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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 AeroengineAbstract: 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 progress1 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。
陶瓷基复合材料的制备方法与工艺随着科学技术的不断发展，陶瓷基复合材料在工业生产和科学研究中得到了广泛的应用。
陶瓷基复合材料具有优良的耐磨性、高温稳定性和化学稳定性，因此在航空航天、汽车制造、医疗器械等领域有着重要的地位。
本文将介绍陶瓷基复合材料的制备方法与工艺。
一、陶瓷基复合材料的制备方法1. 热压法：热压法是一种常用的陶瓷基复合材料制备方法。
首先将陶瓷粉末与增强相（如碳纤维、玻璃纤维等）混合均匀，然后将混合物放入模具中，经过一定的温度和压力条件下进行热压，使得陶瓷粉末和增强相充分结合，最终得到陶瓷基复合材料制品。
2. 溶胶-凝胶法：溶胶-凝胶法是一种制备陶瓷基复合材料的新型方法。
首先将陶瓷前驱体（如硅酸酯、铝酸盐等）与增强相混合，在一定的条件下形成溶胶，然后通过凝胶化过程使得溶胶形成凝胶，最终通过热处理制备出陶瓷基复合材料。
3. 拉伸成型法：拉伸成型法是一种制备纤维增强陶瓷基复合材料的方法。
首先将陶瓷粉末与增强相混合，然后通过拉伸成型设备将混合物进行拉伸成型，最终得到纤维增强的陶瓷基复合材料。
二、陶瓷基复合材料的制备工艺1. 原料选择：在制备陶瓷基复合材料时，需要选择优质的陶瓷粉末和增强相。
陶瓷粉末的选择应考虑其颗粒大小、形状和化学成分，而增强相的选择应考虑其强度、刚度和耐热性能。
2. 混合均匀：在制备过程中，陶瓷粉末和增强相需要进行混合均匀，以确保最终制品的性能稳定。
3. 成型工艺：根据不同的制备方法，成型工艺也有所不同。
在热压法中，需要选择合适的温度和压力条件；在溶胶-凝胶法中，需要控制好溶胶和凝胶的形成过程；在拉伸成型法中，需要控制好拉伸成型设备的参数。
4. 烧结工艺：烧结是制备陶瓷基复合材料的重要工艺环节，通过烧结可以使得材料颗粒之间结合更加紧密，提高材料的密度和强度。
5. 表面处理：在制备陶瓷基复合材料的最后一道工艺中，可以对制品进行表面处理，如抛光、涂层等，以提高制品的表面质量和外观。
第 4 期第 34-42 页材料工程Vol.52Apr. 2024Journal of Materials EngineeringNo.4pp.34-42第 52 卷2024 年 4 月ZrO 2增强聚合物先驱体SiCNO 复合陶瓷的制备和力学性能Preparation and mechanical properties of ZrO 2-reinforced polymer -derived SiCNOcomposite ceramics费轩，余煜玺*，严远高，魏永金，赵刚，黄柳英*（厦门大学 材料学院 福建省特种先进材料重点实验室，福建 厦门 361005）FEI Xuan ，YU Yuxi *，YAN Yuangao ，WEI Yongjin ，ZHAO Gang ，HUANG Liuying *（Fujian Key Laboratory of Advanced Materials ，College of Materials ，Xiamen University ，Xiamen 361005，Fujian ，China ）摘要：聚合物先驱体陶瓷（polymer -derived ceramics ，PDCs ）技术具有制造简单、成分可调等优点，为制备新型陶瓷提供了有效途径。
然而，由于热解过程中微小分子的逃逸形成孔洞缺陷，先驱体技术制备的无定形聚合物衍生SiCNO 陶瓷（PDCs -SiCNO 陶瓷）的力学性能较差。
为解决上述问题，通过向陶瓷基体添加第二相（颗粒强化）来实现增强先驱体陶瓷。
对聚乙烯基硅氮烷（PVSZ ）和ZrO 2进行先球磨后热解，制备ZrO 2颗粒增强PDCs -SiCNO 复合陶瓷（PDCs -SiCNO -ZrO 2），研究PDCs -SiCNO -ZrO 2复合陶瓷的结构和力学性能。
结果表明：引入的ZrO 2填料作为增强体嵌入SiCNO 陶瓷基体中，不仅能有效降低线收缩率，还能大幅提高PDCs -SiCNO -ZrO 2复合陶瓷的力学性能。
先驱体转化法制备碳纤维增强碳化硅复合材料的研究
张长瑞;陈朝辉
【期刊名称】《复合材料学报》
【年(卷),期】1994(011)003
【摘要】本文采用有机硅先驱体聚碳硅烷转化成碳化硅制备连续碳纤维增强的碳化硅基复合材料。
对其制备工艺，如碳纤维体积分数的控制，液相浸渍聚碳硅烷热解转化成碳化硅基体的致密化等进行了研究。
结果表明，该工艺对制备连续纤维增强的陶瓷基复合材料是一种有效的方法，易于实现纤维和的成型，复合。
致密化过程不损伤纤维。
对其Ｃ／ＳｉＣ复合材料的性能进行了表征，Ｃ纤维具有明显增韧碳化硅的效果，其断裂机制表现为转性特征。
【总页数】7页(P26-32)
【作者】张长瑞;陈朝辉
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】TB332
【相关文献】
1.碳纤维增强碳化硅三维网状多孔陶瓷复合材料的制备碳纤维增强碳化硅三维网状多孔陶瓷复合材料的制备 [J], 肖路军;黄小忠;杜作娟;唐秀之
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健;史一宁;邱海鹏;孙明;李秀倩;罗京华
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5.连续碳纤维增强碳化硅复合材料的制备与性能研究 [J], 朱时珍;李俊红;于晓东因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
PIP工艺制备C f/SiC-ZrB2陶瓷基复合材料的研究姜凯1王艳艳1张庆利2周长灵1杨芳红1（1 山东工业陶瓷研究设计院，淄博255031；2 空军驻山东地区军事代表室，济南，255010）摘要：以聚碳硅烷和硼化锆前驱体为原料，采用前驱体浸渍裂解工艺制备C f/SiC-ZrB2复合材料，首先研究了粘度对前驱体溶液浸渍效率和材料致密度的影响，进而研究了浸渍压力等条件对材料性能的影响。
结果表明：合理的溶液组分配比关系到混合溶液的粘度，是影响浸渍性能的主要因素；真空加压浸渍的方法可以减少制备周期，快速提高材料致密度，对材料的各方面性能都有明显的改善。
关键词：浸渍工艺，粘度，真空压力Fabrication of C f/SiC-ZrB2 Composites by PIP ProcessJiang Kai1Wang Yanyan1Zhang Qingli2Zhou Changling1Yang Fanghong1(1 Shandong Research and Industrial Ceramic,Zibo 255031;2 Military Representative Office of PLA Air Force in Shandong Region,Jinan,255010) Abstract：Using PCS and ZrB2 precursor as raw materials, we prepared C f/SiC-ZrB2 composites through precursor infiltration and pyrolysis process(PIP). Firstly, we studied the influence of viscosity on the efficiency of precursor infiltration and density of the composites. Then the effect of infiltration pressure on the performance of composite materials was studied. The results are that the viscosity of the mixed solution depended on the component proportion of the solution, which are the main influencing factors of the performance of infiltration. Through vacuum-pressure infiltration method, the fabrication period can be reduced, so the composites can be densified faster and the performance of the materials can be improved greatly.Key words:infiltration process;viscosity;vacuum and pressure1 引言目前，为了获得能够满足航空航天需求的超高温抗烧蚀材料，在C f/SiC复合材料的基础上引入ZrB2超高温陶瓷已成为研究的主流方向。
液态聚碳硅烷先驱体制备陶瓷基复合材料的工艺适应性研究张冰玉;杨金华;王岭【摘要】Ceramic precursor plays an important role in preparing ceramic matrix composites through PIP (Precursor Infiltration and Pyrolysis) method.The properties of precursors have decisive influence on manufacturing process and properties of the composites.A new liquid ceramic precursor VHPCS and its ceramic products were investigated by infrared spectrometry,differential scanning calorimetry,thermal gravimetric analysis and X-ray diffraction.Also,the curing and pyrolysis behavior of VHPCS had been discussed.Results showed that VHPCS contained both Si-H and Si-CH=CH2 reactive groups,and it could be cured above 165 ℃.The ceramic yield of VHPCS at 1000 ℃ in nitrogen atmosphere was 60％ and the pyrolysed products showed well crystal-structure stability in the temperature range of 1000-1300℃.Results showed that VHPCS could be a promising precursor for PIP method.%陶瓷先驱体是先驱体浸渍裂解工艺(PIP)制备陶瓷基复合材料的关键,先驱体工艺性能对复合材料制备工艺和材料性能有着决定性的影响.以一种新型液态聚碳硅烷先驱体(VHPCS)为研究对象,利用红外光谱分析差示扫描量热分析、热重分析、X-射线衍射分析等分析手段对VHPCS及其裂解产物的热稳定性进行表征.从PIP工艺角度出发,对VHPCS固化行为和裂解行为进行分析.结果表明,VHPCS中含有活性的Si-H和Si-CH=CH2基团,可在165℃开始固化反应.VHPCS在1000℃的N2气氛下的陶瓷产率为60％,其裂解产物在1000～1300℃内晶相稳定,是比较理想的陶瓷先驱体.【期刊名称】《航空制造技术》【年(卷),期】2017(000)013【总页数】6页(P83-88)【关键词】液态聚碳硅烷;先驱体浸渍裂解;陶瓷基复合材料【作者】张冰玉;杨金华;王岭【作者单位】中航复合材料有限责任公司,北京101300;中航复合材料有限责任公司,北京101300;中航复合材料有限责任公司,北京101300【正文语种】中文先驱体浸渍裂解（PIP）工艺是利用陶瓷先驱体浸渍纤维预制体，交联固化成型后经高温转化为陶瓷基复合材料的工艺，因其具备先驱体分子可设计、成型温度低、可低温陶瓷化、制备陶瓷基复合材料可加工等优点，而成为制备形状复杂、尺寸精度高的陶瓷基复合材料构件的常用工艺方法[1-3]。
先驱体是PIP工艺制备陶瓷基复合材料的关键，其种类和性质决定了材料的制备工艺和性质[4-6]。
Seyferth[7]提出用于PIP工艺的先驱体应具备“三低”（低粘度、低温交联、低收缩），“二无”（无杂质、无发泡），“一高”（陶瓷产率高）的特点。
Wynne等[8]归纳了用于PIP工艺理想的有机硅聚合物陶瓷先驱体应该具有的多种性质：为了避免低分子量组分的挥发，相对分子质量要足够高；为了适合浸渍，应具有合适的流变性；为了能够热固化，应具有潜在的反应活性；为了降低由于骨架断裂所形成的碎片，应具有笼形或环形结构等。
传统的PIP工艺主要使用固态先驱体浸渍裂解，该先驱体需要溶剂溶解、裂解产率低，致密化周期长，一般15～16个浸渍-裂解循环才能实现较为理想的致密化，致密化过程需要一个月至一个半月。
针对PIP工艺，除了工艺方法上的改变，最有效地提高致密化效率的办法就是采用一种高裂解产率、低粘度、低固化温度的液态碳化硅先驱体进行浸渍裂解，可使SiC基体快速致密化，缩短陶瓷基复合材料制造周期。
针对上述不足，美、日等国在开发可替代固态PCS的液态聚碳硅烷方面开展了大量工作，发展了针对PIP工艺的低粘度、高陶瓷产率、分子结构可设计性强的液态先驱体聚合物，即第二代液态聚碳硅烷，已形成系列化产品[9]。
液态PCS从根本上弥补了第一代SiC先驱体用于PIP工艺基体树脂的不足。
目前比较成熟的产品是美国Starfire System公司开发出的牌号为SMP-10的含少量烯丙基的全氢聚碳硅烷，其粘度仅为40～100cP，陶瓷产率高于70%，其陶瓷化产物的C/Si比接近计量比1[10]。
在国内，国防科大通过PDMS重排反应制备了液态LPVCS先驱体，该先驱体中含有SiH和C=C活性基团，可在 250～300℃固化，1000℃裂解产率达到60%[11]。
厦门大学也开展了类似工作，其先驱体裂解产率同样在60%水平。
中国科学院化学研究所采用格氏偶联反应、还原反应制备液态PCS先驱体，制备了烯丙基改性的全氢聚碳硅烷（AHPCS）、乙烯基改性全氢聚碳硅烷（VHPCS）等液态聚碳硅烷[12]。
目前，国内已具备小批量制备液态聚碳硅烷的能力，大多数文献报道集中在液态聚碳硅烷先驱体的合成，鲜有关于液态聚碳硅烷作为PIP工艺适应性研究的报道。
本文以一种新型液态聚碳硅烷先驱体为研究对象，对其结构、固化行为、热性能以及结晶性能等进行全面分析，评价其用于PIP工艺制备陶瓷基复合材料的工艺适应性。
1 试验及方法1.1 试验原料VHPCS是一种乙烯基改性全氢聚碳硅烷，常温为淡黄色液体，25℃时粘度为20～40mPa·s，由中科院化学所提供。
1.2 测试与表征红外光谱分析（IR）：采用美国Nicolet仪器公司的Magna 750型Fourier变换红外光谱仪，扫描范围为4000～400cm-1，试验方法为溴化钾压片法。
差示扫描量热分析（DSC）：采用美国TA公司DSC Q10型差示扫描量热分析仪，测试气氛为流动氮气，气流为50ml/min，升温速率分别为5℃/min、10℃/min、15℃ /min、20℃ /m in。
热重分析（TGA）：采用德国NETZSCH公司生产的STA 449F3型分析仪进行测定，测试气氛为氮气，流速为200ml/min，升温速率为10℃/min。
X-射线衍射分析（XRD）：液态聚碳硅烷分别在1000～1500℃裂解得到SiC陶瓷，粉末样品用于结晶性能分析。
采用美国BRUKER公司生产的D8 Advance型X射线衍射仪，测试参数为：扫描速率3°/min，扫描角3°～80°。
2 结果与讨论2.1 液态聚碳硅烷先驱体结构分析聚碳硅烷结构中含有硅原子和碳原子相间成键的低分子、齐聚物或高分子聚合物，在陶瓷先驱体转化法中，一般将主链或支链主要含Si和C的化合物，或高分子热解后能得到含Si、C的陶瓷均称为聚碳硅烷。
本文对VHPCS进行了化学结构表征，图1为VHPCS的红外光谱图，表1为VHPCS中各主要官能团的归属情况。
可见，在VHPCS分子中含有活性Si-H键和Si-CH=CH2基团，大量活性基团的存在为先驱体的交联固化奠定了基础。
图1 VHPCS红外光谱Fig.1 IR spectrums of VHPCS表1 液态聚碳硅烷先驱体活性基团的红外吸收特征2.2 液态聚碳硅烷先驱体固化行为分析液态聚碳硅烷在加热时，活性基团发生交联反应，形成大分子三维网络结构，减少有机小分子的挥发，获得较高的陶瓷产率，同时可避免纤维预制体在PIP工艺过程中发生塌陷变形。
先驱体的固化对于纤维预制体定型和陶瓷基复合材料成型至关重要。
研究液态聚碳硅烷先驱体的固化行为，优化固化工艺，对提高裂解陶瓷产率、缩短PIP工艺制备周期、提高材料致密化度起到了重要的作用。
2.2.1 固化反应动力学参数的确定考虑到实际工艺过程中VHPCS先驱体是在变温的条件下固化，为了较好地反映先驱体实际固化过程中的固化特性，本文采用非等温DSC法对VHPCS的固化反应动力学特性进行研究。
不同升温速率下VHPCS的DSC图谱见图2。
可见，VHPCS的固化反应为放热反应，而且随着升温速率的提高，体系的初始固化温度、固化反应峰顶温度、固化反应终止温度依次向高温方向移动。
化学反应的难易程度主要由表观活化能的大小来衡量决定，可采用Kissinger法进行计算。
假定固化反应的最大速率发生在固化反应放热峰的峰顶温度，反应级数n 在固化过程中保持不变，且服从动力学方程：式中，β为升温速率，K/min；Tp为放热峰峰顶温度K；Ea为表观活化能，J/mol；R为理想气体常数，8.314J/（mol·K）；A为频率因子。
根据不同升温速率下固化反应放热峰峰顶温度（见表2），以对数作图（见图3），进行线性拟合，得到线性回归系数为0.99376，直线斜率为-1.23×104，直线截距为14.8，由拟合曲线斜率即可求得表观活化能为1.02×102kJ/mol，代入截距可求得频率因子lnA=24.2。
图2 不同升温速率下VHPCS在氮气中固化的DSC曲线Fig.2 DSC curves of VHPCS in N2 atmosphere at different heating rates固化反应的反应级数n可由Crane方程求得：以lnβ对1/Tp作图（见图4），进行线性拟合，得到线性回归系数为0.99467，拟合曲线斜率为-13304.7387，由拟合曲线斜率-Ea/nR，即可求得反应级数n=0.93。
2.2.2 固化反应动力学方程的确定由于VHPCS的固化反应为一级反应，所以满足一级反应动力学方程[13]：表2 不同升温速率下VHPCS固化过程的特征温度值图3 ln ( β / )-1/Tp 拟合曲线Fig.3 ln ( β / )-1/Tp fitting curve图4 lnβ-1/Tp 拟合曲线Fig.4 lnβ-1/Tp fitting curve由 Arrhenius公式 [14]：可得VHPCS固化反应动力学方程：VHPCS固化反应动力学参数值分别为频率因子A=3.29×1010min-1，表面活化能 Ea=102.39544kJ/mol，反应级数n=0.93。
