陶瓷基复合材料_陶瓷复合基材料

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陶瓷基复合材料的研究与展望

涂秋梅

（中国计量学院材料科学与工程学院，浙江 杭州 310018）

摘要

陶瓷基复合材料不是传统意义上的陶瓷，它是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料，通过往陶瓷材料中加入起增韧作用的第二相而增加陶瓷的韧性来克服传统陶瓷脆性差的缺点，使得陶瓷基复合材料成为了人们广泛的研究热点，也使陶瓷基复合材料展现出了广泛的应用前景。本文综述了陶瓷基复合材料的研究现状，阐述了复合陶瓷材料的特点，介绍了陶瓷基复合材料的应用领域。

关键词：陶瓷基复合材料；研究现状；特点；应用领域

Research and Prospect of composite ceramic

Qiumei Tu(College of Material Science and Engineering, China Jiliang University,Zhejiang Hangzhou 310018)

Abstract Ceramic matrix composite materials is not the traditional sense of ceramics, it is a kind of composite material with ceramic composite matrix with various fiber, the second phase in ceramic materials are added to the toughening effect and increase the toughne of ceramic to overcome the traditional shortcomings make the brittlene of ceramic, ceramic matrix composites becomes a research hotspot extensive, also make the ceramic matrix composites showed wide application prospect.This paper summarized the present research situation of ceramic matrix composites, expounds the characteristics of composite ceramic materials, introduces the field of application of Tao Ciji composites.Keywords: ceramic matrix composites;research status;characteristics;application 0.前言

近些年新材料的世界市场正以两倍于整个世界经济增长速度而发展。其中陶瓷基复合材料的发展尤为瞩目。同金属材料相比,陶瓷材料在耐热性、耐磨性、抗氧化、抗腐蚀以及高温力学性能等方面都具有不可替代的优点，它克服了一般陶瓷的脆性，其应用已涉及到空间探索、科研、生产、建设的各个领域[1]。

1.陶瓷基复合材料的概况

陶瓷基复合材料不是传统意义上的陶瓷，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。

2.陶瓷基复合材料的增韧技术[2]

陶瓷基复合材料中的增强体通常也称为增韧体。从几何尺寸上可分为纤维（长、短纤维）、晶须和颗粒三类。2.1纤维增韧

为了提高复合材料的韧性，必须尽可能提高材料断裂时消耗的能量。任何固体材料在载荷作用下(静态或冲击)，吸收能量的方式无非是两种：材料变形和形成新的表面。对于脆性基体和纤维来说，允许的变形很小，因此变形吸收的断裂能也很少。为了提高这类材料的吸能，只能是增加断裂表面，即增加裂纹的扩展路径。

纤维的引入不仅提高了陶瓷材料的韧性，更重要的是使陶瓷材料的断裂行为发生了根本性变化，由原来的脆性断裂变成了非脆性断裂。纤维增强陶瓷基复合材料的增韧机制包括基体预压缩应力、裂纹扩展受阻、纤维拔出、纤维桥联、裂纹偏转、相变增韧等[3,4]。

能用于增强陶瓷基复合材料的纤维种类较多，包括氧化铝系列(包括莫来石)、碳化硅系列、氮化硅系列、碳纤维等，除了上述系列纤维外，目前正在开发的还有BN、TiC、B4C等复相纤维[5]。

纤维拔出是纤维复合材料的主要增韧机制，通过纤维拔出过程的摩擦耗能，使复合材料的断裂功增大，纤维拔出过程的耗能取决于纤维拔出长度和脱粘面的滑移阻力，滑移阻力过大，纤维拔出长度较短，增韧效果不好，如果滑移阻力过小，尽管纤维拔出较长，但摩擦做功较小，增韧效果也不好，反而强度较低。纤维拔出长度取决于纤维强度分布、界面滑移阻力。2.2晶须增韧

陶瓷晶须是具有一定长径比且缺陷很少的陶瓷小单晶，因而具有很高的强度，是一种非常理想的陶瓷基复合材料的增韧增强体[6]。陶瓷晶须目前常用的有SiC晶须，Si3N4晶须和Al2O3晶须。基体常用的有ZrO2、Si3N4、SiO2、Al2O3和莫来石等。

晶须增韧陶瓷基复合材料的主要增韧机制包括晶须拔出、裂纹偏转、晶须桥联、其增韧机理与纤维增韧陶瓷基复合材料相类似。晶须增韧效果不随温度而变化，因此，晶须增韧被认为是高温结构陶瓷复合材料的主要增韧方式。晶须增韧陶瓷复合材料主要有2种方法[7]。(1)外加晶须法：即通过晶须分散、晶须与基体混合、成形、再经煅烧制得增韧陶瓷。如加入到氧化物、碳化物、氮化物等基体中得到增韧陶瓷复合材料，此法目前较为普遍；(2)原位生长晶须法：将陶瓷基体粉末和晶须生长助剂等直接混合成形，在一定的条件下原位合成晶须，同时制备出含有该晶须的陶瓷复合材料，这种方法尚未成熟，有待进一步探索。2.3颗粒增韧

用颗粒作为增韧剂，制备颗粒增韧陶瓷基复合材料，其原料的均匀分散及烧结致密化都比短纤维及晶须复合材料简便易行。因此，尽管颗粒的增韧效果不如晶须与纤维，但如颗粒种类、粒径、含量及基体材料选择得当，仍有一定的韧化效果，同时会带来高温强度、高温蠕变性能的改善。所以，颗粒增韧陶瓷基复合材料同样受到重视，并开展了有效的研究工作。从增韧机理上分，颗粒增韧分为非相变第二相颗粒增韧、延性颗粒增韧、纳米颗粒增韧[8]。

非相变第二相颗粒增韧主要是通过添加颗粒使基体和颗粒间产生弹性模量和热膨胀失配来达到强化和增韧的目的。延性颗粒增韧是在脆性陶瓷基体中加入第二相延性颗粒来提高陶瓷的韧性，一般加入金属粒子。金属粒子作为延性第二相引入陶瓷基体内，不仅改善了陶瓷的烧结性能，而且可以以多种方式阻碍陶瓷中裂纹的扩展，如裂纹的钝化、偏转、钉扎及金属粒子的拔出等，使得复合材料的抗弯强度和断裂韧性得以提高。Al2O3-10%(体积分数)Ni3Al复合材料中的断裂主要是沿晶断裂，Ni3Al颗粒的存在使裂纹发生偏转，如图1(a)。图1(a)所示的材料室温下断裂韧性值为7 MPa·m1/2。复合材料中裂纹在扩展过程中碰到紧邻的长条状Ni3Al颗粒后发生明显的偏转从而减小了裂纹扩展的驱动力，提高了复合材料的韧性。而图1(b)所示的材料的断裂韧性值仅为3 MPa·m1/2，对Al2O3陶瓷基本起不到增韧的效果。这是因为球状的Ni3Al对促使裂纹偏转作用很小。由此可见第二相对裂纹偏转的程度取决于其颗粒形状。颗粒的长径比越大，对裂纹偏转作用越明显，阻止其扩展的能量越大，直到阻止其继续扩展。因此为了显著地提高复合材料的断裂韧性，应该合理地选择第二相颗粒的长径比[9]。

图1 Ni3Al颗粒对裂纹偏转的作用(b)长条状Ni3Al颗粒；(b)球状Ni3Al颗粒

另外，在图1中还可以明显的看出裂纹的弯曲，当裂纹经过颗粒时，其尖端在颗粒出发生弯曲，形状改变，裂纹长度的增加和新裂纹表面的形成都会消耗能量，从而达到提高复合材料韧性的效果。第二相增韧颗粒从微米级减小到亚微米或纳米时，材料的性能同样会发生显著变化，纳米复相陶瓷便应运而生。在实现陶瓷的完全纳米化比较困难的情况下，纳米复合增韧则是一种非常切实可行的技术。

2.陶瓷基复合材料的成型[1]

陶瓷基复合材料的成形方法分为两类：一类是针对陶瓷短纤维、晶须、颗粒等增强体，复合材料的成形工艺与陶瓷基本相同，如料浆浇铸法、热压烧结法等；另一类是针对碳、石墨、陶瓷连续纤维增强体，复合材料的成形工艺常采用料浆浸渗法、料浆浸渍后热压烧结法和化学气相渗透法。料浆浸渗法是将纤维增强体编织成所需形状，用陶瓷浆料浸渗，干燥后进行烧结。该法的优点是不损伤增强体，工艺较简单，无需模具。缺点是增强体在陶瓷基体中的分布不大均匀。

料浆浸渍热压成形法是将纤维或织物增强体置于制备好的陶瓷粉体浆料里浸渍，然后将含有浆料的纤维或织物增强体布成一定结构的坯体，干燥后在高温、高压下热压烧结为制品。与浸渗法相比，该方法所获制品的密度与力学性能均有所提高。

气相渗透工艺是将增强纤维编织成所需形状的预成形体，并置于一定温度的反应室内，然后通入某种气源，在预成形体孔穴的纤维表面上产生热分解或化学反应沉积出所需陶瓷基质，直至预成形体中各孔穴被完全填满，获得高致密度、高强度、高韧度的制件。

3.陶瓷基复合材料的应用前景

目前有将陶瓷基复合材料用作耐磨材料，做轴承、刀具等。复合材料的应用是十分广泛，几乎包括日常生活、化学工业、机械、电子、石油、食品、航空航天、国防等各个部门与领域。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。连续纤维补强陶瓷基复合材料(Continuous FiberReinforced Ceramic Matrix Composites，简称CFCC)是将耐高温的纤维植入陶瓷基体中形成的一种高性能复合材料。由于其具有高强度和高韧性，特别是具有与普通陶瓷不同的非失效性断裂方式，使其受到世界各国的极大关注。连续纤维增强陶瓷基复合材料已经开始在航天航空、国防等领域得到广泛应用[10,11]。20多年来，世界各国特别是欧美以及日本等对纤维增强陶瓷基复合材料的制备工艺和增强理论进行了大量的研究，取得了许多重要的成果，有的已经达到实用化水平。如法国生产的“Cerasep”可作为“Rafale”战斗机的喷气发动机和“Hermes”航天飞机的部件和内燃机的部件[4]；SiO2纤维增强SiO2复合材料已用作“哥伦比亚号”和“挑战者号”航天飞机的隔热瓦[5]。由于纤维增强陶瓷基复合材料有着优异的高温性能、高韧性、高比强、高比模以及热稳定性好等优点，能有效地克服对裂纹和热震的敏感性。

4.总结

新型材料的开发与应用已成为当今科技进步的一个重要标志，陶瓷基复合材料使材料的韧性大大改善，同时其强度、模量有了提高。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，并显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意的使用效果，陶瓷基复合材料已实用化，它正以其优良的性能引起人们的重视。目前，陶瓷基复合材料几乎遍及现代科技的每一个领域。可以预见，随着对其理论问题的不断深入研究和制备技术的不断开发与完善，它的应用范围将不断扩大，应用前景十分广阔。参考文献：

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