1、精心整理精心整理陶瓷基復合材料在航天領域的應用概念：陶瓷基復合材料是以陶瓷為基體與各種纖維復合的一類復合材料。陶瓷基體可為氮化硅、碳化硅等高溫結構陶瓷。這些先進陶瓷具有耐高溫、高強度和剛 度、相對重量較輕、抗腐蝕等優異性能，而其致命的弱點是具有脆性，處于應力狀 態時，會產生裂紋，甚至斷裂導致材料失效。而采用高強度、高彈性的纖維與基體 .一 I復合，則是提高陶瓷韌性和可靠性的一個有效的方法。纖維能阻止裂紋的擴展，從而得到有優良韌性的纖維增強陶瓷基復合材料。陶瓷基復合材料具有優異的耐高溫性能，主要用作高溫及耐磨制品。其最高使用溫度主要取決于基體特征。一、陶瓷基復合材料增強體用于復合材料的增強體品種

2、很多，根據復合材料的性能要求，主要分為以下幾種纖維類增強體纖維類增強體有連續長纖維和短纖維。連續長纖維的連續長度均超過數百。纖維性能有方向性，一般沿軸向均有很高的強度和彈性模量。顆粒類增強體顆粒類增強體主要是一些具有高強度、高模量。耐熱、耐磨。耐高溫的陶瓷等無機非金屬顆粒，主要有碳化硅、氧化鋁、碳化鈦、石墨。細金剛石、高嶺土、滑 石、碳酸鈣等。主要還有一些金屬和聚合物顆粒類增強體，后者主要有熱塑性樹脂粉末晶須類增強體晶須是在人工條件下制造出的細小單晶，一般呈棒狀，其直徑為0.21微米，長度為幾十微米，由于其具有細小組織結構，缺陷少，具有很高的強度和模量。金屬絲用于復合材料的高強福、高模量金屬絲

3、增強物主要有鉞絲、鋼絲、不銹鋼絲和鴇絲等，金屬絲一般用于金屬基復合材料和水泥基復合材料的增強，但前者比較多 見。片狀物增強體用于復合材料的片狀增強物主要是陶瓷薄片。將陶瓷薄片疊壓起來形成的陶瓷 復合材料具有很高的韌性。二、陶瓷基的界面及強韌化理論陶瓷基復合材料（CMC具有高強度、高硬度、高彈性模量、熱化學穩定性等優異 性能，被認為是推重比10以上航空發動機的理想耐高溫結構材料。界面作為陶瓷基 復合材料重要的組成相，其細觀結構、力學性能和失效規律直接影響到復合材料的 整體力學性能，因此研究界面特性對陶瓷基復合材料力學性能 的影響具有重要的意義。界面的粘結形式（1）機械結合（2）化學結合陶瓷基復合

4、材料往往在高溫下制備，由于增強體與基體的原子擴散，在界面上 更易形成固溶體和化合物。此時其界面是具有一定厚度的反應區，它與基體和增強 體都能較好的結合，但通常是脆性的。界面的作用陶瓷基復合材料的界面一方面應強到足以傳遞軸向載荷并具有高的橫向強度； 另一方面要弱到足以沿界面發生橫向裂紋及裂紋偏轉直到纖維的拔出。強韌化技術纖維增韌為了提高復合材料的韌性，必須盡可能提高材料斷裂時消耗的能量。任何固體材 料在載荷作用下（靜態或沖擊）,吸收能量的方式無非是兩種：材料變形和形成新的表 面。對于脆性基體和纖維來說，允許的變形很小，因此變形吸收的斷裂能也很少。為了 提高這類材料的吸能，只能是增加斷裂表面，即增

5、加裂紋的擴展路徑。晶須增韌陶瓷晶須是具有一定長徑比且缺陷很少的陶瓷小單晶，因而具有很高的強度，是一種非常理想的陶瓷基復合材料的增韌增強體。相變增韌相變增韌ZrO2陶瓷是一種極有發展前途的新型結構陶瓷，其主要是利用ZrO2相 變特性來提高陶瓷材料的斷裂韌性和抗彎強度 ，使其具有優良的力學性能，低的導熱 系數和良好的抗熱震性。它還可以用來顯著提高脆性材料的韌性和強度，是復合材料和復合陶瓷中重要的增韌劑顆粒增韌用顆粒作為增韌劑，制備顆粒增韌陶瓷基復合材料，其原料的均勻分散及燒結致 密化都比短纖維及晶須復合材料簡便易行。因此，盡管顆粒的增韌效果不如晶須與纖維，但如顆粒種類、粒徑、含量及基體材料選擇得當

6、，仍有一定的韌化效果，同時會帶來 高溫強度、高溫蠕變性能的改善。所以，顆粒增韌陶瓷基復合材料同樣受到重視，并開 展了有效的研究工作。納米復合陶瓷增韌納米技術一出現，便在改善傳統材料性能方面顯示出極大的優勢，該方面的研究有可 能使陶瓷增韌技術獲得革命性突破。納米陶瓷由于晶粒的細化，晶界數量會極大增加， 同時納米陶瓷的氣孔和缺陷尺寸減小到一定尺寸就不會影響到材料的宏觀強度，結果可使材料的強度、韌性顯著增加。自增韌陶瓷I如果在陶瓷基體中引入第二相材料，該相不是事先單獨制備的，而是在原料中加入可以生成第二相的原料，控制生成條件和反應過程，直接通過高溫化學反應或者相 變過程，在主晶相基體中生長出均勻分布

7、的晶須、高長徑比的晶粒或晶片的增強體，形成陶瓷復合材料，則稱為自增韌。這樣可以避免兩相不相容、分布不均勻問題 ，強度和 韌性都比外來第二相增韌的同種材料高。三、陶瓷基復合材料的應用。將長纖維增強碳化硅復合材料應用于制造高速列車的制動件，顯示出優異的摩 擦磨損特性，取得滿意的使用效果。連續纖維補強陶瓷基復合材料 (ContinuousFiberReinforcedCeramicMatrixCompositeSW稱 CFCC)b將耐高溫的纖維陶 瓷基復合材料已實用化或即將實用化的領域有刀具、滑動構件、發動機制件、能源 構件等。法國已植入陶瓷基體中形成的一種高性能復合材料。由于其具有高強度和 高韌性

8、，特別是具有與普通陶瓷不同的非失效性斷裂方式，使其受到世界各國的極大.一 I關注。連續纖維增強陶瓷基復合材料已經開始在航天航空、國防等領域得到廣泛應用13。20世紀70年代初,JAveston2在連續纖維增強聚合物基復合材料和纖維增強 金屬基復合材料研究基礎上，首次提出纖維增強陶瓷基復合材料的概念，為高性能陶瓷材料的研究與開發開辟了一個方向。隨著纖維制備技術和其它相關技術的進步，人們逐步開發出制備這類材料的有效方法，使得纖維增強陶瓷基復合材料的制備技術日 漸成熟。20多年來，世界各國特別是歐美以及日本等對纖維增強陶瓷基復合材料的制 備工藝和增強理論進行了大量的研究，取得了許多重要的成果，有的已

9、經達到實用化水平。如法國生產的“ Cerasep可作為“ RafaleT戰斗機的噴氣發動機和“ Hermes” 航天飛機的部件和內燃機的部件4;SiO2纖維增強SiO2復合材料已用作“哥倫比亞 號”和“挑戰者號”航天飛機的隔熱瓦5。由于纖維增強陶瓷基復合材料有著優異 的高溫性能、高韌性、高比強、高比模以及熱穩定性好等優點，能有效地克服對裂紋I I和熱震的敏感性正對陶瓷基復合材料。下面，我主要談談碳纖維復合材料在紅空領域的應用：碳纖維材料在航空領域的應用.概述碳纖維是由有機纖維經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維的微觀結構類似人造石墨，是亂層石墨結構。碳纖維由于具有高強度、高模量、 耐

10、高溫、耐腐蝕、導電和導熱等性能，因而使其成為一種兼具碳材料強抗拉力和纖 維柔軟可加工性兩大特征的化工新材料，是新一代增強纖維。目前，碳纖維不僅廣 泛應用軍事工業，而且在汽車構件、風力發電葉片、核電、油田鉆探、體育用品、 碳纖維復合芯電纜以及建筑補強材料領域也存在巨大應用空間，而其在航空領域的 光輝業績尤為引人注目。.碳纖維的發展.一 I碳纖維應宇航工業對耐燒蝕和輕質高強材料的迫切需求發展起來，它主要是由 碳元素組成的一種特種纖維，是繼玻璃纖維之后出現的第二代纖維增強塑料。碳纖 維的含碳量在90蛆上，具有優異的力學性能，與其它高性能纖維相比具有最高比強 度和最高比模量。在2000c以上高溫惰性環

11、境中，碳纖維是唯一一種強度不下降的 物質。止匕外，它還兼具其它多種得天獨厚的優良性能，更可貴的是，碳纖維與其它 材料具有很高的相容性，兼備紡織纖維的柔軟可加工性，并且容易復合，具有很大 的設計自由度。這就使得碳纖維成為纖維增強材料中發展最迅速、應用范圍很廣、 適于不同領域要求的纖維材料。研制大型飛機要突破許多關鍵技術，其中一項是“先進復合材料結構設計技術” 這項技術離不開碳纖維。世界碳纖維的需求在各用途領域都不斷增長，特別是急速 增長的航空航天領域拉動了碳纖維全體的增長。I I 碳纖維的主要用途是與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合，制成結構材料。自玻璃 纖維與有機樹脂復合得到的玻璃鋼問世以來，碳纖維

12、、陶瓷纖維以及硼纖維增強的 復合材料相繼研制成功，而且性能不斷得到改進，使復合材料領域呈現出一派勃勃 生機。碳纖維復合材料與鋁合金、鈦合金、合金鋼一起成為飛機機體的四大先進結 構材料。.碳纖維復合材料在航空領域的具體應用碳纖維復合材料因其獨特、卓越的性能，在航空領越特別是飛機制造業中應用 廣泛。統計顯示，目前，碳纖維復合材料在小型商務飛機和直升飛機上的使用量已 占70% 80%,在軍用飛機上占30% 40%,在大型客機上占15%50%。(1)碳纖維樹脂基復合材料碳纖維增強樹脂基復合材料(CFRP具有質量輕等一系列突出的性能，在對重 量、剛度、疲勞特性等有嚴格要求的領域以及要求高溫、化學穩定性高

13、的場合，碳 .一 I纖維復合材料都具有很大優勢。碳纖維增強樹脂基復合材料已成為生產武器裝備的重要材料。AV8B改型“鶴”式飛機是美國軍用飛機中使用復合材料最多的機種，其機翼、前機身都用了石墨環 氧大型部件，全機所用碳纖維的重量約占飛機結構總重量的26%,使整機減重9%,有效載荷比AV_8ATS機增加了一倍。數據顯示采用復合材料結構的前機身段，可比 金屬結構減輕質量32.24%。用軍機戰術技術性能的重要指標一一結構重量系數來衡 量，國外第四代軍機的結構重量系數已達到 2728%未來以F-22為目標的背景機復 合材料用量比例需求為35溢右，其中碳纖維復合材料將成為主體材料。國外一些輕 型飛機和無人

14、駕駛飛機，已實現了結構的復合材料化。直升飛機上碳纖維增強樹脂基復合材料的用量更是與日俱增。武裝了駐港部隊 并參加了 2007年上海合作組織在俄羅斯反恐軍演的直-9型直升飛機，是我國先進的 I I直升飛機。該機復合材料用量已占到60%左右，主要是CFRP止匕外，日本生產的OH-1 “忍者”直升飛機，機身的40%是用CFRP槳葉等也用CFR制造。在民用領域，世界最大的飛機A380由于CFR的大量使用，創造了飛行史上的奇 跡。這種飛機25%t量的部件由復合材料制造，其中22叫碳纖維tf強塑料(CFRPb 由于CFR的明顯減重以及在使用中不會因疲勞或腐蝕受損，從而大大減少了油耗和 排放。燃油的經濟性比

15、其直接競爭機型要低 13%fc右，并降低了運營成本，座英里成本比目前效率最高飛機的低15%20威為第一個每乘客每百公里耗油少于三升的遠 程客機。（2）碳/碳復合材料碳/碳復合材料是以碳纖維及其制品（碳氈或碳布）作為增強材料的復合材料。因為它的組成元素只有一個（即碳元素），因而碳 /碳復合材料具有許多碳和石墨材料的優點，如密度低（石墨的理論密度為 2.3g/cm3）和優異的熱性能，即高的熱導 .一 I率、低熱膨脹系數，能承受極高的溫度和極大的熱加速率，有極強的抗熱沖擊，在 高溫和超高溫環境下具有高強度、高模量和高化學惰性。憑借著輕質難熔的優良特 性，碳纖維增強基體的復合摩擦材料在航空航天工業中得

16、到了廣泛應用。航天飛機 軌道的鼻錐和機翼前緣材料，都會選用碳/碳復合材料。另外還大量用作高超音速飛 機的剎車片，目前，國際上大多數軍用和民用干線飛機采均用碳纖維增強基體的復 合材料剎車副。這種剎車副不僅質量輕、抗熱沖擊性好、摩擦系數穩定、使用壽命 長，更為方便的是可設計性強，性能便于調節。還可制作發熱元件和機械緊固件、 渦輪發動機葉片和內燃機活塞等。.我國碳纖維復合材料發展現狀現代的碳纖維是以聚丙烯睛、人造絲或木質素為原絲，將有機纖維跟塑料樹脂 結合在一起高溫分解并且碳化后得到的，還不能直接用碳或石墨來制取。II據了解，目前全球碳纖維產能約3.5萬噸，我國市場年需求量6500噸左右，屬于 碳纖

17、維消費大國。在以“高性能聚丙烯睛碳纖維制備的基礎科學問題”為主題的第 335次香山科學會議上，會議執行主席、國家自然科學基金委員會師昌緒院士指出， 與國外技術相比，我國碳纖維領域還存在較大差距。2007年，我國碳2T維產能僅200噸左右，而且主要是低性能產品。由于缺少具有自主知識產權的技術支撐，目前國 內企業尚未掌握完整的碳纖維核心關鍵技術。這就使得我國碳纖維在質量、技術和 生產規模等方面均與國外存在很大差距，絕大部分高性能增強材料都長期依賴進口， 價格非常昂貴。由于缺乏創新與集成和應用領域的拓展，極大地制約了我國碳纖維 復合材料工業的發展。基于我國高性能碳纖維復合材料產業尚不能滿足國民經濟快

18、速、健康、持續發展的需求，國家發展改革委2008200卉組織實施高性能纖維復合材料高技術產業化 專項，重點支持碳纖維、芳綸纖維、高強聚乙烯纖維及其高性能復合材料的生產技.一 I術及關鍵裝備的產業化示范，以滿足國民經濟以及航空航天等高技術產業發展的需 求，培育一批具有國際競爭力的龍頭企業。這一舉措將為我國從材料大國轉變為材 料強國奠定堅實的基礎。今年5月，由鷹游紡機自主研發的碳纖維生產線和神鷹碳纖 維項目通過國家級驗收，標志著我國碳纖維生產已成功實現國產化和產業化。四、陶瓷基復合材料的發展前景陶瓷材料是一種本質脆性材料，在制備、機械加工以及使用過程中，容易產生 一些內在和外在缺陷，從而導致陶瓷材

19、料災難性破壞，嚴重限制了陶瓷材料應用的 廣度和深度，因此提高陶瓷材料的韌性成為影響陶瓷材料在高技術領域中應用的關 鍵。近年來，受自然界高性能生物材料的啟發，材料界提出了模仿生物材料結構制 備高韌性陶瓷材料的思路。1990年Clegg等創造性材料制備的Sic薄片與石墨片層 交替疊層結構復合材料與常規 SiC陶瓷材料相比，其斷裂韌性和斷裂功提高了幾倍 甚至幾十倍，成功地實現了仿貝殼珍珠層的宏觀結構增韌。國內外科研人員在陶瓷基層狀復合材料力學性能方面進行了大量的試驗研究， 取得了很大進展。陶瓷基層狀復合材料力學性能優劣關鍵在于界面層材料，能夠應用在高溫環 境下，抗氧化的界面層材料還有待進一步開發；止

20、匕外，在應用C、BN等弱力學性能的材料作為界面層時，雖然能夠得到綜合性能優異的層狀復合材料，但是基體層與精心整理界面層之間結合強度低的問題也有待進一步解決陶瓷基層狀復合材料的制備工藝具有簡便易行、易于推廣、周期短而廉價的優 點，可以應用于制備大的或形狀復雜的陶瓷部件。這種層狀結構還能夠與其它增韌 機制相結合，形成不同尺度多級增韌機制協同作用，實現了簡單成分多重結構復合, 從本質上突破了復雜成分簡單復合的舊思路。這種新的工藝思路是對陶瓷基復合材 料制備工藝的重大突破，將為陶瓷基復合材料的應用開辟廣闊前景。.一 I參考文獻.陸有軍，王燕民，吳瀾爾.碳/碳化硅陶瓷基復合材料的研究及應用進展J.材料導 報,2010,21(6) ; 14-19.李丹，武建軍，董允.連續纖維增強復合材料的制備