1、.WD.WD.WD. 陶瓷基復合材料CMC概述工程中陶瓷以特種陶瓷應用為主，特種陶瓷由于具有優良的綜合機械性能、耐磨性好、硬度高以及耐腐蝕件好等特點，已廣泛用于制做剪刀、網球拍及工業上的切削刀具、耐磨件、發動機部件、熱交換器、軸承等。陶瓷最大的缺點是脆性大、抗熱震性能差。與金屬基和聚合物基復合材料有有所不同的，是制備陶瓷基復合材料的主要目的之一就是提高陶瓷的韌性。特別是纖維增強陶瓷復合材料在斷裂前吸收了大量的斷裂能量，使韌性得以大幅度提高。表61列出了由顆粒、纖維及晶須增強陶瓷復合材料的斷裂韌性和臨界裂紋尺寸大小的比擬。很明顯連續纖維的增韌效果最正確，其次為品須、相變增韌和顆粒增韌。無論是纖維

2、、晶須還是顆粒增韌均使斷裂韌性較整體陶瓷的有較大提高，而且也使臨界裂紋尺寸增大。陶瓷基復合材料的基體為陶瓷，這是一種包括范圍很廣的材料，屬于無機化合物納構遠比金屬與合金復雜得多。使用最多的是碳化硅、氮化硅、氧化鋁等，它們普遍具有耐高溫、耐腐蝕、高強度、重量輕和價格低等優點。陶瓷材料中的化學鍵往注是介于離子鍵與共價鍵之間的混合鍵。陶瓷基復合材料中的增強體通常也稱為增韌體。從幾何尺寸上可分為纖維(長、短纖維)、晶須和顆粒三類。碳纖維是用來制造陶瓷基復合材料最常用的纖維之一。碳纖維主要用在把強度、剛度、重量和抗化學性作為設計參數的構件，在1500霓的溫度下，碳纖維仍能保持其性能不變，但對碳纖維必須進

3、展有效的保護以防止它在空氣中或氧化性氣氛中被腐蝕，只有這樣才能充分發揮它的優良性能。其它常用纖維是玻璃纖維和硼纖維。陶瓷材料中另一種增強體為晶須。晶須為具有一定長徑比(直徑o 3。1ym，長30lMy)的小單晶體。從構造上看，晶須的特點是沒有微裂紋、位偌、孔洞和外表損傷等一類缺陷，而這些缺陷正是大塊晶體中大量存在且促使強度下降的主要原因。在某些情況下，晶須的拉伸強度可達o1Z(Z為楊氏模量)，這已非常接近十理論上的理想拉伸強度o2Z。而相比之下多晶的金屬纖維和塊狀金屬的拉伸強度只有o025和oo01f。在陶瓷基復合材料使用得較為普遍的是SiC、Al2O3、以及Si3N4N晶須。顆粒也是陶瓷材料

4、中常用的一種增強體，從幾何尺寸上看、它在各個方向上的長度是大致一樣的，般為幾個微米。通常用得較多的顆粒也是SiC、Al2O3、以及Si3N4N。顆粒的增韌效果雖不如纖維和晶須，但如恰中選擇顆粒種類、粒徑、含量及基體材料，仍可獲得一定的韌化效果，同時還會帶來高溫強度，高溫蠕變性能的改善。所以，顆粒增韌復合材料同樣受到重視并對其進展了一定的研究。在陶瓷材料中參加第二相纖維制成的復合材料是纖維增強陶瓷基復合材料，這是改善陶瓷材料韌性酌重要手段，按纖維排布方式的不同，又可將其分為單向排布長纖維復合材料和多向排布纖維復合材料。單向排布纖維增韌陶瓷基復合材料的顯著特點是它具有各向異性，即沿纖維長度方向上的

5、縱向性能要大大高于其橫向性能。在這種材料中，當裂紋擴展遇到纖維時會受阻這樣要使裂紋進一步擴展就必須提高外加應力。圖715為這一過程的示意圖。當外加應力進一步提高時由于基體與纖維間的界面的離解，同時又由于纖維的強度高于基體的強度，從而使纖維可以從基體中拔出。當拔出的長度到達某一臨界值時，會使纖維發生斷裂。因此裂紋的擴展必須抑制出于纖維的參加而產生的拔出功和纖維斷裂功，這使得材料的斷裂更為困難從而起到了增韌的作用。實際材料斷裂過程中，纖維的斷裂并非發生在同一裂紋平面，這樣主裂紋還將沿纖維斷裂位置的不同而發生裂紋轉向。這也同樣會使裂紋的擴展阻力增加，從而使韌性進步提高。表7，5那么給出r c纖維增韌

6、5、N4復合材料的性能。從中可見，復合材料納韌性已到達了相當高的程度。長纖維增韌陶瓷基復合材料雖然性能優越但它的制備工藝復雜，而且纖維在基體中不易分布均勻。因此，近年來又開展了短纖維、晶須及顆粒增韌陶瓷基復合材料。由于晶須的尺寸很小，從客觀上看與粉末一樣，因此在制備復合材料時只須將晶須分散后與基體粉末混合均勻、然后對混好的粉末進展熱壓燒結，即可制得致密的晶須增韌陶瓷基復合材料。目前常用的是SiC和A12O3晶須常用的基體那么為A1203，5i02，5i3N4莫來石等。晶須增韌陶瓷基復合材料的性能與基體和晶須的選擇，晶須的含量及分布等因素有關。由于晶須具有長徑比，因此當其含量較高時，因其橋架效應

7、而使致密化變得因難，從而引起了密度的下降并導致性能的下降。為了抑制這一弱點，可采用顆粒來代替晶須制成復合材料，這種復合材料在原料的混合均勻化及燒結致密化方面均比晶須增強陶瓷基復合材料要容易。當所用的顆粒為5IcT1c時，基體材料采用最多的是A1：01眾、N4。目前這些復合材料已廣泛用來制造刀具。陶瓷基復合材料的開展速度遠不如聚合物基和金屬基復合材料那么，原因有二：一是高溫增強材料出現的較晚，如sic纖維和晶須是七十年代后出現的新材料，二是陶瓷基復合材料的制造過程及制品都涉及到高溫，制備工藝較為復雜，而且由于陶瓷基體與增強材料的熱膨脹系數的差異，在制備過程中以及在之后的使用過程中易產生熱應力。此

8、外，開展陶瓷基復合材料的成本昂貴，因此它的開展遇到了比其它復合材料更大的困難。至今，陶瓷基復合材料的研究還處于較初級階段，我國對陶瓷基復合材料的研究那么剛剛起步。CMC制備工藝1.2.1纖維增強陶瓷基復合材料的加工與制備纖維增強陶瓷基復合材料的性能取決于多種因素，如基體致密程度、纖維的氧化損傷、以及界面結合效果等，都與其制備和加工工藝有關。目前采用的纖維增強陶瓷基復合材料的制備工藝有熱壓燒結法和浸漬法。熱壓燒結法是將長纖維切短(3mm)，然后分散并與基體粉末混合，再用熱壓燒結的方法就可制備高性能的復合材料，種短纖紙增強體在與基體粉末說合時取向是無序的，但在冷壓成型及熱壓燒結的過程巾，短纖維由于

9、基體壓實與致密化過程中沿壓力方向轉動，所以導致了在最終制得的復合材料中，矩纖維沿加壓面擇優取問，這也就產生了材料性能在一定程度的各向異性。這種方法纖維與基體之間的結合較好，是目前采用較多的方法。浸漬法這種方法適用于長纖維。首先把纖維編織成所需形狀，然后用陶瓷泥漿浸漬，枯燥后進展燒結。這種方法的優點是纖維取向可自由調節，可對纖維進展單向排布及多問排布等。缺點那么是不能制造大尺寸的制品，所得制品的致密度較低。氧化鋯纖維增強氧化鋯就是把用氧化釔穩定了的氧化鋯纖維或織物用澆注和熱壓的方法與氧化鋯復合，在1200Y址行燒結來制備穩定性很高的復合材料。該材料的彎曲強度可達140210MPa，在21(mY1

10、900Y的溫僅區間內反復進展熱循環時沒有發現問題。這種復合材料特別適合于耐高溫隔熱材料和耐高溫防腐材料。1.2.2晶須與顆粒增韌陶瓷基復合材料的加工與制備晶須與顆粒的尺寸均很小，只是幾何形狀上有些區別，州它們進展增韌的陶瓷基復合材料的制造工藝是 基本一樣的。這種復合材料的制備工藝比長纖維復合材料簡便很多。所用設備也不需要像長纖維復合材料那樣的纖維纏繞或編織用的復雜設備， 基本上是采用粉末冶金方法，只需將晶須或顆粒分散后與基體粉末混合均勻，再用熱壓燒結的方法即可制得高性能的復合材料。與陶瓷材料相似，這種復合材料的制造工藝也可大致分為配料一成型一燒結一精加工等步驟。高性能的陶進基復合材料應具有均質

11、、孔隙少的微觀組織。必須首先嚴格挑選原料。把幾種原料粉末混合配成壞料的方法可分為干法和濕法兩種。混合裝置一般采用專用球磨機。混好后的料漿在成型時枯燥粉料充入型模內，加壓后即可成型。通常有金屆模成型法和橡皮模成型法。金屬模成型法具有裝置簡單，成型成本低廉的優點，適用于形狀比擬簡單的制件。采用橡皮模成型法是用靜水壓從各個方向均勻加壓于橡皮模來成型，故不會發生像金屬模成型那樣的生坯密度不均勻和具有方向性之類的問題。適合于批量生產。另一種成型法為注射成型法，僅從成型過程上講，與塑料的注射成型過程相類似。再有一種成型法為擠壓成型法。這種方法是把料漿放人壓濾機內擠出水分，形成塊狀后、從安裝各種擠形口的真空

12、擠出成型機擠出成型的方法，它適用于斷面形狀簡單的長條形坯件的成型。從生坯中除去粘合劑形成的陶瓷素坯燒結成致密制品過程為燒結工序。為了燒結，必須有專門的燒結爐。燒結爐的種類繁多，拉其功能進展劃分可分為間歇式和連續式。除此外，陶瓷基復合材料的制備還有溶膠凝膠法、直接氧化法等，新近開展起來的制備陶瓷基復合材料的方法還有聚合物先驅體熱解工藝、原位工藝等。CMC界面與其他復合材料相類似、在陶瓷基復合材料中，界面的性能也直接與材料的性能相關。一般說來，陶瓷基復合材料界面可分為兩大類：無反響界面和有反響層。無反響界面中的增強相與基體直接結合形成原子鍵合的共格界面或半共格界向，有時也形成非共格界面。這種界界面

13、結合較強，因此對提高復合材料的強度有利。 有反響界面那么是在增韌體與基體之間形成一層中間反響層，中間層將基體與增韌體結合起來。這種界面層一般都是低熔點的非晶相，因此它有利于復合材料的致密化。在這種界面上。增韌相與基體無固定的取向關系。對于這種界面，可通過界面反響來控制界面非晶層的厚度，并可通過對晶須外表涂層處理或參加不同界面層形成物質控制反響層的強度，從而適當控制界面結合強度使復合材料獲得預期的性能，但非晶層的存在對材料的高溫性能不利。 界面的性質還直接影響了陶瓷基復合材料的強韌化機理。以晶須增強陶瓷基復合材料為例，晶須增強陶瓷基復合材料的強韌化機理與纖維增強陶瓷基復合材料大致一樣，主要是靠晶

14、須的拔出橋接與裂紋的轉向機制對強度和韌性的提高產生突出奉獻。晶須的拔出程度存在一個臨界使值，當晶須的某一端距主裂紋距離小于這一臨界值時，那么晶須從此端拔出，此時的拔出長度小于臨界拔出長度值；如果晶須的兩端到主裂紋的距離均大于臨界拔出長度時，晶須在拔出過程中產生斷裂，斷裂長度仍小于臨界拔出長度值；界面結合強度直接影響復合材料的韌化機制與韌化效果。界面強度過高，晶須將與基體一起斷裂。限制了晶須的拔出，因而也就減小了品須拔出機制對韌性的奉獻。但另一方面，界面強度的提高有利于載荷轉移，因而提高了強化效果。界面強度過低、那么使晶須的拔出功減小，這對韌化和強化都不利，因此界面強度存在一個最正確值。 圖72

15、7為5ZcwzIo，材料的載荷位移曲線、可以看出有明顯的鋸齒效應，這是晶須拔出橋接機制作用的結果。CMC性能與應用陶瓷材料具有耐高溫、高強度、高硬度及耐腐蝕性好等特點，但其脆性大的弱點限制了它的廣泛應用。隨著現代高科技的迅猛開展要求材料能在更高的溫度下保持優良的綜合性能。陶瓷基復合材料可較好地滿足這一要求。 陶瓷基復合材料已實用化或即將實用化的領域包括：刀具、滑動構件、航空航天構件、發動機制件、能源構件等。法國已將長纖維增強族化硅復合材料應用于制作超高速列車的制動件而且取得了傳統的制動件所無法比擬的優異的磨擦磨損特性、取得了滿意的應用效果。在航空航天領域，用陶瓷基復合材料制作的導彈的頭錐、火箭

16、的噴管、航天飛機的構造件等也收到了良好的效果。 熱機的循環壓力和循環氣體的溫度越高，其熱效率也就越高。現在普遍使用的燃氣輪機高溫部件還是鎳基合金或鈷基合金，它可使汽輪機的進口溫度高達1400Y，但這些合金的耐高溫極限受到了其熔點的限制，因此采用陶瓷材料來代替高溫臺金已成了目前研究的一個重點內容。為此，美國能源部和宇航局開展了AGT(先進的燃氣輪機)loo、101、cATE(陶瓷在渦輪發動機中的應用)等方案。德國、瑞典等國也進展了研究開發。這個取代現用耐熱合金的應用技術是難度很高的陶瓷應用技術，也可以說是這方面的最終日標。目前看來，要實現這一日標還有相當大的難度。 對于陶瓷材料的應用來說，雖然人們已開場對陶瓷基復合材料的