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
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
陶瓷基复合材料行业定义与主要产品
陶瓷基复合材料行业主要指的是以陶瓷为基体，结合各种纤维或第二相材料制成的复合材料产业。这一行业的主要产品包括了以下几类：
1. 氮化硅基复合材料: 氮化硅（Si3N4）是一种高温结构陶瓷，具有优异的耐高温、高强度和刚度特性，同时重量相对较轻且抗腐蚀。它通常用作陶瓷基复合材料的基体。
2. 碳化硅基复合材料: 类似于氮化硅，碳化硅（SiC）也是一种高温结构陶瓷，同样适用于作为陶瓷基复合材料的基体材料。
3. 颗粒增韧复合材料: 通过在陶瓷基体中引入颗粒状的增韧材料来提高材料的韧性和可靠性。
4. 晶须增韧复合材料: 利用晶须这种针状单晶纤维来增强陶瓷基体的强度和韧性。
5. 层状增韧复合材料: 通过层状结构的设计来实现增韧效果，提高材料的断裂韧性。
6. 连续纤维增韧复合材料: 使用连续的纤维与陶瓷基体复合，纤维的作用是阻止裂纹扩展，从而大幅提升材料的韧性。
这些材料因其独特的性能优势，如耐高温、高强度、轻质和耐腐蚀等，广泛应用于机械、化工、电子技术等领域。特别是在需要耐高温和耐磨的环境中，例如航空航天、汽车制造、能源生产和加工工业等高技术领域，陶瓷基复合材料发挥着至关重要的作用。
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。
