高温结构陶瓷基复合材料的研究现状与展望精
陶瓷基复合材料的性能及应用发展
陶瓷基复合材料的性能及应用发展摘要：由于生产生活的需求，陶瓷基复合材料得到了广泛的关注，为了更好的了解这种新型材料，本文综述了陶瓷基复合材料的主要性能、应用及未来发展。
关键词：陶瓷基复合材料；性能；应用；研究发展；1. 前言陶瓷基体可以作为氮化硅、碳化硅等多种高温耐热结构陶瓷。
耐热陶瓷材料具有良好的热膨胀、热传导性能和氧化抗力，同时具有热冲击抗力、机械冲击抗力等性能。
这些优异性能主要是因为作为基体的陶瓷的化学结合更多地趋于离子键,其化学结合离子键的性能很强[1-3]。
但其致命的缺点就是脆性大，材料易断裂。
随着我国电子工业的快速稳步发展和电子宇宙线的开发,原子能合成工业的迅速兴起,电子激光合成技术、传感合成技术、光电融合技术等新一代技术的不断出现。
传统陶瓷无论在结构性能、品种和生产质量等方面都不能完全满足市场需求,因此对传统陶瓷进行了一系列的结构改变与技术创新,这便逐渐形成了陶瓷基复合材料。
为更好的将陶瓷基复合材料应用到生产生活领域，本文将对陶瓷基复合材料的性能进行总结，并对其应用和发展进行展望。
2. 陶瓷基复合材料的性能2.1 陶瓷基复合材料的物理和化学性能2.1.1热膨胀热膨胀的相容性对于复合材料性能的影响十分重要。
由于难以实现线膨胀系数的理想状态，因此通常用线膨胀系数对材料的热膨胀进行表征。
晶体具有各向异性，所以热应力极易导致多晶材料开裂。
在陶瓷基复合材料中,可以使弱界面也不发生界面脱粘的方法是增强体承压缩的残余应力。
2.1.2热传导裂纹、空洞和界面结合情况会对陶瓷基复合材料的热传导性能产生影响。
为使高速飞行器在运行过程中快速放热，避免因散热问题对飞行安全造成威胁，曾涛[4]等人设计了C/SiC陶瓷基梯度点阵热防护结构，这种结构为飞行器合理化散热提供了理论依据。
2.1.3氧化抗力导热率是高温陶瓷基复合材料氧化抗力的重要性能指标。
卢国峰[5]通过研究表明，Si–O–C界面层较高的氧化抗力可以使Si–C–N复合材料抗氧化性能得以提高。
陶瓷基先进复合材料的高温力学性能研究
陶瓷基先进复合材料的高温力学性能研究陶瓷基先进复合材料（ceramic matrix composites，CMCs）是一种重要的新型结构材料，具有优异的高温力学性能。
本文将对陶瓷基先进复合材料的高温力学性能进行研究，探讨其原因和影响因素。
一、陶瓷基先进复合材料的高温力学性能陶瓷基先进复合材料由陶瓷基体和增强相组成，其中陶瓷基体具有高温抗氧化性、耐高温蠕变性和低热膨胀系数等优良性能，增强相具有高强度和高模量等特点。
因此，陶瓷基先进复合材料在高温环境下具有出色的力学性能。
在高温下，陶瓷基先进复合材料通常表现出较低的热膨胀系数和较高的耐热疲劳性能。
其低热膨胀系数可以降低在不同温度下材料的热应力，减少热应力引起的开裂和破坏；而耐热疲劳性能指材料在高温循环加载下的抗裂纹扩展和断裂性能，能够保证材料长期在高温下稳定工作。
此外，陶瓷基先进复合材料还具有较高的强度和模量。
其高强度可以使材料在高温条件下具有更好的承载能力和抗拉伸性能，从而保证使用时的可靠性；而高模量可以提高材料的刚性和抗变形性能，降低在高温下的塑性变形。
二、影响陶瓷基先进复合材料高温力学性能的因素1.组分和制备工艺：陶瓷基先进复合材料的组分和制备工艺直接影响其力学性能。
合适的组分能够使不同相之间的界面结合更加牢固，提高材料的强度和韧性；而合理的制备工艺可以降低材料的孔隙率、提高微观组织的均匀性，从而改善材料的高温力学性能。
2.界面行为：界面在陶瓷基先进复合材料的高温力学性能中起着重要的作用。
强化相和基体之间的界面结合状态会影响材料的强度和断裂韧性。
良好的界面结合可以抑制裂纹的扩展，提高材料的高温抗拉伸能力。
3.氧化行为：陶瓷基先进复合材料在高温环境下容易发生氧化反应，导致材料的氧化损伤。
氧化层的形成会影响材料的力学性能，尤其是材料的抗氧化性能。
因此，控制氧化行为可以有效改善材料的高温力学性能。
三、陶瓷基先进复合材料的应用前景陶瓷基先进复合材料由于其卓越的高温力学性能，在航空航天、能源、汽车和机械等领域具有广阔的应用前景。
陶瓷基复合材料的发展前景
陶瓷基复合材料的发展前景
陶瓷基复合材料是一类具有优异性能和广泛应用前景的新型材料，其在现代工
业制造、航空航天、能源领域等方面都有着重要的应用价值。
随着科技的发展和人们对材料性能要求的不断提高，陶瓷基复合材料的研究和应用也得到了越来越多的关注。
首先，陶瓷基复合材料具有优异的高温性能。
由于陶瓷本身具有高熔点、高硬
度等特点，结合其他材料形成复合材料后往往能够保持良好的高温稳定性，在高温、强腐蚀等恶劣环境下仍能表现出色。
这使得陶瓷基复合材料在航空航天领域的火箭发动机、航空发动机等高温部件中得到广泛应用，有望在未来更多高温环境下的工程中发挥作用。
其次，陶瓷基复合材料具有优异的机械性能。
复合材料由多种材料组合而成，
能够充分发挥各种材料的优点，从而综合提高材料的强度、韧性等机械性能。
在一些对材料强度要求较高的领域，如汽车制造、船舶制造等，陶瓷基复合材料都有望替代传统金属材料，实现轻量化、高强度的设计要求。
另外，陶瓷基复合材料具有优异的耐腐蚀性能。
陶瓷本身常常具有较好的抗腐
蚀性能，结合其他材料形成复合材料后往往能够进一步提高其耐腐蚀性能。
在化工、海洋等恶劣环境下，陶瓷基复合材料能够保持长时间的稳定性，有望成为替代传统材料的选择。
总的来说，陶瓷基复合材料在高温性能、机械性能、耐腐蚀性能等方面都具有
显著的优势，有望在未来的科技发展中得到更广泛的应用。
随着科研力量的投入和技术的不断提升，陶瓷基复合材料的发展前景仍然十分广阔，相信未来定会有更多令人惊艳的应用出现。
陶瓷基复合材料的研究进展及应用
陶瓷基复合材料的研究进展及应用1. 引言陶瓷基复合材料是一种由陶瓷基体和强化相组成的复合材料。
近年来，随着科技的进步和材料技术的发展，陶瓷基复合材料在各个领域得到了广泛的应用。
本文将对陶瓷基复合材料的研究进展及其应用进行全面、详细、完整且深入地探讨。
2. 陶瓷基复合材料的分类根据强化相的不同，陶瓷基复合材料可以分为颗粒增强型、纤维增强型和层状增强型三种类型。
其中，颗粒增强型陶瓷基复合材料的强化相是以颗粒的形式分散在陶瓷基体中的；纤维增强型陶瓷基复合材料的强化相则是以纤维的形式存在；层状增强型陶瓷基复合材料的强化相是通过层状复杂结构实现的。
3. 陶瓷基复合材料的制备方法陶瓷基复合材料的制备方法多种多样，常见的方法有以下几种：3.1 钎焊法钎焊法是将强化相和陶瓷基体通过钎料进行连接的方法。
钎料可以是金属或非金属，通过钎焊方法可以将两种材料牢固地连接在一起，形成复合材料。
3.2 熔融注射法熔融注射法是将强化相和陶瓷基体一起熔融，并通过注射成型的方法制备陶瓷基复合材料。
这种方法可以制备出形状复杂的复合材料，并且其性能均匀性较好。
3.3 助熔剂法助熔剂法是在陶瓷基体中添加助熔剂，使其在较低的温度下熔融并与强化相进行反应，从而制备出陶瓷基复合材料。
3.4 热压烧结法热压烧结法是将陶瓷粉末和强化相在高温高压下进行烧结，使其结合成复合材料。
这种方法可以制备出具有较高密度和优良性能的陶瓷基复合材料。
4. 陶瓷基复合材料的应用领域由于陶瓷基复合材料具有优异的力学性能、耐热性能和耐腐蚀性能，因此在许多领域得到了广泛的应用。
以下是陶瓷基复合材料的几个主要应用领域：4.1 航空航天领域陶瓷基复合材料具有轻质、高强度和耐高温的特点，因此在航空航天领域得到了广泛的应用。
它可以用于制造发动机叶片、航空航天结构件等，提高航空航天器的整体性能。
4.2 光电子领域陶瓷基复合材料具有优异的光学性能和电子性能，因此在光电子领域有着广泛的应用。
高性能陶瓷基复合材料的研究与开发
高性能陶瓷基复合材料的研究与开发1. 引言在现代科技的推动下，高性能材料的需求日益增加。
陶瓷材料因其优异的性能特点和广泛的应用领域受到了广泛关注。
然而，传统的陶瓷材料在强度、韧性和耐磨性等方面存在一定的局限性。
为了克服这些问题，高性能陶瓷基复合材料应运而生。
2. 高性能陶瓷基复合材料的定义和分类高性能陶瓷基复合材料指的是将陶瓷基体与其他材料（如金属、高聚物等）进行复合形成的材料。
根据复合方式的不同，可以将其分为层状复合材料、颗粒增强复合材料和纤维增强复合材料等几个类别。
这些复合材料能够充分发挥各自材料的优点，同时弥补各自的缺陷，从而取得了出色的性能。
3. 高性能陶瓷基复合材料的研究与开发现状目前，高性能陶瓷基复合材料的研究与开发取得了一系列重要突破。
以颗粒增强复合材料为例，研究人员通过控制颗粒尺寸和分布、优化界面结合等方法，成功提高了复合材料的强度和韧性。
此外，纤维增强复合材料在航空航天、汽车等领域的应用也取得了不俗的成绩。
不仅如此，还有研究者通过引入碳纳米管、高分子单体等新材料，进一步提升了复合材料的性能。
4. 高性能陶瓷基复合材料的应用前景由于高性能陶瓷基复合材料具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨损等诸多优点，其应用前景广阔。
在航空航天领域，可以应用于飞机发动机、导弹外壳等高强度、高温环境下的部件。
在汽车制造行业，可以用于制造车身、引擎零部件等，提高汽车的安全性和燃油效率。
同时，高性能陶瓷基复合材料还广泛应用于新能源、生物医学、电子器件等领域。
5. 高性能陶瓷基复合材料的挑战与改进尽管高性能陶瓷基复合材料在性能和应用领域上取得了重要进展，但仍面临一些挑战。
首先，复合材料的制备过程较为复杂，需要控制好各种工艺参数才能得到理想的材料。
其次，复合材料的界面结合也是一个关键问题，界面的结合强度会影响整个材料的性能。
因此，进一步提高复合材料的制备工艺和界面结合技术是未来的重点研究方向。
6. 结论高性能陶瓷基复合材料是材料科学领域的研究热点，也是未来材料发展的重要方向之一。
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 compositesAbstract：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 application1 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。
陶瓷基复合材料研究现状和应用前景
电、 透 波等 特点 ， 因其 在有机 材料 基 和金属 材料 基不 能 满 足性 能要 求 的工况 下 可 以得 到广 泛 应 用 ， 而 成 为 理
复合 材料 制造 的 工艺 性 能 。可 供 选择 的基 体 材料 有 ：
玻璃 、 玻 璃 ～陶瓷 、 氧化 物 陶瓷和非 氧化 物 陶瓷材料 。
１ ） 玻璃基 复合 材料 的优 点是 ： 易于制 作 （ 因烧成 过 程 中可 通过 基体 的粘性 流 动来进行 致 密化） ， 且增韧 效
Ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ Ｃ ｅ ｒ ａ ｍｉ ｃ ）或 复 相 陶 瓷 （ Ｄ ｉ ｐ ｈ ａ ｓ ｅ Ｃ ｅ ｒ ａ ｍ— ｉ ｃ ） ［ １ ］ 。 陶瓷 基 复 合材 料 是 ２ ０世 纪 ８ Ｏ年代 逐 渐 发 展 起 来 的新型 陶瓷 材 料 ， 包括纤维 （ 或晶须） 增韧 （ 或 增 强） 陶瓷基 复合材 料 、 异 相 颗粒 弥散 强 化 复 相 陶 瓷 、 原 位 生长 陶瓷 复合材 料 、 梯 度 功 能 复 合 陶瓷 及 纳 米 陶 瓷 复 合材 料 。它具有 耐 高 温 、 耐磨 、 抗高温蠕变、 热 导 率
工艺 ， 尤其 是 对 化 学 气 相 浸 渗 （ Ｃ ＶＩ ） 工 艺 做 出 了较 为全 面 的 总结 和 介 绍 。最 后 对 陶 瓷 基 复 合 材 料 应 用 前 景 进行 了展 望 。 关 键 词 陶瓷 基 复 合 材 料 增韧技术 制 造 工艺 界 面 应 用 前 景
连续陶瓷基复合材料的研究现状及发展趋势
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陶瓷基复合材料的研究现状与发展前景
陶瓷基复合材料的研究现状与发展前景目前，陶瓷基复合材料的研究主要集中在以下几个方面：1.多相复合材料的设计与制备：陶瓷基复合材料通常由陶瓷基质和强化相组成，通过调控两者之间的相互作用，可以实现材料性能的优化。
目前，研究者们通过改变不同相的比例、尺寸和形态，以及引入适量的界面相来实现复合材料的设计。
此外，也有学者通过设计多层结构、梯度结构和纳米结构等方法来增加材料的界面面积和界面结合强度，从而提高材料的力学性能和耐磨性能。
2.陶瓷基复合材料的性能改善：陶瓷基复合材料的一个主要目标是提高其力学性能和耐磨性能。
为此，研究者在陶瓷基复合材料中引入了各种强化相，如碳化硅、碳化硼、氮化硅等，以提高材料的硬度和强度。
此外，还有学者通过控制复合材料的纤维方向、制备多孔材料等方法，来改善材料的韧性和抗撞击性能。
同时，还有部分研究者在陶瓷基复合材料中引入纳米颗粒、纳米管道和纳米纤维等，以提高材料的导电性、导热性和光学性能。
3.陶瓷基复合材料的制备技术：陶瓷基复合材料的制备通常包括两个步骤，即原料的混合和制备过程的选择。
在混合过程中，常用的方法包括干法混合、湿法混合和机械合金化等。
而在制备过程的选择上，常用的方法包括烧结、热压、热等静压、溶胶凝胶法、化学气相沉积等。
在制备技术方面，人们的研究重点主要集中在提高材料的致密性、结晶度和尺寸的控制等方面。
陶瓷基复合材料在各个领域中都有广泛的应用前景。
例如，在航空航天领域，陶瓷基复合材料可以用于制造高温结构件、涡轮叶片和发动机喷嘴等部件，以提高其耐高温和高应力环境下的性能。
在电子设备领域，陶瓷基复合材料可以用于制造封装材料、电阻器和散热器等器件，以提高其耐高温和导热性能。
在汽车制造领域，陶瓷基复合材料可以用于制造发动机和刹车系统等重要零部件，以提高其耐磨和耐蚀性能。
综上所述，陶瓷基复合材料是一种性能优异、应用前景广阔的材料。
通过不断地改进材料的设计和制备技术，陶瓷基复合材料有望在各个领域中得到更广泛的应用。
新型超高温陶瓷材料研究及应用展望
新型超高温陶瓷材料研究及应用展望随着科技的飞速发展，各种新型材料应运而生。
其中，超高温陶瓷材料是一种备受关注的新型材料。
超高温陶瓷材料具有耐高温、强度高、硬度大、化学稳定性好、抗氧化性强等优良性能，被广泛应用于航空、航天、能源、化工、燃料电池等多个领域。
本文将从新型超高温陶瓷材料研究的现状、其在应用中的展望等方面进行论述。
目前，新型超高温陶瓷材料的研究已取得了重大突破。
在生产工艺方面，采用了先进的材料制备技术，如化学气相沉积、热机械合成等。
这些技术使得超高温陶瓷材料制备变得更加简单、高效。
同时，在材料结构设计上，团队通过对材料结构的分析和模拟，对其进行了优化和改进，使其性能得到了进一步提升。
这些研究成果的取得，使得新型超高温陶瓷材料在应用中的潜力更加巨大。
在航空航天领域，新型超高温陶瓷材料已被广泛应用于发动机叶片、燃烧室、喷管、高温结构等部件中。
超高温陶瓷材料具有耐高温、轻质、高强度等优良性能，可以大幅度降低飞行器的重量，提高燃油效率和续航能力，同时也可以提升飞行器的高速、高温性能和稳定性，增强其在极端环境下的适应能力。
此外，新型超高温陶瓷材料还可以用于制造燃料电池，提高其运行温度和性能，进一步推动燃料电池技术的发展。
在能源领域，新型超高温陶瓷材料同样有着广泛的应用前景。
在燃气轮机、燃烧器、热交换器等设备中广泛使用。
超高温陶瓷材料可以提高燃气轮机的运行温度和效率，降低碳排放；在热交换器中，可以提高热效率，节省能源资源；在燃烧器中应用，可以有效降低热处理过程中的能量成本和污染物排放。
综上所述，新型超高温陶瓷材料的研究在各个领域中的应用前景广泛，将对现有技术进行根本性的改进和提升。
未来，我们需要进一步推进超高温陶瓷材料的研究和应用，通过创新的思维、优质的技术和高效的团队合作，将这一材料的性能、稳定性、可靠性等关键指标不断提高，为人们的生活和生产带来更多的美好。
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高温结构陶瓷基复合材料的研究现状与展望摘要概述了国外航空发动机用高温结构陶瓷基复合材料的研究与应用现状及发展趋势,分析了目前研究中存在的问题及其解决办法,确定了今后的研究目标与方向。
关键词陶瓷基复合材料高温结构材料力学性能应用1 前言为了提高航空发动机的推重比和降低燃料消耗,最根本的措施是提高发动机的涡轮进口温度,而涡轮进口温度与热端部件材料的最高允许工作温度直接相关。
50 至60 年代,发动机热端部件材料主要是铸造高温合金,其使用温度为800～900 ℃;70 年代中期,定向凝固超合金开始推广,其使用温度提高到接近1000 ℃; 进入80 年代以后,相继开发出了高温单晶合金、弥散强化超合金以及金属间化合物等,并且热障涂层技术得到了广泛的应用,使热端部件的使用温度提高到1200～1300 ℃,已接近这类合金熔点的80 % ,虽然通过各种冷却技术可进一步提高涡轮进口温度,但作为代价降低了热效率,增加了结构复杂性和制造难度,而且对小而薄型的热端部件难以进行冷却,因而再提高的潜力极其有限[1 ] 。
陶瓷基复合材料正是人们预计在21 世纪中可替代金属及其合金的发动机热端结构首选材料。
近20 年来,世界各工业发达国家对于发动机用高温结构陶瓷基复合材料的研究与开发一直十分重视,相继制定了各自的国家发展计划,并投入了大量的人力、物力和财力,对这一新型材料寄予厚望。
如美国NASA 制定的先进高温热机材料计划(HITEMP) 、DOE/ NASA 的先进涡轮技术应用计划(ATTAP) 、美国国家宇航计划(NASP) 、美国国防部关键技术计划以及日本的月光计划等都把高温结构陶瓷基复合材料作为重点研究对象,其研制目标是将发动机热端部件的使用温度提高到1650 ℃或更高[2 ,3 ] ,从而提高发动机涡轮进口温度,达到节能、减重、提高推重比和延长寿命的目的,满足军事和民用热机的需要。
2 国内外应用与研究现状由于陶瓷材料具有高的耐磨性、耐高温和抗化学侵蚀能力,国外目前已将其应用于发动机高速轴承、活塞、密封环、阀门导轨等要求转速高和配合精度高的部件。
在航空发动机高温构件的应用上,到目前为止已报道的有法国将CVI 法SiC/Cf 用于狂风战斗机M88 发动机的喷嘴瓣以及将SiC/ SiCf用于幻影2000 战斗机涡轮风扇发动机的喷管内调节片[4 ] 。
此外,有许多陶瓷基复合材料的发动机高温构件正在研制之中。
如美国格鲁曼公司正研究跨大气层高超音速飞机发动机的陶瓷材料进口、喷管和喷口等部件,美国碳化硅公司用Si3N4/ SiCW制造导弹发动机燃气喷管,杜邦公司研制出能承受1200～1300 ℃、使用寿命达2000h 的陶瓷基复合材料发动机部件等[5 ,6 ] 。
目前导弹、无人驾驶飞机以及其它短寿命的陶瓷涡轮发动机正处在最后研制阶段,美国空军材料实验室的研究人员认为[7 ] ,1204～1371 ℃发动机用陶瓷基复合材料已__经研制成功。
由于提高了燃烧温度,取消或减少了冷却系统,预计发动机热效率可从目前的26 %提高到46 %。
英国罗—罗公司认为,未来航空发动机高压压气机叶片和机匣、高压与低压涡轮盘及叶片、燃烧室、加力燃烧室、火焰稳定器及排气喷管等都将采用陶瓷基复合材料。
预计在21 世纪初, 陶瓷基复合材料的使用温度可提高到1650 ℃或更高。
3 研究方向与发展趋势陶瓷虽然具有作为发动机热端结构材料的十分明显的优点,但其本质上的脆性却极大地限制了它的推广应用。
为了克服单组分陶瓷材料缺陷敏感性高、韧性低、可靠性差的缺点,材料科学工作者进行了大量的研究以寻找切实可行的增韧方法[8 ,9 ] 。
增韧的思路经历了从“消除缺陷”或减少缺陷尺寸、减少缺陷数量,发展到制备能够“容忍缺陷”,即对缺陷不敏感的材料。
目前常见的几种增韧方式主要有相变增韧、颗粒(晶片) 弥散增韧、晶须(短切纤维) 复合增韧以及连续纤维增韧补强等。
此外还可通过材料结构的改变来达到增韧的目的,如自增韧结构、仿生叠层结构以及梯度功能材料等。
由于连续纤维增强陶瓷复合材料是目前最重要的一类高温结构陶瓷,因此文中将其单独列出进行叙述。
同时,对近年来发展出的具有高温应用潜力的层状陶瓷复合材料做了较详细的介绍。
311 非连续纤维增强陶瓷基复合材料各种增韧手段在制备工艺和增韧效果上各有优劣。
其中相变增韧可以大幅度地提高陶瓷材料的常温韧性和强度,但因在高温下相变增韧机制失效而限制了其在高温领域的应用。
颗粒弥散及晶须复合增韧CMC 制备工艺较简单,可明显提高陶瓷材料的抗弯强度和断裂韧性。
将颗粒、晶须等增强物加入到基体材料中,由于两者弹性模量和热膨胀系数的差异而在界面形成应力区,这种应力区与外加应力发生相互作用,使扩展裂纹产生钉扎、偏转、分叉或以其它形式(如相变) 吸收能量,从而提高了材料的断裂抗力。
表1 列出了一些具有代表性的颗粒弥散及晶须复合增韧陶瓷基复合材料的力学性能[10 ] 。
对于高温下使用的颗粒弥散及晶须复合增韧陶瓷基复合材料,就基体而言,综合考虑高温强度、抗热震性、比重、抗蠕变性、抗氧化性等,首选材料仍是Si3N4 和SiC。
在高温下它们的表面会形成氧化硅保护层,能满足1600 ℃以下高温抗氧化的要求。
通过在基体材料中加入合适的增强物及选择适当的材料结构,可大幅度提高陶瓷材料的强度和韧性。
表1 一些典型陶瓷基复合材料的性能[10 ]材料抗弯强度(MPa)(基体/ 增强物) 室温高温室温断裂韧性(MPa·m1/ 2) Si3N4/ 20vol %SiCW 500 —12. 0Si3N4/ 10wt %SiCW 1068 386 (1300 ℃) 9. 4Si3N4/ SiC 短切纤维900 —20. 0Si3N4/ SiC 纳米颗粒1550 —7. 5SiC/ SiCW 501 271 (1200 ℃) 6. 0SiC/ 25wt %TiC 580 — 6. 5SiC/ 15vol %ZrB2 560 — 6. 5SiC/ Si3N4 930 —7. 0SiC/ 33 %TiC233 %TiB2 970 — 5. 9Al2O3/ SiC 短切纤维800 —8. 7Al2O3/ SiC 纳米颗粒152 0 — 4. 8Al2O3/ Si3N4 纳米颗粒850 — 4. 7Al2O3/ TiC 940 — 4. 0Al2O3/ YAG 373 198 (1650 ℃) 4. 0莫来石/ ZrO2-SiC 500 — 6. 1Y2TZP/ 20 %SiC 1050 —8. 0ZrO2/ 30vol %SiC 650 400 (1000 ℃) 12. 03. 2 连续纤维增强陶瓷基复合材料与其它增韧方式相比,连续纤维增强陶瓷基复合材料(CFCC) 具有较高的韧性,当受外力冲击时,能够产生非失效性破坏形式,可靠性高,是提高陶瓷材料性能最有效的方法之一。
CFCC 的研究始于1973 年S1R1Levitt 制成的高强度碳纤维增强玻璃基复合材料[11 ] 。
70 年代中期,日本碳公司(Nippon Carbon Co. ) 高性能SiC 连续纤维2Nicalon的研制成功,使制造纯陶瓷质CFCC 成为可能。
80 年代中期, E1Fitzer[12 ]等用化学气相沉积法制备出高性能的Nicalon 纤维增强SiC 基陶瓷复合材料,有力地推动了CFCC 的发展。
十几年来,世界各国尤其是美国、日本、欧共体等都对CFCC 的制备工艺及增韧机理进行了大量的研究,取得了一些重要成果,少数材料已达到实用化水平。
表2 为单组分陶瓷与连续纤维增强陶瓷基复合材料性能的比较[13 ] 。
表2 单组分陶瓷与CFCC性能的比较[ 13]材料抗弯强度MPa 断裂韧性MPa·m1/ 2Al2O3 550 4. 5碳增强Al2O3/ SiCf —10. 5SiC 500 4. 0SiC/ SiCf 750 25. 0SiC/ Cf 557 21. 0氮化硼增强ZrO2/ SiCf 450 5. 0硅酸硼玻璃60 0. 6硅酸硼玻璃/ SiCf 830 18. 9目前用于增强陶瓷基复合材料的连续纤维主要有SiC 纤维、C 纤维、B 纤维及氧化物纤维等,表3 为陶瓷基复合材料所用主要纤维的性能[14 ] 。
由表3 可见, C 纤维的使用温度最高, 可超过1650 ℃,但只能在非氧化气氛条件下工作。
对于C 纤维增强陶瓷基复合材料高温下的氧化保护问题,国际上目前尚没有完全解决。
除C 纤维外,其它纤维在超过1400 ℃的高温下均存在强度下降问题,由于陶瓷材料一般都需在1500 ℃以上烧成,通常的制备方法都会使陶瓷纤维由于热损伤而造成力学性能的退化。
CVI 工艺[40 ,41 ]虽然可解决制备过程中的这一问题,但成本十分昂贵,且材料在高温下使用时仍会面临纤维性能退化的问题。
因此要使连续纤维增强陶瓷基复合材料的性能有所突破,关键是要研制出高温强度高且抗氧化的陶瓷纤维。
表3表3 陶瓷基复合材料所用主要纤维的性能[ 14]纤维ρ(g·cm- 3) σ(GPa) E(GPa) 直径(μm) 最高使用温度( ℃) FP 纤维 3. 9 1. 38 380 21 1315Al2O3 PRD 166 4. 2 2. 07 380 21 1400 Sumitomo 3. 9 1. 45 190 17 1250Nextel 440 3. 1 2. 7 186 12 1427莫来石Nextel 312 2. 7 1. 55 150 12 1205β2SiC Nicalon 2. 55 2. 62 193 10 1205 SiTiCO Tyranno 2. 5 2. 76 193 10 1300Si3N4 TNSN 2. 5 3. 3 296 10 1205 SCS-6 3. 05 3. 45 410 140 1300SiC 单纤维Sigma 3. 4 3. 45 410 100 1260纯熔融石英Astroquartz 2. 2 3. 45 69 9 980T300 1. 8 2. 76 276 10 > 1650石墨T40R 1. 8 3. 45 276 10 > 1650从目前来看,解决纤维问题的途径主要有2条:一是提高SiC 纤维的纯度,降低纤维中的氧含量。
如近年来采用电子束辐照固化方法发展出了一种低含氧量(质量分数为015 %) 的Hi2NicalonSiC 纤维[15 ] ,其高温性能比普通Nicalon SiC 纤维有了明显的提高;二是发展高性能的氧化物单晶纤维。
氧化物连续纤维出现较晚,且一般为多晶纤维,高温下纤维会发生再结晶,使其性能下降,而单晶纤维则可避免这一问题。