[科普中國]-陶瓷基復(fù)合材料

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。這些先進陶瓷具有耐高溫、高強度和剛度、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展，從而得到有優(yōu)良韌性的纖維增強陶瓷基復(fù)合材料。 陶瓷基復(fù)合材料已用作液體火箭發(fā)動機噴管、導(dǎo)彈天線罩、航天飛機鼻錐、飛機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。

成型方法陶瓷基復(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、細晶粒、具有優(yōu)良力學(xué)性能的制品。但用粉末冶金法進行成形加工的難點在于基體與增強材料不易混合，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，將纖維增強體編織成所需形狀，用陶瓷漿料投密，干燥后進行燒結(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)點是不損傷增強體，工藝較簡單，無須模具；缺點是增強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、高強度、高韌性的制件。1

改性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)燃機部件上。但這類材料發(fā)展較晚，其潛能尚待進一步發(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)燃機的增強渦輪、航空航天器的熱部件以及代替金屬制造車輛發(fā)動機、石油化工容器、廢物垃圾焚燒處理設(shè)備等。1

陶瓷基復(fù)合材料界面的功能界面是陶瓷基復(fù)合材料強韌化的關(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。因此，要求界面區(qū)應(yīng)具有阻止元素擴散和阻止發(fā)生有害化學(xué)反應(yīng)的作用。2

陶瓷基復(fù)合材料界面的類型纖維增強陶瓷基復(fù)合材料沿纖維方向受拉伸時，根據(jù)纖維/基體界面結(jié)合強度的不同，復(fù)合材料的斷裂模式不同，以此為依據(jù)分為三種類型：

①強結(jié)合界面-脆性斷裂。當(dāng)外加載荷增加時，基體裂紋擴展到界面處，由于界面結(jié)合強，裂紋無法在界面處發(fā)生偏轉(zhuǎn)而直接橫穿過纖維，使復(fù)合材料斷裂，但是對于顆粒增強陶瓷基復(fù)合材料來說，強結(jié)合界面是強韌化的必要條件。

②弱結(jié)合界面-韌性斷裂。當(dāng)基體裂紋擴展到界面處時，由于界面結(jié)合不是很強，因此裂紋可以在界面處發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)纖維與基體的界面解離、纖維橋聯(lián)和纖維拔出。

③強弱混合界面-混合斷裂?；旌蠑嗔咽且陨蟽煞N理想情況斷裂模式的混合，即在界面結(jié)合強處發(fā)生脆性斷裂，而在界面結(jié)合弱處發(fā)生韌性斷裂。2

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

黎明 - 副教授 - 西南大學(xué)