[科普中國]-玻璃陶瓷基復(fù)合材料

玻璃陶瓷基復(fù)合材料又稱微晶玻璃基復(fù)合材料。以玻璃陶瓷為基體，以陶瓷、碳、金屬等纖維，晶須、晶片為增強(qiáng)體，通過復(fù)合工藝所構(gòu)成的復(fù)合材料。

玻璃陶瓷基復(fù)合材料又稱微晶玻璃基復(fù)合材料。以玻璃陶瓷為基體，以陶瓷、碳、金屬等纖維，晶須、晶片為增強(qiáng)體，通過復(fù)合工藝所構(gòu)成的復(fù)合材料1。

玻璃陶瓷基復(fù)合材料的基本材料主要有鋰鋁硅微晶玻璃(LAS，1000～1200℃)、鎂鋁硅微晶玻璃(MAS，1200℃)、鋇鎂鋁硅微晶玻璃(1250℃)、四元莫來石(約1500℃)和六方鋇長石(約1700℃)等。玻璃陶瓷基復(fù)合材料的力學(xué)性能特別是韌性比原基體材料確實有較大的提高。例如用連續(xù)纖維增強(qiáng)玻璃陶瓷其強(qiáng)度范圍為700～1000MPa·ml/2。而原基體材料的強(qiáng)度范圍為70～150MPa，斷裂功2～4J·mˉ2，斷裂韌性為1MPa·m1/2以下。制造小型雷達(dá)天線罩、復(fù)合裝甲、耐腐蝕化學(xué)品容器、生物醫(yī)藥用容器和耐熱部件等。

玻璃陶瓷基復(fù)合材料有泥漿體熱壓燒結(jié)法、基體擴(kuò)散模壓法和擠壓法等成型工藝，可用于制造小型雷達(dá)天線罩、復(fù)臺裝甲、耐腐蝕化學(xué)品容器、生物醫(yī)藥用容器和耐熱部件等1。

陶瓷基復(fù)合材料是以陶瓷為基體與各種纖維復(fù)合的一類復(fù)合材料。陶瓷基體可為氮化硅、碳化硅等高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。這些先進(jìn)陶瓷具有耐高溫、高強(qiáng)度和剛度、相對重量較輕、抗腐蝕等優(yōu)異性能，而其致命的弱點是具有脆性，處于應(yīng)力狀態(tài)時，會產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂導(dǎo)致材料失效。而采用高強(qiáng)度、高彈性的纖維與基體復(fù)合，則是提高陶瓷韌性和可靠性的一個有效的方法。纖維能阻止裂紋的擴(kuò)展，從而得到有優(yōu)良韌性的纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。 陶瓷基復(fù)合材料已用作液體火箭發(fā)動機(jī)噴管、導(dǎo)彈天線罩、航天飛機(jī)鼻錐、飛機(jī)剎車盤和高檔汽車剎車盤等，成為高技術(shù)新材料的一個重要分支。

陶瓷基復(fù)合材料的成形方法分為兩類：一類是針對陶瓷短纖維、晶須、顆粒等增強(qiáng)體，復(fù)合材料的成形工藝與陶瓷基本相同，如料漿澆鑄法、熱壓燒結(jié)法等；另一類是針對碳、石墨、陶瓷連續(xù)纖維增強(qiáng)體，復(fù)合材料的成形工藝常采用粉末冶金法、料漿沒滲法、料漿浸潰熱壓燒結(jié)法和化學(xué)氣相滲透法。

(1)粉末冶金法，又稱為壓制燒結(jié)法或混合壓制法，廣泛應(yīng)用于制備特種陶瓷以及某些玻璃陶瓷。方法是將作為基體的陶瓷粉末和增強(qiáng)材料以及加人的粘接劑混合均勻，冷壓制成所需形狀，然后進(jìn)行燒結(jié)或直接熱壓燒結(jié)制成陶瓷基復(fù)合材料。前者稱為冷壓燒結(jié)法，后者稱為熱壓燒結(jié)法。熱壓燒結(jié)法時，在壓力和高溫的同時作用下，致密化速度可得到提高，從而獲得無氣孔、細(xì)晶粒、具有優(yōu)良力學(xué)性能的制品。但用粉末冶金法進(jìn)行成形加工的難點在于基體與增強(qiáng)材料不易混合，同時，品須和纖維在混合或壓制過程中，尤其是在冷壓情況下容易折斷。

(2)料漿投滲法，將纖維增強(qiáng)體編織成所需形狀，用陶瓷漿料投密，干燥后進(jìn)行燒結(jié)。該方法與粉末冶金法的不同之處在于混合體采用漿料形式。其優(yōu)點是不損傷增強(qiáng)體，工藝較簡單，無須模具；缺點是增強(qiáng)體在陶瓷基體中的分布不大均勻。

(3)料漿沒漬熱壓成形法將纖維或織物增強(qiáng)體置于制備好的剛瓷粉體漿料里浸漬，然后將含有漿料的纖維或織物增強(qiáng)體布成一定結(jié)構(gòu)的壞體，干燥后在高溫、高壓下熱壓燒結(jié)成為制品。料漿浸漬熱壓法的優(yōu)點是加熱溫度比晶體陶瓷低，不易損傷增強(qiáng)體，層板的堆垛改序可任意排列，纖維分布均勻，氣孔率較低，獲得的強(qiáng)度高，工藝比較簡單，無須成形模其，能生產(chǎn)大型零件。缺點是不能制作形狀太復(fù)雜的零件，基體材料必須是低熔點或低軟化點的陶瓷。

(4)化學(xué)氣相滲透法，又稱CVI (Chemical Vapor Infitration)法，是將增強(qiáng)纖維編織成所需形狀的預(yù)成形體，并置于一定溫度的反應(yīng)室內(nèi)，然后通人某種氣源，在預(yù)成形體孔穴的纖維表面上產(chǎn)生熱分解或化學(xué)反應(yīng)沉積出所需陶瓷基質(zhì)，直至預(yù)成形體中各孔穴被完全填滿，獲得高致密度、高強(qiáng)度、高韌性的制件2。

由于陶瓷材料具備優(yōu)良的耐磨性，并且硬度高、耐蝕性好，所以得到了廣泛應(yīng)用。但是，陶瓷的最大缺點是脆性大，對裂紋、氣孔等很敏感。20世紀(jì)80年代以來，通過在陶瓷材料中加入顆粒、晶須及纖維等得到的陶瓷基復(fù)合材料，使得陶瓷的韌性大大提高。陶瓷基復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高模量、低密度、耐高溫、耐磨耐蝕和良好的韌性，已用于高速切削工具和內(nèi)燃機(jī)部件上。但這類材料發(fā)展較晚，其潛能尚待進(jìn)一步發(fā)揮。研究重點是將其應(yīng)用于高溫材料和耐磨、耐蝕材料，如大功率內(nèi)燃機(jī)的增強(qiáng)渦輪、航空航天器的熱部件以及代替金屬制造車輛發(fā)動機(jī)、石油化工容器、廢物垃圾焚燒處理設(shè)備等。

界面是陶瓷基復(fù)合材料強(qiáng)韌化的關(guān)鍵,主要功能有以下幾點：

①脫黏偏轉(zhuǎn)裂紋作用。當(dāng)基體裂紋擴(kuò)展到有結(jié)合程度適中的界面區(qū)時，此界面發(fā)生解離，并使裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而調(diào)節(jié)界面應(yīng)力，阻止裂紋直接越過纖維擴(kuò)展。

②傳遞載荷作用。由于纖維是復(fù)合材料中主要的承載相，因此界面相需要有足夠的強(qiáng)度來向纖維傳遞載荷。

③緩解熱失配作用。陶瓷基復(fù)合材料是在高溫下制備的，由于纖維與基體的熱膨脹系數(shù)(CTE)存在差異，當(dāng)冷卻至室溫時會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，因此，界面區(qū)應(yīng)具備緩解熱殘余應(yīng)力的作用。

④阻擋層作用。在復(fù)合材料制備所經(jīng)歷的高溫下，纖維和基體的元素會相互擴(kuò)散、溶解，甚至發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致纖維/基體的界面結(jié)合過強(qiáng)。因此，要求界面區(qū)應(yīng)具有阻止元素擴(kuò)散和阻止發(fā)生有害化學(xué)反應(yīng)的作用3。

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