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航空發(fā)動機(jī)用理想材料——陶瓷基復(fù)合材料

2022-03-08 10:53:31 作者：本網(wǎng)整理來源：網(wǎng)絡(luò) 分享至：

前言

陶瓷材料耐溫能力高、力學(xué)性能好、密度低，很早就被認(rèn)為是發(fā)動機(jī)高溫結(jié)構(gòu)的理想材料，但由于陶瓷韌性差，一旦損壞會引起發(fā)動機(jī)災(zāi)難性后果，因而限制了其應(yīng)用。為提高陶瓷材料的韌性，材料學(xué)家經(jīng)過不懈努力發(fā)展出陶瓷基復(fù)合材料。

陶瓷基復(fù)合材料是指在陶瓷基體中引入增強(qiáng)材料，形成以引入的增強(qiáng)材料為分散相，以陶瓷基體為連續(xù)相的復(fù)合材料，它具有耐高溫、耐磨、抗高溫蠕變、熱導(dǎo)率低、熱膨脹系數(shù)低、耐化學(xué)腐蝕、強(qiáng)度高、硬度大及介電、透波等特點，在航空、航天等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

陶瓷基復(fù)合材料的分類

陶瓷基復(fù)合材料，根據(jù)增強(qiáng)體分成兩大類：連續(xù)增強(qiáng)的復(fù)合材料和不連續(xù)增強(qiáng)的復(fù)合材料。其中，連續(xù)增強(qiáng)的復(fù)合材料包括一方向，二方向和三方向纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，也包括多層陶瓷復(fù)合材料；不連續(xù)增強(qiáng)的復(fù)合材料包括晶須、晶片和顆粒的第二組元增強(qiáng)體和自身增強(qiáng)體。

陶瓷基復(fù)合材料也可以根據(jù)基體分成氧化物基和非氧化物基復(fù)合材料。氧化物基復(fù)合材料包括玻璃、玻璃陶瓷、氧化物、復(fù)合氧化物等，弱增強(qiáng)纖維也是氧化物，常稱為全氧化物復(fù)合材料。非氧化物基復(fù)合材料以SiC、Si3N4、MoS2基為主。

陶瓷基復(fù)合材料的制備

化學(xué)氣相滲透法

化學(xué)氣相滲透法的工藝流程主要為：將先驅(qū)體和載體按照特定比例通入沉積室中，通過氣體擴(kuò)散作用或由壓力差產(chǎn)生的定向流動將氣態(tài)先驅(qū)體擴(kuò)散至纖維預(yù)制體內(nèi)部，進(jìn)而在纖維表面裂解和沉積，實現(xiàn)纖維預(yù)制體的致密化。該工藝的優(yōu)點是制備過程中纖維損傷較小，制備的陶瓷基體純度高、晶型完整，復(fù)合材料的力學(xué)性能較高，但是制備工藝較為復(fù)雜、成本高、周期長、制備的復(fù)合材料孔隙率高。

聚合物浸漬裂解法

聚合物浸漬裂解法以聚合物液相先驅(qū)體（或溶液）為浸漬劑，通過多循環(huán)交聯(lián)固化、高溫裂解，獲得致密化的復(fù)合材料。該工藝的優(yōu)點是處理溫度低，近凈成型，能夠制備復(fù)雜大尺寸構(gòu)件，其缺點是陶瓷收率低、制造周期長、材料孔隙率高。

漿料浸漬熱壓法

漿料浸漬熱壓法的工藝流程為：首先將陶瓷纖維浸漬于含有陶瓷基體的漿料中，將表面涂覆漿料的纖維纏繞至滾筒，進(jìn)而制成無緯布，經(jīng)切片、疊加、熱模壓成型和熱壓燒結(jié)后，獲得致密化的復(fù)合材料。該工藝簡單，成本較低。但熱壓工藝容易使纖維造成損傷，降低了復(fù)合材料的力學(xué)性能；此外，該工藝用于制備一維或二維復(fù)合材料，難以制備大型陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件。

熔體浸漬工藝

熔體浸漬法的基本原理為將金屬或合金加熱到熔融液態(tài)，然后在一定的工藝條件下滲透至纖維預(yù)制體內(nèi)部，進(jìn)而發(fā)生反應(yīng)生成陶瓷基體。該工藝最大的優(yōu)點為能夠通過一次成型制備致密且基本無缺陷的基體，而且預(yù)成型件與構(gòu)件之間結(jié)構(gòu)尺寸較小，被認(rèn)為是快速、低成本制備近凈成型復(fù)雜形狀構(gòu)件的有效途徑。其缺點在于處理溫度較高，制備過程中殘留一定體積的金屬，影響復(fù)合材料的性能。

陶瓷基復(fù)合材料的增韌技術(shù)

纖維增韌

纖維增韌要求盡量滿足纖維與基體陶瓷的化學(xué)相容性和物理相容性。纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的增韌機(jī)制包括基體預(yù)壓縮應(yīng)力、裂紋擴(kuò)展受阻、纖維拔出、纖維橋聯(lián)、裂紋偏轉(zhuǎn)、相變增韌等。目前能用于增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的纖維種類較多，包括氧化鋁系列（包括莫來石）、碳化硅系列、氮化硅系列、碳纖維等，除了上述系列纖維外，現(xiàn)在正在研發(fā)的還有BN、TiC、B4C等復(fù)相纖維。

晶須增韌

陶瓷晶須是具有一定長徑比且缺陷很少的陶瓷小單晶，它有很高的強(qiáng)度，是一種非常理想的陶瓷基復(fù)合材料的增韌增強(qiáng)體。晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料的主要增韌機(jī)制包括晶須拔出、裂紋偏轉(zhuǎn)、晶須橋聯(lián)。目前常用的陶瓷晶須有SiC晶須和Al2O3晶須；基體常用的有ZrO2、Si3N4、SiO2、Al2O3和莫來石等。

顆粒增韌

利用顆粒作為增韌劑，制備顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料，其原料的均勻分散及燒結(jié)致密化都比短纖維及晶須復(fù)合材料簡便易行。因此，盡管顆粒的增韌效果不如晶須與纖維的效果好，但如顆粒種類、粒徑、含量及基體材料選擇得當(dāng)，仍有一定的韌化效果，同時會帶來高溫強(qiáng)度、高溫蠕變性能的改善。顆粒增韌按增韌機(jī)理可分為非相變第二相顆粒增韌、延性顆粒增韌、納米顆粒增韌。

相變增韌

相變增韌ZrO2陶瓷是一種極有發(fā)展前途的新型結(jié)構(gòu)陶瓷，其主要是利用ZrO2相變特性來提高陶瓷材料的斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度，使其具有優(yōu)良的力學(xué)性能，低的導(dǎo)熱系數(shù)和良好的抗熱震性。它還可以用來顯著提高脆性材料的韌性和強(qiáng)度，是復(fù)合材料和復(fù)合陶瓷中重要的增韌劑。

納米復(fù)合陶瓷增韌

納米陶瓷由于晶粒的細(xì)化，晶界數(shù)量會極大增加（納米陶瓷的氣孔和缺陷尺寸減小到一定尺寸就不會影響材料的宏觀強(qiáng)度），可使材料的強(qiáng)度、韌性顯著增加。納米相在復(fù)合陶瓷中以兩種形式存在，一種是分布在微米級陶瓷晶粒之間的晶間納米相；另一種則“嵌入”基質(zhì)晶粒內(nèi)部，被稱為晶內(nèi)納米相或“內(nèi)晶型”結(jié)構(gòu)。兩種結(jié)構(gòu)共同作用產(chǎn)生了兩個顯著的效應(yīng)：穿晶斷裂和多重界面，從而對材料的力學(xué)性能起到重要的影響。

自增韌陶瓷

如果在陶瓷基體中引入第二相材料，該相不是事先單獨制備的，而是在原料中加入可以生成第二相的原料，然后控制生成條件和反應(yīng)過程，直接通過高溫化學(xué)反應(yīng)或者相變過程，在主晶相基體中生長出均勻分布的晶須、高長徑比的晶粒或晶片的增強(qiáng)體，形成陶瓷復(fù)合材料，這稱為自增韌。這樣可以避免兩相不相容、分布不均勻的問題，其強(qiáng)度和韌性都比外來第二相增韌的同種材料高。自增韌陶瓷的增韌機(jī)理類似于晶須對材料的增韌機(jī)理，有裂紋的橋接增韌、裂紋的偏轉(zhuǎn)和晶粒的拔出，其中橋接增韌是主要的增韌機(jī)理。

福斯曼陶瓷材料

福斯曼提供各種不同粒徑的碳化物、硼化物及硅化物：碳化鋯（ZrC）、碳化鉿（HfC）、碳化鉭（TaC）、碳化硅（SiC）、碳化鈦（TiC）、碳化鉭鉿（4TaC-HfC）等，硼化鋯（ZrB2）、硼化鉿（HfB2）、硼化硅（SiB6）、硼化鉭（TaB2）和硼化鈦（TiB2）等，硅化鋯（ZrSi2）、硅化鈦（TiSi2）、硅化鉿（HfSi2）等超高溫陶瓷材料；同時也提供碳化鋯前驅(qū)體、碳化鉿前驅(qū)體以及連續(xù)纖維增強(qiáng)材料和高分子增韌材料。詳情請公眾號留言或者致電咨詢010-64646565。