陶瓷基复合材料

班级: 材料081班

学号: 0706100307 学生姓名: 莫国健

陶瓷基复合材料

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入手，综述了陶瓷基复合材料的特殊使用性能、

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。

关键词：陶瓷基复合材料、增强纤维、基体

正文

前言

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。

2.1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。

2.2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。

2.3强韧化技术

2.3.1纤维增韧

为了提高复合材料的韧性,必须尽可能提高材料断裂时消耗的能量。任何固体材料在载荷作用下(静态或冲击),吸收能量的方式无非是两种:材料变形和形成新的表面。对于脆性基体和纤维来说,允许的变形很小,因此变形吸收的断裂能也很少。为了提高这类材料的吸能,只能是增加断裂表面,即增加裂纹的扩展路径。

2.3.2晶须增韧

陶瓷晶须是具有一定长径比且缺陷很少的陶瓷小单晶,因而具有很高的强度,是一种非常理想的陶瓷基复合材料的增韧增强体。

2.3.3相变增韧

相变增韧ZrO2陶瓷是一种极有发展前途的新型结构陶瓷,其主要是利用ZrO2相变特性来提高陶瓷材料的断裂韧性和抗弯强度,使其具有优良的力学性能,

低的导热系数和良好的抗热震性。它还可以用来显著提高脆性材料的韧性和强度,是复合材料和复合陶瓷中重要的增韧剂

2.3.4颗粒增韧

用颗粒作为增韧剂,制备颗粒增韧陶瓷基复合材料,其原料的均匀分散及烧结致密化都比短纤维及晶须复合材料简便易行。因此,尽管颗粒的增韧效果不如晶须与纤维,但如颗粒种类、粒径、含量及基体材料选择得当,仍有一定的韧化效果,同时会带来高温强度、高温蠕变性能的改善。所以,颗粒增韧陶瓷基复合材料同样受到重视,并开展了有效的研究工作。

2.3.5纳米复合陶瓷增韧

纳米技术一出现,便在改善传统材料性能方面显示出极大的优势,该方面的研究有可能使陶瓷增韧技术获得革命性突破。纳米陶瓷由于晶粒的细化,晶界数量会极大增加,同时纳米陶瓷的气孔和缺陷尺寸减小到一定尺寸就不会影响到材料的宏观强度,结果可使材料的强度、韧性显著增加。

2.3.5自增韧陶瓷

如果在陶瓷基体中引入第二相材料,该相不是事先单独制备的,而是在原料中加入可以生成第二相的原料,控制生成条件和反应过程,直接通过高温化学反应或者相变过程,在主晶相基体中生长出均匀分布的晶须、高长径比的晶粒或晶片的增强体,形成陶瓷复合材料,则称为自增韧。这样可以避免两相不相容、分布不均匀问题,强度和韧性都比外来第二相增韧的同种材料高。

三、陶瓷基复合材料的界面对材料整体性能的影响

界面直接影响复合材料的整体力学性能。纤维与基体间界面的主要作用有：

(1)传递作用：由于纤维是主要的载荷承担者，因此界面必须有足够的结合强度来传递载荷，使纤维承受大部分载荷，在基体与纤维之间起到桥梁作用； (2)阻断作用：当基体裂纹扩展到纤维与基体间界面时，结合适当的界面能够阻止裂纹扩展或使裂纹发生偏转，从而达到调整界面应力，阻止裂纹向纤维内部扩展的效果。

当一垂直于纤维方向的裂纹穿入包埋单根纤维的基体时，随后的破坏机制界面对陶瓷基复合材料力学性能的影响分析可能为：基体断裂、纤维—基体界面脱粘、脱粘后摩擦、纤维断裂、应力重新分布、纤维拔出等。

对陶瓷基复合材料来说，纤维与基体的界面是控制材料性能的关键因素。因此，研究界面对陶瓷基复合材料的力学性能的影响具有重要意义。在纤维与基

/SiC 体之间的界面反应将改变材料的界面强度，从而改变材料的性能。例如：C

f

复合材料的界面反应主要是Si原子向纤维内部的扩散。戴永耀（音）等研究了Si原子通过C

/SiC的界面进入碳纤维内部的过程，发现Si的扩散系数为8.2×

f

10－17m2/s到6×10－16m2/s，扩散自由能为76.9 kJ/mol，温度为900℃～1 300℃时，Si原子为自由态或与C原子形成SiC。Kikuchi Shigeru研究结果表