连续纤维补强陶瓷基复合材料

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1、连续纤维补强陶瓷基复合材料关键词：纤维，FRCMC,增韧机理，制备方法1.FRCMC的纤维和基体1.1FRCMC的选材原则1）陶瓷基体和纤维应该满足结构件的使用环境要求。使用环境包括：工作最低温度、最高温度、湿度、工作介质的腐蚀性等。2）陶瓷基体和纤维间弹性模量的匹配。当复合材料承受负载时，其应力和弹性模量服从加和原则。图1复合材料受力状况?C??fVf??VmmEC?EfVf?EVmm①Vf?Vm?l上述方程中，？表示承受的砬力，V为体积分数，E为弹性模量。下标c,f,m分别代表复合材料、纤维、基体。?c??m??f??m/Em??f/Ef对于脆性基体复合材料，当基体的应变大于其临界断裂

2、应变时基体发生断裂。由于基体的弹性变形非常小，所以在基体断裂瞬间，纤维并未充分发挥作用。假设基体断裂时，它所承担的应力分量全部转移给纤维。此时复合材料所承担的应力由式①和式②可得：?c??mu?l?Vf????Ef?Em③式屮下标mu和f分别代表基体和纤维断裂。从式③可看出，对于脆性基体复合材料，如果基体的断裂应变小于纤维的断裂应变，要想提高复合材料的强度，必须Ef大于Em，选择高模量的纤维。这时Ef/Em越火，复合材料的强度越高。如果Ef小于Em,基体不仅得不到强化，反而会降低。陶瓷基体和纤维的热膨胀系数的匹配。复合材料组元之间必须要满足物理化学相容性，其中最重要的就是热膨胀系数的匹配。

3、设Am、Afa、Afr分别代表基体、纤维轴向和纤维径向热膨胀系数的平衡值。则基体所承受的应力：轴向？a?(Am?Afa)?TEm④径向？f?(Am?Afr)?TEm⑤式中?T为应力驰豫温度与室温之差值，Em为基体的弹性模量。如果Am〉Afa，则?3为正值。复合材料冷却后纤维受压缩热残余应力，基体受拉仲热残余应力。这种热残余拉仲应力在材料使用时将叠加于外加拉仲载荷，对材料的强度不利。如果?a〉?mu,材料在冷却过程屮就可能垂直于纤维轴向形成微裂纹网络，使材料的性能大大降低。如果Am

4、如果该应力过大，超过纤维的断裂应力时，对强化不利。如果Am〉Afr,则?r为正，那么纤维一基体界妞则承受热压缩应力。过大的界面压应力使复合材料在断裂过程屮难以形成纤维/脱粘/拔出等吸能机制，对材料性能的提高不利。如果Am

5、高温环境，但冃前作为FRCMCs的增强材料主要存在以下两个问题：一是高温下晶体相变、晶粒粗化以及玻璃相的蠕变导致纤维的高温强度下降；二是在高温成型和使用过程中，氧化物纤维易与陶瓷基体（尤其是氧化物陶瓷）形成强结合的界面，导致FRCMCs的脆性破坏，丧失了纤维的补强増韧作用。第二类为碳化硅系列纤维。0前制备碳化硅纤维的方法主要有两种:是化学气相沉积法（CVD）。用这种方法制备的碳化硅纤维，其高温性能好，但由于直径太大（大于100?m）,不利于制备形状复杂的FRCMCs构件，且价格昂贵，因而其应用受到很大限制。二是有机聚合物先驱体转化法。在这种方法制备的纤维中，最典型的例子是日木碳公司生产的N

6、icalon和Tynnno等纤维。这种纤维的共同特点是，纤维不同程度地含有氧和游离碳杂质，从而影响纤维的髙温性能。最近，日本碳公司生产的低含氧量碳化硅纤维（Hi-Nicalon）具有较好的高温稳定性，其强度在1500〜1600°C温度下变化小大。第三类为氮化硅系列纤维。它们实际上是由Si，N,C和O等组成的复相陶瓷纤维。现己有商品出售。这类纤维也是通过有机聚合物先驱体转化法制备的。目前也存在着与先驱体碳化硅纤维同样的问题，因而其性能与先驱体碳化硅纤维相近。第四类为碳纤维。碳纤维己有三十余年的发展历史，它己是目前开发得最成熟，性能最好的纤维之已被广泛用作复合材料的增强材料。其高温性能非常好，

7、在惰性气氛中，2000°C温度范围内其强度基本不下降，是冃前增强纤维屮高温性能最佳的类纤维。然而，高温抗氧化性能差是其最大的弱点。空气中，温度高于360°C后即出现明显的氧化失重和强度下降,如能解决这个问题（如采用纤维表而涂层等方法）碳纤维仍不失为FRCMCs的最佳侯选材料。1.1.2FRCMC的陶瓷基体用于FRCMC的陶瓷基体种类很多，大致叫分为以下三大类：第一类为玻璃及玻璃陶瓷基体。由于玻璃基复合材料可以在较低温度下