陶瓷基复合材料

陶瓷基复合材料综述

引言：

陶瓷基复合材料是近二十年来发展起来的新型材料，由于该类材料具有良好的高温性能。因此它作为耐高温结构材料在航空航天工业和能源工业等领域的应用具有巨大的潜力。如航空发动机的推重比为10时，涡轮前进口温度达1650C, 在这样高的温度下，传统的高温合金材料已经无法满足要求【11,因此国内外的材料研究者纷纷把研究的重点转向陶瓷基复合材料。研究者通过大量的实验发现，陶瓷基复合材料不仅具有良好的高温稳定性和高温抗氧化能力，而且材料在断裂过程中通过裂纹偏转、纤维断裂和纤维拔出等机理吸收能量，既有效的增强了材

料的强度和韧性，又保持了基体材料低膨胀、低密度的特点。

摘要：

概述了陶瓷基复合材料的基本概念，介绍了陶瓷基复合材料的性能、分类及其应用，以及各类陶瓷基复合材料的优点、缺点。重点介绍了陶瓷基复合材料的增韧机理、制备工艺（包括粉末冶金法、浆体法、反应烧结法、液态浸渍法、直接氧化法等）。最后对陶瓷复合基材料的发展前景及发展方向做了展望。

1、陶瓷基复合材料概述

陶瓷分为普通陶瓷和特种陶瓷。普通陶瓷就是我们日常用的陶瓷、建筑陶瓷、化学陶瓷、电瓷及其他工业用瓷。虽然陶瓷外表美观，耐腐蚀，但是它塑性差，易碎，是其致命缺点。而另一种陶瓷：特种陶瓷则刚好解决了这个缺点，让陶瓷的发展有了无限的空间。特种陶瓷包括功能陶瓷和结构陶瓷。是一种复合材料。

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。

2、陶瓷基基复合材料的基体与增强体

(2) 增强体：陶瓷基复合材料中的增强体，通常也称为增韧体。从几何尺寸上增强体可分为纤维(长、短纤维)、晶须和颗粒三类。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。复合材料最主要的增强体是纤维状的。

3、陶瓷基复合材料的性能

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。

4、陶瓷基复合材料的分类

陶瓷基复合材料的分类就是按照增强体种类来分

A纤维：在陶瓷基复合材料中使用得较为普遍的是碳纤维、玻璃纤维、硼纤维等将玻璃小球熔化，然后通过1m左右直径的小孔把它们拉出来。另外，缠绕纤维的心轴的转动速度决定纤维的直径，通常为lo^m勺数量级。

B晶须：晶须为具有一定长径比（直径0.3~1」m,长0~100」m）的小单晶体。晶须的特点是没有微裂纹、位错、孔洞和表面损伤等一类缺陷，因此其强度接近理论强度。由于晶须具有最佳的热性能、低密度和高杨氏模量，从而引起了人们对其特别的关注。在陶瓷基复合材料中使用得较为普遍的是SiC、AYO及Si3NA晶须C颗粒：从几何尺寸上看，颗粒在各个方向上的长度是大致相同的，一般为几个微米。颗粒的增韧效果虽不如纤维和晶须。但是，如果颗粒种类、粒径、含量及基体材料选择适当仍会有一定的韧化效果，同时还会带来高温强度，高温蠕变

性能的改善。所以，颗粒增韧复合材料同样受到重视并对其进行了一定的研究。常用的颗粒也是SiC、SisN等。

5、陶瓷基复合材料的应用:

当在陶瓷基复合材料中引入增强、增韧材料后，陶瓷基复合材

料克服了陶瓷基低韧性的弱点，使其既有很高的

强度又有很好的韧性，从而使陶瓷基复合材料具有很多突出的优

点，特别是韧性的提高，使其在航空航天、军事、能源、汽

车、机械、化工、轻工等很多领域都有着广泛的应用潜力和前

景。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,美国NASA制定的先进高温热机材料计划（H

ITEMP ）、DOE /NA sA的先进

涡轮技术应用计划、美国国家宇航计（NASP）、美国国防关键技术计划以及日本的月光计划等都把高温结构陶瓷基复合材料作为重点研究对象，国际普遍认为, CMG SiC是发动机高温结构材料的技术制高点之一,可反映一个国家先进航空航天器和先进武器装备的设计和制造能力。用颗粒增强铝基复合材料制造刹车盘转子,一方面能降低重量50 ~60%,这不仅减小了惯性力,还增加了制动的加速度以至减少刹车距离；

5.1、在陶瓷工业中。ZrQ用途很广。

但主要用于分散体。研磨介质，窑具锤式破碎机节能球磨机，粉磨机用的偏心轮盘等；在电子陶瓷领域多用作电绝缘耐热陶瓷基片；

5.2、在冶金工业。利用稳定剂与ZrO2形成固溶体产生氧空位。

可制备Mg-PS或Y-PSZ为基的氧敏探头对辊机，检测钢水中的Si、O等杂质的含量；在TZP或PS冲复合适宜的A12Q可制备耐1600C的高温泡沫陶瓷过滤器

报道，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，这是公司第一次在工作发动机中试验CMC 材料。在GE公司将CM材料应用于F136发动机静子部件之前，CM材料已经广泛应用于航空航天领域。但最近的F414试验标志着CM材料第一次应用于发动机旋转部件。虽然作为GE公司技术路线图的一部分，但该试验由美国海军特遣部队支持在转子叶片方面，CM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GE9发动机的替产品。应用CM最关键的收益在于重量的降低，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。GE古计在GE90 级别的发动机上采用CM涡轮转子叶片将降低总重约455kg,相当于GE90-115^动机干质量的6% 5.4 、在食品工业用作罐头盒接缝滚子，罐头盒穿孔器，柱塞，悬垂轴承和单向阀门5.5 、在纺织工业用作导丝器。

主要是由于稳定ZrO在高温下具有导电性给料机水泥磨，可消除丝线与导丝器的静电，而且材料烧成后不需要加工表面即很光洁并耐高温；

5.6 、在航空航天领域：用陶瓷基复合材料制作的导弹的头锥、火箭的喷管、航天飞机的结构件等也收到了良好的效果。

5.7、在切削工具方面：SiCW增韧的细颗粒AI2Q陶瓷复合材料已成功用于工业生产制造切削刀具。由美国格林利夫公司研制、一家生产切削工具和陶瓷材料的厂家和美国大西洋富田化工公司合作生产的WC--300复合材料刀具具有耐高温、稳定性好、强度高和优异的抗热展性能，熔点为2040C，切削速度可达200尺/ 分，甚至更高。

下图为用热压法制备的SiCw/ Al 2Q复合材料钻头