陶瓷基复合材料的连接

摘要：陶瓷基复合材料具有抗热震冲击、耐高温、耐腐蚀、抗氧化和抗烧蚀低膨胀、低密度、热稳定性好的优点，这些优点使其成为备受关注的新型耐高温结构材料。

陶瓷基复合材料的连接不仅具有陶瓷材料连接的难点、异种材料连接的问题、加强相与基体的不利反应及加强相的氧化与性能的降低，还具有陶瓷基复合材料承压能力差的缺点。

因此陶瓷基复合材料的连接成为一个研究的热点。

1.陶瓷基复合材料及其应用陶瓷复合材料虽然具有高温强度高、抗氧化、抗高温蠕变等耐高温性能和高硬度、高耐磨性、线膨胀系数小及耐化学腐蚀等一系列优越的性能特点，但也存在致命的弱点，即脆性，它不能承受激烈的机械冲击和热冲击，这限制了它的应用。

而用粒子、晶须或纤维增韧的陶瓷基复合材料，则可使其脆性大大改善。

陶瓷基复合材料（CMC）是目前备受重视的新型耐高温结构材料。

[1，2，3]陶瓷虽然具有作为发动机热端结构材料的十分明显的优点，但其本质上的脆性却极大地限制了它的推广应用。

增韧的思路经历了从消除缺陷或减少缺陷尺寸、减少缺陷数量，发展到制备能够容忍缺陷，即对缺陷不敏感的材料。

目前常见的几种增韧方式主要有相变增韧、颗粒( 晶片) 弥散增韧、晶须( 短切纤维) 复合增韧以及连续纤维增韧补强等。

此外还可通过材料结构的改变来达到增韧的目的，如自增韧结构、仿生叠层结构以及梯度功能材料等。

目前陶瓷基复合材料分为：非连续纤维增强陶瓷基复合材料、连续纤维增强陶瓷基复合材料、层状陶瓷基复合材料。

1.1非连续纤维增强陶瓷基复合材料相变增韧可以大幅度地提高陶瓷材料的常温韧性和强度，但因在高温下相变增韧机制失效而限制了其在高温领域的应用。

颗粒弥散及晶须复合增韧CMC 制备工艺较简单，可明显提高陶瓷材料的抗弯强度和断裂韧性。

将颗粒、晶须等增强物加入到基体材料中，由于两者弹性模量和热膨胀系数的差异而在界面形成应力区，这种应力区与外加应力发生相互作用，使扩展裂纹产生钉扎、偏转、分叉或以其它形式( 如相变) 吸收能量，从而提高了材料的断裂抗力。

对于高温下使用的颗粒弥散及晶须复合增韧陶瓷基复合材料，就基体而言，综合考虑高温强度、抗热震性、比重、抗蠕变性、抗氧化性等，首选材料仍是Si3N4和SiC。

在高温下它们的表面会形成氧化硅保护层，能满足1600℃以下高温抗氧化的要求。

通过在基体材料中加入合适的增强物及选择适当的材料结构，可大幅度提高陶瓷材料的强度和韧性。

[4]1.2连续纤维增强陶瓷基复合材料连续纤维增强陶瓷基复合材料( CFCC) 具有较高的韧性，当受外力冲击时，能够产生非失效性破坏形式，可靠性高，是提高陶瓷材料性能最有效的方法之一。

CFCC 的研究始于1973 年S1R1Levitt 制成的高强度碳纤维增强玻璃基复合材料。

[5] 70年代中期，日本碳公司(Nippon Carbon Co.) 高性能SiC连续纤维Nicalon 的研制成功，使制造纯陶瓷质CFCC 成为可能。

80年代中期，E1Fitzer[6]等用化学气相沉积法制备出高性能的Nicalon 纤维增强SiC基陶瓷复合材料，有力地推动CFCC的发展。

十几年来，世界各国尤其是美国、日本、欧共体等都对CFCC 的制备工艺及增韧机理进行了大量的研究，取得了一些重要成果，少数材料已达到实用化水平。

从目前来看，解决纤维问题的途径主要有2条；一是提高SiC 纤维的纯度，降低纤维中的氧含量。

二是发展高性能的氧化物单晶纤维。

氧化物连续纤维出现较晚，且一般为多晶纤维，高温下纤维会发生再结晶，使其性能下降，而单晶纤维则可避免这一问题。

例如目前蓝宝石单晶纤维使用温度可达1500℃，使材料的高温性能有了很大提高。

[7]随着能承受更高温度的氧化物单晶纤维的出现，高温结构陶瓷基复合材料的研究必将有所突破。

连续纤维增强陶瓷基复合材料虽然在力学性能上具有一定优势，但是连续纤维的生产、排布和编织等工艺复杂，复合材料的成型和烧结致密化都很困难，复合材料强度较低，成本高昂。

同时，高性能的耐高温陶瓷纤维问题至今尚未完全解决，这都极大地限制了它的推广应用。

1.3层状陶瓷基复合材料近年来，人们模拟自然界贝壳的结构，设计出一种仿生结构材料—层状陶瓷复合材料，其独特的结构使陶瓷材料克服了单体时的脆性，在保持高强度、抗氧化的同时，大幅度提高了材料的韧性和可靠性，因而可应用于安全系数要求较高的领域，为陶瓷材料的实用化带来了新的希望。

层状陶瓷复合材料的基体层为高性能的陶瓷片层, 界面层可以是非致密陶瓷、石墨或延性金属等。

与非层状的基体材料相比，层状陶瓷复合材料的断裂韧性与断裂功可以产生质的飞跃。

层状复合不仅可有效改善陶瓷材料的韧性，而且其制备工艺具有操作简单、易于推广、周期短而廉价的优点，尤其适合于制备薄壁类陶瓷部件。

同时，这种层状结构还能够与其它增韧机制相结合，形成不同尺度多级增韧机制协同作用，立足于简单成分多重结构复合，从本质上突破了复杂成分简单复合的旧思路。

[8]1.4陶瓷基复合材料的应用（一）航空燃气涡轮发动机的应用Cf / SiC复合材料在高温下有足够的强度，且有良好的抗氧化能力和抗热震性，非常适合作为高温结构材料。

使用Cf / SiC 复合材料不仅能减轻质量、延长使用寿命，同时具有很低的操作损耗。

NASA Lewis 研究中心制备的Cf / SiC 涡轮发动机在燃烧环境及相应热机械载荷作用下其材料的耐热和力学疲劳性能良好，耐高含氢气体环境性能优越。

因此Cf/ SiC 复合材料目前被广泛应用于军事和商业运载器，包括应用在涡轮发动机的消耗管道、涡轮泵旋转体、喷管等。

欧洲一些研究机构也研制了Cf/ SiC 复合材料发动机喷管和燃烧室部件。

[9]（二）热保护系统的应用在航天领域，当飞行器进入大气层后，由于摩擦产生的大量热量，将导致飞行器受到严重的烧蚀，为了减小飞行器的这种烧蚀，需要一个有效的防热体系。

在热结构材料的构件中包括航天飞机和导弹的鼻锥、导翼，机翼和盖板等。

Cf / SiC复合材料是制作抗烧蚀表面隔热板的较佳候选材料之一，它具有质轻耐用的特点。

目前，欧洲正集中研究载人飞船及可重复使用的飞行器的可简单装配的热结构及热保护材料，其中Cf / SiC复合材料是一种重要材料体系，并已达到很高的生产水平。

在美国，用Cf / SiC复合材料制备的T PS 可用于航天操作工具和航天演习工具，AlliedSignal 复合材料公司生产的Cf / SiC材料在高温环境测试中显示出优异的性能。

波音公司通过测试热保护系统大平板隔热装置，也证实了Cf / SiC复合材料具有优异的热机械疲劳特性。

[10]（三）高温连接件的应用主要应用于连接固定热的外表面和航空框架结构中冷的衬垫，及用作密封装置。

未来的空间运输系统和超音速的航天飞机中均要求热保护系统和装置能够耐高热的机械和空气动力载荷，大多数结构和元件需要固定系统，Cf / SiC复合材料高温连接件能够满足热性能和力学性能的要求，这些材料将由CVI 法制得, 能够在- 100℃～1800℃范围内使用，拉伸强度大于230MPa。

目前可生产的连接件尺寸在8～12mm 范围内，在连接件上涂上一层抗氧化涂层可使它适用于氧化气氛中。

由于金属材料的热性能和化学性能不稳定, 及单相陶瓷太脆的缺点,因此Cf / SiC 复合材料的应用成为必然。

Cf / SiC 陶瓷材料已经被制成螺钉和其他连接件。

（四）光学和光机械结构中的应用Cf / SiC复合材料除了具有优良的高温性能，而且在恶劣环境下工作的超轻光学系统中，其光学和光机械结构同样具有重要的应用前景。

Cf / SiC复合材料是一种轻质高强的工程材料，它有着可调的力学和热学性能，与传统的粉末基体陶瓷相比，由于其韧性的提高和可忽略的体积收缩，设计非常自由。

到目前为止，Cf / SiC已经用于制造超轻反射镜、微波屏蔽反射镜等光学结构部件。

另外, 由于Cf / SiC具有优异的力学性能，同时它的高热导性与其合适的热膨胀系数结合较好，因此其热稳定性也比其他反射镜基座材料优越，被广泛应用于光学系统中的结构材料及反射镜支撑体系，如反射镜底座。

（五）在刹车系统中的应用Cf / SiC复合材料由于其低密度、高强度以及良好的耐磨性等性能也被逐渐用于高速飞行器和高速汽车、火车上的刹车系统。

国外一些航天中心和设计研究机构采用液态硅浸渗的方法制备的Cf / SiC复合材料正考虑用于制造汽车的刹车片。

在这种刹车盘中，刹车片表面之间具有冷却通道，这种结构可以改善刹车盘的散热性，大幅度提高刹车系统的寿命。

此通过应用Cf / SiC复合材料刹车片，刹车片的质量小于以前使用的钢刹车片质量的50%，刹车系统中其他组件的质量同样能够减轻50% 左右，这样不但能够大幅度减少费用，同时也能明显提高刹车系统的功能，因此Cf / SiC复合材料应用在刹车系统是一个潜在的大市场。

2.陶瓷基复合材料的连接问题和连接方法2.1陶瓷基复合材料的连接问题陶瓷基复合材料的连接不仅具有连接陶瓷材料的难点，如高熔点及有些陶瓷的高温分解使熔焊困难、多数陶瓷的电绝缘性使之不能用电弧或电阻焊进行焊接、陶瓷固有脆性使其无法承受高压力的方法进行连接、陶瓷材料的化学惰性使其不易润湿而造成钎焊困难等等，还应注意连接异种材料时的问题，如选择连接方法与材料时要同时考虑基体材料与加强材料的适应性。

另外在连接陶瓷基复合材料时还应考虑避免加强相纤维的氧化与性能的下降等。

因此连接时间和连接温度一般不能太长太高。

除此之外，由于纤维增强的陶瓷基复合材料的耐压性能较差，因而连接时不能施加较大的压力。

[11]2.2陶瓷基复合材料的连接方法常用的连接方法大致可分为三类: 粘接、机械连接、焊接。

粘接的界面为物理及化学作用，接头强度低，使用温度也较低, 一般低于200℃。

机械连接界面是机械力作用，接头无气密性，易产生应力集中。

考虑到CMCS 复杂的受力条件, 较高的使用温度及可靠性因素时，焊接的方法较为适用。

由于CMCS 连接的难点: 基体熔点高，不能使用熔焊，耐压能力差,不能使用大的压力进行固相扩散连接。

复合材料的化学惰性使之不易润湿而造成钎焊的困难，连接材料对复合材料的适用性，避免增强相和基体之间不利的化学反应而造成CMCS性能的下降。

考虑到以上的问题，因此目前常用的焊接方法有: 钎焊、无压固相反应连接、ARCJIONT、聚合物分解连接及在线液相渗透连接。

(一)粘接粘接是在粘接剂的作用下，使类似的材料或不同材料界面、内部紧密连接的技术。

粘接具有固化速度快，使用温度范围宽，抗老化性能好等特点被广泛的应用在飞机的应急修理，炮弹导弹辅助件连接，修复涡轮，修复压缩机转子等方面。

粘接剂主要是一些环氧树脂类、改性酚醛类、有机硅等，形成的接头一般只有在使用温度较低，一般低于200℃，且大多用于静载荷和超低静载荷零件。