陶瓷基复合材料的发展及发展前沿

陶瓷基复合材料的发展及发展前沿

1引言

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。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。

2发展及应用

随着电子工业的快速发展和宇宙开发，原子能工业的兴起，以及激光技术、传感技术、光电技术等新技术的出现。传统陶瓷无论在性能、品种和质量等方

面都不能满足需求，传统陶瓷便进行了一系列的改变与创新，这便形成了目前

的陶瓷基复合材料。作为近年来迅速发展起来的一种新型材料，是一个新的研

究领域，它的优点而弥补或部分弥补了彼此的缺点，而备受人们的关注。

◆陶瓷基复合材料的基体：

陶瓷基复合材料的基体就是陶瓷，目前被人们研究最多的是碳化硅、氮化硅、氧化铝等，他们普遍具有耐高温、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往是介于离子键与共价键之间的混合键。

◆陶瓷基复合材料的增强体

由于陶瓷基复合材料的断裂韧性和耐冲击性差,大大妨碍了其在结构件上的应用。到80年代,找到了陶瓷基复合材料的增韧物质之后,这才有所改变。

陶瓷基复合材料中的增强体通常称为增韧体。从几何尺寸课分为纤维、晶

须、颗粒三类，下面分别加以介绍。

●碳纤维作为增强体

碳纤维主要用在吧强度、刚度、重量和抗化学性作为设计参数的构件，在1500℃温度下，碳纤维人能保持性能不变。

除了碳纤维还有许多常用纤维如玻璃纤维、硼纤维等不同性能的纤维作为增强体。

●晶须类增强体

晶须的特点是没有微裂纹、位错、孔洞和表面损伤等缺陷。陶瓷基复合材料中使用较为普遍的是SiC、Al2O3等晶须。

●颗粒类增强体

通常用的较多的是SiC、Si3N4等。颗粒的增韧效果虽然不如纤维和晶须，但颗粒种类、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。

◆陶瓷基复合材料的应用：

目前，陶瓷基复合材料的潜在应用领域非常广泛,包括宇航、国防、能源、汽车工业、环保、生物、化学工业等。

●在食品工业用作罐头盒接缝滚子

罐头盒穿孔器。柱塞。耐磨密封垫赤铁矿选矿工艺真空轴套。悬垂轴承和单向阀门。

●在纺织工业用作导丝器

主要是由于稳定ZrO2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；在陶瓷工业中。ZrO2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；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-PSZ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PSZ中复合适宜的 A12O3可制备耐1600℃的高温泡沫陶瓷过滤器。是目前使用温度最高的一类过滤金属熔体的材料。

在航空航天领域中的应用

地球轨道火箭发动机涡轮采用纤维增强的CMC(FRCMC)可增加的效益。火箭发动机涡轮泵受热部件采用FRCMC提高发动机的性能;增加飞行器(导弹)的有效载荷;提高部件的工作寿命和设计灵活性。

3 发展前景

陶瓷基复合材料具有良好的抗热震性和抗氧化性，高温下高的屈服点和塑性，在高温结构方面的应用更具有优势，如涡轮机叶片和定子，以及陶瓷发动机等；由于其好的可加工性和高温下的高强度，它还是目前使用的可加工陶瓷的很好

的替代品；陶瓷基复合材料好的导电性和抗热震性使它在熔融金属的电极材料

的应用方面也有很大的潜力。此外，利用陶瓷基复合材料高的导电率、好的导

热性，使得铜基材料不仅得到加强，而且不影响铜基材料的电学性能。所以说

陶瓷基复合材料是一种非常有潜在开发价值的材料。

对于陶瓷基复合材料的发展我提出几个建议:寻找更好的制备工艺,以降低制备周期及制备成本、减少纤维的损伤、改善纤维与基体的界面和进一步提高材

料的各项性能；对材料在高温氧化环境中的氧化行为及机理进行研究,找出提高材料抗氧化性能的涂层材料及其制备工艺；加强材料的应用研究,扩大其应用范围。

参考文献：

复合材料概论—154-173

百度文库---陶瓷基复合材料的应用.ppt

百度文库---材料科学前沿之陶瓷基复合材料.ppt

高材131 郭xiao友