韧劲十足的纤维增强陶瓷基复合材料

　　中国建筑材料科学研究总院有限公司 霍艳丽
　　高性能陶瓷材料如碳化硅、氧化铝、氮化硅等，具有强度高、耐腐蚀、质量轻等优点，但是这类材料也有致命的缺陷，就是高脆性，在受到应力冲击时容易导致断裂。而采用高强度、高弹性模量的纤维与陶瓷基体复合可阻止裂纹的扩展，从而得到具有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料，既可以保留陶瓷材料的优点，又能克服掉陶瓷材料脆性高的弱点，是提高陶瓷韧性和可靠性的有效方法。
　　纤维增强陶瓷基复合材料就是以陶瓷材料为基体，以陶瓷纤维、晶须、晶片或颗粒为补强体，通过适当的复合工艺制备且性能可设计的一类新型材料，具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐磨耐蚀和良好的韧性等诸多优点，受到国内外学者的广泛关注。与其他复合材料相比，纤维增强陶瓷基复合材料的成型工艺相对复杂，制备周期长，成本高，对设备要求也高，成品率较难保证。因此，纤维增强陶瓷基复合材料通常应用于高精尖领域，应用于热结构部件的典型代表有C/C、C/SiC及SiC/SiC复合材料。欧美等发达国家已经开展该类材料在航空发动机上的应用，我国也紧随其后展开了广泛的研究。
　　纤维增强陶瓷基复合材料
　　好比构造齐全的＂人体组织＂
　　纤维增强陶瓷基复合材料的结构一般包含四个部分：补强纤维、界面相、基体及表面抗氧化涂层。其中补强纤维相当于复合材料的＂骨架＂，是复合材料的主要承载结构单元，复合材料的强度很大程度上取决于增强纤维的强度。纤维可分为短切纤维和连续纤维。短切纤维的长度一般在150mm以下，通常采用颗粒弥散及晶须复合增韧的方法来实现与基体的复合；连续纤维则具有较大的长径比，能够实现沿长度方向的不间断增强效应，可靠性较高。包覆在纤维外的界面相相当于连接在骨架上的＂筋＂，是复合材料的传载结构单元，主要作用是将复合材料的载荷传递到尽可能多的纤维上。基体则相当于复合材料的＂肌肉＂，是形成复合材料外形和刚性的基本结构，基体应具有良好的抗氧化和耐腐蚀性能，在服役环境中起到保护纤维和界面的作用。而表面涂层则相当于＂皮肤＂，是复合材料和外界环境直接接触的结构单元，是保护复合材料内部结构的第一道屏障。
　　纤维增强陶瓷基复合材料
　　应用潜力巨大
　　提到纤维增强陶瓷基复合材料，首先要说的就是碳/碳（C/C）复合材料，碳纤维最早起源于1860年英国人用于灯丝的炭丝，经过200多年的发展，碳纤维已成为研究最成熟、性能最好的纤维之一。20世纪60年代以来，受先进飞行器的要求所推动，碳纤维及其复合材料的制备获得很大发展。与金属材料相比，C/C复合材料具有良好的耐热性、极小的热膨胀率、很轻的重量（只有铁的1/5）、良好的耐腐蚀性等性能优势；与石墨相比，C/C复合材料具有更高的强度、更好的韧性，不易破碎；与树脂相比，C/C复合材料能耐更高的温度（最高耐温达2800 左右），具有良好的耐腐蚀性和极高的耐摩擦性；与单相陶瓷相比，C/C复合材料具有良好的韧性、极佳的耐冲击性和易加工性。这些特性使其应用领域涵盖军用战略导弹、载人飞船等再入飞行器的热端部件，飞机、汽车和高速火车等刹车材料，广泛用于民用领域的高温炉发热体、炉体、承重板、螺栓、螺母、垫片等。
　　C/C复合材料隔离筒、螺母、螺杆 霍艳丽/供图
　　碳/碳化硅（C/SiC）复合材料具有C/C复合材料的一系列优点，且克服了C/C复合材料在氧化气氛中易氧化失效的缺点，其抗氧化性能要远远优于C/C复合材料，可应用于再入飞行器、空间反射镜、装甲防弹等领域。
　　随着SiC纤维制备技术的不断突破，SiC/SiC陶瓷基复合材料作为后起之秀，与C/SiC复合材料相比，其增强相SiC纤维具有高强高模、耐高温、抗蠕变、耐腐蚀、材料热膨胀系数小及更佳的抗氧化性等优点，同时克服了碳化硅陶瓷断裂韧性低和抗冲击性能差的缺陷，是目前国际公认的最有潜力的发动机热结构材料之一。
　　我国高性能陶瓷基复合材料
　　仍处于追赶先进阶段
　　党的十八大以来，我国组织实施了＂国家重点研发计划＂＂两机专项＂等系列项目研究，重组、组建了＂中国航发集团＂＂中航复材中心＂等研发队伍与基地，取得了一系列的成果。但是我国在高性能碳纤维、SiC纤维制备技术的开发方面与西方发达国家仍存在10 15年的差距。以美国为首的西方发达国家，SiC陶瓷基复合材料已广泛应用于燃烧室内衬套、燃烧室筒、翼或螺旋桨前缘、喷口导流叶片、涡轮叶片、涡轮壳环等热端部件，而我国虽然已成功研制出多种SiC陶瓷基复合材料构件，但仅有少数C/SiC、SiC/SiC结构件通过试车和考核，离批量应用尚存在距离。可以说我国高性能陶瓷基复合材料仍处于追赶先进的研制阶段。
　　本文原载于《中国建材报》3月28日11版
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