陶瓷基复合材料综述报告.doc

陶瓷基复合材料综述报告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，具有优界 的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制詁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 优界性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态吋，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纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤 维增强陶瓷基复合材料迄今，陶瓷基复合材料己实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发 动机制件、能源构件等有些发达国家已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制 造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得了不错的使用效果⑴一、陶瓷基复合材料增强体用于复合材料的增强体詁种很多，根据复合材料的性能要求，主要分为以下 几种:1.1纤维类增强体纤维类增强体有连续长纤维和短纤维连续长纤维的连续长度均超过数百 纤维性能有方向性，一般沿轴向均有很高的强度和弹性模量1.2颗粒类增强体颗粒类增强体主耍是一些具有高强度、高模量耐热、耐磨耐高温的陶瓷 等无机非金属颗粒，主要有碳化硅、氧化铝、碳化钛、石墨。

细金刚石、高岭土、 滑石、碳酸钙等主要还有一些金属和聚合物颗粒类增强体，后者主要有热犁性 树脂粉末1.3晶须类增强体晶须是在人工条件下制造出的细小单晶，-•般呈棒状，其直径为0.2〜1微米, 长度为儿十微米，由于其具有细小组织结构，缺陷少，具有很高的强度和模量1.4金属丝用于复合材料的高强福、高模量金属丝增强物主要有皱丝、钢丝、不锈钢丝 和餌丝等，金属丝一般用于金属基复合材料和水泥基复合材料的增强，但前者比 较多见1.5片状物增强体用于复合材料的片状增强物主要是陶瓷薄片将陶瓷薄片叠压起来形成的陶 瓷复合材料具有很高的韧性二、陶瓷基的界面及强韧化理论陶瓷基复合材料(CMC)具有高强度、高硬度、高弹性模量、热化学稳定性等 优杲性能，被认为是推重比10以上航空发动机的理想耐高温结构材料界面作 为陶瓷基复合材料重要的组成相，其细观结构、力学性能和失效规律直接影响到 复合材料的整体力学性能，因此研究界面特性对陶瓷基复合材料力学性能的影 响具有重要的意义2.1界面的粘结形式(1)机械结合(2)化学结合陶瓷基复合材料往往在高温下制备，由于增强体与基体的原子扩散，在界面 上更易形成固溶体和化合物此时其界面是具有一定厚度的反应区，它与基体和增强体都能较好的结合，但通常是脆性的。

2.2界面的作用陶瓷基复合材料的界面一方面应强到足以传递轴向载荷并具有高的横向强 度；另一方面要弱到足以沿界面发生横向裂纹及裂纹偏转直到纤维的拔出2.3强韧化技术2.3.1纤维增韧为了提高复合材料的韧性,必须尽可能提高材料断裂吋消耗的能量任何固 体材料在载荷作用下（静态或冲击），吸收能量的方式无非是两种:材料变形和形成 新的表面对于脆性基体和纤维來说，允许的变形很小，因此变形吸收的断裂能也 很少为了提高这类材料的吸能,只能是增加断裂表而，即增加裂纹的扩展路径 2.3.2晶须增韧陶瓷晶须是具有一定长径比且缺陷很少的陶瓷小单晶，因而具有很高的强度, 是一种非常理想的陶瓷基复合材料的增韧增强体2.3.3相变增韧相变增韧ZrO2陶瓷是一种极有发展前途的新型结构陶瓷,其主要是利用 ZrO2相变特性来提高陶瓷材料的断裂韧性和抗弯强度，使其具有优良的力学性能, 低的导热系数和良好的抗热震性它还可以用来显著提高脆性材料的韧性和强度, 是复合材料和复合陶瓷中重要的增韧剂2.3.4颗粒增韧用颗粒作为增韧剂，制备颗粒增韧陶瓷基复合材料，其原料的均匀分散及烧结 致密化都比短纤维及晶须复合材料简便易行因此,尽管颗粒的增韧效果不如晶 须与纤维，但如颗粒种类、粒径、含量及基体材料选择得当，仍有一定的韧化效果, 同时会带来高温强度、高温蠕变性能的改善。

所以,颗粒增韧陶瓷基复合材料同 样受到重视,并开展了有效的研究工作2.3.5纳米复合陶瓷增韧纳米技术一出现，便在改善传统材料性能方面显示出极大的优势，该方面的研 究有可能使陶瓷增韧技术获得革命性突破纳米陶瓷由于晶粒的细化，晶界数量 会极大增加，同吋纳米陶瓷的气孔和缺陷尺寸减小到一定尺寸就不会影响到材料 的宏观强度，结果可使材料的强度、韧性显著增加2.3.6自增韧陶瓷如果在陶瓷基体中引入第二相材料，该相不是事先单独制备的，而是在原料中 加入可以生成第二相的原料，控制生成条件和反应过程，直接通过高温化学反应或 者相变过程,在主晶相基体中生长出均匀分布的晶须、高长径比的晶粒或晶片的 增强体，形成陶瓷复合材料，则称为自增韧这样可以避免两相不相容、分布不均 匀问题，强度和韧性都比外来第二相增韧的同种材料高三、连续纤维增强陶瓷基复合材料的制备工艺1、 粉末冶金法工艺流程：原料（陶瓷粉末、增强剂、粘结剂和助烧剂） 均匀混合（球磨、 超声等） 冷压成形 （热压）烧结 适用于颗粒、晶须和短纤维 增韧陶瓷基 复合材料2、 浆体法（湿态法）为了克服粉末冶金法中各组元混合不均的问题，可采用浆体（湿态）法制备 颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料。

其混合体为浆体形式混合体中各组元保持散凝状即在浆体中呈弥散分散采用浆体浸渍法也可制备连续纤维增韧陶瓷基复合材料『叫3、 反应烧结法用此方法制备陶瓷基复合材料，除基体材料几乎无收缩外，还具有以下优点:（1） 增强剂的体积比可以相肖大；（2） 可用多种连续纤维预制体；（3） 大多数陶瓷基复合材料的反应烧结温度低于陶瓷的烧结温度，因此可避免 纤维的损伤⑼此方法最大的缺点是高气孔率难以避免4、 液态浸渍法用此方法制备陶瓷基复合材料，化学反应熔体粘度、熔体对增强材料的浸润 性是首要考虑的问题，这些因素直接影响着材料的性能陶瓷熔体可通过毛细作用渗入增强剂预制体的孔隙施加压力或抽真空将 有利于浸渍过程假如预制体中的孔隙呈一•束束有规则间隔的平行通道，则可 用Poisseuiue方程计算出浸渍高度h：h = V （ Y r t cos 0 ） / 2 n式中「是圆柱型孔隙管道半径；t是时间；Y是浸渍剂的表面能；B是接触 角；n是粘度〔叫5、直接氧化法按部件形状制备增强体预制体，将隔板放在其表面上以阻止基体材料的生熔化的金属在氧气的作用下发生直接氧化反应形成所需的反应产物由于在 氧化产物中的空隙管道的液吸作用，熔化金屈会连续不断地供给到生长前沿。

A1 + 空气—► A12O3A1+ 氮气一a A1N6、 溶胶-凝胶（Sol - Gel）法溶胶-凝胶法也可以采用浆体浸渍法制备增强相预制体溶胶- 凝胶法 的优点是基体成分容易控制，复合材料的均匀性好，加工温度较低其缺点是所 制的复合材料收缩率大，导致基体经常发生开裂[1，13]07、 化学气相浸渍（CVI）法用CVI法可制备硅化物、碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等陶瓷基复合 材料由于制备温度比较低，不需外加斥力因此材料内部残余应力小，纤维几 乎不受损伤如可在800〜1200 C制备SiC陶瓷其缺点是生长周期长、效率 低、成本高、材料的致密度低等8、 其它方法聚合物先驱体热解法：以高分子聚合物为先驱体成型后使高分子先驱体发生 热解反应转化为无机物质，然后再经高温烧结制备成陶瓷基复合材料此方法可 精确控制产品的化学组成、纯度以及形状最常用的高聚物是有机硅（聚碳硅烷 等）制备增强剂预制体、浸渍聚合物先驱体、热解，再浸渍、再热解，陶瓷粉+ 聚合物先驱体、均匀混合、模压成型、热解I⑷四、陶瓷基复合材料的应用“⑼1、 在食品工业用作罐头盒接缝滚子罐头盒穿孔器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;2、 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⑵］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 的氧敏探头对辐机检测钢水中的Si、O等杂质的含量;在TZP或PSZ中复合 适宜的A1203可制备耐1600C的高温泡沫陶瓷过滤器是H前使用温度最高的 一类过滤金属熔体的材料3、在军事方面的应用GE公司将把陶瓷基复合材料应用于涡轮转子叶片据英国《飞行国际》近口 报道，通用电气公司(GE)于11月10 口在F414改进型发动机上进行了陶瓷基复 合材料(CMC)涡轮转子叶片的关键性试验，这是公司第一次在工作发动机中试验 CMC材料在GE公司将CMC材料应用于F136发动机静子部件之前，CMC材 料已经广泛应用于航空航天领域323】但最近的F4I4试验标志着CMC材料第 一次应用于发动机旋转部件虽然作为GE公司技术路线图的一部分，但该试验 由美国海军特遣部队支持。

在转子叶片方而，CMC材料在下-•代宽体客机发动 机上的应用更具吸引力，例如波音777的动力GE90发动机的替代产品应用 CMC最关键的收益在于重量的降低，不仅材料本身比金属合金材料轻同时也能 减少冷却系统的重量GE估计在GE90级别的发动机上采用CMC涡轮转子叶 片将降低总重约455kg,相当于GE90-115发动机干质量的6%的五、陶瓷基复合材料的发展前景陶瓷基层状复合材料力学性能优劣关键在于界面层材料，能够应用在高温环 境下，抗氧化的界面层材料还有待进一步开发；此外，在应用C、BN等弱力学 性能的材料作为界面层吋，虽然能够得到综合性能优界的层状复合材料，但是基 体层与界面层之间结合强度低的问题也有待进一步解决陶瓷基层状复合材料的制备工艺具有简便易行、易于推广、周期短而廉价的 优点，可以应用于制备大的或形状复杂的陶瓷部件这种层状结构还能够与其它 增韧机制相结合，形成不同尺度多级增韧机制协同作用，实现了简单成分多重结 构复合，从本质上突破了复杂成分简单复合的旧思路这种新的工艺思路是对陶 瓷基复合材料制备工艺的重人突破，将为陶瓷基复合材料的应用开辟广阔前景 连续纤维增强复合材料因其优异的性能得到广泛的应用，但是纤维增强复合材料 的研究还处于起步阶段，所有己经开发应用的制备技术都存在着各口的问题，普 遍存在的问题有以下儿点(1) 制备工艺复杂，很难应用于连续生产。

2) 金属基体与增强体润湿问题也给复合材料的制备带來很大的难题3) 金属基复合材料的制备需要在较高温度下进行，所以基体与壇强体之问不可 避免地会发生不同程度的界而反应界而反应促进了增强体与基体的润湿，是对 制备有利的因素，但是反应生成的脆性和反而会影响复合材料的性能综上所述，金属基复合材料的制备领域的研究要在改进制备设备、降低制备 成本、改善基体与增强体的润湿性、控制制备过程中的界面反应等几个方面开展参考文献：[I] .李香兰,纤维增强陶瓷基复合材料的发展及应用[J].硅谷,2010, 10 (1), 116-116⑵詹国栋，张以增，周洋.陶瓷与陶瓷基复合材料的疲劳研究进展[几力学进 展 1994(3)[乳赵棗林，周万城.陶瓷基复合材料及其制造工艺[J].西安工程学院学 报,199&⑵.[4] 林广新，王晓宾，胡福增,林永渭，吴叙勤.陶瓷基复合材料概况[J].玻璃钢/复合 材料,1991,(3).⑸韩桂芳,陈照峰，张立同,成来飞，徐永东.氧化物陶瓷基复合材料研究进展[J]. 宇航材料工艺。