石英陶瓷基复合材料的特点

2017年第18期工业技术科技创新与应用浅谈陶瓷基复合材料的分类及性能特点蒋永彪（贵州省机械工业学校，贵州贵阳550000）1陶瓷基复合材料分类陶瓷基复合材料，根据增强体分成两大类：连续增强的复合材料和不连续增强的复合材料，如表1所示。其中，连续增强的复合材料包括一方向，二方向和三方向纤维增强的复合材料，也包括多层陶瓷复合材料；不连续增强的复合材料包括晶须、晶片和颗粒的第二组元增强体和自身增强体，如Si3N4中等轴晶的基体中分布一些晶须状茁-Si3N4晶粒起到增韧效果。纳米陶瓷既可以是添加纳米尺寸的增强体复合材料，也可以是自身晶粒尺寸纳米化及增强。表1陶瓷基复合材料分类陶瓷基符合材料也可以根据基体分成氧化物基和非氧化物基符合材料。氧化物基复合材料包括玻璃、玻璃陶瓷、氧化物、复合氧化物等，弱增强纤维也是氧化物，常称为全氧化物复合材料。非氧化物基复合材料以SiC，Si3N4，MoS2基为主。2陶瓷基复合材料的力学特性陶瓷本体具有耐高温、抗氧化、高温强度高、抗高温蠕变性好、高硬度、高耐磨损性、线膨胀系数小、耐化学腐蚀等优点，但也存在致命的弱点（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。可通过控制晶粒、相变韧化、纤维增强等手段制成复合材料，陶瓷基复合材料具有了更高的熔点、刚度、硬度和高温强度，并具有抗蠕变、疲劳极限好、高抗磨性，在高温和化学侵蚀的场合下能承受大的载荷等优点，使其在航空、航天等众多领域有着广泛的应用前景。2.1陶瓷基复合材料的主要物理和化学性能（1）热膨胀。复合材料有纤维、界面和基体构成，因此热膨胀的相容性是非常重要的。虽然线膨胀系数彼此相同是最为理想的，但是几乎实现不了。通常用线膨胀系数来表征材料的热膨胀，晶体的线膨胀系数存在各向异性，因此，线膨胀系数的各向异性造成的热应力常常是导致多晶体材料从烧结温度冷却下来即发生开裂的原因。在陶瓷基复合材料里，一般希望增强体承压缩的残余应力，这样即使是弱界面，也不会发生界面脱黏。（2）热传导。陶瓷作为耐热，隔热材料，其热导率是重要的物理性能指标。热导率对于复合材料的裂纹、空洞和界面结合情况都很敏感。（3）氧化抗力。陶瓷基复合材料作为高温材料，氧化抗力是重要的性能指标。2.2非连续纤维增强陶瓷基复合材料的主要力学性能增强韧手段在制备工艺和增韧效果上有所差异。可以通过相变增韧大幅度提高陶瓷材料的强度和常温韧性。在高温下，相变增韧机制失效限制了其在高温领域的应用。将颗粒、晶须等增强物加入到基本材料中，它们的弹性模量和线膨胀系数差异在界面形成应力区，这种应力区和外加应力会发生相互的作用。这样，扩展裂纹会产生钉扎、偏转或分叉以其他形式（如相变）吸收能量，由此提高材料的断裂抗力。颗粒弥散及晶须复合增韧（CMC）制备工艺相对容易，能明显提高材料的断裂韧性和抗弯强度。高温下使用的颗粒弥散及晶须复合增韧陶瓷基复合材料，其基体综合考虑高温强度、抗蠕变性、密度、抗氧化性、抗热震性等条件，首选材料依然是Si3N4，SiC。在高温条件下，它们的表面会形成SiO2保护层，可以满足1600益抗高温氧化的要求。2.3陶瓷基复合材料的主要力学性能（1）拉伸、压缩和剪切力学行为。单体陶瓷的拉伸曲线是直线，而连续纤维增强的陶瓷基复合材料则会在直线后经过曲线上升到最大应力后断裂。（2）断裂韧性。不同类型的陶瓷基复合材料增韧机理有所不同。用传统断裂力学方法测出的连续纤维增强陶瓷基复合材料断裂韧性可达到20MPa·m1/2，该值远高于单体陶瓷材料（抑10MPa·m1/2）。但是，严格来说，不存在力学定义的断裂韧性。因此断裂功被用来评价韧性的高低。（3）热冲击抗力与机械冲击抗力。陶瓷基复合材料在热冲击载荷下不容易发生完全的毁坏。（4）疲劳。跟传统材料相比较，陶瓷基复合材料的疲劳寿命随最大应力或者应力幅的增长而下降，在室温下，其疲劳极限为拉伸强度的70%-80%，远远大于基体的开裂应力（即最大容许应力）。但是在高温下，疲劳寿命的降低却是大问题。陶瓷基复合材料在普通工业领域，常用于阀体及阀座、挤压模具及泵衬、切削刀具等，其性能远优于普通陶瓷材料和硬质合金。用碳化硅晶须增强的陶瓷基复合材料，韧性和抗弯强度都有显著提高，用作切削刀具材料，其耐用度比硬质合金要高出一百多倍（抗弯强度>800MPa，断裂韧性值8MPa·m1/2，硬度>92HRA）。2.4连续纤维增强陶瓷基复合材料（CFCC）的主要力学性能与其陶瓷基复合材料相比，CFCC的韧性较高，受外力冲击时，能够产生非失效性破坏形式，可靠性更高。CFCC与单组分材料的性能比较见表2。表2CFCC与单组分材料的性能比较

三向石英复合材料的研制　

贾光榴陈虹胡利明耿启亮陈达谦齐建梅　（山东工业陶瓷研究设计院，淄博ｚ５５ｏ３￣）　

摘　要　论述了石英纤维／瞎融石英复夸材料的制备工艺厦后处理工艺对材料密度和力学性能　的影响。试验表明：本工艺可制备出高致密性、力学性能优良、耐烧蚀性厦电性能优异、可满足天线罩使　用要求的复告材料。　关键词　｛｝４备复告材料３Ｉ）ＳｉＯ２／ＳｉＯ２　

１前言　

导弹天线罩是导弹上的一个特殊舱段…．在　飞行过程中起着保护末制导导引头的作用．所以　不但要满足导弹的气动外形要求，起隔热、承载、　抗雨蚀等作用，还必须满足导弹控制回路所提出　的苛刻的电性能要求，即高透渡性。　石英陶瓷复合材料是高速高空导弹天线罩的　一种优良的材料，其材料本身有以下的优点　。　（１）较高的抗热冲击性；　（２）较低且稳定的介电常数￡：３．３～３．５（常　温）；　（３）极低的热膨胀系数ｎ≤Ｏ　５×ｉ０—６／　；　（４）较低且稳定的损耗角正切ｔｇ　８≯１０Ｉ３（常　温）；　（５）材料的热防护能力强；　（６）ｉ艺简单、成本低廉。　这些优点不但能适用于飞行速度３～５马赫　的导弹天线罩，还能满足再入环境条件下的热绝　缘和抗热冲击性要求以及雷达透波性要求。　然而．由于石英陶瓷材料存在明显的缺陷，强　度较低，不适合于在某些导弹机动过载过大的情　况下使用．为改善材料的性能，采用三向编织石英　纤维与熔融石英复合，以提高其强度。另外由于　复合材料密度较低，耐烧蚀性能较差，也无法满足　天线罩的使用要求，因此本文就这２方面进行了　研究探讨．在提高复合材料强度的同时，也提高材　料的密度及防潮性能，以满足航空航天对材料的　需要。　２研究方法及试验结果　

２．１原料　（１）３０％密度３一Ｄ石英纤维编织体；　（２）硅溶胶；　（３）硅树脂；　（４）玻璃树脂；　（５）熔融石英粉。　２　２试验方法及结果　２．２．１纤维预处理　为了保证在第一次注浆中尽可能提高材料的　密度及均匀性，同时减少坯体内部的缺陷，首先要　解决纤维与料浆的结合问题，因此采取了用硅溶　胶浸渍石英纤维，并通过一定方法，控制硅溶胶的　含量。　２．２．２注浆料的制备　由于石英纤维溶融石英复合材料的密度对材　料的耐烧蚀性影响极大，密度越高．耐烧蚀性越　好，因此，料浆的制备对是否能制备高密度的坯体　有极大关系。　石英料浆的颗粒级配、固含量，ｐＨ值及细度　等因素都会对坯体的密度产生影响（见表１～４），　作者简介：贾光耀（１￣ｏ６～）胃．硕士研究生．主要从事结构陶瓷复合材料　

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。

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。

工制备艺

浆体浸渍-热压法

适用于长纤维。首先把纤维编织成所需形状，然后用陶瓷泥浆浸渍，干燥后进行烧结。

优点是加热温度较晶体陶瓷低，层板的堆垛次序可任意排列，纤维分布均匀，气孔率低，获得的强度较高。

缺点则是不能制造大尺寸的制品，所得制品的致密度较低，此外零件的形状不宜太复杂，基体材料必须是低熔点或低软化点陶瓷。

晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工与制备

晶须与颗粒的尺寸均很小，只是几何形状上有些区别，用它们进行增韧的陶瓷基复合材料的制造工艺是基本相同的。基本上是采用粉末冶金方法。制备工艺比长纤维复合材料简便很多。所用设备也不复杂设备。 过程简单。混合均匀，热压烧结即可制得高性能的复合材料制造工艺也可大致分为配料-成型-烧结-精加工等步骤。

直接氧化沉积法

方法：将纤维预制体置于熔融金属上面，添加有镁、硅添加剂的熔融金属铝，在氧化气氛中，不断地浸渍预制体，在浸渍过程中，熔融金属或其蒸汽与气相氧化剂反应生成氧化物。随着时间的延长，边浸渍边氧化，最终可制得纤维增强CMC。优点：纤维几乎无损伤、纤维分布均匀、CMC性能优异，工艺简单、效率高成本低

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。