新型陶瓷复合材料的力学性能研究

2018年第04期 工业技术创新Industrial Technology Innovation

· 26 ·3D打印碳纤维增强陶瓷基复合材料力学性能研究姜鑫，胡福文（北方工业大学机械与材料工程学院，北京 100144）摘 要： 陶瓷材料具有强度高、硬度大、耐磨、耐腐蚀等优良特性，具有广泛的应用前景。基于陶瓷浆料挤出的自由挤出成型工艺是复杂陶瓷制件成型的重要发展方向。同时，对陶瓷材料的增强改性亦是目前研究的热点问题。选用短切碳纤维作为增强相改性陶瓷浆料，通过自由挤出成型工艺成型陶瓷构件。使用长度为0.3 mm的短切碳纤维作为增强相制备混合浆料。通过陶瓷浆料3D打印机打印成型坯体，坯体成型后用热风辐射干燥。充分干燥后的坯件经过烧结，得到致密度较高的陶瓷制件。通过压缩试验对制得的试验件进行性能研究。分析得到，随着纤维含量的增加，试验件断裂韧性有所提升。制得的碳纤维含量为5 wt.%的试验件表现出更好的断裂韧性性能。关键词： 纤维增强；陶瓷基复合材料；3D打印；力学性能中图分类号：TB301 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 (2018) 04-026-04工业技术创新 URL: http: // DOI: 10.14103/j.issn.2095-8412.2018.04.005

工业技术创新第05卷 第04期 2018年8月Industrial Technology InnovationVol.05 No.04 Aug.2018

引言陶瓷材料具有耐高温、高强度、低密度等优异性能，在工业制造、航空航天、生物医疗等领域有着广泛应用潜力[1]。但是，陶瓷材料的脆性较大、可靠性差等缺陷又阻碍了其实用化，严重限制了其在承载力、可靠性要求高的技术领域中的广泛应用[2]。因此，需要对其进行增强改性处理。随着3D打印技术的发展及工程应用的需求，纤维增强复合材料的3D打印备受关注[3]。Soydan Ozcan等研究人员采用长度为0.2~0.4 mm的短切碳纤维作为增强相[4]，在220℃条件下将其与ABS树脂混合，分别制备出质量分数为10、20、30、40 wt%的碳纤维增强ABS丝材。实验结果表明，其拉伸强度提高15%，而模量提高600%。中南大学肖路军等[5]以3D打印多孔PLA结构为基体，制备碳纤维增强碳化硅三维网状多孔陶瓷复合材料。性能测试结果表明，随着打印件的骨架直径的增大，所制备的多孔陶瓷复合材料的孔隙率逐渐减小，而其表观密度、骨架密度、压缩强度、导热系数逐渐增加。哈工大何培刚等[6]采用机械搅拌法制备了短碳化硅纤维增强铝硅酸盐聚合物复合材料。结果表明，长度为5 mm且含量为2.0%（体积分数）的复合材料力学性能最优，并表现出韧性断裂特征。综合分析，采用长纤维来增强增韧陶瓷基复合材料的工艺复杂、技术难度大、制造成本较高；以短切纤维作为增韧体的陶瓷基复合材料可解决长纤增强材料中的各向异性问题，并且不需要纤维编织及缠绕，制备工艺简单、成本相对较低[7]。此外，碳纤维的高温性能非常好，且具有比强度高、比模量大等优点，被广泛用于复合材料的增强材料[8]。用碳纤维等改性不仅能够提高力学性能，而且在热稳定性等方面有改善作用[9]。1 实验平台及材料1.1 打印平台陶瓷材料挤出成型过程的关键机构大致有三：打印喷嘴的运动机构、陶瓷浆料的输送机构、陶瓷浆料的挤出机构[10,11]。本文选用活塞式料筒作为送料机构，螺杆机构作为挤出成型主体挤出机构。工作方式为利用气压推动料筒活塞运动，将料筒中的陶瓷浆料经由输送管道送达挤出装置，再利用螺旋绞刀的推力，使得浆料经由打印喷嘴挤出。浆料挤出的同时，配合3D打印机的三维运动，从而打印出指定零件。图1所示为搭建完成的陶瓷3D打印平台整体结构。1.2 混合浆料制备陶瓷材料的原材料通常由陶土或高岭土制得。原材料通常经过混合搅拌、捏合（练泥）和排出气体等几个步骤。对于含短切碳纤维的混合浆料来说，由于短切纤维易于堆积成束，堵塞打印喷嘴，所以选用的纤维不宜较长，且混合要足够充分，避免纤维堆积，姜鑫，等：3D打印碳纤维增强陶瓷基复合材料力学性能研究

碳纤维环氧复合材料高温力学性能研究　

王　志　，张　雷　，陈健　。。徐艳英　。　

（１．沈阳航空航天大学辽宁省通用航空重点实验室，辽宁沈阳１１０１３６；　

２．沈阳航空航天大学辽宁省飞机火爆防控及可靠性适航技术重点实验室，辽宁沈阳１１０１３６）　

摘　要：以航空领域中广泛应用的４种典型碳纤维环氧复　合材料为研究对象，采用微机控制高温试验机测试２５、５０、１００、　

１５Ｏ℃下各试验样品的力学性能参数。通过对试样的应力与　

应变的关系、拉伸破坏强度、拉伸弹性模量以及保留率的分析，　研究碳纤维环氧复合材料的高温力学性能。结果表明，４种碳　纤维环氧复合材料的应力一应变曲线整体变化趋势大致相同，　在发生拉伸破坏现象之前，应力与应变呈正相关关系；碳纤维　环氧复合材料的高温力学性能与材料的铺层角度有关，与受力　方向一致的铺层越多，试样的力学性能就越好；通过数据拟舍　

得到了碳纤维环氧复合材料高温力学性能的经验公式。　关键词：碳纤维；复合材料；高温力学；拉伸破坏强度　

中图分类号：Ｘ９１３．４。Ｖ２１４　文献标志码：Ａ　文章编号：１００９～００２９（２Ｏ１６）ｌ２—１６５９一Ｏ５　

碳纤维环氧树脂复合材料凭借高比强度、高比模量、　

结构尺寸稳定性好、耐腐蚀、可设计性好和良好的力学性　

能等优点，在军工企业、民用工业、建筑加固改造领域得　

到了广泛的应用，尤其在航空等高科技领域中的应用越　

来越多，常作为机身框、仪表箱等工艺的制造材料。碳纤　

维环氧复合材料暴露于高温时，基体树脂会发生分解，引　

起复合材料抗拉、抗剪、弹性模量等力学性能的改变，严　

重危及材料结构的安全。　

近年，国外学者对碳纤维复合材料的高温力学性能　

有一定研究，主要集中在铺层数量对材料高温力学性能　

影响以及高温下材料的破坏方式等方面，对碳纤维环氧　

复合材料在高温下的力学性能以及影响高温力学性能因　

素方面的研究较少。笔者通过试验研究比较，分析４种　

典型碳纤维环氧复合材料的应力一应变曲线、拉伸破坏　

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 Composites

and Its Application on Aeroengine

Abstract: The development and research status of ceramic matrix composites were

reviewed in this paper. The main topics include the toughening mechanisms, the

preparation progress and the application on aeroengine were introduced comprehensively.

Also, the problems in the research and application of CMCs were 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

陶瓷基复合材料增强机制、机理的研究现状及展望

陶瓷基复合材料（CMC），一般是指相变增韧、颗粒增韧陶瓷和纤维及晶须增韧陶瓷材料。这是目前备受重视的新型耐高温结构材料。本文将介绍陶瓷基复合材料这种新型复合材料的机理和研究现状及展望。

与常规材料和非陶瓷复合材料相比，陶瓷材料具有耐高温、抗腐蚀、超硬度抗氧化和抗烧结等优异性能。作为高温结构材料，尤其作为航空航天飞行器需要承受极高温度的特殊部位结构用材料具有很大的潜力。因此世界各国都把结构陶瓷看作是对未来工业革命有重大作用的高技术新材料而给以重点研究和发展并相继开展了陶瓷汽车发动机、柴油机和航空发动机等大规模高温陶瓷热机研究计划，出现了陶瓷热，然而，常规结构陶瓷还存在缺陷和问题，主要是材料的脆性，可靠性不高等，应用于现在科技领域还有许多问题急需研究解决。陶瓷基复合材料引起人们关注的重要原因就在于他可以改善陶瓷基材料的力学性能，特别是脆性，因此陶瓷基复合材料的发展和研究将成为陶瓷大规模应用计划取得成功的关键。

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。