學號：071055053 姓名：鐘啟華
摘要：在高技術，尤其是航天航空技術領域內，對結構材料要求具有輕質高強、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕和高韌性的特點。陶瓷具有優良的綜合機械效能、耐磨性好、硬度高、以及耐熱性和耐腐蝕性好等特點。
但是它最大缺點是脆性大，使用時會產生不可**的突然性斷裂。近年來，通過往陶瓷中加入或生成成顆粒、晶須、纖維等增強材料，使陶瓷的韌性大大地改善，而且強度及模量也有一定的提高。陶瓷復合基材料就是以陶瓷材料為基體，並以陶瓷、碳纖維、難熔金屬纖維、晶須、晶元和顆粒等為增強體，通過適當的復合工藝所構成的複合材料。
為了解決陶瓷基複合材料的易脆性問題，許多方法被用來增加複合材料的韌性。本文簡要綜述了各種陶瓷基復合料的發展狀況，以及一些材料的最新研究進展，並對其存在的問題和發展方向做了簡單闡述。
關鍵字： 陶瓷基複合材料增韌發展概況最新進展存在問題發展方向
1 陶瓷基複合材料的發展概況
陶瓷材料作為技術革命的新材料,早在十幾年前就引起了美國的關注。近年來,由於日本、美國、歐洲的競相研究,陶瓷材料技術得到迅速發展。作為能適應各種環境的新型結構材料,陶瓷材料已步入了實用化階段。
為使陶瓷在更大範圍內達到實用化,國內外都對能改善陶瓷韌性陶瓷基複合材料進行了廣泛研究[1-3]。
1.1 纖維增強陶瓷基複合材料[4]
纖維增強陶瓷基複合材料的研究是20世紀50年代開始的，這時玻璃纖維增強聚合物得到了很大的發展，人們開始想到用難熔的金屬絲去增強陶瓷[5]。由於金屬絲的彈性模量低、密度高、抗氧化性差等原因，因而這種體系沒有得到進一步發展。20世紀60年代末和70年代初，碳纖維的研究有了新進展，一些高效能陶瓷纖維和須晶相繼出現，用陶瓷纖維或須晶須去強化陶瓷基體的研究得到發展。
在陶瓷材料中加入纖維來改善陶瓷材料的脆性,增強陶瓷材料的韌度和強度,包括長纖維增韌、短纖維增韌、晶須及顆粒增韌等。儘管陶瓷基複合材料的研究遠沒有聚合物基複合材料研究的透徹，但已經得到了應用。
1.2 顆粒增韌陶瓷基複合材料[6]
晶須與短纖維類似,具有一定的長徑比,因此在複合材料的製備過程中,當晶須含量較高時,由於其橋接效應而使緻密化變得困難,從而引起密度下降,效能下降。用顆粒作為增韌劑製作顆粒增韌陶瓷基複合材料,其原料混合均勻化及燒結緻密化都比短纖維及晶須複合材料簡便易行[7] 。顆粒增韌陶瓷基複合材料的韌化機理主要有細化基體晶粒、裂紋轉向與分叉等[8]。
儘管顆粒的增韌效果不如晶須與纖維增韌,但如果顆粒種類、粒徑、含量及基體材料選擇得當仍有一定的韌化效果,同時會帶來高溫強度、高溫蠕變效能的改善。所以,顆粒增韌陶瓷基複合材料同樣受到重視,並開展了有效的工作[9]。表1-2列出了一些典型陶瓷基複合材料的力學效能。
表1-2 一些典型陶瓷基複合材料的效能
* 體積分數
1.3 層狀陶瓷基複合材料
近年來, 人們模擬自然界貝殼的結構, 設計出一種仿生結構材料——層狀陶瓷複合材料, 其獨特的結構使陶瓷材料克服了單體時的脆性, 在保持高強度、抗氧化的同時, 大幅度提高了材料的韌性和可靠性, 因而可應用於安全係數要求較高的領域, 為陶瓷材料的實用化帶來了新的希望[10]貝殼的結構是由caco3和有機物組成的類似磚砌體的超細層狀結構, 其綜合力學效能遠遠高於各組成相本身的效能,斷裂韌性提高了近20倍。貝殼結構的這一特點使材料科學工作者認識到, 陶瓷材料的韌化除了從組分設計上選擇不同的材料體系外, 更重要的一點就是可以從材料的巨集觀結構角度來設計新型材料, 於是在20世紀90年代初開始對層狀陶瓷複合材料進行研究[11]。表1-3列出來一些層狀陶瓷基複合材料的力學效能。
表1-3 一些層狀陶瓷複合材料的力學效能
* 質量分數; * *體積分數。
1.4 連續陶瓷基複合材料
連續陶瓷基複合材料是近年來出現的一種具有全新復合增強方式的陶瓷/金屬複合材料。在這種複合材料中,基體陶瓷增強相具有三維連通的內部結構,因而起增韌作用的金屬填充在陶瓷骨架的空隙中,其在空間上也是三維連通的實現這種復合結構需要不同於傳統的複合材料成型與製備技術。這種復合結構使得連續陶瓷基複合材料能夠將陶瓷與金屬各自的效能特點與優點更多的保留在最終的複合材料中;同時,還表現出了與傳統複合材料(顆粒增強複合材料、纖維增強複合材料等)不同的效能特性[12]。
2 一些陶瓷基複合材料的最新研究進展
2.1 連續纖維增韌的陶瓷基複合材料
cf/sic、sicf/sic和sicf/al2o3等連續纖維增韌的陶瓷基複合材料具有耐高溫、密度低、耐腐蝕、類似金屬的斷裂行為、對裂紋不敏感和沒有災難性損毀的特點。目前，cf/sic、sicf/sic 和sicf/al2o3等連續纖維增韌的陶瓷基複合材料已在推重比9～10一級的多種型號軍用發動機和民用發動機中等載荷靜止件上試驗成功[13]，主要試驗應用的部位有燃燒室、燃燒室浮壁、渦輪外環、火焰穩定器和尾噴管（向量噴管）調節片等。實踐表明，航空發動機採用陶瓷基複合材料構件大大節約了冷卻氣量，提高了工作溫度，降低了結構重量並提高了使用壽命。
美國、英國和法國在推重比5～20發動機的研製中，陶瓷基複合材料更成為不可缺少的材料，應用部位顯著增加，目前已進行了大批試驗和應用[14]。
2.2 連續陶瓷基複合材料
連續陶瓷基複合材料指的是陶瓷增強體具有三維連通骨架結構的陶瓷基複合材料。這種三維網路陶瓷(骨架)/鋁合金複合材料由美國俄亥俄州大學的研究人員breslin等發現, 他們將這種復合型別的新材料稱為連續陶瓷複合材料(cocontinuous ceramic***posite),簡稱c4。美國俄亥俄州excera材料集團開發研製的陶瓷/金屬複合材料,用於生產防彈裝甲板、磨具及用於處理熔融金屬用的容器等。
這種陶瓷/金屬複合材料的密度是鋼材密度的一半,卻比鋼堅硬,強度相當於鑄造鋁合金,斷裂韌性相當於鑄鐵,熱膨脹係數比鋼低30%,還具有非常高的耐磨性和高的熱導率[15]。
據介紹,美國最新研製的多孔碳化硼/鋁複合材料,其中碳化硼的體積分數達到60～80%。這種材料不僅具有良好的靜力學效能,而且具有高的抗衝擊和打擊能力,但生產成本過高(>40美元/kg) ,且製備方法也沒有公開報道。目前,正在研究其它陶瓷骨架材料及其與輕金屬的復合技術,以使材料效能更高,且成本降低[16]。
3 陶瓷基複合材料存在的問題
陶瓷基複合材料到目前為止其應用範圍仍然非常有限。除材料效能有待於進一步提高外,還存在以下幾個方面的問題。
3.1 製造成本[17]
陶瓷基複合材料的高成本實際上已成為阻礙其發展的乙個巨大障礙,因此材料的低成本製造技術將是今後的乙個重要研究方向。要降低成本首先在原材料上要盡量選取已工業化批量生產的材料,在效能允許的範圍內優先使用低**材料。從這一點來說,非連續纖維增強陶瓷基複合材料更容易滿足低成本要求。
其次要儘量減少材料的後加工,陶瓷材料的後加工在其成本中占有很大的比重,因此,在製備過程中要選擇適當的近形製造方法,以減少後加工量。美國陶瓷界人士認為,凝膠鑄成型與水基低壓注射成型是目前最好的2種陶瓷材料成型技術,用這種方法已製成了多種形狀複雜的陶瓷零件。
3.2 可重複性[18]
提高陶瓷材料的可重複製造性和可靠性,降低其缺陷敏感性和尺寸效應,也是今後的一項重要研究內容,這直接關係到陶瓷基複合材料製件的批量生產及其在實際結構中的大量應用。因此在製備過程中應嚴格按工藝要求進行,儘量減少不確定因素和隨意性,避免材料成分出現偏析和產生大的缺陷。
3.3 設計準則[19]
目前陶瓷基複合材料製件的結構設計主要參照金屬材料的設計準則,由於兩者間性質相去甚遠,這一做法已顯得越來越不適應,在一定程度上制約了陶瓷材料的發展速度,因此有必要為陶瓷材料制定新的設計準則,以利於陶瓷材料的研究和應用。
4 陶瓷基複合材料發展方向
陶瓷基複合材料在近10多年的發展過程中已取得了較大的發展，但要把它應用於實踐仍有許多問題亟待解決，其研究應在以下幾個方面發展：
(1) 在理論上確定f/m(纖維/基體)之間的最佳介面結合強度，使材料的強度和韌性都達到最佳值，研製高效能纖維，改善纖維表面特徵和f/m介面相容性[20]，研究f/m間的中間相對複合材料強度和斷裂韌性的影響。
(2) 開發漿料複合材料及緻密化工藝(特別是三維複合材料)[21]，並從理論上深入研究料漿-纖維或凝膠-纖維系統的燒結行為，熱壓燒結僅限於實驗室及製作一些簡單件，在實際生產中也應強調氣壓燒結工藝。
(3) 用流變學觀點分析料漿的懸浮性，研究纖維和晶須的分散技術，尤其是研究和開發有機高聚物，使其既能作為分散劑，同時又能在高溫下轉化為陶瓷材料。
(4) 研究cvi工藝製備連續纖維增韌陶瓷基複合材料，建立更為合理的cvi模型，探索更實用的cvi工藝，提高纖維和基體介面的抗氧化效能[22]。
結語陶瓷基複合材料是很有希望和應用前景的陶瓷材料。但是對於其製備和應用還主要停留在實驗室階段,工業上的大規模應用還很有限。因此對陶瓷基複合材料的進一步研究將是國際上的乙個熱點，意義重大。
文獻參考
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陶瓷基複合材料CMC
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