陶瓷基復(fù)合材料[CMC]

1、.WD.WD.WD. 陶瓷基復(fù)合材料CMC概述工程中陶瓷以特種陶瓷應(yīng)用為主，特種陶瓷由于具有優(yōu)良的綜合機(jī)械性能、耐磨性好、硬度高以及耐腐蝕件好等特點(diǎn)，已廣泛用于制做剪刀、網(wǎng)球拍及工業(yè)上的切削刀具、耐磨件、發(fā)動(dòng)機(jī)部件、熱交換器、軸承等。陶瓷最大的缺點(diǎn)是脆性大、抗熱震性能差。與金屬基和聚合物基復(fù)合材料有有所不同的，是制備陶瓷基復(fù)合材料的主要目的之一就是提高陶瓷的韌性。特別是纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料在斷裂前吸收了大量的斷裂能量，使韌性得以大幅度提高。表61列出了由顆粒、纖維及晶須增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料的斷裂韌性和臨界裂紋尺寸大小的比擬。很明顯連續(xù)纖維的增韌效果最正確，其次為品須、相變?cè)鲰g和顆粒增韌。無(wú)論是纖維

2、、晶須還是顆粒增韌均使斷裂韌性較整體陶瓷的有較大提高，而且也使臨界裂紋尺寸增大。陶瓷基復(fù)合材料的基體為陶瓷，這是一種包括范圍很廣的材料，屬于無(wú)機(jī)化合物納構(gòu)遠(yuǎn)比金屬與合金復(fù)雜得多。使用最多的是碳化硅、氮化硅、氧化鋁等，它們普遍具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、重量輕和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。陶瓷材料中的化學(xué)鍵往注是介于離子鍵與共價(jià)鍵之間的混合鍵。陶瓷基復(fù)合材料中的增強(qiáng)體通常也稱(chēng)為增韌體。從幾何尺寸上可分為纖維(長(zhǎng)、短纖維)、晶須和顆粒三類(lèi)。碳纖維是用來(lái)制造陶瓷基復(fù)合材料最常用的纖維之一。碳纖維主要用在把強(qiáng)度、剛度、重量和抗化學(xué)性作為設(shè)計(jì)參數(shù)的構(gòu)件，在1500霓的溫度下，碳纖維仍能保持其性能不變，但對(duì)碳纖維必須進(jìn)

3、展有效的保護(hù)以防止它在空氣中或氧化性氣氛中被腐蝕，只有這樣才能充分發(fā)揮它的優(yōu)良性能。其它常用纖維是玻璃纖維和硼纖維。陶瓷材料中另一種增強(qiáng)體為晶須。晶須為具有一定長(zhǎng)徑比(直徑o 3。1ym，長(zhǎng)30lMy)的小單晶體。從構(gòu)造上看，晶須的特點(diǎn)是沒(méi)有微裂紋、位偌、孔洞和外表?yè)p傷等一類(lèi)缺陷，而這些缺陷正是大塊晶體中大量存在且促使強(qiáng)度下降的主要原因。在某些情況下，晶須的拉伸強(qiáng)度可達(dá)o1Z(Z為楊氏模量)，這已非常接近十理論上的理想拉伸強(qiáng)度o2Z。而相比之下多晶的金屬纖維和塊狀金屬的拉伸強(qiáng)度只有o025和oo01f。在陶瓷基復(fù)合材料使用得較為普遍的是SiC、Al2O3、以及Si3N4N晶須。顆粒也是陶瓷材料

4、中常用的一種增強(qiáng)體，從幾何尺寸上看、它在各個(gè)方向上的長(zhǎng)度是大致一樣的，般為幾個(gè)微米。通常用得較多的顆粒也是SiC、Al2O3、以及Si3N4N。顆粒的增韌效果雖不如纖維和晶須，但如恰中選擇顆粒種類(lèi)、粒徑、含量及基體材料，仍可獲得一定的韌化效果，同時(shí)還會(huì)帶來(lái)高溫強(qiáng)度，高溫蠕變性能的改善。所以，顆粒增韌復(fù)合材料同樣受到重視并對(duì)其進(jìn)展了一定的研究。在陶瓷材料中參加第二相纖維制成的復(fù)合材料是纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料，這是改善陶瓷材料韌性酌重要手段，按纖維排布方式的不同，又可將其分為單向排布長(zhǎng)纖維復(fù)合材料和多向排布纖維復(fù)合材料。單向排布纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的顯著特點(diǎn)是它具有各向異性，即沿纖維長(zhǎng)度方向上的

5、縱向性能要大大高于其橫向性能。在這種材料中，當(dāng)裂紋擴(kuò)展遇到纖維時(shí)會(huì)受阻這樣要使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展就必須提高外加應(yīng)力。圖715為這一過(guò)程的示意圖。當(dāng)外加應(yīng)力進(jìn)一步提高時(shí)由于基體與纖維間的界面的離解，同時(shí)又由于纖維的強(qiáng)度高于基體的強(qiáng)度，從而使纖維可以從基體中拔出。當(dāng)拔出的長(zhǎng)度到達(dá)某一臨界值時(shí)，會(huì)使纖維發(fā)生斷裂。因此裂紋的擴(kuò)展必須抑制出于纖維的參加而產(chǎn)生的拔出功和纖維斷裂功，這使得材料的斷裂更為困難從而起到了增韌的作用。實(shí)際材料斷裂過(guò)程中，纖維的斷裂并非發(fā)生在同一裂紋平面，這樣主裂紋還將沿纖維斷裂位置的不同而發(fā)生裂紋轉(zhuǎn)向。這也同樣會(huì)使裂紋的擴(kuò)展阻力增加，從而使韌性進(jìn)步提高。表7，5那么給出r c纖維增韌

6、5、N4復(fù)合材料的性能。從中可見(jiàn)，復(fù)合材料納韌性已到達(dá)了相當(dāng)高的程度。長(zhǎng)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料雖然性能優(yōu)越但它的制備工藝復(fù)雜，而且纖維在基體中不易分布均勻。因此，近年來(lái)又開(kāi)展了短纖維、晶須及顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料。由于晶須的尺寸很小，從客觀上看與粉末一樣，因此在制備復(fù)合材料時(shí)只須將晶須分散后與基體粉末混合均勻、然后對(duì)混好的粉末進(jìn)展熱壓燒結(jié)，即可制得致密的晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料。目前常用的是SiC和A12O3晶須常用的基體那么為A1203，5i02，5i3N4莫來(lái)石等。晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料的性能與基體和晶須的選擇，晶須的含量及分布等因素有關(guān)。由于晶須具有長(zhǎng)徑比，因此當(dāng)其含量較高時(shí)，因其橋架效應(yīng)

7、而使致密化變得因難，從而引起了密度的下降并導(dǎo)致性能的下降。為了抑制這一弱點(diǎn)，可采用顆粒來(lái)代替晶須制成復(fù)合材料，這種復(fù)合材料在原料的混合均勻化及燒結(jié)致密化方面均比晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料要容易。當(dāng)所用的顆粒為5IcT1c時(shí)，基體材料采用最多的是A1：01眾、N4。目前這些復(fù)合材料已廣泛用來(lái)制造刀具。陶瓷基復(fù)合材料的開(kāi)展速度遠(yuǎn)不如聚合物基和金屬基復(fù)合材料那么，原因有二：一是高溫增強(qiáng)材料出現(xiàn)的較晚，如sic纖維和晶須是七十年代后出現(xiàn)的新材料，二是陶瓷基復(fù)合材料的制造過(guò)程及制品都涉及到高溫，制備工藝較為復(fù)雜，而且由于陶瓷基體與增強(qiáng)材料的熱膨脹系數(shù)的差異，在制備過(guò)程中以及在之后的使用過(guò)程中易產(chǎn)生熱應(yīng)力。此

8、外，開(kāi)展陶瓷基復(fù)合材料的成本昂貴，因此它的開(kāi)展遇到了比其它復(fù)合材料更大的困難。至今，陶瓷基復(fù)合材料的研究還處于較初級(jí)階段，我國(guó)對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的研究那么剛剛起步。CMC制備工藝1.2.1纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的加工與制備纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的性能取決于多種因素，如基體致密程度、纖維的氧化損傷、以及界面結(jié)合效果等，都與其制備和加工工藝有關(guān)。目前采用的纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝有熱壓燒結(jié)法和浸漬法。熱壓燒結(jié)法是將長(zhǎng)纖維切短(3mm)，然后分散并與基體粉末混合，再用熱壓燒結(jié)的方法就可制備高性能的復(fù)合材料，種短纖紙?jiān)鰪?qiáng)體在與基體粉末說(shuō)合時(shí)取向是無(wú)序的，但在冷壓成型及熱壓燒結(jié)的過(guò)程巾，短纖維由于

9、基體壓實(shí)與致密化過(guò)程中沿壓力方向轉(zhuǎn)動(dòng)，所以導(dǎo)致了在最終制得的復(fù)合材料中，矩纖維沿加壓面擇優(yōu)取問(wèn)，這也就產(chǎn)生了材料性能在一定程度的各向異性。這種方法纖維與基體之間的結(jié)合較好，是目前采用較多的方法。浸漬法這種方法適用于長(zhǎng)纖維。首先把纖維編織成所需形狀，然后用陶瓷泥漿浸漬，枯燥后進(jìn)展燒結(jié)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是纖維取向可自由調(diào)節(jié)，可對(duì)纖維進(jìn)展單向排布及多問(wèn)排布等。缺點(diǎn)那么是不能制造大尺寸的制品，所得制品的致密度較低。氧化鋯纖維增強(qiáng)氧化鋯就是把用氧化釔穩(wěn)定了的氧化鋯纖維或織物用澆注和熱壓的方法與氧化鋯復(fù)合，在1200Y址行燒結(jié)來(lái)制備穩(wěn)定性很高的復(fù)合材料。該材料的彎曲強(qiáng)度可達(dá)140210MPa，在21(mY1

10、900Y的溫僅區(qū)間內(nèi)反復(fù)進(jìn)展熱循環(huán)時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。這種復(fù)合材料特別適合于耐高溫隔熱材料和耐高溫防腐材料。1.2.2晶須與顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料的加工與制備晶須與顆粒的尺寸均很小，只是幾何形狀上有些區(qū)別，州它們進(jìn)展增韌的陶瓷基復(fù)合材料的制造工藝是 基本一樣的。這種復(fù)合材料的制備工藝比長(zhǎng)纖維復(fù)合材料簡(jiǎn)便很多。所用設(shè)備也不需要像長(zhǎng)纖維復(fù)合材料那樣的纖維纏繞或編織用的復(fù)雜設(shè)備， 基本上是采用粉末冶金方法，只需將晶須或顆粒分散后與基體粉末混合均勻，再用熱壓燒結(jié)的方法即可制得高性能的復(fù)合材料。與陶瓷材料相似，這種復(fù)合材料的制造工藝也可大致分為配料一成型一燒結(jié)一精加工等步驟。高性能的陶進(jìn)基復(fù)合材料應(yīng)具有均質(zhì)

11、、孔隙少的微觀組織。必須首先嚴(yán)格挑選原料。把幾種原料粉末混合配成壞料的方法可分為干法和濕法兩種?；旌涎b置一般采用專(zhuān)用球磨機(jī)。混好后的料漿在成型時(shí)枯燥粉料充入型模內(nèi)，加壓后即可成型。通常有金屆模成型法和橡皮模成型法。金屬模成型法具有裝置簡(jiǎn)單，成型成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，適用于形狀比擬簡(jiǎn)單的制件。采用橡皮模成型法是用靜水壓從各個(gè)方向均勻加壓于橡皮模來(lái)成型，故不會(huì)發(fā)生像金屬模成型那樣的生坯密度不均勻和具有方向性之類(lèi)的問(wèn)題。適合于批量生產(chǎn)。另一種成型法為注射成型法，僅從成型過(guò)程上講，與塑料的注射成型過(guò)程相類(lèi)似。再有一種成型法為擠壓成型法。這種方法是把料漿放人壓濾機(jī)內(nèi)擠出水分，形成塊狀后、從安裝各種擠形口的真空

12、擠出成型機(jī)擠出成型的方法，它適用于斷面形狀簡(jiǎn)單的長(zhǎng)條形坯件的成型。從生坯中除去粘合劑形成的陶瓷素坯燒結(jié)成致密制品過(guò)程為燒結(jié)工序。為了燒結(jié)，必須有專(zhuān)門(mén)的燒結(jié)爐。燒結(jié)爐的種類(lèi)繁多，拉其功能進(jìn)展劃分可分為間歇式和連續(xù)式。除此外，陶瓷基復(fù)合材料的制備還有溶膠凝膠法、直接氧化法等，新近開(kāi)展起來(lái)的制備陶瓷基復(fù)合材料的方法還有聚合物先驅(qū)體熱解工藝、原位工藝等。CMC界面與其他復(fù)合材料相類(lèi)似、在陶瓷基復(fù)合材料中，界面的性能也直接與材料的性能相關(guān)。一般說(shuō)來(lái)，陶瓷基復(fù)合材料界面可分為兩大類(lèi)：無(wú)反響界面和有反響層。無(wú)反響界面中的增強(qiáng)相與基體直接結(jié)合形成原子鍵合的共格界面或半共格界向，有時(shí)也形成非共格界面。這種界界面

13、結(jié)合較強(qiáng)，因此對(duì)提高復(fù)合材料的強(qiáng)度有利。 有反響界面那么是在增韌體與基體之間形成一層中間反響層，中間層將基體與增韌體結(jié)合起來(lái)。這種界面層一般都是低熔點(diǎn)的非晶相，因此它有利于復(fù)合材料的致密化。在這種界面上。增韌相與基體無(wú)固定的取向關(guān)系。對(duì)于這種界面，可通過(guò)界面反響來(lái)控制界面非晶層的厚度，并可通過(guò)對(duì)晶須外表涂層處理或參加不同界面層形成物質(zhì)控制反響層的強(qiáng)度，從而適當(dāng)控制界面結(jié)合強(qiáng)度使復(fù)合材料獲得預(yù)期的性能，但非晶層的存在對(duì)材料的高溫性能不利。 界面的性質(zhì)還直接影響了陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)韌化機(jī)理。以晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料為例，晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)韌化機(jī)理與纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料大致一樣，主要是靠晶

14、須的拔出橋接與裂紋的轉(zhuǎn)向機(jī)制對(duì)強(qiáng)度和韌性的提高產(chǎn)生突出奉獻(xiàn)。晶須的拔出程度存在一個(gè)臨界使值，當(dāng)晶須的某一端距主裂紋距離小于這一臨界值時(shí)，那么晶須從此端拔出，此時(shí)的拔出長(zhǎng)度小于臨界拔出長(zhǎng)度值；如果晶須的兩端到主裂紋的距離均大于臨界拔出長(zhǎng)度時(shí)，晶須在拔出過(guò)程中產(chǎn)生斷裂，斷裂長(zhǎng)度仍小于臨界拔出長(zhǎng)度值；界面結(jié)合強(qiáng)度直接影響復(fù)合材料的韌化機(jī)制與韌化效果。界面強(qiáng)度過(guò)高，晶須將與基體一起斷裂。限制了晶須的拔出，因而也就減小了品須拔出機(jī)制對(duì)韌性的奉獻(xiàn)。但另一方面，界面強(qiáng)度的提高有利于載荷轉(zhuǎn)移，因而提高了強(qiáng)化效果。界面強(qiáng)度過(guò)低、那么使晶須的拔出功減小，這對(duì)韌化和強(qiáng)化都不利，因此界面強(qiáng)度存在一個(gè)最正確值。 圖72

15、7為5ZcwzIo，材料的載荷位移曲線、可以看出有明顯的鋸齒效應(yīng)，這是晶須拔出橋接機(jī)制作用的結(jié)果。CMC性能與應(yīng)用陶瓷材料具有耐高溫、高強(qiáng)度、高硬度及耐腐蝕性好等特點(diǎn)，但其脆性大的弱點(diǎn)限制了它的廣泛應(yīng)用。隨著現(xiàn)代高科技的迅猛開(kāi)展要求材料能在更高的溫度下保持優(yōu)良的綜合性能。陶瓷基復(fù)合材料可較好地滿(mǎn)足這一要求。 陶瓷基復(fù)合材料已實(shí)用化或即將實(shí)用化的領(lǐng)域包括：刀具、滑動(dòng)構(gòu)件、航空航天構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)制件、能源構(gòu)件等。法國(guó)已將長(zhǎng)纖維增強(qiáng)族化硅復(fù)合材料應(yīng)用于制作超高速列車(chē)的制動(dòng)件而且取得了傳統(tǒng)的制動(dòng)件所無(wú)法比擬的優(yōu)異的磨擦磨損特性、取得了滿(mǎn)意的應(yīng)用效果。在航空航天領(lǐng)域，用陶瓷基復(fù)合材料制作的導(dǎo)彈的頭錐、火箭

16、的噴管、航天飛機(jī)的構(gòu)造件等也收到了良好的效果。 熱機(jī)的循環(huán)壓力和循環(huán)氣體的溫度越高，其熱效率也就越高?，F(xiàn)在普遍使用的燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件還是鎳基合金或鈷基合金，它可使汽輪機(jī)的進(jìn)口溫度高達(dá)1400Y，但這些合金的耐高溫極限受到了其熔點(diǎn)的限制，因此采用陶瓷材料來(lái)代替高溫臺(tái)金已成了目前研究的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容。為此，美國(guó)能源部和宇航局開(kāi)展了AGT(先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī))loo、101、cATE(陶瓷在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用)等方案。德國(guó)、瑞典等國(guó)也進(jìn)展了研究開(kāi)發(fā)。這個(gè)取代現(xiàn)用耐熱合金的應(yīng)用技術(shù)是難度很高的陶瓷應(yīng)用技術(shù)，也可以說(shuō)是這方面的最終日標(biāo)。目前看來(lái)，要實(shí)現(xiàn)這一日標(biāo)還有相當(dāng)大的難度。 對(duì)于陶瓷材料的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，雖然人們已開(kāi)場(chǎng)對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的