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什么是陶瓷基復合材料？

2016-10-18 12:42:51 作者：本網整理來源：網絡分享至：

什么是陶瓷基復合材料？

在漫長的歷史長河中，陶瓷是人類重要的生產生活資料，我國是陶瓷的故鄉，英語中china既指陶瓷又指中國，陶瓷之于中國的重要意義不言而喻。然而，陶瓷不僅僅是國粹，不僅僅是一件件巧奪天工的藝術品，不僅僅是我們平時所使用的瓶瓶罐罐、碗碗碟碟，在現代高新科技中依然有它的身影。2004年的國家科學技術獎頒出了已經連續空缺6年的國家技術發明一等獎，其中一項就是西北工業大學張立同院士項目組完成的“耐高溫長壽命抗氧化陶瓷基復合材料應用技術”，古老的陶瓷材料在高精尖的航空航天領域仍然貢獻著自己的智慧。那么，什么是陶瓷基復合材料？它為什么能耐高溫、長壽命、抗氧化呢？它在航空航天領域又發揮著怎么樣的作用呢？今天我們就介紹一下陶瓷基復合材料。

1. 陶瓷與陶瓷基復合材料

陶瓷大家在日常生活都經常接觸和使用，比如說碗，大家用碗時的直接感覺有不怕燙、輕、結實、不變色、耐磨耐用、易碎等，這些直觀感受恰好對應著陶瓷材料的優缺點。陶瓷材料的優點有耐高溫、低密度、高比強、高比模、高硬度、抗氧化、耐腐蝕、耐磨損等，但陶瓷材料也有兩個致命缺點，脆性大和可靠性差，用力學語言描述就是強度和韌性都很低，陶瓷材料的實際強度不僅遠低于理論強度，而且變化范圍很大。我們既想利用陶瓷材料的優點，又想克服陶瓷材料的缺點，提高它的強度和韌性，怎么辦？理論研究和實踐表明，發展陶瓷基復合材料是陶瓷強韌化的有效途徑。

陶瓷基復合材料（Ceramic Matrix Composite，CMC）通俗地說就是以陶瓷材料為基體，通過各種強韌化途徑，提高陶瓷材料的強度和韌性。目前，強韌化途徑歸納起來主要有四種：納米晶粒增韌、原位自生增韌、仿生結構增韌、增強體增韌。前三種我們暫且不談，大家如果感興趣可以自己詳細了解，只說最后一種增強體增韌，又分為三種：顆粒增韌、晶須增韌和連續纖維增韌。這其中，前兩種我們也暫且不談，只說最后一種連續纖維增韌，為什么？因為連續纖維增韌是目前陶瓷基復合材料增韌補強效果最好的途徑，正是它使得陶瓷基復合材料成為新型耐高溫、低密度熱結構材料，正是它使得陶瓷基復合材料在航空航天領域開辟出廣闊的應用前景，我們在下一節繼續介紹。

上面的內容，可以歸納為下圖和下表。

2. 連續纖維增強韌陶瓷基復合材料

在介紹了什么是陶瓷基復合材料之后，我們還要繼續介紹其中強韌化效果最好的連續纖維增強韌陶瓷基復合材料（Continous Fibre-reinforced Ceramic Composite，CFCC），CFCC可以類比常見的復合材料，由基體和增強纖維組成，只不過基體為陶瓷材料，與之類似的復合材料還有連續纖維聚合物基復合材料（CFPC）和連續纖維金屬基復合材料（CFMC）。

對于復合材料，在纖維與基體界面不發生滑移的條件下，混合法則告訴我們，纖維與基體要滿足模量匹配的條件，即模量比大于1，才能發揮纖維的增強作用。注意前提條件是纖維與基體界面不發生滑移，即纖維與基體應變相同，復合材料為界面強結合方式。一般來說，對于CFPC和CFMC，很容易滿足模量匹配要求，但對于大部分CFCC來說，基體的模量較高，通常會出現纖維與基體的模量失配，因此CFCC要達到增強增韌的效果就要放棄界面強結合的方式，界面弱結合是CFCC實現增強增韌的前提條件，弱界面結合的方式如下圖。

研究還發現，復合材料的失效模式與纖維的臨界長度有關。所謂的纖維臨界長度，是指纖維在材料體系中被拉伸時，能夠達到最大應力所需的最小長度。通俗地解釋，同一體系中纖維越長，纖維內可能出現的最大應力越大，但當纖維長度達到某一長度之后，可能出現的最大應力值將不會增加，而只會擴展纖維內可能達到最大應力的區域范圍，這一長度就稱為纖維的臨界長度。臨界纖維長度太長，復合材料將發生非累積型破壞，強度低而韌性高；臨界纖維長度適中，復合材料將發生混合型破壞，具有合理的強度和韌性匹配；臨界纖維長度太短，復合材料將發生聚積型破壞，強度低韌性也低，我們一般期望纖維發生混合型破壞。對于界面弱結合的CFCC，隨著纖維臨界長度的增加，材料的韌性升高而強度降低，所以纖維的臨界長度要控制在一定范圍內才能使CFCC發生混合型破壞。而對于同一種纖維，纖維的臨界長度又受界面結合強度的影響，因此不僅要使CFCC以界面弱結合的方式存在，還要使CFCC的界面弱結合以適當的強度存在，才能實現CFCC強韌化的最佳效果。

CFCC具有龐大的材料體系，基體可分為玻璃陶瓷基、氧化物基和非氧化物基三種，增強纖維可分為碳纖維、氧化物纖維和非氧化物纖維，如下圖所示。

（1）玻璃陶瓷基CFCC多使用SiC纖維，種類繁多，使用溫度和性能可選擇范圍大，可加工性好，作為結構材料和功能材料都有著廣泛的應用；

（2）氧化物陶瓷基CFCC主要使用氧化物纖維，主要問題是界面熱物理相容性差，以及纖維容易損傷導致力學性能不高，主要用于對載荷要求不高但是對耐熱性要求較高的結構；

（3）非氧化物陶瓷基CFCC具有更高的強度、硬度、耐磨和耐高溫性能，特別是具有更高的高溫強度，一直是研究的重點。

在所有的CFCC材料中，連續纖維增韌碳化硅陶瓷基復合材料是目前研究最多、應用最成功和最廣泛的，張立同院士正是因此而獲得2004年國家技術發明一等獎，下一節我們將繼續介紹。

3. 連續纖維增強韌碳化硅陶瓷基復合材料

連續纖維增韌碳化硅陶瓷基復合材料（CFCC-SiC）主要包括碳纖維增韌和碳化硅纖維增韌兩種（C/SiC、SiC/ SiC），CFCC-SiC是一種兼有金屬材料、陶瓷材料和碳材料性能優點的熱結構/功能一體化材料，克服了金屬材料耐溫低和密度大、陶瓷材料脆性大和可靠性差、碳材料抗氧化性差和強度低等缺點，具有耐高溫、低密度、高比強、高比模、抗氧化、抗燒蝕，對裂紋不敏感，不發生災難性損毀等特點。CFCC-SiC可接替聚合物復合材料提高強度和使用溫度，接替金屬材料可提高使用溫度和減重，與C/C復合材料相比可提高抗氧化性和使用壽命，成為1650℃以下長壽命（數百上千小時）、1900℃以下有限壽命（數分到數十分鐘）和2800℃以下瞬時壽命（數秒至數十秒）的熱結構/功能材料，同時具有優良的超低溫性能和抗輻照性能。因此，CFCC-SiC覆蓋的使用溫度和壽命范圍寬，應用領域廣，主要有八大應用領域，如下圖所示。

（1）空間技術領域：C/SiC可用于超輕結構反射鏡框架和鏡面襯底，具有重量小、強度高、抗輻射和膨脹系數小等優點，有望解決大型太空反射鏡結構輕量化和尺寸穩定性的難題。

（2）航空發動機：CFCC-SiC可用于噴管、燃燒室、渦輪和葉片等部件，潛在的工作溫度提高能力400~500℃，結構減重50%~70%，是發展高推重比航空發動機的關鍵熱結構材料之一。CFCC-SiC已經開始應用在航空發動機的某些部件上，實踐證明優于傳統材料。

（3）剎車制動系統：C/SiC剎車盤與C/C相比，具有生產周期短、成本低、強度高、靜摩擦系數高等優點，是繼C/C之后新一代剎車材料。目前，C/SiC已應用在高檔轎車上，飛機上的應用正在研究和試驗當中。

（4）能源領域：SiC/ SiC有望用于核聚變反應堆第一壁構件，適應高溫輻射環境，也可用于工業燃氣渦輪機燃燒室內襯和第一級覆環中，可提高工作溫度，減少或取消冷卻空氣。

（5）液體火箭發動機：C/SiC可用于推力室和噴管，可顯著減重，提高推力室壓力和壽命。衛星用姿控、軌控液體火箭發動機上使用C/SiC代替鈮合金燃燒室-噴管已進入實用階段，遠期還將實現在大型液體火箭發動機上的應用。

（6）沖壓發動機：C/SiC可用于亞燃沖壓發動機的燃燒室和噴管喉襯，提高抗氧化燒蝕性能和發動機工作壽命，保證飛行器長航程，并以進入應用階段，今后還將應用在超燃沖壓發動機的頭罩前緣、燃料注射支撐件和主動冷卻壁上。

（7）高超聲速飛行器熱防護系統：使用C/SiC作大面積熱防護系統可實現防熱/結構一體化，比傳統的防熱-結構分離系統減重50%，并可提高使用壽命，降低成本。目前，美國X-38地面返回艙的機翼前緣、頭錐帽、頭錐裙部及下顎板（如下圖）、機體副翼和組合襟翼均使用C/SiC，歐洲Hermes航天飛機，英國Hotel航天飛機和法國Sanger航天飛機的熱防護系統也采用了C/SiC材料。

（8）固體火箭發動機：CFCC-SiC主要用于氣流通道的喉襯和喉閥，解決可控固體軌控發動機喉道零燒蝕的難題，提高動能攔截系統的變軌能力和機動性，目前各種戰術導彈和運載火箭的上面級發動機喉襯已經獲得應用。

綜上所述，CFCC-SiC可接替聚合物復合材料作為長壽命空間結構/功能材料，大幅度提高抗輻射和空間環境性能的穩定性；接替高溫合金作為長壽命高溫熱結構材料，可大幅度減少航空發動機重量，減少燃料和冷卻空氣量，提高推重比；接替難熔金屬作為有限壽命高溫抗沖蝕結構材料，可大幅度節約液體火箭發動機燃料和冷卻劑，提高推力和阻尼特性；接替C/C復合材料作為有限壽命高溫防熱結構材料，可大幅度提高超高聲速飛行器的安全性和機動性。因此， CFCC-SiC材料被認為是反映一個國家航空航天器制造能力，關系國家安全的新型戰略性熱結構材料。

4. 總結