陶瓷基復(fù)合材料（CMC）

陶瓷基復(fù)合材料（CMC）概述?工程陶瓷的主要問(wèn)題?特種陶瓷優(yōu)良的綜合機(jī)械性能、耐磨性好、硬度高以及耐腐蝕性高，?脆性大、抗熱震性能差。??陶瓷基復(fù)合材料(CMC)及其高韌性?以陶瓷為基體的復(fù)合材料。?制備陶瓷基復(fù)合材料的主要目的之一就是提高陶瓷的韌性。特別是纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料在斷裂前吸收了大量的斷裂能量，使韌性得以大幅度提高。?表6-1列出了由顆粒、纖維及晶須增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料的斷裂韌性和臨界裂紋尺寸大小的比較。?陶瓷基復(fù)合材料的基體為陶瓷。?碳化硅、氮化硅、氧化鋁等，具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、重量輕和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)?；瘜W(xué)鍵往往是介于離子鍵與共價(jià)鍵之間的混合鍵。?陶瓷基復(fù)合材料中的增強(qiáng)體通常也稱為增韌體。?從幾何尺寸上可分為纖維(長(zhǎng)、短纖維)、晶須和顆粒三類(lèi)。?碳纖維主要用在把強(qiáng)度、剛度、重量和抗化學(xué)性作為設(shè)計(jì)參數(shù)的構(gòu)件；其它常用纖維是玻璃纖維和硼纖維。?纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料，是改善陶瓷材料韌性的重要手段。?短纖維、晶須及顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料。

?目前常用的是SiC和A12O3晶須．常用的基體則為A12O3，SiO2，Si3N4以及莫來(lái)石等。

?晶須具有長(zhǎng)徑比，含量較高時(shí)，橋架效應(yīng)使致密化因難，引起了密度的下降導(dǎo)致性能下降。

?顆粒代替晶須在原料的混合均勻化及燒結(jié)致密化方面均比晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料要容易。目前這些復(fù)合材料已廣泛用來(lái)制造刀具。CMC制備工藝?纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的加工與制備?纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的性能取決于多種因素，如基體致密程度、纖維的氧化損傷、以及界面結(jié)合效果等，都與其制備和加工工藝有關(guān)。主要有熱壓燒結(jié)法和浸漬法。?熱壓燒結(jié)法及其問(wèn)題?熱壓燒結(jié)法中，壓力和高溫同時(shí)作用可以加速致密化速率，獲得無(wú)氣孔和細(xì)晶粒的構(gòu)件。?困難是基體與增強(qiáng)材料的混合不均勻以及晶須和纖維在混合過(guò)程中或壓制過(guò)程中，尤其是在冷壓情況下易發(fā)生折斷。在燒結(jié)過(guò)程中，由于基體發(fā)生體積收縮，會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料產(chǎn)生裂紋。?漿體浸漬-熱壓法?適用于長(zhǎng)纖維。首先把纖維編織成所需形狀，然后用陶瓷泥漿浸漬，干燥后進(jìn)行燒結(jié)。?優(yōu)點(diǎn)是加熱溫度較晶體陶瓷低，層板的堆垛次序可任意排列，纖維分布均勻，氣孔率低，獲得的強(qiáng)度較高。?缺點(diǎn)則是不能制造大尺寸的制品，所得制品的致密度較低，此外零件的形狀不宜太復(fù)雜，基體材料必須是低熔點(diǎn)或低軟化點(diǎn)陶瓷。?漿體浸漬-熱壓法?適用于長(zhǎng)纖維。首先把纖維編織成所需形狀，然后用陶瓷泥漿浸漬，干燥后進(jìn)行燒結(jié)。?優(yōu)點(diǎn)是加熱溫度較晶體陶瓷低，層板的堆垛次序可任意排列，纖維分布均勻，氣孔率低，獲得的強(qiáng)度較高。?缺點(diǎn)則是不能制造大尺寸的制品，所得制品的致密度較低，此外零件的形狀不宜太復(fù)雜，基體材料必須是低熔點(diǎn)或低軟化點(diǎn)陶瓷。CMC界面?陶瓷基復(fù)合材料界面可分為兩大類(lèi)：無(wú)反應(yīng)界面和有反應(yīng)界面。??無(wú)反應(yīng)界面?增強(qiáng)相與基體直接結(jié)合形成原子鍵合的共格界面或半共格界向，有時(shí)也形成非共格界面。這種界面結(jié)合較強(qiáng)，因此對(duì)提高復(fù)合材料的強(qiáng)度有利。??有反應(yīng)界面?在增韌體與基體之間形成一層中間反應(yīng)層，中間層將基體與增韌體結(jié)合起來(lái)。這種界面層一般都是低熔點(diǎn)的非晶相，因此它有利于復(fù)合材料的致密化。?界面的作用??界面粘結(jié)性能影響著陶瓷基體和復(fù)合材料的斷裂行為。?CMC的界面一方面應(yīng)強(qiáng)到足以傳遞軸向載荷并具有高的橫向強(qiáng)度，另一方面要弱到足以沿界面發(fā)生橫向裂紋及裂紋偏轉(zhuǎn)直到纖維的拔出。因此CMC界面要有一個(gè)最佳的界面強(qiáng)度。?強(qiáng)的界面粘結(jié)往往導(dǎo)致脆性破壞，如圖6-16(s)所示，裂紋可以在復(fù)合材料的任一部位形成井迅速擴(kuò)展至復(fù)合材料的橫截面，導(dǎo)致平面斷裂。這是由于纖維的彈性模量不是大大高于基體．因此在斷裂過(guò)程中強(qiáng)的界面結(jié)合不產(chǎn)生額外的能量消耗。??若界面結(jié)合較弱，當(dāng)基體中的裂紋擴(kuò)展至纖維時(shí)．將導(dǎo)致界面脫粘，其后裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)、裂紋搭橋、纖維斷裂以致最后纖維拔出(圖6-16(b))。所有這些過(guò)程都要吸收能量，從而提高復(fù)合材料的斷裂韌性，避免了突然的脆性失效。?界面的改性?為獲得最佳的界面結(jié)合強(qiáng)度，我們常常希望完全避免界面間的化學(xué)反應(yīng)或盡量降低界面間的化學(xué)反應(yīng)程度和范圍。?實(shí)際當(dāng)中除選擇纖維和基體在加工和服役期間能形成熱動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的界面外，最常用的方法就是在與基體復(fù)合之前在增強(qiáng)材料表面上沉積一層薄的涂層。??涂層對(duì)纖維還可起到保護(hù)作用，避免在加工和處理過(guò)程中造成纖維的機(jī)械損壞。CMC性能?由于制備陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)化材料不同、基材不同和所用工藝方法不同，因此陶瓷基復(fù)合材料的性能也各不相同。?對(duì)于陶瓷基復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，人們不但關(guān)心它們的室溫性能，而且更關(guān)心它們的高溫性能。?室溫力學(xué)性能?拉伸強(qiáng)度??與金屬基和聚合物基復(fù)合材料不同，對(duì)于陶瓷基復(fù)合材料來(lái)說(shuō)陶瓷基體的失效應(yīng)變低于纖維的失效應(yīng)變；因此最初的失效往往是陶瓷基體的開(kāi)裂，這種開(kāi)裂是由晶體中存在的缺陷引起的。單向連續(xù)纖維強(qiáng)化陶瓷基復(fù)合材料的拉伸失效有兩種形式：

(1)突然失效。纖維強(qiáng)度較低，界面結(jié)合強(qiáng)度較高，基體裂紋穿過(guò)纖維擴(kuò)展，導(dǎo)致突然失效。

(2)如果纖維較強(qiáng)，界面結(jié)合相對(duì)較弱，基體裂紋沿著纖維擴(kuò)展，纖維失效前，纖維-基體界面脫粘、因此基體開(kāi)裂并不導(dǎo)致突然失效，復(fù)合材料的最終失效應(yīng)變大于基體的失效應(yīng)變。?高溫力學(xué)性能??強(qiáng)度

室溫下，SiC/MAS玻璃陶瓷復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度比無(wú)纖維增強(qiáng)的MAS基體高約10倍．彈性模量提高約2倍。復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度自室溫至700度保持不變，700度之后，強(qiáng)度隨溫度升高而急劇增加；但彈性模量卻隨溫度升高從室溫的137GPa降到850度時(shí)的80GPa。

這一變化顯然與材料中殘余玻璃相隨溫度升高的變化相關(guān)。?蠕變?在較高的溫度與較大的應(yīng)力條件下，蠕變速度及變形量都增大。?低于700℃時(shí)，恒速的蠕變速率小于10-6h-1表明材料在此條件下蠕變穩(wěn)定。?800℃的恒速蠕變速度達(dá)10-2h-1。應(yīng)力增大至150MPa，則形變?cè)黾恿?倍。?這表明材料的蠕變由殘余玻璃相的粘滯流動(dòng)所控制。應(yīng)用?陶瓷基復(fù)合材料已實(shí)用化或即將實(shí)用化的領(lǐng)域包括：刀具、滑動(dòng)構(gòu)件、航空航天構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)制件、能源構(gòu)件等。

?法國(guó)已將長(zhǎng)纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料應(yīng)用于制作超高速列車(chē)的制動(dòng)件．而且取得了傳統(tǒng)的制動(dòng)件所無(wú)法比擬的優(yōu)異的磨擦磨損特性、取得了滿意的應(yīng)用效果。?在航空航天領(lǐng)域，用陶瓷基復(fù)合材料制作的導(dǎo)彈的頭錐、火箭的噴管、航天飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件等也收到了良好的效果。?熱機(jī)的循環(huán)壓力和循環(huán)氣體的溫度越高，其熱效率也就越高。合金的耐高溫極限受到了其熔點(diǎn)的限制，因此采用陶瓷材料來(lái)代替高溫合金已成了目前研究的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容。?為此，美國(guó)能源部和宇航局開(kāi)展了AGT(先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī))loo、101、cATE(陶瓷在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用)等計(jì)劃。德國(guó)、瑞典等國(guó)也進(jìn)行了研究開(kāi)發(fā)。這個(gè)取代現(xiàn)用耐熱合金的應(yīng)用技術(shù)是難度很高的陶瓷應(yīng)用技術(shù)，也可以說(shuō)是這方面的最終日標(biāo)。目前看來(lái)，要實(shí)現(xiàn)這一日標(biāo)還有相當(dāng)大的難度。?對(duì)于陶瓷材料的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，雖然人們已開(kāi)始對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、性能及制造技術(shù)等問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)的研究，但這其中還有許多尚未研究情楚的問(wèn)題，還需要陶瓷專家們對(duì)理論問(wèn)題進(jìn)一步研究。此外，陶瓷的制備過(guò)程是一個(gè)十分復(fù)雜的工藝過(guò)程，其品質(zhì)影響因素眾多，