复合材料论文陶瓷基复合材料的发展状况

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1、陶瓷基复合材料的发展状况摘要：材料是科学技术发展的基础，材料的发展口J以推动科学技术的发展，材料主要有金属材料、聚合物材料、无机非金属材料和复合材料四大类。其屮复合材料是是最新发展地来的一大类，发展非常迅速。最早出现的是宏观复合材料，它复合的组元是肉眼可以看见的，比如混凝土。随后发展起来的是微观复合材料，它的组元肉眼看不见。由于复合材料各方面优异的性能，因此得到了广泛的应用。复合材料对航空、航天事业的影响尤为显著，可以说如果没冇复合材料的诞生，就没有今天的飞机、火箭和宇宙飞船等高科技产詁。本文从纤维增强陶瓷基复合材料C./SiC入手，综述了陶瓷基复合材料

2、(ceramicmatrixcomposite,CMC)的特殊使用性能、界而增韧机理、制备工艺作了较全面的介绍，并对CMC的的研究现状、未來发展进行了展望。关键词：陶瓷基复合材料、增强纤维、基体一、陶瓷基复合材料的界面对材料整体性能的影响界面直接影响复合材料的整体力学性能。纤维与基体间界面的主要作用有：(1)传递作用：由于纤维是主要的载荷承担者，因此界而必须冇足够的结合强度来传递载荷，使纤维承受大部分载荷，在基体与纤维Z间起到桥梁作用；(2)阻断作用：当基体裂纹扩展到纤维与基体间界面时，结合适当的界面能够阻止裂纹扩展或使裂纹发生偏转，从而达到调整界面应力

3、，阻止裂纹向纤维内部扩展的效果。当一垂直丁纤维方向的裂纹穿入包埋单根纤维的基体时，随后的破坏机制界面对陶瓷基复合材料力学性能的影响分析可能为：基体断裂、纤维一基体界面脱粘、脱粘后摩擦、纤维断裂、应力重新分布、纤维拔出等。对陶瓷基复合材料来说，纤维与基体的界面是控制材料性能的关键因素。因此，研究界面对陶瓷基复合材料的力学性能的影响具有重要意义。在纤维与基体Z间的界而反应将改变材料的界而强度，从而改变材料的性能。例如：G/SiC复合材料的界面反应主要是Si原了向纤维内部的扩散。戴永耀(咅)等研究了Si原子通过C『/SiC的界面进入碳纤维内部的过程，发现Si的

4、扩散系数为8.2X10-17m2/s到6X10-16m2/s,扩散自由能为76.9kj/mol,温度为900°C〜1300°C时，Si原子为自由态或与C原子形成SiC。KikuchiShigeru研究结果表明：Si原了在沥青基纤维中的扩散速度远小于在PAN基纤维中的速度。这个结果也表明沥青基碳纤维更适于制备C./SiC复合材料。为改善陶瓷基复合材料的界面，最简单最有效的方法是通过纤维的表面涂层来实现，其工艺方法同抗氧化涂层。HojimaAkira发现冇B4C涂层的G/SiC复合材料在与不加涂层的Cf/SiC复合材料在同样的温度热处理时，Si几乎不扩散入碳

5、纤维内部。国外对陶瓷基复合材料及其界面的失效模式和失效机理已经作了不少的研究。按界面模型的儿何假设，可以将界面模型分为连续模型和离散模型。连续模型又分为唯像学模型、半经验失效模型、剪切滞后模型断裂力学模型和连续损伤力学模型等；离散模型可以分为有限元模型、弹簧元模型和统计模型等。二、陶瓷基复合材料的发展现状我国从20世纪70年代初期开始碳纤维增强陶瓷基的研究，由于碳纤维增强石英复合材料中，两相在化学上相容性好，而且在物理上匹配也适当，因而取得很好的增强增韧效果。C/SiC在化学相容和物理上的匹配都不其理想，这种复合材料虽然在任性上得到改进，但在增强上并没有

6、什么显著效果，这一材料已经在我国的空间技术上得到应用。在碳纤维增强氮化硅复合材料的研究中发现:碳纤维与氮化硅的两相组合在化学上相容和物理上的匹配不甚理想。尽管可以通过低温烧结的途径来改善其化学相容性，通过的相变来缓和由于热膨胀不匹配而引起的应力，但是两相Z间弹性模量的不匹配所产生的影响仍然无法消除。因此，这种复合材料虽然在韧性上可以得到改进,但在增强上并没有什么显著效果。碳化硅纤维增强锂铝硅(LAS)复合材料也是一•种比较符合前述原则的复合系统，它在1200°C以下不失为一种好的高温结构材料。由于LAS微晶玻璃可以通过添加调整其热膨胀系数，使之与碳化硅纤

7、维得到更佳的匹配。碳纤维/LAS复合材料具有高达20.IMPa.m的断裂韧性。我国采用气相合成或以氧化硅为原料的碳还原法制造SiC晶须，所制备的SiC晶须复合材料有极好的高温强度和断裂任性，在1370°C分别为880MPa和&5MPa.m,且表现出低的残余应力和高的抗蠕变性能.国际在20世纪90年代,CMC-SiC开始步入应用研究阶段.作为高推重比航空发动机用高温热结构材料，以推重比10航空发动机为演示验证平台对喷管，燃烧室和涡轮三大部分进行了大量考核，丿力时十余年目前仍在进行•其屮法国Snecma公司生产的CMC-SiC调节片、密封片已装机使用近10年

8、。在700°C工作100h,减重50%,疲劳寿命优于高温合金，目前正向其他发动机