纤维增强陶瓷基复合材料的制备及其发展和应用
碳纤维增强陶瓷基复合材料的制备及性能研究
碳纤维增强陶瓷基复合材料的制备及性能研究碳纤维增强陶瓷基复合材料是一种具有优异性能的复合材料，具有高强度、高刚度、低密度、高温耐性、抗腐蚀等优点，被广泛应用于航空、航天、汽车、新能源等领域。
本文将对碳纤维增强陶瓷基复合材料的制备及其性能研究进行探讨。
1. 背景传统金属材料存在密度大、重量重、强度低等问题，难以满足现代工业的需求。
而复合材料的出现解决了这一问题，毫不夸张地说，“复合材料就是未来工业的材料”。
其中最为突出的就是碳纤维增强陶瓷基复合材料。
2. 制备方法制备碳纤维增强陶瓷基复合材料的方法有多种，其中最为常见的是热压法和热处理法。
热压法是将预先制备的碳纤维增强陶瓷基复合材料在高温高压下进行加热压制，使其形成连续的结构。
这种方法适用于制备块状和板状复合材料。
热处理法则是先将碳纤维增强材料进行数次高温氧化处理，使其表面形成含有氧的层，然后进行碳化处理和陶瓷化处理，最终得到陶瓷基复合材料。
这种方法适用于制备复杂形状的复合材料。
3. 性能研究碳纤维增强陶瓷基复合材料具有优异的性能，如高强度、高刚度、低密度、高温耐性、抗腐蚀等，其力学性能和热学性能是研究的重点。
力学性能研究主要包括拉伸强度、屈服强度、断裂韧性等指标的测试和评估。
热学性能研究主要包括热膨胀系数、导热系数、热稳定性等指标的测试和评估。
研究表明，碳纤维增强陶瓷基复合材料的力学性能远远优于传统金属材料，具有极高的强度和刚度；而其热学性能也表现出卓越的优势，具有很高的耐热性和热稳定性。
4. 应用前景碳纤维增强陶瓷基复合材料具有广泛的应用前景。
在航空和航天产业中，用以制造减重、高刚度、高强度的重要部件；在汽车产业中，用于制造轻量化结构件和发动机；在新能源领域，用于制造高温耐受的储能材料等。
总之，碳纤维增强陶瓷基复合材料具有优异的性能和广泛的应用前景，能够为现代工业的发展做出巨大的贡献。
陶瓷基复合材料及其应用
陶瓷基复合材料及其应用陶瓷基体是陶瓷基复合材料的主要组成部分，常见的陶瓷基体有氧化铝、硼化硅、碳化硅等。
这些陶瓷基体具有高硬度、高强度和高抗磨损性能，可以提供复合材料的基本力学性能。
增强材料常用的有碳纤维、陶瓷纤维等。
这些增强材料可以增加复合材料的强度和韧性，提高其抗拉、抗弯和抗冲击等性能。
1.机械工程领域：陶瓷基复合材料具有优异的耐磨损性能和高温强度，因此在机械零部件的制造中得到广泛应用。
例如，在汽车制动系统中使用的陶瓷基复合材料制动片，可以提供更好的制动效果和更长的使用寿命。
2.航空航天领域：陶瓷基复合材料具有低密度和高温性能优异的特点，可以用于制造航空发动机的叶片、涡轮和导向叶片等关键部件。
这些材料可以在高温条件下提供更好的性能和更长的使用寿命。
3.化工工业领域：陶瓷基复合材料具有优异的耐腐蚀性能，可以在强酸、强碱和高温环境下使用。
因此，在化工工业中常用陶瓷基复合材料制造化工设备，如塔板、泵壳和阀门等。
4.电子和光电领域：陶瓷基复合材料具有优异的绝缘性能和热性能，可以用于制造高温电子器件和光学器件。
例如，在半导体工业中常用陶瓷基复合材料制造高温封装和散热器件。
5.医疗器械领域：陶瓷基复合材料具有生物相容性良好的特点，可以用于制造人工关节、牙科种植体和骨修复材料等医疗器械。
这些材料可以提供更好的生物相容性和更长的使用寿命。
陶瓷基复合材料的研究也面临一些挑战和机遇。
其中，陶瓷基体与增强材料之间的界面问题是一个关键问题。
界面的结合强度和界面的耐热性能对陶瓷基复合材料的综合性能有重要影响。
因此，如何控制和改善陶瓷基复合材料界面的性能是目前研究的热点之一、此外，陶瓷基复合材料的制备工艺和成本也是研究的重点之一，如何开发新的制备工艺和提高生产效率是当前的挑战。
总之，陶瓷基复合材料具有广泛的应用领域和重要的研究价值。
随着科学技术的不断进步，相信陶瓷基复合材料在各个领域将有更加广泛的应用和发展。
碳纤维增强SiBCN陶瓷基复合材料的制备及性能
维增 强 Ｓ ｉ Ｂ Ｃ Ｎ 陶瓷基 复合 材料 ， 并 对其 力 学性 能进行 了初 步研 究。经 ８次 浸 溃一 裂解 ， 所 得 复合材 料 室温 弯 曲
强度 为 ３ ３ ４ ＭＰ ａ ， ８ ０ ０ ＂ Ｃ ／ 氩 气条件 下 弯曲 强度 ３ ６ ７ ＭＰ ａ 。该复合 材料 未经抗 氧化 防护 处理情 况下 ， ８ ０ ０ ￣ Ｃ静 态 空 气 中氧化 ３ ｈ后 ， 强度 保 留率 约为 ６ ０ ％。 关键 词 聚硼硅 氮烷 ， 前驱体 浸 渍裂 解技 术 ， 陶瓷基 复合 材料
王 秀军 ＇ 张 宗波 曾 凡
李永明
徐 彩 虹
（ １ 中 国科 学 院化 学 研 究 所 ， 北 京 １ ０ ０ １ ９ ０ ）
（ ２ 中国科 学院研究生院 ， 北京 １ ０ ０ ０ ４ ９ ）
文
摘 以 自制 的 聚硼硅 氮烷 （ Ｐ — Ｓ ｉ Ｂ Ｃ Ｎ） 为基体 聚合 物 利 用前驱 体浸 渍 裂解技 术 （ Ｐ Ｉ Ｐ ） 制 备 了二 维碳 纤
ｉ ｎ ｖ ｅ ｓ ｔ ｉ ｇ ａ ｔ ｅ ｄ ．Ｔｈ ｅ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ｆ ｒ ｏ ｍ ８ ＰＩ Ｐ— ｃ ｙ ｃ ｌ ｅ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗｅ ｄ ｉ ｔ ｓ ｌｅ ｆ ｘ ｕ ｒ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ｓ ｏ ｆ ３ ３ ４ ＭＰａ ａ ｔ ｒ ｏ ｏ ｍ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕｒ ｅ， ａ ｎ ｄ ｉ ｎ — ｓ ｉ ｔ ｕ ｌｅ ｆ ｘ ｕ ｒ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎｇ ｔ ｈ ｏ ｆ ３ ６ ７ ＭＰａ ａ ｔ ８ ００￣ Ｃ ｉ ｎ ｉ ｎ ｅ ｔ ｒ ｇ ａ ｓ ａ ｔ ｍｏ ｓ ｐｈ ｅ ｒ ｅ ．Ｔｈ ｅ ｃ ｏ ｍｐｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｒ ｅ ｔ ａ ｉ ｎｅ ｄ ｉ ｔ ｓ ６ ０％
陶瓷基复合材料(CMC)
第四节陶瓷基复合材料（CMC）1.1概述工程中陶瓷以特种陶瓷应用为主，特种陶瓷由于具有优良的综合机械性能、耐磨性好、硬度高以及耐腐蚀件好等特点，已广泛用于制做剪刀、网球拍及工业上的切削刀具、耐磨件、发动机部件、热交换器、轴承等。
陶瓷最大的缺点是脆性大、抗热震性能差。
与金属基和聚合物基复合材料有有所不同的，是制备陶瓷基复合材料的主要目的之一就是提高陶瓷的韧性。
特别是纤维增强陶瓷复合材料在断裂前吸收了大量的断裂能量，使韧性得以大幅度提高。
表6—1列出了由颗粒、纤维及晶须增强陶瓷复合材料的断裂韧性和临界裂纹尺寸大小的比较。
很明显连续纤维的增韧效果最佳，其次为品须、相变增韧和颗粒增韧。
无论是纤维、晶须还是颗粒增韧均使断裂韧性较整体陶瓷的有较大提高，而且也使临界裂纹尺寸增大。
陶瓷基复合材料的基体为陶瓷，这是一种包括范围很广的材料，属于无机化合物纳构远比金属与合金复杂得多。
使用最多的是碳化硅、氮化硅、氧化铝等，它们普遍具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量轻和价格低等优点。
陶瓷材料中的化学键往注是介于离子键与共价键之间的混合键。
陶瓷基复合材料中的增强体通常也称为增韧体。
从几何尺寸上可分为纤维(长、短纤维)、晶须和颗粒三类。
碳纤维是用来制造陶瓷基复合材料最常用的纤维之一。
碳纤维主要用在把强度、刚度、重量和抗化学性作为设计参数的构件，在1500霓的温度下，碳纤维仍能保持其性能不变，但对碳纤维必须进行有效的保护以防止它在空气中或氧化性气氛中被腐蚀，只有这样才能充分发挥它的优良性能。
其它常用纤维是玻璃纤维和硼纤维。
陶瓷材料中另一种增强体为晶须。
晶须为具有一定长径比(直径o 3。
1ym，长30—lMy”)的小单晶体。
从结构上看，晶须的特点是没有微裂纹、位偌、孔洞和表面损伤等一类缺陷，而这些缺陷正是大块晶体中大量存在且促使强度下降的主要原因。
在某些情况下，晶须的拉伸强度可达o．1Z(Z为杨氏模量)，这已非常接近十理论上的理想拉伸强度o．2Z。
碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料
缺点：①致密周期较长，制品的孔隙率较高，对材料蠕变性能有一定影响；②基体密度在裂解前后相 差很大，致使基体的体积收缩很大(可达50～70％)，因此需要多次循环才能达到致密化。
优点：基体软化温度较低，可使热压温度接近或 低于陶瓷软化温度。适用于制备单层或叠层构件， 致密度较高且缺陷少。
缺点：SiC陶瓷基体的烧结温度一般在1800℃以 上（添加加烧结助剂，常见的有TiB2、TiC、B、 BN等）。
4、液相硅浸渍法(LSI)
液相硅浸渍法是通过Si+C反应烧结生成，也称反应熔体浸渗法主要工艺流程如下： 纯固体硅于1700℃左右熔融成液态硅，通过C／C复合材料中大量分布的气孔，利用 毛细作用原理渗透到预制体内部并与C发生反应生成SiC陶瓷基体。 优点：工艺时间短，成本低。同时还可以制备大尺寸、复杂的薄壁结构组件。 缺点：制备Cf／SiC复合材料时，由于熔融Si与基体C发生反应的过程中，不可避免 地会与碳纤维发生反应，纤维被浸蚀导致复合材料性能下降。（只能制得一维或二维 的Cf／SiC复合材料，应用前景不大）
改善：均热法、热梯度法、等温强制流动等工艺
2、先驱体转化法(PIP)
先驱体转化法(PIP)是近年来发展迅速的一种制备Cf／SiC复合材料的制备工艺，由于成型工艺简单、 制备温度较低等特点而受到关注。该方法是利用有机先驱体在高温下裂解进而转化为无机陶瓷基体。 基本流程为：将含Si的有机聚合物先驱体(如聚碳硅烷、聚甲基硅烷等)溶液或熔融体浸渍到碳纤维预 制体中，干燥固化后在惰性气体保护下高温裂解，得到SiC陶瓷基体，并通过多次浸渍裂解处理后可获 得致密度较高的Cf／SiC复合材料。
陶瓷基复合材料论文资料
陶瓷基复合材料在航天领域的应用概念：陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。
陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。
这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。
而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。
纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。
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。
一、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1.1纤维类增强体纤维类增强体有连续长纤维和短纤维。
连续长纤维的连续长度均超过数百。
纤维性能有方向性，一般沿轴向均有很高的强度和弹性模量。
1.2颗粒类增强体颗粒类增强体主要是一些具有高强度、高模量。
耐热、耐磨。
耐高温的陶瓷等无机非金属颗粒，主要有碳化硅、氧化铝、碳化钛、石墨。
细金刚石、高岭土、滑石、碳酸钙等。
主要还有一些金属和聚合物颗粒类增强体，后者主要有热塑性树脂粉末1.3晶须类增强体晶须是在人工条件下制造出的细小单晶，一般呈棒状，其直径为0.2~1微米，长度为几十微米，由于其具有细小组织结构，缺陷少，具有很高的强度和模量。
1.4金属丝用于复合材料的高强福、高模量金属丝增强物主要有铍丝、钢丝、不锈钢丝和钨丝等，金属丝一般用于金属基复合材料和水泥基复合材料的增强，但前者比较多见。
1.5片状物增强体用于复合材料的片状增强物主要是陶瓷薄片。
将陶瓷薄片叠压起来形成的陶瓷复合材料具有很高的韧性。
二、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。
纤维增韧陶瓷基复合材料
纤维增韧陶瓷基复合材料
纤维增韧陶瓷基复合材料是一种新型材料，它以陶瓷为基体，与各种纤维进行复合。
这种材料具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐磨耐蚀和良好的韧性等优点，因此在高精尖领域有广泛的应用。
纤维增韧陶瓷基复合材料的制备工艺相当复杂，需要精确控制各组分的比例和加工条件。
其中，纤维的选择是关键，它们必须具备高强度、高弹性等特点，以便能够有效提高陶瓷的韧性和可靠性。
在材料的应用方面，纤维增韧陶瓷基复合材料已经用于制造液体火箭发动机喷管、导弹天线罩、航天飞机鼻锥、飞机刹车盘和高档汽车刹车盘等。
这些应用表明了该材料在高温、高强度和耐磨等极端环境下的优异性能。
总的来说，纤维增韧陶瓷基复合材料是一种具有巨大潜力的新型材料，其研究和应用前景非常广阔。
随着科技的不断发展，我们期待这种材料在未来能够发挥出更大的作用，为人类的生产和生活带来更多的便利和效益。
碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的研究进展及应用
碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的研究进展及应用1研究进展近年来，随着碳纤维增强碳化硅陶瓷复合材料（CCR）性能优越的发现，越来越受到科学家和工程师的关注。
并且CCR的陶瓷相结构具有极高的抗热、抗冲击、抗腐蚀和耐磨性能。
然而，由于其微观和宏观机械性能调控能力较弱，该复合材料在应用中仍受到一定的限制。
近期，CCR材料的性能优势受到了很多研究者的重视，各种新型结构，复杂的组合加工工艺及增强技术被提出。
例如，抗腐蚀性能可以通过制备复合表面层来改善；抗热、抗受力能力可以通过控制碳纤维的尺寸和排列方式来改善；耐磨性能可以通过引入碳材料的碳-氧化物多层复合来增强。
最近，一些拥有改良机械性能的新制备工艺也被研究并实施，包括激光熔覆、前景碳化熔覆、快速增材成型、焊接熔覆和高速冲击等。
2应用对于碳纤维增强碳化硅陶瓷复合材料，主要应用于航空航天、船舶航行及军事等方面，其优越的机械性能使其成为一种非常理想的重要应用材料。
如果说航空飞机，这种复合材料可以替代大部分传统金属。
由于复合材料的轻重比和热稳定性更佳，可以帮助飞机减轻重量。
此外，其优越的抗受力和抗腐蚀性能还可以防止复合材料受到高温或低温环境的影响。
此外，由于复合材料可以克服传统金属在热响应速度受到拘束的缺点，在军事上其应用也都非常广泛。
最新研究表明，该材料很容易改变其形状，使用CCR，军事装备及其它武器物品可以取得更好的效果。
3结论碳纤维增强碳化硅陶瓷复合材料的研究及应用正在逐渐受到重视，复合材料的热稳定性、高抗受力和抗腐蚀性等优势在航空航天、船舶航行及军事领域都得到了广泛的应用。
此外，新的制备工艺也取得了巨大的进步，可以有效地改善复合材料的机械性能。
因此，未来碳纤维增强碳化硅陶瓷复合材料将有望发展出更强大的功能更适应更多应用场景。
陶瓷基复合材料的制备方法
结、冷却过程后，从窑的另一端取出成品。
4．精加工
由于高精度制品的需求不断增多，因此在烧结
后的许多制品还需进行精加工。 精加工的目的是为了提高烧成品的尺寸精度和 表面平滑性，前者主要用金刚石砂轮进行磨削加工， 后者则用磨料进行研磨加工。
以上是陶瓷基复合材料制备工艺的几个主要步
韧陶瓷基复合材料。
由于晶须的尺寸很小，从宏观上看与粉末一样，
因此在制备复合材料时，只需将晶须分散后与基体粉
末混合均匀，然后对混好的粉末进行热压烧结，即可
制得致密的晶须增韧陶瓷基复合材料。
目前常用的是SiC，Si3N4 ，Al2O3 晶须，常用的基 体则为Al2O3，ZrO2，SiO2，Si3N4及莫来石等。 晶须增韧陶瓷基复合材料的性能与基体和晶须的 选择、晶须的含量及分布等因素有关。
易造成烧成后的生坯变形或开裂、只能适用于形
状比较简单的制件。
采用橡皮模成型法是用静水压从各个方向均 匀加压于橡皮模来成型，故不会发生生坯密度不 均匀和具有方向性之类的问题。
由于在成型过程中毛坯与橡皮模接触而压成
生坯，故难以制成精密形状，通常还要用刚玉对 细节部分进行修整。
另一种成型法为注射成型法。从成型过程上看，
据需要的厚度将单层或若干层进行热压烧结成型，如
下图所示。
纤维 层 基体
纤维布层压复合材料示意图 这种材料在纤维排布平面的二维方向上性能优越，而在垂 直于纤维排布面方向上的性能较差。 一般应用在对二维方向上有较高性能要求的构件上。
另一种是纤维分层单向排布，层间纤维成一定角度，
如下图所示。 纤维层
基体
Z
三向C/C编织结构示意图 Y
这种三维多向编织结构还可以通过调节
陶瓷基复合材料的发展
陶瓷基复合材料的发展
陶瓷基复合材料是一种由陶瓷基体和其他添加材料组成的复合材料。
它具有陶瓷的高温稳定性、硬度和耐磨性，并融合了其他材料的特性，如金属的导电性、塑料的韧性和纤维增强材料的强度。
陶瓷基复合材料的发展可以追溯到20世纪60年代以来。
最早的陶瓷基复合材料主要是在纳米
级陶瓷颗粒中添加金属、碳纤维等材料，以提高其韧度和抗断裂性能。
随着技术的进步，新的复合材料和制备方法被开发出来，陶瓷基复合材料的性能不断提高。
目前，陶瓷基复合材料在多个领域得到了广泛应用。
例如，陶瓷基复合材料在航空航天领域中应用于发动机喷嘴、热障涂层等高温部件，具有出色的高温性能和耐腐蚀性能。
在汽车工业中，陶瓷基复合材料可以用于发动机零部件、刹车片等耐磨部件，提高其耐久性和性能。
此外，陶瓷基复合材料还在电子、光学、医疗等领域中发挥重要作用。
例如，陶瓷基复合材料可以制备用于高频电子器件的介质材料，具有低介电损耗和高绝缘性能。
在光学领域，陶瓷基复合材料可用于制备高精度光学元件，如反射镜和透镜，具有优良的光学性能和耐磨性。
未来，陶瓷基复合材料的发展趋势将主要集中在提高材料性能和制备工艺的改进上。
随着纳米技术和3D打印技术的发展，将更高性能的添加材料引入陶瓷基复合材料中，有望进一步提高
其力学性能、导电性能和耐磨性能。
陶瓷基复合材料的制备方法与工艺
陶瓷基复合材料的制备方法与工艺随着科学技术的不断发展，陶瓷基复合材料在工业生产和科学研究中得到了广泛的应用。
陶瓷基复合材料具有优良的耐磨性、高温稳定性和化学稳定性，因此在航空航天、汽车制造、医疗器械等领域有着重要的地位。
本文将介绍陶瓷基复合材料的制备方法与工艺。
一、陶瓷基复合材料的制备方法1. 热压法：热压法是一种常用的陶瓷基复合材料制备方法。
首先将陶瓷粉末与增强相（如碳纤维、玻璃纤维等）混合均匀，然后将混合物放入模具中，经过一定的温度和压力条件下进行热压，使得陶瓷粉末和增强相充分结合，最终得到陶瓷基复合材料制品。
2. 溶胶-凝胶法：溶胶-凝胶法是一种制备陶瓷基复合材料的新型方法。
首先将陶瓷前驱体（如硅酸酯、铝酸盐等）与增强相混合，在一定的条件下形成溶胶，然后通过凝胶化过程使得溶胶形成凝胶，最终通过热处理制备出陶瓷基复合材料。
3. 拉伸成型法：拉伸成型法是一种制备纤维增强陶瓷基复合材料的方法。
首先将陶瓷粉末与增强相混合，然后通过拉伸成型设备将混合物进行拉伸成型，最终得到纤维增强的陶瓷基复合材料。
二、陶瓷基复合材料的制备工艺1. 原料选择：在制备陶瓷基复合材料时，需要选择优质的陶瓷粉末和增强相。
陶瓷粉末的选择应考虑其颗粒大小、形状和化学成分，而增强相的选择应考虑其强度、刚度和耐热性能。
2. 混合均匀：在制备过程中，陶瓷粉末和增强相需要进行混合均匀，以确保最终制品的性能稳定。
3. 成型工艺：根据不同的制备方法，成型工艺也有所不同。
在热压法中，需要选择合适的温度和压力条件；在溶胶-凝胶法中，需要控制好溶胶和凝胶的形成过程；在拉伸成型法中，需要控制好拉伸成型设备的参数。
4. 烧结工艺：烧结是制备陶瓷基复合材料的重要工艺环节，通过烧结可以使得材料颗粒之间结合更加紧密，提高材料的密度和强度。
5. 表面处理：在制备陶瓷基复合材料的最后一道工艺中，可以对制品进行表面处理，如抛光、涂层等，以提高制品的表面质量和外观。
陶瓷基复合材料及其应用
界面相设计
优化界面相的组成和结构，提高 陶瓷基复合材料的力学性能和热 稳定性。
发展历程
起步阶段
20世纪50年代，陶瓷基复合材料开始研究和发 展。
突破阶段
20世纪70年代，随着碳纤维的发展，陶瓷基复 合材料在力学性能方面取得了重大突破。
应用阶段
20世纪80年代以后，陶瓷基复合材料在航空航天、汽车等领域得到广泛应用。
陶瓷基复合材料及其 应用
• 陶瓷基复合材料简介 • 陶瓷基复合材料的种类 • 陶瓷基复合材料的应用领域 • 陶瓷基复合材料的挑战与前景 • 案例分析
目录
01
陶瓷基复合材料简介
定义与特性
定义
陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体，与 各种增强材料复合而成的一种力学性 能优异、具有特殊功能的新型复合材 料。
02
陶瓷基复合材料的种类
氧化铝基复合材料
总结词
氧化铝基复合材料是以氧化铝为基体 ，与其他陶瓷或金属材料复合而成的 一种高性能复合材料。
详细描述
氧化铝基复合材料具有高强度、高硬 度、耐磨、耐高温和抗氧化等优异性 能，广泛应用于航空航天、汽车、能 源和化工等领域。
碳化硅基复合材料
总结词
碳化硅基复合材料是以碳化硅为基体，与其他陶瓷或金属材料复合而成的一种 高性能复合材料。
其他陶瓷基复合材料
总结词
除了上述几种常见的陶瓷基复合材料外，还有许多其他种类的陶瓷基复合材料， 如氮化硼基复合材料、碳化钛基复合材料等。
详细描述
这些陶瓷基复合材料也具有优异的力学性能和化学稳定性，在各种领域都有广泛 的应用前景。
03
陶瓷基复合材料的应用领域
航空航天
航空发动机部件
陶航空发动机的燃烧室、涡轮叶片等 关键部件。
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料的复合机理、制备、生产、应用及发展前景摘要：材料是科学技术发展的基础，材料的发展可以推动科学技术的发展，材料主要有金属材料、聚合物材料、无机非金属材料和复合材料四大类。
其中复合材料是是最新发展地来的一大类，发展非常迅速。
最早出现的是宏观复合材料，它复合的组元是肉眼可以看见的，比如混凝土。
随后发展起来的是微观复合材料，它的组元肉眼看不见。
由于复合材料各方面优异的性能，因此得到了广泛的应用。
复合材料对航空、航天事业的影响尤为显著，可以说如果没有复合材料的诞生，就没有今天的飞机、火箭和宇宙飞船等高科技产品。
本文从纤维增强陶瓷基复合材料C f/SiC入手，综述了陶瓷基复合材料（ceramic matrix composite，CMC）的特殊使用性能、界面增韧机理、制备工艺作了较全面的介绍，并对CMC的的研究现状、未来发展进行了展望。
正文1、陶瓷基复合材料的定义与特性陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。
陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。
这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。
而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。
纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。
陶瓷基复合材料(CMC)由于具有高强度、高硬度、高弹性模量、热化学稳定性等优异性能，是制造推重比10 以上航空发动机的理想耐高温结构材料。
一方面，它克服了单一陶瓷材料脆性断裂的缺点，提高了材料的断裂韧性；另一方面，它保持了陶瓷基体耐高温、低膨胀、低密度、热稳定性好的优点。
陶瓷基复合材料的最高使用温度可达1650℃，而密度只有高温合金的70％。
因此，近几十年来，陶瓷基复合材料的研究有了较快发展。
目前CMC 正在航空发动机的高温段的少数零件上作评定性试用。
陶瓷基复合材料的研究现状与发展前景
陶瓷基复合材料的研究现状与发展前景目前，陶瓷基复合材料的研究主要集中在以下几个方面：1.多相复合材料的设计与制备：陶瓷基复合材料通常由陶瓷基质和强化相组成，通过调控两者之间的相互作用，可以实现材料性能的优化。
目前，研究者们通过改变不同相的比例、尺寸和形态，以及引入适量的界面相来实现复合材料的设计。
此外，也有学者通过设计多层结构、梯度结构和纳米结构等方法来增加材料的界面面积和界面结合强度，从而提高材料的力学性能和耐磨性能。
2.陶瓷基复合材料的性能改善：陶瓷基复合材料的一个主要目标是提高其力学性能和耐磨性能。
为此，研究者在陶瓷基复合材料中引入了各种强化相，如碳化硅、碳化硼、氮化硅等，以提高材料的硬度和强度。
此外，还有学者通过控制复合材料的纤维方向、制备多孔材料等方法，来改善材料的韧性和抗撞击性能。
同时，还有部分研究者在陶瓷基复合材料中引入纳米颗粒、纳米管道和纳米纤维等，以提高材料的导电性、导热性和光学性能。
3.陶瓷基复合材料的制备技术：陶瓷基复合材料的制备通常包括两个步骤，即原料的混合和制备过程的选择。
在混合过程中，常用的方法包括干法混合、湿法混合和机械合金化等。
而在制备过程的选择上，常用的方法包括烧结、热压、热等静压、溶胶凝胶法、化学气相沉积等。
在制备技术方面，人们的研究重点主要集中在提高材料的致密性、结晶度和尺寸的控制等方面。
陶瓷基复合材料在各个领域中都有广泛的应用前景。
例如，在航空航天领域，陶瓷基复合材料可以用于制造高温结构件、涡轮叶片和发动机喷嘴等部件，以提高其耐高温和高应力环境下的性能。
在电子设备领域，陶瓷基复合材料可以用于制造封装材料、电阻器和散热器等器件，以提高其耐高温和导热性能。
在汽车制造领域，陶瓷基复合材料可以用于制造发动机和刹车系统等重要零部件，以提高其耐磨和耐蚀性能。
综上所述，陶瓷基复合材料是一种性能优异、应用前景广阔的材料。
通过不断地改进材料的设计和制备技术，陶瓷基复合材料有望在各个领域中得到更广泛的应用。
陶瓷基复合材料的性质及其应用前景
陶瓷基复合材料的性质及其应用前景陶瓷基复合材料是一种新型的复合材料，它由陶瓷基体和增强材料组成。
其特点是硬度高、强度大、耐高温、耐腐蚀、绝缘性能好等。
由于其独特的性质，陶瓷基复合材料在航空航天、汽车制造、电子和电力工业等领域都有广泛的应用。
一、陶瓷基复合材料的组成陶瓷基复合材料由陶瓷基体和增强材料组成。
其中，陶瓷基体通常采用氧化物陶瓷或碳化物陶瓷，而增强材料则可以选择纤维材料、颗粒材料、层板材料等。
陶瓷基复合材料的制备方法很多，主要包括热压、热等静压、拉伸成型等。
二、陶瓷基复合材料的性质1. 高硬度由于陶瓷基复合材料的基体是陶瓷，因此具有非常高的硬度。
事实上，某些陶瓷基复合材料的硬度可以接近金刚石，达到20GPa以上。
这一优异的性能意味着它们可以耐受高度的磨损和冲击，适用于大多数需要高耐久性的应用领域。
2. 高强度在增强材料的加入下，陶瓷基复合材料具有很高的强度和刚性。
因此，它们可以承受非常大的载荷，并在极端条件下工作。
这种性质使它们成为航空航天、汽车制造和电力工业等相关领域中理想的结构材料。
3. 耐高温陶瓷基复合材料具有非常好的耐高温性能。
在高温环境下，它们保持不失效、不变形等特性。
因此，它们被广泛应用于航空航天、汽车制造等需要高温稳定性能的领域。
4. 耐腐蚀陶瓷基复合材料还具有良好的耐腐蚀性能。
在强酸、强碱、高浓度的腐蚀性环境下，它们仍然可以保持稳定。
这一性质使它们成为化工、电力工业领域中的理想材料。
5. 绝缘性能好陶瓷基复合材料具有很好的绝缘性能，因此广泛运用于电子和电力工业中。
它们可以承受高电压、高电流的特性，同时在工作过程中不会导电或产生电磁干扰。
三、陶瓷基复合材料的应用前景由于其优异的性能和多功能性，陶瓷基复合材料在多个领域都有很广泛的应用前景。
以下是一些典型应用案例：1. 航空航天陶瓷基复合材料可以用于制作飞机、火箭、导弹的部件，如机身、引擎、导向器等。
因为它们的低重量、高强度和耐高温性质可以降低飞行设备的质量和提高操作效率。
纤维增强陶瓷基复合材料的制备工艺
纤维增强陶瓷基复合材料的制备工艺纤维增强陶瓷基复合材料因其卓越的力学性能和高温稳定性而在航空航天、汽车、能源等领域得到广泛应用。
制备这种复合材料的方法有很多，以下是其中几种常见的制备工艺：一、预制法预制法是一种制备纤维增强陶瓷基复合材料的方法，其基本步骤包括制备增强纤维预制体、浸渍陶瓷基体材料和烧结或热压等。
在预制法中，增强纤维预制体的制备是关键步骤之一。
根据所需的形状和尺寸，可以采用不同的编织技术，如机织、针织、非织造等方法制成预制体。
增强纤维的选择也至关重要，常用的有玻璃纤维、碳纤维、氧化铝纤维等。
浸渍陶瓷基体材料是将增强纤维预制体浸入陶瓷基体溶液中，使其均匀涂覆在纤维表面。
这一步可以借助浸渍、涂刷或喷涂等方法实现。
陶瓷基体材料的选择应与增强纤维相容，并具有高温稳定性、良好的力学性能和化学稳定性。
最后一步是烧结或热压，通过控制温度和压力，使陶瓷基体与增强纤维紧密结合在一起，形成致密的复合材料。
烧结或热压的条件应根据陶瓷基体和增强纤维的特性进行选择，以确保最佳的结合效果。
预制法的优点在于可以制备形状复杂的复合材料，适用于制备大型部件。
同时，增强纤维预制体的可设计性较高，可以根据实际需求调整纤维的排列和密度，从而优化复合材料的性能。
然而，预制法也存在一些局限性，如增强纤维预制体的制备较为复杂，且陶瓷基体与增强纤维之间的界面结合强度可能较低。
为了提高预制法纤维增强陶瓷基复合材料的性能，可以采取一些措施，如优化增强纤维预制体的制备工艺、选择合适的陶瓷基体材料和优化烧结或热压条件等。
此外，对界面进行改性处理也是提高复合材料性能的有效途径，如采用偶联剂、涂层等方法改善界面结合强度。
二、直接法直接法是一种将增强纤维直接混合到陶瓷基体中的制备工艺。
直接法是一种制备纤维增强陶瓷基复合材料的方法，其基本原理是将增强纤维直接与陶瓷基体材料混合在一起，然后通过热压或注射成型等方法制成复合材料。
在直接法中，首先将增强纤维（如碳纤维、玻璃纤维等）与陶瓷粉末混合在一起，形成均匀的混合物。
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料是一种将陶瓷作为基体，同时添加其他材料形成的复合材料。
它具有优异的高温性能、耐磨性、耐腐蚀性和机械性能，广泛应用于航空航天、汽车、电子、能源和化工等领域。
本文将重点介绍陶瓷基复合材料的特点、制备方法和应用。
陶瓷基复合材料的特点有以下几个方面。
首先，它具有很高的耐高温性能。
陶瓷基复合材料可以在高温下长时间工作，不会烧结或软化，因此在航空航天和汽车引擎等高温环境中得到广泛应用。
其次，它具有优异的耐磨性。
陶瓷基复合材料的硬度和抗磨损性能远远超过金属材料，可以用于制造耐磨件，如轴承、机械密封件等。
此外，它还具有较高的抗腐蚀性能和较低的摩擦系数，可以用于制造化学装置和摩擦副。
陶瓷基复合材料的制备方法主要包括烧结法和浸渍法。
烧结法是将陶瓷粉末和其他材料混合后，通过高温加热使其熔结成型。
这种方法适用于制备纯陶瓷基复合材料，如氧化铝基陶瓷复合材料。
浸渍法是将陶瓷基体浸渍于其他材料溶液中，然后通过热处理使其形成复合材料。
这种方法可以制备各种类型的陶瓷基复合材料，如碳纤维增强陶瓷基复合材料和碳化硅增强陶瓷基复合材料。
陶瓷基复合材料在各个领域中都有广泛的应用。
在航空航天领域，它可用于制造发动机组件、航空轴承、导弹和卫星零部件等。
在汽车领域，它可用于制造发动机缸套、刹车片、活塞环等。
在电子领域，它可用于制造电子散热器、半导体器件等。
在能源领域，它可用于制造核燃料颗粒、核电站部件等。
在化工领域，它可用于制造化学反应器、蒸馏柱等。
综上所述，陶瓷基复合材料具有优异的高温性能、耐磨性、耐腐蚀性和机械性能，广泛应用于航空航天、汽车、电子、能源和化工等领域。
随着科技的进步和材料制备技术的发展，陶瓷基复合材料的应用前景将更加广阔。
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纤维增强陶瓷基复合材料的制备及其发展和应用摘要：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．为此，人们通过采用连续纤维增韧方法改进其特性，进而研发出连续纤维增强陶瓷基复合材料。
该种材料采用碳或陶瓷等纤维进行增强，使陶瓷基体在断裂过程中发生裂纹偏转，纤维断裂和纤维拔出等的同时，吸收能量，既增强了强度和韧性，又保持了良好的高温性能。
本文主要是综述了陶瓷基连续纤维增强复合材料的制备方法，并分析了各种工艺的优缺点。
在总结了现阶段连续纤维增强复合材料研究中存在的问题的基础上，提出了今后连续纤维增强复合材料的主要研究方向。
关键字：陶瓷基增强复合材料连续纤维制备方法目录1 引言 (2)1.1 前言 (2)1.2 陶瓷基复合材料的基本介绍和种类及其应用前景 (3)1.2.1陶瓷基复合材料的基本介绍 (3)1.2.2纤维增强陶瓷基复合材料的主要种类 (4)1.2.3 陶瓷基复合材料的应用前景 (5)1.3国内外的研究成果 (5)1.4 实验研究内容 (8)2 连续纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法 (8)2.1料浆浸渍和热压烧结法 (8)2.2 直接氧化沉积法 (9)2.3溶胶-凝胶法 (10)2.4化学气相法 (10)2.5 先驱体转化法 (10)3结束语 (11)参考文献 (12)1 引言1.1 前言科学技术的发展对材料提出了越来越高的要求,陶瓷基复合材料由于在破坏过程中表现出非脆性断裂特性,具有高可靠性,在新能源、国防军工、航空航天、交通运输等领域具有广阔的应用前景。
陶瓷基复合材料(Ceramic matrix composite，CMC)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 (Multiphase composite ceramic)或复相陶瓷(Diphase ceramic)。
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。
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【1】。
连续纤维增强复合材料(Continuous fiber reinforcedcomposites)是以连续长纤维为增强材料，金属、陶瓷等为基体材料制备而成。
金属基复合材料是以陶瓷等为增强材料，金属、轻合金等为基体材料而制备的。
从20世纪60年代起各国都相继对金属基复合材料开展了大量的研究，因其具有高比强度、高比模量和低热膨胀系数等特点而被应用于航天航空及汽车工业。
陶瓷材料具有熔点高、密度低、耐腐蚀、抗氧化和抗烧蚀等优异性能，被广泛用于航天航空、军事工业等特殊领域。
但是陶瓷材料的脆性大、塑韧性差导致了其在使用过程中可靠性差，制约了它的应用范围。
而纤维增强陶瓷基复合材料方面克服了陶瓷材料脆性断裂的缺点，另一方面保持了陶瓷本身的优点[2]。
碳化硅作为一种具有优良特性的常用陶瓷材料,其高温强度及抗热震性能良好,密度低、硬度高、耐磨损、热膨胀系数低及导热性好。
但是,断裂韧性低在一定程度上限制了该材料作为高温承力构件使用。
向陶瓷材料中引入连续纤维增强体是提高材料断裂韧性最有效的方法之一。
因此,纤维及其织物增强技术受到复合材料研究者的青睐[3]。
1.2 陶瓷基复合材料的基本介绍和种类及其应用前景1.2.1陶瓷基复合材料的基本介绍陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。
陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。
这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。
而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。
纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。
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。
陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。
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，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意的使用效果。
1.2.2纤维增强陶瓷基复合材料的主要种类虽然用于纤维增强陶瓷基复合材料的纤维种类较多．但迄今为止，能够真正实用的纤维种类并不多一现简要介绍如下：第一类为氧化铝系列(包括莫来石)纤维一这类纤维的高温抗氧化性能优良，有可能用于14000C以上的高温环境．但目前作为FRCMCs的增强材料主要存在以下两个问题：一是高温下晶体相变、晶粒粗化以及玻璃相的蠕变导致纤维的高温强度下降；二是在高温成型和使用过程中，氧化物纤维易与陶瓷基体(尤其足氧化物陶瓷)形成强结合的界面，导致FRCMCs的脆性破坏，丧失了纤维的补强增韧作用。
第二类为碳化硅系列纤维目前制备碳化硅纤维的方法主要有两种：一足化学气相沉积法(CVD)：用这种方法制备的碳化硅纤维，其高温性能好，但由于直径太大(大于100um)，不利于制备形状复杂的FRCMCs构件，且价格昂贵，因而其应用受到很大限制。
二足有机聚合物先驱体转化法。
在这种方法制备的纤维中，最典型的例子是日本碳公司生产的Nicalon和Tyranno等纤维。
这种纤维的共同特点是，纤维中不同程度地含有氧和游离碳杂质，从而影响纤维的高温性能。
最近，H本碳公司生产的低含氧量碳化硅纤维(Hi．Nicalon)具有较好的高温稳定性，其强度在1500～1600℃温度下变化不大。
第三类为氮化硅系列纤维。
它们实际卜是由Si、N、C和0等组成的复相陶瓷纤维，现已有商品出售。
这类纤维也是通过有机聚合物先驱体转化法制备的，日前也存存着与先驱体碳化硅纤维同样的问题，因而其性能与先驱体碳化硅纤维相近。
第四类为碳纤维。
碳纤维已有三十余年的发展历史，它是目前开发得最成熟，性能最好的纤维之一，已被广泛用作复合材料的增强材料。
其高温性能非常好，在惰性气氛中，2000~C温度范围内其强度基本不下降，是目前增强纤维中高温性能最佳的一类纤维。
然而，高温抗氧化性能差是其最大的弱点。
空气中，温度高于360℃后即出现明显的氧化失重和强度下降，如能解决这个问题(如采用纤维表面涂层等方法)，碳纤维仍小失为FRCMCs的最佳侯选材料[4]。
1.2.3 陶瓷基复合材料的应用前景陶瓷材料是一种本质脆性材料，在制备、机械加工以及使用过程中，容易产生一些内在和外在缺陷，从而导致陶瓷材料灾难性破坏，严重限制了陶瓷材料应用的广度和深度，因此提高陶瓷材料的韧性成为影响陶瓷材料在高技术领域中应用的关键。
近年来，受自然界高性能生物材料的启发，材料界提出了模仿生物材料结构制备高韧性陶瓷材料的思路。
1990年Clegg等创造性材料制备的Sic薄片与石墨片层交替叠层结构复合材料与常规SiC陶瓷材料相比，其断裂韧性和断裂功提高了几倍甚至几十倍，成功地实现了仿贝壳珍珠层的宏观结构增韧。
国内外科研人员在陶瓷基层状复合材料力学性能方面进行了大量的试验研究，取得了很大进展。
陶瓷基层状复合材料力学性能优劣关键在于界面层材料，能够应用在高温环境下，抗氧化的界面层材料还有待进一步开发；此外，在应用C、BN等弱力学性能的材料作为界面层时，虽然能够得到综合性能优异的层状复合材料，但是基体层与界面层之间结合强度低的问题也有待进一步解决。
陶瓷基层状复合材料的制备工艺具有简便易行、易于推广、周期短而廉价的优点，可以应用于制备大的或形状复杂的陶瓷部件。
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，实现了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。
这种新的工艺思路是对陶瓷基复合材料制备工艺的重大突破，将为陶瓷基复合材料的应用开辟广阔前景。
1.3国内外的研究成果我国从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，的相变来缓和由于热膨胀不匹配烧结的途径来改善其化学相容性，通过ZrO2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晶须双^ 复合材料有极好的高温强度和断裂任性，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。
目前用来制备发动机构件的CMC-SiC纤维主要是碳纤维和SiC纤维。
根据制备原料的不同，碳纤维可以分为粘胶基碳纤维、PAN基碳纤维和沥青基碳纤维。
PAN 基碳纤维主要是高强度型；沥青基碳纤维主要是高模量型，也有高强和高模兼具型。
在纤维用于制备航空发动机构件的选型上，美国做了较为广泛的研究。
1994年，NASA的EPM项耳(Enabling Propulsion Materials)选择SiCf／sic作为HSCT(high speed civil transport)发展的最佳材料系统，并开始进行纤维、纤维涂层和基体组成的选择和研究。