航空材料作业——陶瓷基复合材料

摘要: 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.本文

综述了陶瓷基复合材料增强体的种类陶瓷基复合材料界面

和界面的增韧，并且介绍了陶瓷基复合材料的复合新技术以

及发展动态

关键词：陶瓷基增强体强韧化理论

正文：

在新材料产业“十二五”重点产品目录中，核心材料主要是中低体分碳化硅铝复合材料和高体分碳化硅铝封装材料，其下游运用领域主要是汽车和电子行业。

陶瓷基复合材料在航天航空的应用：

在航空航天、新能源等领域，高性能陶瓷基复合材料具有重

要的应用价值，是新材料研究的重要方向，是开发相关技术

的重要材料基础，现在中国航天飞行器已经广泛应用高性能

陶瓷基复合材料。

目前，在法国，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，2010年，通用电气公司(GE)于11月

10日在F414改进型发动机上进行了陶瓷基复合材料(CMC)

涡轮转子叶片的关键性试验。在转子叶片方面，CMC材料在

下一代宽体客机发动机上的应用更具吸引力，例如波音777

的动力GE90发动机的替代产品。应用CMC最关键的受益在

于重量的降低，不仅材料本身比金属合金材料轻，同时也能

减少冷却系统的重量。

或者你不曾想过，陶瓷有可能通过改造成为用作火箭、卫星的部件材料。而据悉，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员董绍明及其团队就作了这方面的尝试，而且成功应用。

可以说，国内的陶瓷基复合材料研发水平已经可以和国际持平。

此前据有关媒体报道，国家发改委作出批复，西北工业大学无人机系统国家工程研究中心、陶瓷基复合材料制造技术国家工程研究中心双双获国家发改委立项，批准筹建。

在国内，新材料的研发往往依靠产学研推动。

西工大在陶瓷基复合材料研制技术领域内已跻身国际先进行列。由西安鑫垚陶瓷复合材料有限公司牵头建设的陶瓷基复合材料制造技术国家工程研究中心，将重点开展自愈合陶瓷基复合材料、超高温耐烧蚀陶瓷基复合材料、结构功能一体化陶瓷基复合材料、耐磨损陶瓷基复合材料等陶瓷基复合材料的研发、推广和应用。再者，哈尔滨工程大学、哈尔滨工业大学和牡丹江金刚钻碳化硼有限公司承担的“碳化硼陶瓷基复合材料系列产品开发与应用研究”项目经鉴定委员会专家认为在碳化硼复合材料产品领域已达到国际先进水平

1陶瓷基复合材料性能

近年来人们开始对陶瓷基复合材料进行研究．以期获得一种

有强度、韧性耐高温的陶瓷基材料。在这种复合材料陶瓷应该具有以下一些性能：

(1)陶瓷能够很好地渗透进纤维点须和颗粒增强材料；

(2)同增强材料之间形成较强的结合力；

(3)在制造和使用过程中同增强纤维间没有化学反应；

(4)对纤维的物理性能没有损伤；

(5)很好的抗蠕变、抗冲击、抗疲劳性能；

(6)高韧性；

(7)化学稳定性，具有耐腐蚀、耐氧化、耐潮湿等化学性能2瓷基体的种类

陶瓷基体材料主要以结晶和非结晶两种形态的化合物存在，按照组成化合物的元素不同，又可以分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷等。此外，还有一些会以混合氧化物的形态存在

1）氧化物陶瓷基体

（1)氧化铝陶瓷基体

以氧化铝为主要成分的陶瓷称为氧化铝陶瓷，氧化铝仅有一种热动力学稳定的相态。氧化铝陶瓷包括高纯氧化铝瓷，99氧化铝陶瓷，95氧化铝陶瓷，85氧化铝陶瓷等

(2)氧化锆陶瓷基体

以氧化锆为主要成分的陶瓷称为氧化锆陶瓷。氧化锆密度

5.6-5.9g/cm3，熔点2175℃。稳定的氧化锆陶瓷的比热容和导热系数小，韧性好，化学稳定性良好．高温时具有抗酸性和抗碱性。

2）氮化物陶瓷基体

(1)氮化硅陶瓷基体

以氮化硅为主要成分的陶瓷称氮化硅陶瓷，氮化硅陶瓷有两种形态。此外氮化硅还具有热膨胀系数低，优异的抗冷热聚变能力，能耐除氢氟酸外的各种无机酸和碱溶液，还可耐熔融的铅、锡、镍、黄钢、铝等有色金属及合金的侵蚀且不粘留这些金属液。

(2) 氮化硼陶瓷基体

以氮化硼为主要成分的陶瓷称为氯化硼陶瓷。氮化硼是共价键化合物

3）碳化物陶瓷基体

以碳化硅为主要成分的陶瓷称为碳化硅陶瓷。碳化硅是一种非常硬和抗磨蚀的材料，以热压法制造的碳化硅用来作为切割钻石的刀具。碳化硅还具有优异的抗腐蚀性能，抗氧化性能

(1)碳化硼陶瓷基体

以碳化硼为主要成分的陶瓷称为碳化硼陶瓷。碳化硼是一种低密度、高熔点、高硬度陶瓷。碳化硼粉末可以通过无压烧结、热压等制备技术形成致密的材料。

3陶瓷基复合材料增强体

用于复合材料的增强体品种很多，根据复合材料的性能要求，主要分为以下几种

1)纤维类 2)颗粒类 3)晶须类 4)金属丝 5)片状物

4陶瓷基的界面及强韧化理论

陶瓷基复合材料(CMC)具有高强度、高硬度、高弹性模量、热化学稳定性等优异性能，被认为是推重比10以上航空发动机的理想耐高温结构材料。界面作为陶瓷基复合材料重要的组成相，其细观结构、力学性能和失效规律直接影响到复合材料的整体力学性能，因此研究界面特性对陶瓷基复合材料力学性能的影响具有重要的意义。

1)界面的粘结形式

（1）机械结合（2）化学结合

陶瓷基复合材料往往在高温下制备，由于增强体与基体的原子扩散，在界面上更易形成固溶体和化合物。此时其界面是具有一定厚度的反应区，它与基体和增强体都能较好的结合，但通常是脆性的。

2)界面的作用

陶瓷基复合材料的界面一方面应强到足以传递轴向载荷并具有高的横向强度；另一方面要弱到足以沿界面发生横向裂纹及裂纹偏转直到纤维的拔出。

3)强韧化技术