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陶瓷基复合材料的发展现状

班级: 材料化学 姓名:龚佩斯 学号:20110513457

摘 要: 科学技术的发展对材料提出了越来越高的要求,陶瓷基复合材料在使用过程中表现出非脆性断裂，具有高可靠性，在航天航空，新能源，化工等条件苛刻的领域具有广阔的应用前景。本文主要综述了陶瓷基复合材料的增强体及其增强机制，陶瓷基复合材料的制备工艺，应用及其发展现状。

关键词: 陶瓷基复合材料 增强体 纤维 颗粒

引 言

作为结构材料， 陶瓷具有耐高温能力强、抗氧化能力强、硬度大、耐化学腐蚀等优点，缺点是呈现脆性，不能承受剧烈的机械冲击和热冲击，因而严重影响了它的实际应用。而陶瓷基复合材料在使用中表现出非脆性断裂，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。

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。

一、陶瓷基复合材料的增强体.

复合材料中的增强体，按几何形状划分，有颗粒状（简称零维）、纤维状（简称一维）、薄片状（简称二维）和由纤维编织的三维立体结构。按属性划分，有无机增强体和有机增强体，其中有合成材料也有天然材料，复合材料最主要的增强体是纤维状的。复合材料中常见的纤维状增强体有玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和金属纤维等。它们有连续的长纤维、定长纤维、短纤维和晶须之分。玻璃纤维有许多品种，它是树脂基复合材料最常用的增强体，由玻璃纤维增强的复合材料是现代复合材料的代表，但是，由于它的模量偏低，而且使用温度不高，通常它不属于高级复合材料增强体。

二、陶瓷基复合材料的种类及其发展现状.

陶瓷基复合材料按照增强体分类,包括纤维增强陶瓷基复合材料、颗粒增强陶瓷基复合材料等.

纤维增强陶瓷基复合材料主要包括C/SiO2,C/SiC,C/Si3N4,Al2O3/ Si3N4, SiC/Si3N4,等碳纤维系列,碳化硅纤维系列,氮化硅纤维系列,氧化铝纤维系列的陶瓷基复合材料。

我国从20世纪70年代初期开始碳纤维增强陶瓷基的研究，由于碳纤维增强石英复合材料中，两相在化学上相容性好，而且在物理上匹配也适当，因而取得很

好的增强增韧效果 C／SiC在化学相容和物理上的匹配都不甚理想，这种复合材料虽然在任性上得到改进，但在增强上并没有什么显著效果，这～材料已经在我国的空间技术上得到应用。在碳纤维增强氮化硅复合材料的研究中发现：碳纤维与氮化硅的两相组合在化学上相容和物理上的匹配不甚理想。尽管可以通过低温烧结的途径来改善其化学相容性，通过氧化锆的相变来缓和由于热膨胀不匹配而引起的应力，但是两相之间弹性模量的不匹配所产生的影响仍然无法消除。因此，这种复合材料虽然在韧性上可以得到改进，但在增强上并没有什么显著效果。碳化硅纤维增强锂铝硅(GAS)复合材料也是一种比较符合前述原则的复合系统，它在1200℃以下不失为一种好的高温结构材料。由于LAS微晶玻璃可以通过添加MgO调整其热膨胀系数，使之与碳化硅纤维得到更佳的匹配。碳纤维／LAS复合材料具有高达20，1MPa．m的断裂韧性。我国采用气相合成或以氧化硅为原料的碳还原法制造SiC晶须，所制各的SiC晶须Si3N4复合材料有极好的高温强度和断裂韧性，在1370℃分别为880MPa和8．5MPa．m，且表现出低的残余应力和高的抗蠕变性能．国际在2O世纪9O年代，CMCSiC开始步入应用研究阶段．作为高推重比航空发动机用高温热结构材料，以推重比10航空发动机为演示验证平台对喷管，燃烧室和涡轮三大部分进行了大量考核，历时十余年目前仍在进行．其中法国Snecma公司生产的CMC—SiC调节片、密封片已装机使用近1O年 在700℃工作lOOh，减重50％，疲劳寿命优于高温合金， 目前正向其他发动机上拓展．中期(2015~2020年)，发展燃烧室和内衬、低压涡轮和导向叶片；远期(2020年以后)， 发展高压涡轮和导向叶片，高压压气机涡轮和导向叶片。

颗粒补强增韧的陶瓷基复合材料是陶瓷材料的另一新品种。由于过去采用微米级颗粒,其补强增韧效果远不能与纤维补强的陶瓷基复合材料相比拟,颗粒尺度小到几十至一二百纳米时,效果会发生重大变化,甚至产生质的飞跃。最近国际上出现的高性能纳米颗粒复相陶瓷就是在陶瓷基体结构中弥散有纳米级颗粒的陶瓷基复合材料。例如,日本研究人员用氧化铝和碳化硅超细粉合成的高强度纳米复相陶瓷在1100℃时强度超过1500MPa,并认为获得超强度、超韧性结构陶瓷的主要方法是采用微米和纳米混杂的复合技术。由此可预见纳米级复相陶瓷将成为21世纪材料开发的主要方向。用颗粒作为增韧剂,制作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、粒经、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。

二、陶瓷基复合材料增强体的增韧机理.

陶瓷材料在室温下缺少独立的滑移性而表现出质脆的弱点,它不像金属材料那样受力状态下产生凹痕或形变,而且它还是对裂纹、气孔和夹杂物等极细微的缺陷都很敏感的脆性材料。在改善和提高韧性的过程中,材料工作者们向陶瓷基体内添加各种陶瓷颗粒、纤维及晶须或它们的复合物达到增强增韧的目的。根据增强体的不同产生多种增强机制，包括相变增韧、纤维增韧、颗粒增韧、自增韧等增韧机理。

相变增韧

相变增韧是在应力作用下，使增强体发生相变，在相变过程中能量吸收使应力得到释放，体积变化在裂纹尖端产生微小的裂纹，这是材料韧性增加的表现。

相变增韧的主要机理有应力诱导相变增韧、相变诱发微裂纹增韧、残余应力增韧等。几种增韧机理并不互相排斥,但在不同条件下有—种或几种机理起主要作用。

纤维增韧

纤维或晶须(以下总称纤维)强韧化是目前陶瓷强韧化方法中效果最为显著的一种方法,它不仅能提高材料的韧性,而且在大多数情况下还能同时提高材料的强度,这是除细晶强化外其他强化方法所不及的。纤维增强陶瓷基复合材料(CMC)的有效增韧机制包括基体预压缩应力、裂纹扩展受阻、纤维拔出裂纹偏转、纤维桥联和相变增韧等,它们可单独或联合发生作用。

颗粒增韧

颗粒增韧是使增强体以小尺寸颗粒的形式弥散分布于陶瓷基体中达到增韧的目的。其中颗粒的尺寸越小增强效果越显著。现在颗粒的尺寸已经达到纳米级别。颗粒增韧陶瓷基复合材料的韧化机理主要有细化基体晶粒、裂纹转向与分叉等。

自增韧

如果在陶瓷基体中引入第二相材料,该相不是事先单独制备的,而是在原料中加入可以生成第二相的原料,控制生成条件和反应过程,直接通过高温化学反应或者相变过程,在主晶相基体中生长出均匀分布的晶须、高长径比的晶粒或晶片的增强体,形成陶瓷复合材料,则称为自增韧。

自增韧是能够有效提高陶瓷断裂韧性的一种新工艺,主要是通过工艺因素的控制,使陶瓷晶粒在原位形成有较大长径比的形貌,从而起到类似于晶须的补强增韧作用。目前,自增韧在陶瓷复合材料中的应用很广泛,包括Si3N4、Sialon、Al-Zr-C、Ti-B-B、SiC、A12O3、ZrB2/ZrC0.6/Zr材料和玻璃陶瓷等。

三、陶瓷基复合材料的制备工艺.

陶瓷基复合材料的制造方法分传统的制备技术和新的制备技术传统的制备技术如冷压－烧结法、反应烧结法、热压法等。新技术主要指在20世纪70年代开始发展起来的技术，如渗透，直接氧化，以化学反应为基础的CVD、CVI，溶胶--凝胶，聚合物热解，白蔓燃高温合成(SHS)等。

陶瓷基复合材料的制造分为两个步骤：第一步是将增强材料掺入未固结(或粉末状)的基体材料中，排列整齐或 混合均匀；第二步是运用各种加工条件在尽量不破坏增强材料和基体性能的前提， 制成复合材料制品。根据陶瓷基复合材料的制造步骤，在加工制备复合材料时，应根据使用要求，相应地增强材料和基体的复合，针对不同的增强材料(纤维、晶须、颗粒)，选择相应的加工条件等因素。 选择哪种增强材料和基体，除了根据使用要求，如温度、强度、弹性模量等，两种材料间一些性能的配合也直接影响复合材料的性能。通常要考虑的两种材料的主要因素如下：物理因素：熔点、挥发度、密度、弹性模量、热膨胀系数、蠕变性 能、强度、断裂韧性等。纤维和基体的相容性因素：化学相容性、热性能相容性(主要是高温状态)、同环境的相容性(包括内部和外部，而外部环境的相容主要包括 氧化和蒸发)。

针对不同的增强材料，已经开发了多种加工技术。例如，对于以连续纤维增强的陶瓷基复合材料的加工通常采用下面三种方法： ①首先采用料浆浸渍工艺，然后再热压烧结；

②将连续纤维编织制成预成型坯件，再进行化学气相沉积(CVD)，化学气相渗透(CVI)，直接氧化沉积；