陶瓷基復(fù)合材料論文

1、精心整理精心整理陶瓷基復(fù)合材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用概念：陶瓷基復(fù)合材料是以陶瓷為基體與各種纖維復(fù)合的一類復(fù)合材料。陶瓷基體可為氮化硅、碳化硅等高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。這些先進(jìn)陶瓷具有耐高溫、高強(qiáng)度和剛 度、相對重量較輕、抗腐蝕等優(yōu)異性能，而其致命的弱點(diǎn)是具有脆性，處于應(yīng)力狀 態(tài)時，會產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂導(dǎo)致材料失效。而采用高強(qiáng)度、高彈性的纖維與基體 .一 I復(fù)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(kuò)展，從而得到有優(yōu)良韌性的纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。陶瓷基復(fù)合材料具有優(yōu)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(fù)合材料增強(qiáng)體用于復(fù)合材料的增強(qiáng)體品種

2、很多，根據(jù)復(fù)合材料的性能要求，主要分為以下幾種纖維類增強(qiáng)體纖維類增強(qiáng)體有連續(xù)長纖維和短纖維。連續(xù)長纖維的連續(xù)長度均超過數(shù)百。纖維性能有方向性，一般沿軸向均有很高的強(qiáng)度和彈性模量。顆粒類增強(qiáng)體顆粒類增強(qiáng)體主要是一些具有高強(qiáng)度、高模量。耐熱、耐磨。耐高溫的陶瓷等無機(jī)非金屬顆粒，主要有碳化硅、氧化鋁、碳化鈦、石墨。細(xì)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(qiáng)體，后者主要有熱塑性樹脂粉末晶須類增強(qiáng)體晶須是在人工條件下制造出的細(xì)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(xì)小組織結(jié)構(gòu)，缺陷少，具有很高的強(qiáng)度和模量。金屬絲用于復(fù)合材料的高強(qiáng)福、高模量金屬絲

3、增強(qiáng)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(fù)合材料和水泥基復(fù)合材料的增強(qiáng)，但前者比較多 見。片狀物增強(qiáng)體用于復(fù)合材料的片狀增強(qiáng)物主要是陶瓷薄片。將陶瓷薄片疊壓起來形成的陶瓷 復(fù)合材料具有很高的韌性。二、陶瓷基的界面及強(qiáng)韌化理論陶瓷基復(fù)合材料（CMC具有高強(qiáng)度、高硬度、高彈性模量、熱化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異 性能，被認(rèn)為是推重比10以上航空發(fā)動機(jī)的理想耐高溫結(jié)構(gòu)材料。界面作為陶瓷基 復(fù)合材料重要的組成相，其細(xì)觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和失效規(guī)律直接影響到復(fù)合材料的 整體力學(xué)性能，因此研究界面特性對陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)性能 的影響具有重要的意義。界面的粘結(jié)形式（1）機(jī)械結(jié)合（2）化學(xué)結(jié)合陶瓷基復(fù)合

4、材料往往在高溫下制備，由于增強(qiáng)體與基體的原子擴(kuò)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(yīng)區(qū)，它與基體和增強(qiáng) 體都能較好的結(jié)合，但通常是脆性的。界面的作用陶瓷基復(fù)合材料的界面一方面應(yīng)強(qiáng)到足以傳遞軸向載荷并具有高的橫向強(qiáng)度； 另一方面要弱到足以沿界面發(fā)生橫向裂紋及裂紋偏轉(zhuǎn)直到纖維的拔出。強(qiáng)韌化技術(shù)纖維增韌為了提高復(fù)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(tài)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(kuò)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(qiáng)度，是一種非常理想的陶瓷基復(fù)合材料的增韌增強(qiáng)體。相變增韌相變增韌ZrO2陶瓷是一種極有發(fā)展前途的新型結(jié)構(gòu)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(qiáng)度 ，使其具有優(yōu)良的力學(xué)性能，低的導(dǎo)熱 系數(shù)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(qiáng)度，是復(fù)合材料和復(fù)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(fù)合材料，其原料的均勻分散及燒結(jié)致 密化都比短纖維及晶須復(fù)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(dāng)

6、，仍有一定的韌化效果，同時會帶來 高溫強(qiáng)度、高溫蠕變性能的改善。所以，顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料同樣受到重視，并開 展了有效的研究工作。納米復(fù)合陶瓷增韌納米技術(shù)一出現(xiàn)，便在改善傳統(tǒng)材料性能方面顯示出極大的優(yōu)勢，該方面的研究有可 能使陶瓷增韌技術(shù)獲得革命性突破。納米陶瓷由于晶粒的細(xì)化，晶界數(shù)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(qiáng)度，結(jié)果可使材料的強(qiáng)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(dú)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(yīng)過程，直接通過高溫化學(xué)反應(yīng)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(qiáng)體，形成陶瓷復(fù)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(qiáng)度和 韌性都比外來第二相增韌的同種材料高。三、陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用。將長纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料應(yīng)用于制造高速列車的制動件，顯示出優(yōu)異的摩 擦磨損特性，取得滿意的使用效果。連續(xù)纖維補(bǔ)強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料 (ContinuousFiberReinforcedCeramicMatrixCompositeSW稱 CFCC)b將耐高溫的纖維陶 瓷基復(fù)合材料已實(shí)用化或即將實(shí)用化的領(lǐng)域有刀具、滑動構(gòu)件、發(fā)動機(jī)制件、能源 構(gòu)件等。法國已植入陶瓷基體中形成的一種高性能復(fù)合材料。由于其具有高強(qiáng)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(guān)注。連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料已經(jīng)開始在航天航空、國防等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用13。20世紀(jì)70年代初,JAveston2在連續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料和纖維增強(qiáng) 金屬基復(fù)合材料研究基礎(chǔ)上，首次提出纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的概念，為高性能陶瓷材料的研究與開發(fā)開辟了一個方向。隨著纖維制備技術(shù)和其它相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，人們逐步開發(fā)出制備這類材料的有效方法，使得纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的制備技術(shù)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(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的制 備工藝和增強(qiáng)理論進(jìn)行了大量的研究，取得了許多重要的成果，有的已

9、經(jīng)達(dá)到實(shí)用化水平。如法國生產(chǎn)的“ Cerasep可作為“ RafaleT戰(zhàn)斗機(jī)的噴氣發(fā)動機(jī)和“ Hermes” 航天飛機(jī)的部件和內(nèi)燃機(jī)的部件4;SiO2纖維增強(qiáng)SiO2復(fù)合材料已用作“哥倫比亞 號”和“挑戰(zhàn)者號”航天飛機(jī)的隔熱瓦5。由于纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料有著優(yōu)異 的高溫性能、高韌性、高比強(qiáng)、高比模以及熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，能有效地克服對裂紋I I和熱震的敏感性正對陶瓷基復(fù)合材料。下面，我主要談?wù)勌祭w維復(fù)合材料在紅空領(lǐng)域的應(yīng)用：碳纖維材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用.概述碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)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(jié)構(gòu)類似人造石墨，是亂層石墨結(jié)構(gòu)。碳纖維由于具有高強(qiáng)度、高模量、 耐

10、高溫、耐腐蝕、導(dǎo)電和導(dǎo)熱等性能，因而使其成為一種兼具碳材料強(qiáng)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(qiáng)纖維。目前，碳纖維不僅廣 泛應(yīng)用軍事工業(yè)，而且在汽車構(gòu)件、風(fēng)力發(fā)電葉片、核電、油田鉆探、體育用品、 碳纖維復(fù)合芯電纜以及建筑補(bǔ)強(qiáng)材料領(lǐng)域也存在巨大應(yīng)用空間，而其在航空領(lǐng)域的 光輝業(yè)績尤為引人注目。.碳纖維的發(fā)展.一 I碳纖維應(yīng)宇航工業(yè)對耐燒蝕和輕質(zhì)高強(qiáng)材料的迫切需求發(fā)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(xiàn)的第二代纖維增強(qiáng)塑料。碳纖 維的含碳量在90蛆上，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，與其它高性能纖維相比具有最高比強(qiáng) 度和最高比模量。在2000c以上高溫惰性環(huán)

11、境中，碳纖維是唯一一種強(qiáng)度不下降的 物質(zhì)。止匕外，它還兼具其它多種得天獨(dú)厚的優(yōu)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?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，并且容易復(fù)合，具有很大 的設(shè)計(jì)自由度。這就使得碳纖維成為纖維增強(qiáng)材料中發(fā)展最迅速、應(yīng)用范圍很廣、 適于不同領(lǐng)域要求的纖維材料。研制大型飛機(jī)要突破許多關(guān)鍵技術(shù)，其中一項(xiàng)是“先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)” 這項(xiàng)技術(shù)離不開碳纖維。世界碳纖維的需求在各用途領(lǐng)域都不斷增長，特別是急速 增長的航空航天領(lǐng)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(fù)合，制成結(jié)構(gòu)材料。自玻璃 纖維與有機(jī)樹脂復(fù)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(qiáng)的 復(fù)合材料相繼研制成功，而且性能不斷得到改進(jìn)，使復(fù)合材料領(lǐng)域呈現(xiàn)出一派勃勃 生機(jī)。碳纖維復(fù)合材料與鋁合金、鈦合金、合金鋼一起成為飛機(jī)機(jī)體的四大先進(jìn)結(jié) 構(gòu)材料。.碳纖維復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的具體應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料因其獨(dú)特、卓越的性能，在航空領(lǐng)越特別是飛機(jī)制造業(yè)中應(yīng)用 廣泛。統(tǒng)計(jì)顯示，目前，碳纖維復(fù)合材料在小型商務(wù)飛機(jī)和直升飛機(jī)上的使用量已 占70% 80%,在軍用飛機(jī)上占30% 40%,在大型客機(jī)上占15%50%。(1)碳纖維樹脂基復(fù)合材料碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP具有質(zhì)量輕等一系列突出的性能，在對重 量、剛度、疲勞特性等有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域以及要求高溫、化學(xué)穩(wěn)定性高

13、的場合，碳 .一 I纖維復(fù)合材料都具有很大優(yōu)勢。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料已成為生產(chǎn)武器裝備的重要材料。AV8B改型“鶴”式飛機(jī)是美國軍用飛機(jī)中使用復(fù)合材料最多的機(jī)種，其機(jī)翼、前機(jī)身都用了石墨環(huán) 氧大型部件，全機(jī)所用碳纖維的重量約占飛機(jī)結(jié)構(gòu)總重量的26%,使整機(jī)減重9%,有效載荷比AV_8ATS機(jī)增加了一倍。數(shù)據(jù)顯示采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的前機(jī)身段，可比 金屬結(jié)構(gòu)減輕質(zhì)量32.24%。用軍機(jī)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能的重要指標(biāo)一一結(jié)構(gòu)重量系數(shù)來衡 量，國外第四代軍機(jī)的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)已達(dá)到 2728%未來以F-22為目標(biāo)的背景機(jī)復(fù) 合材料用量比例需求為35溢右，其中碳纖維復(fù)合材料將成為主體材料。國外一些輕 型飛機(jī)和無人

14、駕駛飛機(jī)，已實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料化。直升飛機(jī)上碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的用量更是與日俱增。武裝了駐港部隊(duì) 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(jī)，是我國先進(jìn)的 I I直升飛機(jī)。該機(jī)復(fù)合材料用量已占到60%左右，主要是CFRP止匕外，日本生產(chǎn)的OH-1 “忍者”直升飛機(jī)，機(jī)身的40%是用CFRP槳葉等也用CFR制造。在民用領(lǐng)域，世界最大的飛機(jī)A380由于CFR的大量使用，創(chuàng)造了飛行史上的奇 跡。這種飛機(jī)25%t量的部件由復(fù)合材料制造，其中22叫碳纖維tf強(qiáng)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(jīng)濟(jì)性比

15、其直接競爭機(jī)型要低 13%fc右，并降低了運(yùn)營成本，座英里成本比目前效率最高飛機(jī)的低15%20威為第一個每乘客每百公里耗油少于三升的遠(yuǎn) 程客機(jī)。（2）碳/碳復(fù)合材料碳/碳復(fù)合材料是以碳纖維及其制品（碳?xì)只蛱疾迹┳鳛樵鰪?qiáng)材料的復(fù)合材料。因?yàn)樗慕M成元素只有一個（即碳元素），因而碳 /碳復(fù)合材料具有許多碳和石墨材料的優(yōu)點(diǎn)，如密度低（石墨的理論密度為 2.3g/cm3）和優(yōu)異的熱性能，即高的熱導(dǎo) .一 I率、低熱膨脹系數(shù)，能承受極高的溫度和極大的熱加速率，有極強(qiáng)的抗熱沖擊，在 高溫和超高溫環(huán)境下具有高強(qiáng)度、高模量和高化學(xué)惰性。憑借著輕質(zhì)難熔的優(yōu)良特 性，碳纖維增強(qiáng)基體的復(fù)合摩擦材料在航空航天工業(yè)中得

16、到了廣泛應(yīng)用。航天飛機(jī) 軌道的鼻錐和機(jī)翼前緣材料，都會選用碳/碳復(fù)合材料。另外還大量用作高超音速飛 機(jī)的剎車片，目前，國際上大多數(shù)軍用和民用干線飛機(jī)采均用碳纖維增強(qiáng)基體的復(fù) 合材料剎車副。這種剎車副不僅質(zhì)量輕、抗熱沖擊性好、摩擦系數(shù)穩(wěn)定、使用壽命 長，更為方便的是可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，性能便于調(diào)節(jié)。還可制作發(fā)熱元件和機(jī)械緊固件、 渦輪發(fā)動機(jī)葉片和內(nèi)燃機(jī)活塞等。.我國碳纖維復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)代的碳纖維是以聚丙烯睛、人造絲或木質(zhì)素為原絲，將有機(jī)纖維跟塑料樹脂 結(jié)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(jù)了解，目前全球碳纖維產(chǎn)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(fèi)大國。在以“高性能聚丙烯睛碳纖維制備的基礎(chǔ)科學(xué)問題”為主題的第 335次香山科學(xué)會議上，會議執(zhí)行主席、國家自然科學(xué)基金委員會師昌緒院士指出， 與國外技術(shù)相比，我國碳纖維領(lǐng)域還存在較大差距。2007年，我國碳2T維產(chǎn)能僅200噸左右，而且主要是低性能產(chǎn)品。由于缺少具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)支撐，目前國 內(nèi)企業(yè)尚未掌握完整的碳纖維核心關(guān)鍵技術(shù)。這就使得我國碳纖維在質(zhì)量、技術(shù)和 生產(chǎn)規(guī)模等方面均與國外存在很大差距，絕大部分高性能增強(qiáng)材料都長期依賴進(jìn)口， 價(jià)格非常昂貴。由于缺乏創(chuàng)新與集成和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，極大地制約了我國碳纖維 復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展?；谖覈咝阅芴祭w維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)尚不能滿足國民經(jīng)濟(jì)快

18、速、健康、持續(xù)發(fā)展的需求，國家發(fā)展改革委2008200卉組織實(shí)施高性能纖維復(fù)合材料高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化 專項(xiàng)，重點(diǎn)支持碳纖維、芳綸纖維、高強(qiáng)聚乙烯纖維及其高性能復(fù)合材料的生產(chǎn)技.一 I術(shù)及關(guān)鍵裝備的產(chǎn)業(yè)化示范，以滿足國民經(jīng)濟(jì)以及航空航天等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需 求，培育一批具有國際競爭力的龍頭企業(yè)。這一舉措將為我國從材料大國轉(zhuǎn)變?yōu)椴?料強(qiáng)國奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。今年5月，由鷹游紡機(jī)自主研發(fā)的碳纖維生產(chǎn)線和神鷹碳纖 維項(xiàng)目通過國家級驗(yàn)收，標(biāo)志著我國碳纖維生產(chǎn)已成功實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化。四、陶瓷基復(fù)合材料的發(fā)展前景陶瓷材料是一種本質(zhì)脆性材料，在制備、機(jī)械加工以及使用過程中，容易產(chǎn)生 一些內(nèi)在和外在缺陷，從而導(dǎo)致陶瓷材

19、料災(zāi)難性破壞，嚴(yán)重限制了陶瓷材料應(yīng)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(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用的關(guān) 鍵。近年來，受自然界高性能生物材料的啟發(fā)，材料界提出了模仿生物材料結(jié)構(gòu)制 備高韌性陶瓷材料的思路。1990年Clegg等創(chuàng)造性材料制備的Sic薄片與石墨片層 交替疊層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料與常規(guī) 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(shí)現(xiàn)了仿貝殼珍珠層的宏觀結(jié)構(gòu)增韌。國內(nèi)外科研人員在陶瓷基層狀復(fù)合材料力學(xué)性能方面進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究， 取得了很大進(jìn)展。陶瓷基層狀復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)劣關(guān)鍵在于界面層材料，能夠應(yīng)用在高溫環(huán) 境下，抗氧化的界面層材料還有待進(jìn)一步開發(fā)；止

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