什么是陶瓷基復(fù)合材料？

    在漫長(zhǎng)的歷史長(zhǎng)河中，陶瓷是人類重要的生產(chǎn)生活資料，我國是陶瓷的故鄉(xiāng)，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(shù)品，不僅僅是我們平時(shí)所使用的瓶瓶罐罐、碗碗碟碟，在現(xiàn)代高新科技中依然有它的身影。2004年的國家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)?lì)C出了已經(jīng)連續(xù)空缺6年的國家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)，其中一項(xiàng)就是西北工業(yè)大學(xué)張立同院士項(xiàng)目組完成的“耐高溫長(zhǎng)壽命抗氧化陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)”，古老的陶瓷材料在高精尖的航空航天領(lǐng)域仍然貢獻(xiàn)著自己的智慧。那么，什么是陶瓷基復(fù)合材料？它為什么能耐高溫、長(zhǎng)壽命、抗氧化呢？它在航空航天領(lǐng)域又發(fā)揮著怎么樣的作用呢？今天我們就介紹一下陶瓷基復(fù)合材料。

    1. 陶瓷與陶瓷基復(fù)合材料

    陶瓷大家在日常生活都經(jīng)常接觸和使用，比如說碗，大家用碗時(shí)的直接感覺有不怕燙、輕、結(jié)實(shí)、不變色、耐磨耐用、易碎等，這些直觀感受恰好對(duì)應(yīng)著陶瓷材料的優(yōu)缺點(diǎn)。陶瓷材料的優(yōu)點(diǎn)有耐高溫、低密度、高比強(qiáng)、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(gè)致命缺點(diǎn)，脆性大和可靠性差，用力學(xué)語言描述就是強(qiáng)度和韌性都很低，陶瓷材料的實(shí)際強(qiáng)度不僅遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度，而且變化范圍很大。我們既想利用陶瓷材料的優(yōu)點(diǎn)，又想克服陶瓷材料的缺點(diǎn)，提高它的強(qiáng)度和韌性，怎么辦？理論研究和實(shí)踐表明，發(fā)展陶瓷基復(fù)合材料是陶瓷強(qiáng)韌化的有效途徑。

    陶瓷基復(fù)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(qiáng)韌化途徑，提高陶瓷材料的強(qiáng)度和韌性。目前，強(qiáng)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(jié)構(gòu)增韌、增強(qiáng)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(xì)了解，只說最后一種增強(qiáng)體增韌，又分為三種：顆粒增韌、晶須增韌和連續(xù)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(xù)纖維增韌，為什么？因?yàn)檫B續(xù)纖維增韌是目前陶瓷基復(fù)合材料增韌補(bǔ)強(qiáng)效果最好的途徑，正是它使得陶瓷基復(fù)合材料成為新型耐高溫、低密度熱結(jié)構(gòu)材料，正是它使得陶瓷基復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域開辟出廣闊的應(yīng)用前景，我們?cè)谙乱还?jié)繼續(xù)介紹。

    上面的內(nèi)容，可以歸納為下圖和下表。

    2. 連續(xù)纖維增強(qiáng)韌陶瓷基復(fù)合材料

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

    對(duì)于復(fù)合材料，在纖維與基體界面不發(fā)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(fā)揮纖維的增強(qiáng)作用。注意前提條件是纖維與基體界面不發(fā)生滑移，即纖維與基體應(yīng)變相同，復(fù)合材料為界面強(qiáng)結(jié)合方式。一般來說，對(duì)于CFPC和CFMC，很容易滿足模量匹配要求，但對(duì)于大部分CFCC來說，基體的模量較高，通常會(huì)出現(xiàn)纖維與基體的模量失配，因此CFCC要達(dá)到增強(qiáng)增韌的效果就要放棄界面強(qiáng)結(jié)合的方式，界面弱結(jié)合是CFCC實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)增韌的前提條件，弱界面結(jié)合的方式如下圖。

    研究還發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的失效模式與纖維的臨界長(zhǎng)度有關(guān)。所謂的纖維臨界長(zhǎng)度，是指纖維在材料體系中被拉伸時(shí)，能夠達(dá)到最大應(yīng)力所需的最小長(zhǎng)度。通俗地解釋，同一體系中纖維越長(zhǎng)，纖維內(nèi)可能出現(xiàn)的最大應(yīng)力越大，但當(dāng)纖維長(zhǎng)度達(dá)到某一長(zhǎng)度之后，可能出現(xiàn)的最大應(yīng)力值將不會(huì)增加，而只會(huì)擴(kuò)展纖維內(nèi)可能達(dá)到最大應(yīng)力的區(qū)域范圍，這一長(zhǎng)度就稱為纖維的臨界長(zhǎng)度。臨界纖維長(zhǎng)度太長(zhǎng)，復(fù)合材料將發(fā)生非累積型破壞，強(qiáng)度低而韌性高；臨界纖維長(zhǎng)度適中，復(fù)合材料將發(fā)生混合型破壞，具有合理的強(qiáng)度和韌性匹配；臨界纖維長(zhǎng)度太短，復(fù)合材料將發(fā)生聚積型破壞，強(qiáng)度低韌性也低，我們一般期望纖維發(fā)生混合型破壞。對(duì)于界面弱結(jié)合的CFCC，隨著纖維臨界長(zhǎng)度的增加，材料的韌性升高而強(qiáng)度降低，所以纖維的臨界長(zhǎng)度要控制在一定范圍內(nèi)才能使CFCC發(fā)生混合型破壞。而對(duì)于同一種纖維，纖維的臨界長(zhǎng)度又受界面結(jié)合強(qiáng)度的影響，因此不僅要使CFCC以界面弱結(jié)合的方式存在，還要使CFCC的界面弱結(jié)合以適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度存在，才能實(shí)現(xiàn)CFCC強(qiáng)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(qiáng)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(jié)構(gòu)材料和功能材料都有著廣泛的應(yīng)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(dǎo)致力學(xué)性能不高，主要用于對(duì)載荷要求不高但是對(duì)耐熱性要求較高的結(jié)構(gòu)；

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

    在所有的CFCC材料中，連續(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料是目前研究最多、應(yīng)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(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)，下一節(jié)我們將繼續(xù)介紹。

    3. 連續(xù)纖維增強(qiáng)韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料

    連續(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)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(yōu)點(diǎn)的熱結(jié)構(gòu)/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(qiáng)度低等缺點(diǎn)，具有耐高溫、低密度、高比強(qiáng)、高比模、抗氧化、抗燒蝕，對(duì)裂紋不敏感，不發(fā)生災(zāi)難性損毀等特點(diǎn)。CFCC-SiC可接替聚合物復(fù)合材料提高強(qiáng)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(fù)合材料相比可提高抗氧化性和使用壽命，成為1650℃以下長(zhǎng)壽命（數(shù)百上千小時(shí)）、1900℃以下有限壽命（數(shù)分到數(shù)十分鐘）和2800℃以下瞬時(shí)壽命（數(shù)秒至數(shù)十秒）的熱結(jié)構(gòu)/功能材料，同時(shí)具有優(yōu)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(yīng)用領(lǐng)域廣，主要有八大應(yīng)用領(lǐng)域，如下圖所示。

    （1）空間技術(shù)領(lǐng)域：C/SiC可用于超輕結(jié)構(gòu)反射鏡框架和鏡面襯底，具有重量小、強(qiáng)度高、抗輻射和膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，有望解決大型太空反射鏡結(jié)構(gòu)輕量化和尺寸穩(wěn)定性的難題。

    （2）航空發(fā)動(dòng)機(jī)：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(jié)構(gòu)減重50%~70%，是發(fā)展高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵熱結(jié)構(gòu)材料之一。CFCC-SiC已經(jīng)開始應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的某些部件上，實(shí)踐證明優(yōu)于傳統(tǒng)材料。

    （3）剎車制動(dòng)系統(tǒng)：C/SiC剎車盤與C/C相比，具有生產(chǎn)周期短、成本低、強(qiáng)度高、靜摩擦系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，是繼C/C之后新一代剎車材料。目前，C/SiC已應(yīng)用在高檔轎車上，飛機(jī)上的應(yīng)用正在研究和試驗(yàn)當(dāng)中。

    （4）能源領(lǐng)域：SiC/ SiC有望用于核聚變反應(yīng)堆第一壁構(gòu)件，適應(yīng)高溫輻射環(huán)境，也可用于工業(yè)燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒室內(nèi)襯和第一級(jí)覆環(huán)中，可提高工作溫度，減少或取消冷卻空氣。

    （5）液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)：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(wèi)星用姿控、軌控液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上使用C/SiC代替鈮合金燃燒室-噴管已進(jìn)入實(shí)用階段，遠(yuǎn)期還將實(shí)現(xiàn)在大型液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用。

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

    （7）高超聲速飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)：使用C/SiC作大面積熱防護(hù)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)防熱/結(jié)構(gòu)一體化，比傳統(tǒng)的防熱-結(jié)構(gòu)分離系統(tǒng)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(jī)翼前緣、頭錐帽、頭錐裙部及下顎板（如下圖）、機(jī)體副翼和組合襟翼均使用C/SiC，歐洲Hermes航天飛機(jī)，英國Hotel航天飛機(jī)和法國Sanger航天飛機(jī)的熱防護(hù)系統(tǒng)也采用了C/SiC材料。

    （8）固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)：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(fā)動(dòng)機(jī)喉道零燒蝕的難題，提高動(dòng)能攔截系統(tǒng)的變軌能力和機(jī)動(dòng)性，目前各種戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和運(yùn)載火箭的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)喉襯已經(jīng)獲得應(yīng)用。

    綜上所述，CFCC-SiC可接替聚合物復(fù)合材料作為長(zhǎng)壽命空間結(jié)構(gòu)/功能材料，大幅度提高抗輻射和空間環(huán)境性能的穩(wěn)定性；接替高溫合金作為長(zhǎng)壽命高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)材料，可大幅度減少航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(jié)構(gòu)材料，可大幅度節(jié)約液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃料和冷卻劑，提高推力和阻尼特性；接替C/C復(fù)合材料作為有限壽命高溫防熱結(jié)構(gòu)材料，可大幅度提高超高聲速飛行器的安全性和機(jī)動(dòng)性。因此， CFCC-SiC材料被認(rèn)為是反映一個(gè)國家航空航天器制造能力，關(guān)系國家安全的新型戰(zhàn)略性熱結(jié)構(gòu)材料。

    4. 總結(jié)

    本文我們按照由大到小，從高到低的順序介紹了陶瓷基復(fù)合材料和連續(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料，如下圖，它們之間的遞進(jìn)關(guān)系可以總結(jié)為：

    （1）陶瓷材料脆性大，可靠性差，發(fā)展陶瓷基復(fù)合材料（CMC）是陶瓷強(qiáng)韌化的有效途徑；

    （2）連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料（CFCC）是陶瓷基復(fù)合材料中增韌補(bǔ)強(qiáng)效果最好的；

    （3）在CFCC中，連續(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料（CFCC-SiC）是目前研究最多、應(yīng)用最成功和最廣泛的，是航空航天領(lǐng)域中具有重要戰(zhàn)略意義的熱結(jié)構(gòu)材料。

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責(zé)任編輯：龐雪潔

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