陶瓷基复合材料的定义与特性.doc

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1、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。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、抗腐蚀等优异性能，其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，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。陶瓷基复合材料(CMC)由于具有高强度、高硬度、高弹性模量、热化学稳定性等优异性能,是制造推重比10以上航空发动机的理想耐高温

2、结构材料。一方面，它克服了单一陶瓷材料脆性断裂的缺点,提高了材料的断裂韧性；另一方面，它保持了陶瓷基体耐高温、低膨胀、低密度、热稳定性好的优点。陶瓷基复合材料的最高使用温度可达1650°C,而密度只有高温合金的70%。因此，近几十年来，陶瓷基Tin复合材料的研究有了较快发展。目前CMC正在航空发动机的高温段的少数零件上作评定性试用。例如，法国一公司已制造了碳化硅增强碳化硅的发动机调节片，在“幻影”2000飞机用发动机上试飞。美国1=1TextronLycoming公司用碳化硅纤维增强氮化硅复合材料制造了涡轮级间

3、盘的验证件。美国某公司还研制了玻璃陶瓷基复合材料燃烧室内衬和CMC涡轮叶片试验件。国内对陶瓷基复合材料的研究起步相对较晚，从上世纪九十年代后期开始开展对陶瓷基复合材料的研究，取得了一定的成果。但是不论在材料的制备还是在材料力学性能的研究上相对国外还是有较大的差距。尤其在材料失效机理、失效模型的研究上还很不完善。=1二、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

4、甚理想，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，但是两相之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,Ifi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

5、1200C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，使之与碳化硅纤维得到更佳的匹配。碳纤维/LAS复合材料具有高达20.lMPa.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8.5MPa.m,且表现出低的残余应力和高的抗蠕变性能.陶瓷基复合材料的分类材料、纤维增强陶瓷复合材料、片材增强陶瓷复合材料。按基体材料分类，陶瓷基复合材料可分为氧化物基陶瓷复合材料、非氧

6、化物基陶瓷复合材料、碳/碳复合材料、微晶玻璃基复合材料。陶瓷基复合材料基体和纤维之间的界面性能是影响其宏观性能的最主要因素之一.界面粘结强度不但直接影响陶瓷基复合材料的刚度、强度、疲劳和抗冲击等特性，而且也决定了裂纹桥接、裂纹偏转、界面脱粘等增韧特性.目前.对复合材料界面粘强度的测试方法主要有纤维拔出试验法、纤维压出试验法、碎片法等,其中，纤维拔出试验法具有方法简单、对试验环境要求不高、能直接测定界面的物理力学性能、可用于脆性基体等特点，是目前研究和测量陶瓷基复合材料界面性能的主要方法之一[1・・.由于纤维拔出

7、试验法并不能完全反映实际复合材料的行为和状态,实验结果往往也表现出很大分散性，因此，很多学者建立了纤维拔出的理论模型对其进行补充和修正.Shao-YunFun3建立了单纤维拔出和复合物纤维拔出力学模型，得到了界面剪切应力和轴向应力的计算公式，分析了影响界面应力传递的各种影响因素；刘鹏飞口1在shao-YunFu的基础上建立了包含基体破裂、界面分离的单纤维拔出和复合物纤维拔出的有限元ii模型，采用数值方法计算了不同参数的影响；彭细荣等“3通过数值模拟的方法分析了纤维拔出实验中实验样本的几何尺寸对界面应力分布和断裂

8、力学性能的影响f张双寅”3和w.Becker[si研究了纤维拔出时的能量释放率等.1:1在纤维拔出过程中，界面脱粘和界面脱粘后的摩擦滑移是界面失效过程中最主要的两个方式，而通过研究界面处的载荷传递和应力分布可以预测界面失效的发生和发展.shao^YunFu力学模型假设纤维和基体之间的界面完全粘结，因此无法分析界面脱粘/滑移情况下的应力分布；而且由于不考虑泊松效应的影响，界面剪切应力的表