不易润湿，因此可以采用以下两种方法进行钎焊；一是用活性钎料直接进行连接。二是先对复合材料待连接面采用热喷涂、PVD 沉积金属层、CVD 法, 及离子注入等方法进行金属化处理后, 再用一般钎料进行连接。
钎焊结合的主要机制是：钎料在界面处可以产生机械和化学的结合，机械结合可以认为是钎料质粒嵌入或渗入复合材料表层的微孔区，而化学结合强度归结于钎料和基体间的物质转移和反应。在钎焊中, 钎料的选择在连接后接头的性能方面起了关键的作用。为了提高接头的强度, 钎料的选择要从以下几个方面进行考虑:
(1)钎料和连接母材材料的润湿性问题。由于连续纤维增韧陶瓷基复合材料很难被润湿，大多数的钎料在接头上往往只形成球珠，很少或根本不产生润湿，这就导致了接头强度较低。针对这种情况，可以选择在钎料中添加表面活性元素Si，Mg，Ti等。
(2)由于陶瓷基复合材料钎焊时存在钎料/ 基体，钎料/ 加强相，基体/ 加强相三种界面。因此在选择钎料时要注意钎料对基体和加强相的共同作用。
(3)钎料和复合材料热膨胀系数的差异,产生的残余应力，导致接头在使用过程中开裂，因此要考虑在中间层中加入塑性材料或线膨胀系数和复合材料相合适的材料作为缓冲层( Cu，Ti 作为软缓冲层；W， Mo作为硬缓冲层；钎料中加入
C 纤维以降低钎料的线膨胀系数)。[13]
②局部过渡液相连接(PTLPB)
PTLPB 是为了解决活性钎焊、固相扩散焊中的问题，即：低温连接时使用温度低,高温连接时热应力大而使材料的性能受到损害。PTLPB 使用复合层中间层( 如B-A-B的形式，其中A厚度远大于B厚度)，在连接温度下形成液相，随着连接时间的延长，过渡液相被高熔点金属层消耗，同时过渡液相和母材发生反应的一种连接方法。一般认为它可以分为下四个阶段：
(1)中间层的熔化和扩大，此过程速度取决于液相扩散。
(2)液相的继续扩大，同时成分均匀化并达到液相线，液相的宽度可以由相图计算，这一阶段既有液相扩散又有固相扩散，而且以固相扩散为主。
(3)液相凝固阶段。由固相扩散控制, 凝固时间取决于液相的宽度和互扩散系数。
(4)固相均匀化阶段。
中间层的设计在连接中有很大的作用, 主要从以下几个方面考虑：
(1)熔化的B 或AB 的界面产物可以和陶瓷连接。
(2)高熔点的中间层能够消耗低熔点层, 形成合适的高熔点合金。
(3)A是高熔点元素且线膨胀系数和复合材料相似。
这种连接方法较固相扩散焊，连接温度更低；不需要使用更大的压力，避免了复合材料性能的降低；另外由于液相的存在，被连接件的表面质量不要求太高。和钎焊相比，使用温度可以大幅度的提高。在这种方法中，由于中间层是由多种金属构成的，因此不仅要考虑中间层对复合材料的适用性，还要考虑各层金属之间的作用，防止生成脆性金属相降低了接头的性能。
③无压固相反应连接
无压固相反应连接是在大气(或Ar或真空中)加热至金属钎料熔点90%,仅施加使接触面产生接触的压力,使复合材料和金属钎料直接反应的一种连接方法。为获得热核反应的高温接头,用高熔点活性元素Zr、T i作为连接材料。由于CMCS 材料耐压性能差，所以连接过程中不能施加太大的压力进行连接，主要是利用Zr和Ti固态下和C，SiC反应，形成Zr和Ti的碳化物与硅化物。[14]由于CMCS 的抗压能力差，使用较大的压力会使CMCS的纤维发生破坏, 因此这种连接方法最大的优点在于避免了母材的损坏，而且可以形成致密的接头，但接头的力学性能很差, 基本上不能承受载荷。因此Zr和Ti无压固相反应连接可以用来连接
CMCS, 形成不承受载荷，但可以耐高温的致密接头。
④利用聚合物分解进行连接
聚合物分解连接CMCS是通过陶瓷先驱体聚合物在高温下分解转化为陶瓷进而实现连接的一种方法。但是由于聚合物在高温分解的过程中会产生大量的气孔, 这将会大大的降低接头的强度。为此,可以通过在聚合物中添加活性或惰性填充物、纤维；在分解过程中施压；以及增加渗透和分解次数来改善这一情况。
聚合物分解进行连接的这种方法的优点在于接头与待连接复合材料的热膨胀系数相匹配，连接后不会产生过大的残余应力，在聚合物的高温分解过程中不需要施加很大的压力。但这种连接方法的不足之处在于聚合物的分解会导致接头处产生大量的气孔，这将会大大的降低接头的强度，因此使用这种连接方法形成的接头可靠性不高。
⑤ARCJoint
ARCJoinT 是一种反应成形连接方法。该工艺首先把碳质混合物放置到接点区域，并用夹具固定，在100～120℃温度下热处理10～20 min，然后将Si和Si 合金以浆料的形式涂到接点周围，然后根据浆料的类型，在1250～1450℃间对其保温10～15min，融熔状态的Si 或Si 合金与C 发生反应，形成可控硅含量的SiC。在这个方法中, 可以根据冶金成分决定其它相成分, 接头的厚度也可以通过调节碳质浆料的成分和夹紧力大小来控制。由ARCJoinT 方法连接后的连接件在高温下可以保持其结构的完整性, 具有良好的机械强度和耐环境稳定性。它也可以连接大尺寸部件和形状复杂部件, 可满足接头厚度要求和成份要求, 可以修复材料部件所存在的缺陷。但是由于接头产物是SiC, 因此接头较脆, 强度较低。
⑥在线液相渗透连接
它是在CMCS 制备过程中控制其孔隙率，采用一种满足高温使用需求并具有一定耐蚀性的Ni 基合金作为连接剂，在一定的温度及压力下使得连接剂熔化并渗入复合材料的孔隙中，形成的树根状咬合结构，从而实现连接。连接完后再对材料进行气相沉积以完成材料的制备，这一步气相沉积过程还可以为复合材料连接提供防氧化涂层。由于这种连接方法是在复合材料的制备过程中完成连接,
连接完成时材料并没有制备完成，因而这是一种在线的连接方式。它具有如下优点:
(1)在线连接。在线液相渗透连接方法在复合材料的制备过程中完成的，使连接过程对材料的损伤作用降低到最小。而且后期的化学气相沉积过程不仅完成材料的制备，同时可以为整个连接构件提供防氧化涂层，真正体现了连接制备加工一体化。
(2)物理结合能力强。在线液相渗透连接方法中，连接剂在复合材料内的渗透大幅度增加了连接剂与复合材料的接触面，并形成了机械的咬合结构，大幅度增加了连接强度，同时提高了连接可靠性。
(3)产生良好的梯度层，缓解热应力。在线液相渗透连接方法由于大量连接剂渗入复合材料，渗入的连接剂在复合材料内部形成一个的良好梯度层，使得在得到最佳连接性能的同时最大限度的缓解连接过程中产生的热应力。
(4)连接温度高。由于所用连接剂有较高的熔点, 所得连接可以满足1000℃温度下的使用需求, 因而在线液相渗透连接方法是一种高温连接方法。
(5)连接时间短。在线液相渗透连接方法是在连接剂熔化状态下渗入复合材料而完成连接的，液相的参与使得连接所需时间较短。
3.总结
上述几种方法共同的缺点是需要对连接件进行整体加热。这样做一方面，如果连接件的体积大，则需要加热设备和加热功率增大，这样势必会造成资源浪费。另一方面由于连接件的各个部分热膨胀系数不同，整体加热会造成很高的残余应力，损坏连接件。
因此有必要发展局部加热的连接方式，目前提出的有: 微波连接、电子束连接等方法。这些连接方法都是使用高能量，集中加热接头区域，使接头熔化并进行连接。但由于目前对热源的加热过程控制还不成熟，因此还需要进一步的研究。
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浅论陶瓷复合材料的研究现状及应用前景 董超2009107219金属材料工程 摘要 本文主要对陶瓷复合材料的研究现状及应用前景进行了研究，并对当今陶瓷复合材料发展面临的问题进行了概括，希望对陶瓷复合材料的进一步发展起到一定的作用。 本文首先对Al2O3陶瓷复合材料和玻璃陶瓷复合材料的研究进展及发展前景进行了详细的研究。然后对整个陶瓷复合材料的发展趋势及存在的问题进行了分析，得出了在新的时期陶瓷复合材料主要向功能、多功能、机敏、智能复合材料、纳米复合材料、仿生复合材料方向发展；目前复合材料面临的主要问题是基础理论研究问题和新的设计和制备方法问题。 关键词：Al2O3陶瓷复合材料玻璃陶瓷复合材料研究现状应用前景 1. 前言 以粉体为原料，通过成型和烧结等所制得的无机非金属材料制品统称为陶瓷。陶瓷的种类繁多，根据陶瓷的化学组成、性能特点、用途等不同，可将陶瓷分为普通陶瓷和特殊陶瓷两大类。而在许多重要的应用及研究领域，特殊陶瓷是主要研究对象。 陶瓷复合材料是特殊陶瓷的一种。在高技术领域内，对结构材料要求具有轻质高强、耐高温、抗氧化、耐腐蚀和高韧性的特点。陶瓷具有优良的综合机械性能，耐磨性好、硬度高、以及耐热性和耐腐蚀性好等特点。但是它的最大缺点是脆性大。近年来，通过往陶瓷中加入或生成颗粒、晶须、纤维等增强材料，使陶瓷的韧性大大地改善，而且强度及模量也有一定提高。因此引起各国科学家的重视。本文主要介绍了各种陶瓷复合材料的研究现状及其应用前景，并对陶瓷复合材料近年来的发展进行综述。 2.研究现状 随着现代科学技术快速发展，新型陶瓷材料的开发与生产发展异常迅速，新理论、新工艺、新技术和新装备不断出现，形成了新兴的先进无机材料领域和新兴产业。科学技术的发展对材料的要求日益苛刻，先进复合材料已成为现代科学技术发展的关键，它的发展水平是衡量一个国家科学技术水平的一个重要指标，因此世界各国都高度重视其研究和发展。 复合材料的可设计性大，能满足某些对材料的特殊要求，特别是在航空航天技术领域的应用得到迅速发展。陶瓷复合材料的研究，根本目的在于提高陶瓷材料的韧性，提高其可靠性，发挥陶瓷材料的优势，扩大应用领域。本文就几类典型的陶瓷复合材料介绍其研究现状。 2.1Al2O3陶瓷复合材料的研究进展及发展前景 Al2O3陶瓷作为常见陶瓷材料，既具有普通陶瓷耐高温、耐磨损、耐腐蚀、
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 （1）机械结合（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
金属基陶瓷复合材料制备技术研究进展与应用* 付鹏，郝旭暖，高亚红，谷玉丹，陈焕铭 （宁夏大学物理电气信息工程学院，银川750021） 摘要综述了国内外在金属基陶瓷复合材料制备技术方面的最新研究进展与应用现状，展望了 国内金属基陶瓷复合材料的未来发展。 关键词金属基陶瓷复合材料制备技术应用 Development and Future Applications of Metal Matrix Composites Fabrication Technique FU Peng, HAO Xunuan, GAO Yahong, GU Yudan, CHEN Huanming (School of Physics & Electrical Information Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021) Abstract Recent development and future applications of metal matrix compositesfabrication technique are reviewed and some prospects of the development in metal matrix composites at home are put forward. Key words metal-based ceramic composites, fabrication technique, applications 前言：现代高技术的发展对材料的性能日益提高，单料已很难满足对性能的综合要求，材料的复合化是材料发展的必然趋势之一。陶瓷的高强度、高硬度、高弹性模量以及热化学性稳定等优异性能是其主要特点，但陶瓷所固有的脆性限制着其应用范围及使用可靠性[1—3]。因此，改善陶瓷的室温韧性与断裂韧性，提高其在实际应用中的可靠性一直是现代陶瓷研究的热点。与陶瓷基复合材料相比，通常金属基复合材料兼有陶瓷的高强度、耐高温、抗氧化特性，又具有金属的塑性和抗冲击性能，应用范围更广，诸如摩擦磨损类材料、航空航天结构件、耐高温结构件、汽车构件、抗弹防护材料等。 1 金属基陶瓷复合材料的制备 金属基陶瓷复合材料是20世纪60年代末发展起来的，目前金属基陶瓷复合材料按增强体的形式可分为非连续体增强（如颗粒增强、短纤维与晶须增强）、连续纤维增强(如石墨纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维等)[4—6]。实际制备过程中除了要考虑基体金属与增强体陶瓷之间的物性参数匹配之外，液态金属与陶瓷间的浸润性能则往往限制了金属基陶瓷复合材料的品种。目前，金属基陶瓷复合材料的制备方法主要有以下几种。 1.1 粉末冶金法 粉末冶金法制备金属基陶瓷复合材料即把陶瓷增强体粉末与金属粉末充分混合均匀后进行冷压烧结、热压烧结或者热等静压，对于一些易于氧化的金属，烧结时通入惰性保护气体进行气氛烧结。颗粒增强、短纤维及晶须增强的金属基陶瓷复合材料通常采用此种方法，其主要优点是可以通过控制粉末颗粒的尺寸来实现相应的力学性能，而且，粉末冶金法制造机械零件是一种终成型工艺，可以大量减少机加工量，节约原材料，但粉末冶金法的生产成本并不比熔炼法低[7]。 1.2 熔体搅拌法 熔体搅拌法是将制备好的陶瓷增强体颗粒或晶须逐步混合入机械或电磁搅拌的液态或半
第27卷第2期 硅 酸 盐 通 报 Vo.l 27 No .2 2008年4月 BULLETI N OF T HE C H INESE CERA M IC S OC IET Y Apr i,l 2008 连续陶瓷基复合材料的研究现状及发展趋势 陈维平,黄 丹,何曾先,王 娟,梁泽钦 (华南理工大学机械工程学院,广州 510640) 摘要:连续陶瓷基复合材料(C4材料)是近年来出现的一种具有全新复合增强方式的陶瓷/金属复合材料。在这种 复合材料中,基体陶瓷增强相具有三维连通的内部结构,因而起增韧作用的金属填充在陶瓷骨架的空隙中,其在空 间上也是三维连通的。实现这种复合结构需要不同于传统的复合材料成型与制备技术。这种复合结构使得连续 陶瓷基复合材料能够将陶瓷与金属各自的性能特点与优点更多的保留在最终的复合材料中;同时,还表现出了与 传统复合材料(颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料等)不同的性能特性,具有广泛的应用前景。 关键词:连续陶瓷基复合材料;C4材料;三维连通 中图分类号:TQ174.758.2 文献标识码:A 文章编号:100121625(2008)022******* R esearch and Developm en t Per spective of C o 2con ti nuous C era m ic C o m posites C HE N Wei 2ping,H U A NG Dan,HE Ce ng 2xian,W A NG Juan,LIA NG Z e 2qin (School ofM echan icalE ngi neeri ng ,Sou t h Ch i na Un i versit y ofT echndogy ,Guangzhou 510640,Ch i na) Abstr act :Co 2conti n uous cera m ic co mposites (C4materials )are a ne w class of cera m ic /meta l co mposites w it h ne w ly rei n f orce men t manner ,where the reinf orc i n g cera m ic phase ,as t h e base of the co mposite ,is characterized as the t h ree 2di m ensional i n terpenetrati n g str ucture ;and the m etallic phase is filled i n t h e i n terspaces of the cera m ic net w or k,as the ductile phase of the co mposite .So me untraditi o na l f or m i n g and fabricating technol o gies f or the co mposites are required due to the spec i a l co 2conti n uous i n ter nal structure .The i n terna l structure of i n ter penetrati o n deter m i n es co 2conti n uous cera m ic co mposites can retain more f eatures and advantages of cera m ic and meta l respectively in the fi n al co mposite ,and also ,perf o r m the diff erent characteristics f ro m the traditi o na l co mposites (such as particle re i n f orced co mposites and fi b er reinf orced co mposites)so that this class of co mposites gain the extensive app li c ation perspectives . K ey w ord s :co 2continuous cera m ic co mposite ;C4m aterials ;three 2di m ensional i n terpenetrating 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50575076);广东省自然科学基金重点资助项目(粤科基办[2003]07号);教育部博士点基金资助 项目(20040510107) 作者简介:陈维平(19502),男,教授,博士生导师.主要从事高性能金属/陶瓷复合材料的研究.E 2m a i :l m e wpchen@sc u t .edu .cn 1 连续陶瓷基复合材料 连续陶瓷基复合材料(co 2continuous cera m ic co mposites),简称为C4材料,指的是陶瓷增强体具有三维连通骨架结构的陶瓷基复合材料。这种三维网络陶瓷(骨架)/铝合金复合材料由美国俄亥俄州大学的研究人员Bresli n 等发现,他们将这种复合类型的新材料称为连续陶瓷复合材料(co 2continuous cera m ic
——碳化物陶瓷基复合材料课程名称：复合材料 学生姓名：舒顺启 学号：200910204123 班级：材料091班 日期：2012年12月22日
——碳化物陶瓷基复合材料 摘要：本文综述了陶瓷基复合材料的发展历史,介绍了陶瓷基复合材料的制备工艺,详细阐述了陶瓷基复合材料的性能与应用,分析了陶瓷基复合材料存在的问题，并展望了陶瓷基复合材料未来发展趋势。 关键词：陶瓷基复合材料、制备工艺、性能、应用 Ceramic matrix composites research present situation and the development prospect --Carbide ceramic matrix composites Abstract：This paper reviews the ceramic base composite material, the development history of ceramic matrix composites is introduced the preparation process, elaborated the ceramic matrix composites, the properties and the application of the analysis of the ceramic base composite material existing problems, and prospects the ceramic matrix composites future development trend. Key words：Ceramic matrix composites, preparation process, performance and application 1 引言 陶瓷基复合材料是近二十年来发展起来的新型材料,由于该类材料具有良好的高温性能。因此它作为耐高温结构材料在航空航天工业和能源工业等领域的应用具有巨大的潜力。如航空发动机的推重比为lO时,涡轮前进口温度达1650℃,在这样高的温度下,传统的高温合金材料已经无法满足要求【1】,因此国内外的材料研究者纷纷把研究的重点转向陶瓷基复合材料。研究者通过大量的实验发现,陶瓷基复合材料不仅具有良好的高温稳定性和高温抗氧化能力,而且材料在断裂
摘要：陶瓷基复合材料具有抗热震冲击、耐高温、耐腐蚀、抗氧化和抗烧蚀低膨胀、低密度、热稳定性好的优点，这些优点使其成为备受关注的新型耐高温结构材料。陶瓷基复合材料的连接不仅具有陶瓷材料连接的难点、异种材料连接的问题、加强相与基体的不利反应及加强相的氧化与性能的降低，还具有陶瓷基复合材料承压能力差的缺点。因此陶瓷基复合材料的连接成为一个研究的热点。 1.陶瓷基复合材料及其应用 陶瓷复合材料虽然具有高温强度高、抗氧化、抗高温蠕变等耐高温性能和高硬度、高耐磨性、线膨胀系数小及耐化学腐蚀等一系列优越的性能特点，但也存在致命的弱点，即脆性，它不能承受激烈的机械冲击和热冲击，这限制了它的应用。而用粒子、晶须或纤维增韧的陶瓷基复合材料，则可使其脆性大大改善。陶瓷基复合材料（CMC）是目前备受重视的新型耐高温结构材料。[1，2，3]陶瓷虽然具有作为发动机热端结构材料的十分明显的优点，但其本质上的脆性却极大地限制了它的推广应用。增韧的思路经历了从消除缺陷或减少缺陷尺寸、减少缺陷数量，发展到制备能够容忍缺陷，即对缺陷不敏感的材料。目前常见的几种增韧方式主要有相变增韧、颗粒( 晶片) 弥散增韧、晶须( 短切纤维) 复合增韧以及连续纤维增韧补强等。此外还可通过材料结构的改变来达到增韧的目的，如自增韧结构、仿生叠层结构以及梯度功能材料等。目前陶瓷基复合材料分为：非连续纤维增强陶瓷基复合材料、连续纤维增强陶瓷基复合材料、层状陶瓷基复合材料。 1.1非连续纤维增强陶瓷基复合材料 相变增韧可以大幅度地提高陶瓷材料的常温韧性和强度，但因在高温下相变增韧机制失效而限制了其在高温领域的应用。颗粒弥散及晶须复合增韧CMC 制备工艺较简单，可明显提高陶瓷材料的抗弯强度和断裂韧性。将颗粒、晶须等增
陶瓷基复合材料的研究进展及其在航空发动机上 的应用 摘要：综述了陶瓷基复合材料(CMCs) 的研究进展。就CMCs的增韧机理、制备工艺和其在航空发动机上的应用进展作了详细介绍。阐述了CMCs研究和应用中存在的问题。最后，指出了CMCs的发展目标和方向。 关键词：陶瓷基复合材料；航空发动机；增韧机理；制备工艺 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 推重比作为发动机的核心参数，其直接影响发动机的性能，进而直接影响飞机的各项性能指标。高推重比航空发动机是发展新一代战斗机的基础，提高发动机的工作温度和降低结构重量是提高推重比的有效途径[1]。现有推重比10一级的发动机涡轮进口温度达到了1500~1700℃，如M88-2型发动机涡轮进口温度达到1577℃，F119型发动机涡轮进口温度达到1700℃左右，而推重比15~20一级发动机涡轮进口温度将达到1800~2100℃，这远远超过了发动机中高温合金材料的熔点温度。目前，耐热性能最好的镍基高温合金材料工作温度达到1100℃左右，而且必须采用隔热涂层，同时设计先进的冷却结构。在此需求之下，迫切需要发展新一代耐高温、低密度、低膨胀、高性能的结构材料[2]。在各类型新型耐高温材料中，
第四节 陶瓷基复合材料（CMC） 1.1概述 工程中陶瓷以特种陶瓷应用为主，特种陶瓷由于具有优良的综合机械性能、耐磨性好、硬度高以及耐腐蚀件好等特点，已广泛用于制做剪刀、网球拍及工业上的切削刀具、耐磨件、 发动机部件、热交换器、轴承等。陶瓷最大的缺点是脆性大、抗热震性能差。与金属基和聚合物基复合材料有有所不同的，是制备陶瓷基复合材料的主要目的之一就是提高陶瓷的韧性。特别是纤维增强陶瓷复合材料在断裂前吸收了大量的断裂能量，使韧性得以大幅度提高。表6—1列出了由颗粒、纤维及晶须增强陶瓷复合材料的断裂韧性和临界裂纹尺寸大小的比较。很明显连续纤维的增韧效果最佳，其次为品须、相变增韧和颗粒增韧。无论是纤维、晶须还是颗粒增韧均使断裂韧性较整体陶瓷的有较大提高，而且也使临界裂纹尺寸增大。
陶瓷基复合材料的基体为陶瓷，这是一种包括范围很广的材料，属于无机化合物纳构远比金属与合金复杂得多。使用最多的是碳化硅、氮化硅、氧化铝等，它们普遍具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量轻和价格低等优点。陶瓷材料中的化学键往注是介于离子键与共价键之间的混合键。 陶瓷基复合材料中的增强体通常也称为增韧体。从几何尺寸上可分为纤维(长、短纤维)、晶须和颗粒三类。碳纤维是用来制造陶瓷基复合材料最常用的纤
维之一。碳纤维主要用在把强度、刚度、重量和抗化学性作为设计参数的构件，在1500霓的温度下，碳纤维仍能保持其性能不变，但对碳纤维必须进行有效的保护以防止它在空气中或氧化性气氛中被腐蚀，只有这样才能充分发挥它的优良性能。其它常用纤维是玻璃纤维和硼纤维。陶瓷材料中另一种增强体为晶须。晶须为具有一定长径比(直径o 3。1ym，长30—lMy”)的小单晶体。从结构上看，晶须的特点是没有微裂纹、位偌、孔洞和表面损伤等一类缺陷，而这些缺陷正是大块晶体中大量存在且促使强度下降的主要原因。在某些情况下，晶须的拉伸强度可达o．1Z(Z为杨氏模量)，这已非常接近十理论上的理想拉伸强度o．2Z。而相比之下．多晶的金属纤维和块状金属的拉伸强度只有o．025和o．o01f。在陶瓷基复合材料使用得较为普遍的是SiC、Al2O3、以及Si3N4N晶须。颗粒也是陶瓷材料中常用的一种增强体，从几何尺寸上看、它在各个方向上的长度是大致相同的，—般为几个微米。通常用得较多的颗粒也是SiC、Al2O3、以及Si3N4N。颗粒的增韧效果虽不如纤维和晶须，但如恰当选择颗粒种类、粒径、含量及基体材料，仍可获得一定的韧化效果，同时还会带来高温强度，高温蠕变性能的改善。所以，颗粒增韧复合材料同样受到重视并对其进行了一定的研究。 在陶瓷材料中加入第二相纤维制成的复合材料是纤维增强陶瓷基复合材料，这是改善陶瓷材料韧性酌重要手段，按纤维排布方式的不同，又可将其分为单向排布长纤维复合材料和多向排布纤维复合材料。单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料的显著特点是它具有各向异性，即沿纤维长度方向上的纵向性能要大大高于其横向性能。在这种材料中，当裂纹扩展遇到纤维时会受阻．这样要使裂纹进一步扩展就必须提高外加应力。图7—15为这一过程的示意图。当外加应力进一步提高时．由于基体与纤维间的界面的离解，同时又由于纤维的强度高于基体的强
复合材料习题 第七章 一、如何改善陶瓷的强度？ 减少陶瓷内部和表面的裂纹： 含有裂纹是材料微观结构的本征特性。微观夹杂、气孔、微 裂纹等都能成为裂纹源，材料对表面裂纹（划伤、擦伤）也 十分敏感。 提高断裂韧性（K IC）： 采用复合化的途径，添加陶瓷粒子、纤维或晶须，引入各种 增韧机制（增加裂纹的扩散阻力及裂纹断裂过程消耗的能 量），可提高陶瓷的韧性。 二、简述氮化硅陶瓷的烧结方法及其特点。 氮化硅陶瓷中，Si-N是高强度共价键，难以烧结。氮化硅陶瓷有两种烧结方法：1、反应烧结： 硅粉、氮化硅粉混合预成型预氮化（1200℃）二次氮化（1350-1450℃）反应烧结氮化硅陶瓷。 Si3N4形成时伴随21.7%的体积膨胀，获得无收缩烧结氮化硅。 2、热压烧结： 粉末状Si3N4、烧结助剂MgO（1wt%）等，在石墨坩埚中，通过感应加热、单向加压烧结（1650-1850℃，15-30MPa，1-4h）。 MgO的作用：与SiO2膜作用生成熔融硅酸镁，使氮化硅高度致密化。 热压烧结氮化硅只能制备形状简单的（如圆柱形）实体坯件，其制品须经过机械加工才能达到要求的形状和尺寸。 三、简述陶瓷基复合材料的特点及制造步骤。 陶瓷基复合材料的特点：E f和E m的数量级相当；陶瓷基体的韧性有限；增强材 料与陶瓷基体之间的热膨胀系数不匹配、化学相容性问题突出。 陶瓷基复合材料的制造通常分为两个步骤：将增强材料掺入未固结（或粉末状） 的基体材料中排列整齐或均匀混合；运用各种加工条件在尽量不破坏增强材料和 基体性能的前提下制成复合材料制品。 四、简述连续纤维增强陶瓷基复合材料的料浆浸渍-热压烧结工艺及其优、缺点。料浆浸渍-热压烧结工艺：纤维通过含有超细陶瓷基体粉末的料浆使之浸渍，浸 挂料浆的纤维缠绕在卷筒上，烘干、切割，得到纤维无纬布；纤维无纬布裁剪、 铺层排列、热压烧结得到陶瓷基复合材料。
陶瓷基复合材料综述报告 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，具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品。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。 迄今，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。有些发达国家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，显示出优异的摩擦磨损特性，取得了不错的使用效果[1]。 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[2-4] : 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0.2~1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。 1.4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。 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
高温结构陶瓷基复合材料的研究现状与展望 摘要概述了国外航空发动机用高温结构陶瓷基复合材料的研究与应用现状及发展趋势,分析了目前研究中存在的问题及其解决办法,确定了今后的研究目标与方向。 关键词陶瓷基复合材料高温结构材料力学性能应用 1 前言 为了提高航空发动机的推重比和降低燃料消耗,最根本的措施是提高发动机的涡轮进口温度,而涡轮进口温度与热端部件材料的最高允许工作温度直接相关。50 至60 年代,发动机热端部件材料主要是铸造高温合金,其使用温度为800～900 ℃;70 年代中期,定向凝固超合金开始推广,其使用温度提高到 接近1000 ℃; 进入80 年代以后,相继开发出了高温单晶合金、弥散强化超合金以及金属间化合物等,并且热障涂层技术得到了广泛的应用,使热端部件的使用温度提高到1200～1300 ℃,已接近这类合金 熔点的80 % ,虽然通过各种冷却技术可进一步提高涡轮进口温度,但作为代价降低了热效率,增加了结 构复杂性和制造难度,而且对小而薄型的热端部件难以进行冷却,因而再提高的潜力极其有限[1 ] 。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首选材料。 近20 年来,世界各工业发达国家对于发动机用高温结构陶瓷基复合材料的研究与开发一直十分重视,相继制定了各自的国家发展计划,并投入了大量的人力、物力和财力,对这一新型材料寄予厚望。如美国NASA 制定的先进高温热机材料计划(HITEMP) 、DOE/ NASA 的先进涡轮技术应用计划(ATTAP) 、美国国家宇航计划(NASP) 、美国国防部关键技术计划以及日本的月光计划等都把高温结构陶瓷基复合材料作为重点研究对象,其研制目标是将发动机热端部件的使用温度提高到1650 ℃或更高[2 ,3 ] ,从而提高发动机涡轮进口温度,达到节能、减重、提高推重比和延长寿命的目的,满足军事和民用热机的需要。 2 国内外应用与研究现状 由于陶瓷材料具有高的耐磨性、耐高温和抗化学侵蚀能力,国外目前已将其应用于发动机高速轴承、活塞、密封环、阀门导轨等要求转速高和配合精度高的部件。在航空发动机高温构件的应用上,到目前为止已报道的有法国将CVI 法SiC/Cf 用于狂风战斗机M88 发动机的喷嘴瓣以及将SiC/ SiCf 用于幻影2000 战斗机涡轮风扇发动机的喷管内调节片[4 ] 。 此外,有许多陶瓷基复合材料的发动机高温构件正在研制之中。如美国格鲁曼公司正研究跨大气层高超音速飞机发动机的陶瓷材料进口、喷管和喷口等部件,美国碳化硅公司用Si3N4/ SiCW制造导弹发动机燃气喷管,杜邦公司研制出能承受1200～1300 ℃、使用寿命达2000h 的陶瓷基复合材料发动机部件等[5 ,6 ] 。目前导弹、无人驾驶飞机以及其它短寿命的陶瓷涡轮发动机正处在最后研制阶段,美国空军材料实验室的研究人员认为[7 ] ,1204～1371 ℃发动机用陶瓷基复合材料已__经研制成功。由于提高了燃烧温度,取消或减少了冷却系统,预计发动机热效率可从目前的26 %提高到46 %。英国罗—罗公司认为,未来航空发动机高压压气机叶片和机匣、高压与低压涡轮盘及叶片、燃烧室、加力燃烧室、火焰稳定器及排气喷管等都将采用陶瓷基复合材料。预计在21 世纪初, 陶瓷基复合材料的使用温度可提高到1650 ℃或更高。 3 研究方向与发展趋势 陶瓷虽然具有作为发动机热端结构材料的十分明显的优点,但其本质上的脆性却极大地限制了它的推广应用。为了克服单组分陶瓷材料缺陷敏感性高、韧性低、可靠性差的缺点,材料科学工作者进行了大量的研究以寻找切实可行的增韧方法[8 ,9 ] 。增韧的思路经历了从“消除缺陷”或减少缺陷尺寸、减少缺陷数量,发展到制备能够“容忍缺陷”,即对缺陷不敏感的材料。目前常见的几种增韧方式主要有相变增韧、颗粒(晶片) 弥散增韧、晶须(短切纤维) 复合增韧以及连续纤维增韧补强等。此外还可通过材料结构的改变来达到增韧的目的,如自增韧结构、仿生叠层结构以及梯度功能材料等。由于连续纤
陶瓷基复合材料 江雪玲 (重庆师范大学化学学院,2011级材料化学,20110513423) 摘要：概述了陶瓷基复合材料的基本概念，介绍了陶瓷基复合材料的分类及其应用，以及各类陶瓷基复合材料的优点、缺点。最后，综合了陶瓷基复合材料的优点、缺点，并对未来陶瓷基复合材料的发展提出了期许以及发展方向。 关键词：陶瓷基复合材料、氧化物基透波材料、磷酸盐基透波材料、氮化物基透波材料、连续纤维增强陶瓷基复合材料。 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。 1、陶瓷基复合材料 由于陶瓷本身存在韧性和可靠性不足的缺点，因此人们对各种陶瓷材料进行优化设计，制备出整体性能更为优异的陶瓷基透波复合材料。陶瓷基透波复合材料按基体的成分不同可主要分为氧化物基、磷酸盐基及氮化物基等系列。下表为部分陶瓷基透波复合材料的基本性能。 表：部分陶瓷基透波复合材料的基本性能 性能2D 3D 2.5D 2.5D
SiO2f/SiO2 SiO2/SiO2 Q/NCMCs Q/磷酸盐 折弯强度/Mpa 97.0 Z:14.0 X:13.2 117.5 40~110 介电常数 2.61 2.8 3.24 3.2~3.4 损耗角正切0.0016 0.008 0.004 0.007~0.008热导率 w/(m.k) 0.35 0.838(270℃) 1.1 / 2、氧化物基透波材料 虽然石英陶瓷具有优异的介电性能，但其也存在抗雨蚀性能、力学性能较差的缺点，为此人们通过各种增强方式来提高石英陶瓷材料的断裂韧性和可靠性。连续纤维增强陶瓷基复合材料具有强度高、韧性好、密度低等特点，因而收到了广泛关注。M.Favaloro等制备了三维石英纤维织物增强二氧化硅复合材料 AS-3DX,材料的介电常数为2.88,介电损耗为0.006(5.841GHz,25℃),国防科学技术大学宋阳曦采用溶胶-凝胶工艺,通过浓缩硅溶胶并引入手糊成型工艺和模压 工艺制备了二维石英纤维织物增强石英基(2DSiO2f/SiO2)复合材料,其介电常数为2.61~2.64,损耗角正切为0.0016~0.0019,热导率为0.35~0.37W/(m.k),由此可见，这类材料的透波性能优异，但热导率仍然偏高，高温性能有待改善。 2、磷酸盐基透波材料 磷酸盐基复合材料一般由布块或织物经磷酸盐溶液浸渍后加压固化而得。目前在航天透波材料领域获得应用的主要有硅质纤维增强磷酸铝、磷酸铬及磷酸铬铝复合材料。磷酸盐基复合材料具有耐高温、高强度、介电性能优异、抗氧化、
材料制备原理课程论文 题目陶瓷基复合材料的制备原理与工艺 学院材料科学与工程学院 专业班级 学生姓名 2012 年3 月28日
陶瓷基复合材料的制备原理与工艺 前言：科学技术的发展对材料提出了越来越高的要求,陶瓷基复合材料由于在破坏过程中表现出非脆性断裂特性,具有高可靠性,在新能源、国防军工、航空航天、交通运输等领域具有广阔的应用前景。 陶瓷基复合材料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，又称为多相复合陶瓷或复相陶瓷。陶瓷基复合材料是2O世纪8O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。 连续纤维增强复合材料是以连续长纤维为增强材料，金属、陶瓷等为基体材料制备而成。金属基复合材料是以陶瓷等为增强材料，金属、轻合金等为基体材料而制备的。从20世纪60年代起各国都相继对金属基复合材料开展了大量的研究，因其具有高比强度、高比模量和低热膨胀系数等特点而被应用于航天航空及汽车工业。陶瓷材料具有熔点高、密度低、耐腐蚀、抗氧化和抗烧蚀等优异性能，被广泛用于航天航空、军事工业等特殊领域。但是陶瓷材料的脆性大、塑韧性差导致了其在使用过程中可靠性差，制约了它的应用范围。而纤维增强陶瓷基复合材料方面克服了陶瓷材料脆性断裂的缺点，另一方面保持了陶瓷本身的优点。 1陶瓷基复合材料的基本介绍和种类 虽然用于纤维增强陶瓷基复合材料的纤维种类较多．但迄今为止，能够真正实用的纤维种类并不多一现简要介绍如下： 第一类为氧化铝系列(包括莫来石)纤维一这类纤维的高温抗氧化性能优良，有可能用于14000C以上的高温环境．但目前作为FRCMCS的增强材料主要存在以下两个问题：一是高温下晶体相变、晶粒粗化以及玻璃相的蠕变导致纤维的高温强度下降；二是在高温成型和使用过程中，氧化物纤维易与陶瓷基体(尤其足氧化物陶瓷)形成强结合的界面，导致FRCMCS 的脆性破坏，丧失了纤维的补强增韧作用。 第二类为碳化硅系列纤维目前制备碳化硅纤维的方法主要有两种：一足化学气相沉积法(CVD)：用这种方法制备的碳化硅纤维，其高温性能好，但由于直径太大(大于100um)，不利于制备形状复杂的FRCMCS构件，且价格昂贵，因而其应用受到很大限制。二足有机聚合物先驱体转化法。在这种方法制备的纤维中，最典型的例子是日本碳公司生产的Nicalon 和Tyranno等纤维。这种纤维的共同特点是，纤维中不同程度地含有氧和游离碳杂质，从而影响纤维的高温性能。最近，H本碳公司生产的低含氧量碳化硅纤维(Hi．Nicalon)具有较好的高温稳定性，其强度在1500～1600℃温度下变化不大。 第三类为氮化硅系列纤维。它们实际卜是由Si、N、C和0等组成的复相陶瓷纤维，现已有商品出售。这类纤维也是通过有机聚合物先驱体转化法制备的，日前也存存着与先驱体碳化硅纤维同样的问题，因而其性能与先驱体碳化硅纤维相近。 第四类为碳纤维。碳纤维已有三十余年的发展历史，它是目前开发得最成熟，性能最好的纤维之一，已被广泛用作复合材料的增强材料。其高温性能非常好，在惰性气氛中，2000~C
陶瓷基复合材料的发展现状和最新进展The Development Status and Recent Research Progress of Ceramic-Matrix Composite Materials 学生姓名： 学生学号： 指导教师： 所在院系： 所学专业： 南京理工大学 中国·南京 2015年11月
摘要综述了陶瓷基复合材料（CMC）在近年来的研究进展，就陶瓷的增强增韧机 理、复合材料的制备工艺作了较全面的介绍，综述了先驱体浸渍裂解（PIP）反应熔体浸渗（RMI）化学气相渗透（CVI）泥浆法（SI）等工艺的最新研究进展，并对CMC的应用和未来发展进行了展望。 关键词复合材料；陶瓷基；增强增韧；制备工艺；应用；未来发展 Abstract The studying situation of ceramic matrix composites(CMC) in the lately years is reviewed in this paper.The strengthening and toughening mechanism,selection of matrix and reinforced materials and preparation techniques are introduced comprehensively,and then progresses of several preparation processes such as PIP,RMI,CVI,and SI are discussed.Also,the application prospects of future development of CMC are looked forward. Keywords composites; ceramic matrix; strengthening and toughening; preparation technique;application; future development 1971年，Avesto首次提出陶瓷基复合材料的概念[1]。众所周知，陶瓷基复合材料不是传统意义上的陶瓷，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。它的主要基体有玻璃陶瓷、氧化铝、氮化硅等，这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、高耐腐蚀性、低线胀系数、隔热性好及低密度等优异性能，而且资源也比较丰富，有广泛的应用前景[2]。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。CMC就是通过颗粒弥散增韧和纤维及晶须增韧等来改善陶瓷材料的力学性能，特别是脆性。因而开发CMC已成为改善陶瓷脆性的主要手段，受到各国的高度重视和广泛研究。 1 CMC的增韧机理 目前看来，陶瓷的增韧机理虽然很多，且众说纷纭，但总体而言大致可有如下四种类型：①相变增韧(transformation toughening);②延性相增韧(toughening by ductile phases);③脆性纤维和晶须增韧(toughening by brittle fibers and whiskers);④微裂纹增韧(microcrack toug hening)。 相变增韧的机理是在应力场的作用下，由分散相的相变产生应力场，抵消外加应力，阻止裂纹扩展达到增韧目的。延性相增韧主要是指粒子强化和弥散强化，通过第2相粒子的加入，一方面对某些延性相粒子，它可以在外力作用下产生一定塑性变形或者沿着晶面滑移产生蠕变来缓解应力集中；另一方面由于第二相粒子与基体粒子之间弹性模量和线胀系数的差异，在烧结过程冷却阶段存在一定温差，因而在坯体内部产生径向张应力和切向压应力，这种应力与外应力发生相互作用，使裂纹前进方向发生偏转、绕道，从而提高材料的抗断能力，达到增韧目的[3]。 纤维和晶须增韧的机理如图1[4]所示，其作用原理有以下几步：（1）负荷传递：要求（E f / E m）>2（E为弹性模量，同时要求纤维与基体间有较强界面来帮助负荷从基体转移到纤维）；（2）基体预应力：如果αf>αm，则压缩应力能够产生，界面压缩力增加了纤维/基
河南农业大学机电工程学院《非金属材料》课程论文 陶瓷基复合材料 姓名： 学号： 专业班级： 论文方向： 任课教师：
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。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，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意的使用效果。 正文： 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(简称CFCC)是将耐高温的纤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。20世纪70年代初,J Aveston[2]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