连续纤维补强陶瓷基复合材料

连续纤维补强陶瓷基复合材料概述

摘要：本文介绍连续纤维补强陶瓷基复合材料（FRCMC）的选材要求及其分类，通过分析连续纤维补强陶瓷基复合材料失效过程，阐述FRCMC的增韧机理。介绍制备连续纤维补强陶瓷基复合材料的方法，并指出各种方法的优缺点。

关键词：纤维，FRCMC，增韧机理，制备方法

陶瓷材料具有强度高、硬度大、耐高温、抗氧化，高温下抗磨损好，耐化学腐蚀性优良等优点，这些优异的性能是一般常用金属材料、高分子材料等所不具备的，因此越来越受到人们的关注。但由于陶瓷材料本身脆性的弱点，作结构材料使用时缺乏足够的可靠性。连续纤维补强陶瓷基复合材料( Continuous Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites，简称FRCMC)，具有高强度和高韧性，使得弥补了陶瓷材料的脆性弱点和作为结构材料使用的缺乏可靠性。

连续纤维补强陶瓷基复合材料是将耐高温的纤维植入陶瓷基体中形成的一种高性能复合材料。由于其具有高强度和高韧性，特别是具有与普通陶瓷不同的非失效性断裂方式，使其受到世界各国的极大关注。连续纤维增强陶瓷基复合材料己经开始在航天航空、国防等领域得到广泛应用。

1.FRCMC的纤维和基体

1.1 FRCMC的选材原则

1）陶瓷基体和纤维应该满足结构件的使用环境要求。使用环境包括：工作最低温度、最高温度、湿度、工作介质的腐蚀性等。

2）陶瓷基体和纤维间弹性模量的匹配。当复合材料承受负载时，其应力和弹性模量服从加和原则。

图1 复合材料受力状况

1

C f f m m

C f f m m f m V V E E V E V V V δδδ=+=++= ①

上述方程中，δ表示承受的应力，V 为体积分数，E 为弹性模量。下标c ，f ，m 分别代表复合材料、纤维、基体。

//c m f m m f f E E εεεδδ==== ②

对于脆性基体复合材料，当基体的应变大于其临界断裂应变时基体发生断裂。由于基体的弹性变形非常小，所以在基体断裂瞬间，纤维并未充分发挥作用。假设基体断裂时，它所承担的应力分量全部转移给纤维。此时复合材料所承担的应力由式①和式②可得：

11f c m u f m E V E δδ⎡⎤⎛⎫=+-⎢⎥

⎪⎝⎭⎣⎦ ③

式中下标mu 和f 分别代表基体和纤维断裂。从式③可看出，对于脆性基体复合材料，如果基体的断裂应变小于纤维的断裂应变，要想提高复合材料的强度，必须f E 大于m E ，选择高模量的纤维。这时/f m E E 越大，复合材料的强度越高。如

果f E 小于m E ，基体不仅得不到强化，反而会降低。

3）陶瓷基体和纤维的热膨胀系数的匹配。复合材料组元之间必须要满足物理化学相容性，其中最重要的就是热膨胀系数的匹配。设m A 、fa A 、fr A 分别代表基

体、纤维轴向和纤维径向热膨胀系数的平衡值。则基体所承受的应力：

轴向 ()a m fa m A A TE δσ=- ④

径向 ()f m fr m A A TE δσ=- ⑤

式中T σ为应力驰豫温度与室温之差值，m E 为基体的弹性模量。

如果m A ＞fa A ，则a δ为正值。复合材料冷却后纤维受压缩热残余应力，基体

受拉仲热残余应力。这种热残余拉仲应力在材料使用时将叠加于外加拉伸载荷，对材料的强度不利。如果a δ＞m u δ，材料在冷却过程中就可能垂直于纤维轴向形

成微裂纹网络，使材料的性能大大降低。如果m A ＜fa A ，则为负值时，纤维受热

残余拉伸应力，基体受压应力。这个应力可能抵消外加拉伸载荷，对材料性能的提高有益。但如果该应力过大，超过纤维的断裂应力时，对强化不利。

如果

A＞fr A，则rδ为正，那么纤维—基体界面则承受热压缩应力。过大的m

界面压应力使复合材料在断裂过程中难以形成纤维/脱粘/拔出等吸能机制，对材料性能的提高不利。如果

A＜fr A，则rδ为负，那么界面受拉应力，适当的拉应

m

力是有益的。

1.2 FRCMC的纤维和基体分类

1.2.1 FRCMC的纤维

虽然用于纤维增强陶瓷基复合材料的纤维种类较多，但能够真正实用的纤维种类并不多，现简要介绍：氧化铝系列(包括莫来石)纤维；碳化硅系列纤维；氮化硅系列纤维；碳纤维。

第一类为氧化铝系列(包括莫来石)纤维。这类纤维的高温抗氧化性能优良，有可能用于1400℃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(尤其是氧化物陶瓷)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：是化学气相沉积法（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100m

μ），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。二是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，日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℃温度下变化小大。

第三类为氮化硅系列纤维。它们实际上是由Si ，N，C和O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。目前也存在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