陶瓷基复合材料的研究现状与发展前景

——碳化物陶瓷基复合材料课程名称：复合材料

学生姓名：***

学号：************

班级：材料091班

日期：2012年12月22日

——碳化物陶瓷基复合材料

摘要：本文综述了陶瓷基复合材料的发展历史,介绍了陶瓷基复合材料的制备工艺,详细阐述了陶瓷基复合材料的性能与应用,分析了陶瓷基复合材料存在的问题，并展望了陶瓷基复合材料未来发展趋势。

关键词：陶瓷基复合材料、制备工艺、性能、应用

Ceramic matrix composites research present situation and the development prospect

--Carbide ceramic matrix composites

Abstract：This paper reviews the ceramic base composite material, the development history of ceramic matrix composites is introduced the preparation process, elaborated the ceramic matrix composites, the properties and the application of the analysis of the ceramic base composite material existing problems, and prospects the ceramic matrix composites future development trend.

Key words：Ceramic matrix composites, preparation process, performance and application

1 引言

陶瓷基复合材料是近二十年来发展起来的新型材料,由于该类材料具有良好的高温性能。因此它作为耐高温结构材料在航空航天工业和能源工业等领域的应用具有巨大的潜力。如航空发动机的推重比为lO时,涡轮前进口温度达1650℃,在这样高的温度下,传统的高温合金材料已经无法满足要求【1】,因此国内外的材料研究者纷纷把研究的重点转向陶瓷基复合材料。研究者通过大量的实验发现,陶瓷基复合材料不仅具有良好的高温稳定性和高温抗氧化能力,而且材料在断裂

过程中通过裂纹偏转、纤维断裂和纤维拔出等机理吸收能量,既有效的增强了材料的强度和韧性,又保持了基体材料低膨胀、低密度的特点。

2 发展历史

从历史来看，陶瓷基复合材料的发展大致可以分为以下三个阶段：

第一个阶段：慈宁宫陶、瓷器到近代的传统陶瓷。陶器的出现、发展和广泛应用是社会生产力的一个飞跃，同时也大大方便和丰富了人们的生活。此后的陶瓷经历了漫长的发展和演变过程。随着金属冶炼技术的发展，人类掌握了通过鼓风提高燃烧温度的技术，采用了喊铝量较高的瓷土，发明了釉。由于这三个方面因素的促进，陶瓷发展到了以洁白细腻、轻巧美观、材质精美和具有得天独厚的资源优势的瓷器，成为陶瓷发展史的一次重要飞跃，也是陶瓷发展史的第一个里程碑。它标志着人类完成了从蒙昧时代进化到野蛮时代，进而过渡到文明时代，具有划时代的意义。近代，由于对陶瓷的原料、配比、成型、制作工艺进行精选优化和严格控制，不仅提高了陶瓷制品的质量，增加了花色品种，而且随着科学技术的发展和需求，在日用陶瓷的基础上又衍生出了许多种类的陶瓷，如电力工业用的绝缘陶瓷、建筑用的建筑陶瓷和卫生陶瓷、冶金工业用的耐火陶瓷、化学工业用的耐腐蚀的化工陶瓷和多孔陶瓷等。由于这些陶瓷的主要成分是硅酸盐化合物，人们将这些陶瓷称为传统陶瓷。【2】

第二个阶段：从传统陶瓷到新型陶瓷。这一阶段起源于20世纪40到50年代，是陶瓷史上的第二次飞跃。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，对陶瓷材料提出了很高的要求，而传统陶瓷无论在性能、品种和质量等方面都不能满足需求，这便促使人们从原料、成型和烧结工艺方面进行改进和创新；加上陶瓷科学与相邻学科的交融和创新突破，对陶瓷的发展起到了极大的作用，大约只经历了半个世纪人们就实现了传统陶瓷到新型陶瓷的飞跃。该阶段存在的问题是陶瓷的脆性和高温高强等问题远未彻底解决。【2】

第三个阶段：从新型陶瓷到纳米陶瓷。这一阶段起源于20世纪90年代，陶瓷发展正面临着第三次重大飞跃。人们期望21世纪初叶陶瓷科学将会在这方面取得重大突破，生产许多不同于新型陶瓷的纳米陶瓷材料与制品。【2】

3 制备工艺

3.1 原位合成法[3-4]

目前，在原位法制备铝基复合材料的研究中，用来增强基体的陶瓷颗粒主要

有TiC以及Al

2O

3

两大类。生成TiC的原位反应为Ti+C 反应体系，而生成Al

2

O

3

颗粒的反应为金属氧化物MO+Al 反应体系。

采用井式坩埚电阻炉进行熔炼(功率5kW，额定温度1000℃)，待铝锭熔化后，升温至900℃，将包于铝箔中的混合粉末用钟罩压入熔体中，保持20s，防止粉末浮出液面。反应25min 后，降温至800℃进行机械搅拌，精炼、扒渣，静置10 min 后浇注到预热至200℃的铜模中，铜模的尺寸为80mm×70mm×10mm，V 型浇口。取铜模试样的中间部位制备金相试样，进行金相组织观察；采用RigakuD/Max-2500/pc 型X 射线衍射仪进行物相分析；采用JXA8-40A 型扫描电镜观察合金的微观组织。

3.2 化学气相沉积（CVD）法[6]

CVD 法是上世纪 60 年代发展起来的制备无机材料的新技术。它被广泛应用于沉积各种单晶、多晶或其它无定形态的无机薄膜材料。CVD 法最早应用于沉积微电子元器件，经过几十年的发展，从实验室的探索研究到大规模工业化生产，都取得了很大的成就，这就促进了该方法在陶瓷材料制备中的应用。

一种或几种气体在一定的温度下发生化学反应，反应后的固态物质在基体表面沉积，形成涂层或薄膜材料，如果基体是多孔材料，沉积也可以发生在基体的内表面。

⑴能在相对低的温度下制备熔点高达3000℃的陶瓷材料，这是传统的粉末冶金和陶瓷烧结技术难以达到的。用这种方法制备的纤维增强陶瓷基复合材料，避免了在高温复合过程中由于热力学不稳定导致的纤维与基体间的化学反应，可以制备出其它方法无法实现的复合材料。⑵对基体几乎没有损伤，基体的收缩率小，保证了材料结构的完整性。⑶工艺灵活，通过改变工艺参数，可以制备出双元基、纳米基、梯度基及各种复合结构的功能梯度复合材料。

CVD法可以制备碳化物、氮化物、硅化物、硼化物、氧化物等许多陶瓷材料，制备工艺非常成熟。按照制备材料的形态及功能来分，CVD 法制备的先进陶瓷材料主要有陶瓷涂层和陶瓷基体，下面对这两方面的研究作一综述。