陶瓷基复合材料的性能及应用发展

陶瓷基复合材料的性能及应用发展
摘要：由于生产生活的需求，陶瓷基复合材料得到了广泛的关注，为了更好的
了解这种新型材料，本文综述了陶瓷基复合材料的主要性能、应用及未来发展。

关键词：陶瓷基复合材料；性能；应用；研究发展；
1. 前言
陶瓷基体可以作为氮化硅、碳化硅等多种高温耐热结构陶瓷。

耐热陶瓷材料
具有良好的热膨胀、热传导性能和氧化抗力，同时具有热冲击抗力、机械冲击抗
力等性能。

这些优异性能主要是因为作为基体的陶瓷的化学结合更多地趋于离子键,其化学结合离子键的性能很强[1-3]。

但其致命的缺点就是脆性大，材料易断裂。

随着我国电子工业的快速稳步发展和电子宇宙线的开发,原子能合成工业的迅
速兴起,电子激光合成技术、传感合成技术、光电融合技术等新一代技术的不断出现。

传统陶瓷无论在结构性能、品种和生产质量等方面都不能完全满足市场需求,
因此对传统陶瓷进行了一系列的结构改变与技术创新,这便逐渐形成了陶瓷基复合
材料。

为更好的将陶瓷基复合材料应用到生产生活领域，本文将对陶瓷基复合材
料的性能进行总结，并对其应用和发展进行展望。

2. 陶瓷基复合材料的性能
2.1 陶瓷基复合材料的物理和化学性能
2.1.1热膨胀
热膨胀的相容性对于复合材料性能的影响十分重要。

由于难以实现线膨胀系
数的理想状态，因此通常用线膨胀系数对材料的热膨胀进行表征。

晶体具有各向
异性，所以热应力极易导致多晶材料开裂。

在陶瓷基复合材料中,可以使弱界面也
不发生界面脱粘的方法是增强体承压缩的残余应力。

2.1.2热传导
裂纹、空洞和界面结合情况会对陶瓷基复合材料的热传导性能产生影响。

为
使高速飞行器在运行过程中快速放热，避免因散热问题对飞行安全造成威胁，曾
涛[4]等人设计了C/SiC陶瓷基梯度点阵热防护结构，这种结构为飞行器合理化散
热提供了理论依据。

2.1.3氧化抗力
导热率是高温陶瓷基复合材料氧化抗力的重要性能指标。

卢国峰[5]通过研究
表明，Si–O–C界面层较高的氧化抗力可以使Si–C–N复合材料抗氧化性能得以提高。

2.2陶瓷基复合材料的主要力学性能：
2.2.1拉伸、压缩和剪切力学行为。

陶瓷单体的拉伸曲线是直线，而连续纤维增强的陶瓷基复合材料的拉伸曲线
会在直线后经过曲线上升，并在达到最大应力后断裂。

2.2.2断裂韧性
可以通过增韧的方式提高陶瓷基复合材料的断裂韧性。

陶瓷基复合材料最常
见的增韧方法有颗粒增韧，晶须增韧，纤维增韧，相变增韧等。

其中粒子增韧是
最简单的增韧方法，而晶须的增韧效果不受高温的影响，因此,该技术在高温运行
中得到了广泛的应用。

纤维增韧技术是最早采用的技术，增韧效果最好。

现阶段，多种增韧方式共用的方法在改善陶瓷韧性方面取得巨大突破，这种方法使各增韧
机制之间相互协同，突破了以往简单复合的思路。

2.2.3热冲击抗力
陶瓷基复合材料在热冲击载荷下不易被毁坏。

郭悦[6]通过研究发现ZrB2基
高温陶瓷材料的内部缺陷少，晶粒尺寸大且具有良好的热冲击性能。

2.2.4疲劳
陶瓷基复合材料的疲劳寿命与应力有关，复合材料可承受的最大应力越大其
疲劳寿命越小。

室温下,由于其疲劳极限远大于基体的开裂应力，因此，常被应用
于阀体阀座，切削工具等领域。

然而，在高温下，疲劳寿命的降低极大地影响了
材料的使用寿命。

3.总结与展望
陶瓷基复合材料不仅具有良好的抗热震性和抗氧化性，而且在高温下显示出
高屈服点和塑性,因此被广泛应用于高温结构领域，如航天器的热部件，大功率内
燃机的增强涡轮，废物垃圾焚烧处理设备等。

除此之外，陶瓷基复合材料还具有
良好的韧性，耐腐蚀性，高导电率和强导热性，被广泛应用于熔融金属电极等领域。

虽然研究人员已对陶瓷基复合材料的结构，性能，加工技术等方面有了初步
研究，但仍有很多问题尚未得到解决。

除此之外，陶瓷基复合材料的制备工艺非
常复杂，影响其性能的因素众多。

因此，在进一步提高陶瓷基复合材料可靠性和
一致性等方面仍面临着诸多问题和挑战。

随着其制备技术的不断完善，陶瓷基复
合材料的市场将会逐渐扩大。

由此可见，陶瓷基复合材料的应用前景非常光明[8]。

参考文献
[1] 国云龙,杨志涛和陈红权.中国科技纵横,2015,(22):52-52.?
[2] 陈小武,董绍明,倪德伟,等.中国材料进展,2019,38(9):843-854.
[3] 周洋,袁广江,徐荣九,等.硅酸盐通报,2001,20(4):31-36.?
[4] 曾涛,杜长龙,成夙,等.哈尔滨理工大学学报,2017,22(4):129-134.
[5] 卢国锋..硅酸盐学报,2012,40(8):1169-1173.
[6] 郭悦.黑龙江:哈尔滨工业大学,2008.
[7] 齐子辰.商品与质量,2017,(33):177.?
基金资助：河北省高等学校科学技术研究项目QN2019049，华北理工大学大学生
创新创业训练计划项目X2019082
第一作者：王进，华北理工大学材料科学与工程学院，研发方向：复合材料。

通讯作者：李锋锋，华北理工大学材料科学与工程学院，研发方向：光功能材料，陶瓷复合材料。