陶瓷基復(fù)合材料（CMC）

陶瓷基復(fù)合材料（CMC）概述?工程陶瓷的主要問題?特種陶瓷優(yōu)良的綜合機械性能、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、高強度、重量輕和價格低等優(yōu)點。化學(xué)鍵往往是介于離子鍵與共價鍵之間的混合鍵。?陶瓷基復(fù)合材料中的增強體通常也稱為增韌體。?從幾何尺寸上可分為纖維(長、短纖維)、晶須和顆粒三類。?碳纖維主要用在把強度、剛度、重量和抗化學(xué)性作為設(shè)計參數(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以及莫來石等。

?晶須具有長徑比，含量較高時，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)合材料已廣泛用來制造刀具。CMC制備工藝?纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的加工與制備?纖維增強陶瓷基復(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)法及其問題?熱壓燒結(jié)法中，壓力和高溫同時作用可以加速致密化速率，獲得無氣孔和細晶粒的構(gòu)件。?困難是基體與增強材料的混合不均勻以及晶須和纖維在混合過程中或壓制過程中，尤其是在冷壓情況下易發(fā)生折斷。在燒結(jié)過程中，由于基體發(fā)生體積收縮，會導(dǎo)致復(fù)合材料產(chǎn)生裂紋。?漿體浸漬-熱壓法?適用于長纖維。首先把纖維編織成所需形狀，然后用陶瓷泥漿浸漬，干燥后進行燒結(jié)。?優(yōu)點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，獲得的強度較高。?缺點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或低軟化點陶瓷。?漿體浸漬-熱壓法?適用于長纖維。首先把纖維編織成所需形狀，然后用陶瓷泥漿浸漬，干燥后進行燒結(jié)。?優(yōu)點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，獲得的強度較高。?缺點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或低軟化點陶瓷。CMC界面?陶瓷基復(fù)合材料界面可分為兩大類：無反應(yīng)界面和有反應(yīng)界面。??無反應(yīng)界面?增強相與基體直接結(jié)合形成原子鍵合的共格界面或半共格界向，有時也形成非共格界面。這種界面結(jié)合較強，因此對提高復(fù)合材料的強度有利。??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。這種界面層一般都是低熔點的非晶相，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)強到足以傳遞軸向載荷并具有高的橫向強度，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界面要有一個最佳的界面強度。?強的界面粘結(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．因此在斷裂過程中強的界面結(jié)合不產(chǎn)生額外的能量消耗。??若界面結(jié)合較弱，當(dāng)基體中的裂紋擴展至纖維時．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)合之前在增強材料表面上沉積一層薄的涂層。??涂層對纖維還可起到保護作用，避免在加工和處理過程中造成纖維的機械損壞。CMC性能?由于制備陶瓷基復(fù)合材料的強化材料不同、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。?對于陶瓷基復(fù)合材料來說，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?拉伸強度??與金屬基和聚合物基復(fù)合材料不同，對于陶瓷基復(fù)合材料來說陶瓷基體的失效應(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裂，這種開裂是由晶體中存在的缺陷引起的。單向連續(xù)纖維強化陶瓷基復(fù)合材料的拉伸失效有兩種形式：

(1)突然失效。纖維強度較低，界面結(jié)合強度較高，基體裂紋穿過纖維擴展，導(dǎo)致突然失效。

(2)如果纖維較強，界面結(jié)合相對較弱，基體裂紋沿著纖維擴展，纖維失效前，纖維-基體界面脫粘、因此基體開裂并不導(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??強度

室溫下，SiC/MAS玻璃陶瓷復(fù)合材料的抗彎強度比無纖維增強的MAS基體高約10倍．彈性模量提高約2倍。復(fù)合材料的抗彎強度自室溫至700度保持不變，700度之后，強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，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10-2h-1。應(yīng)力增大至150MPa，則形變增加了6倍。?這表明材料的蠕變由殘余玻璃相的粘滯流動所控制。應(yīng)用?陶瓷基復(fù)合材料已實用化或即將實用化的領(lǐng)域包括：刀具、滑動構(gòu)件、航空航天構(gòu)件、發(fā)動機制件、能源構(gòu)件等。

?法國已將長纖維增強碳化硅復(fù)合材料應(yīng)用于制作超高速列車的制動件．而且取得了傳統(tǒng)的制動件所無法比擬的優(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、航天飛機的結(jié)構(gòu)件等也收到了良好的效果。?熱機的循環(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的限制，因此采用陶瓷材料來代替高溫合金已成了目前研究的一個重點內(nèi)容。?為此，美國能源部和宇航局開展了AGT(先進的燃氣輪機)loo、101、cATE(陶瓷在渦輪發(fā)動機中的應(yīng)用)等計劃。德國、瑞典等國也進行了研究開發(fā)。這個取代現(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)，也可以說是這方面的最終日標。目前看來，要實現(xiàn)這一日標還有相當(dāng)大的難度。?對于陶瓷材料的應(yīng)用來說，雖然人們已開始對陶瓷基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、性能及制造技術(shù)等問題進行科學(xué)系統(tǒng)的研究，但這其中還有許多尚未研究情楚的問題，還需要陶瓷專家們對理論問題進一步研究。此外，陶瓷的制備過程是一個十分復(fù)雜的工藝過程，其品質(zhì)影響因素眾多，