第六章陶瓷基復(fù)合材料(CeramicMatrixComposites)本章主要內(nèi)容：一、基本概念和分類二、原材料及其特性三、陶瓷基復(fù)合材料的制備技術(shù)四、纖維增強陶瓷基復(fù)合材料五、碳/碳復(fù)合材料2陶瓷基復(fù)合材料(Ceramic

Matrix

Composites,簡稱

CMCs)以陶瓷材料為基體，以高強度纖維、晶須、晶片和顆粒為增強體，通過適當?shù)膹?fù)合工藝所制成的復(fù)合材料。通常也稱為復(fù)相陶瓷材料(Multiphase

ceramics)或多相復(fù)合陶瓷材料

(Multiphase

composite

ceramics)一、基本概念和分類1、定義32、分類

4(1)、按使用性能特性分類※結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料主要利用其力學(xué)性能和耐高溫性能，主要用作承力構(gòu)件，具有輕質(zhì)、高強、高剛度、耐高溫、低膨脹和耐腐蝕等主要特性?！?/p>

功能陶瓷基復(fù)合材料主要利用其光、聲、電、磁、熱等物理性能的功能材料，指除力學(xué)性能以外而具有某些物理性能

(如導(dǎo)電、半導(dǎo)、磁性、壓電、阻尼、吸聲、吸波、

屏蔽、阻燃等)的陶瓷基復(fù)合材料。主要由功能體(單功能或多功能)和基

體組成，基體不僅起到粘結(jié)和賦形的作用，同時也會對復(fù)合陶瓷整體性能有

影響。多功能體可以使復(fù)合陶瓷具有多種功能，同時還有可能由于產(chǎn)生復(fù)合

效應(yīng)而出現(xiàn)新的功能。2、分類(2)、按基體材料分類※氧化物陶瓷基復(fù)合材料※

非氧化物陶瓷基復(fù)合材料微晶玻璃陶瓷基復(fù)合材料※

碳/碳復(fù)合材料52、分類

6(3)、按增強體的形態(tài)分類※

顆粒增強陶瓷基復(fù)合材料——包括剛性顆粒和延性顆?！?/p>

纖維(晶須)增強陶瓷基復(fù)合材料——包括長、短纖維補強增韌陶瓷基復(fù)合材料

晶片補強增韌陶瓷基復(fù)合材料——包括人工晶片和天然片狀材料

疊層式陶瓷基復(fù)合材料——包括層狀復(fù)合材料和梯度陶瓷基復(fù)合

材

料

?；w材料有氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、水泥、玻璃等。增強體材料主要以不同形態(tài)來區(qū)分，有顆粒狀、纖維狀、晶須、晶板等。幾種常用的陶瓷基體材料簡介：氧化鋁

(Al?O?)二氧化鋯

(ZrO?),莫

來

石(

3Al?O?2SiO?,Mullite)氮化硅

(Si?N?),

碳化硅

(SiC)玻璃陶瓷二、原材料及其特性以氧化鋁為主成分的陶瓷材料。氧化鋁含量越高，性能越好。按氧化鋁含量可分為75瓷、85瓷、95瓷、99瓷和高純

氧化鋁瓷等。主晶相為α-Al?O?,屬六方晶系，密度為3.9g/cm3左右，熔點達2050℃。1、氧化鋁陶瓷

(Al?

O?,alumina)氧化鋁瓷的主要性能9名稱剛玉一莫來石瓷剛玉瓷剛玉瓷牌號75瓷95瓷99瓷Al?O?含量，wt%759599主晶相α-Al?O?3Al?O?

·2SiO?α-Al?O?α-Al?O?密度，

g/cm33.2-3.43.53.9抗拉強度，MPa140180250抗彎強度，MPa250-300280-350370-450抗壓強度，MPa120020002500膨脹系數(shù)，×10-61℃5-5.55.5-7.56.7介電強度，KV/mm25-3015-1825-3010氧化鋁瓷的其它性能：※

硬度高(~20GPa),僅次于金剛石和碳化硅，有很好的耐磨性。※

耐高溫性能好，高氧化鋁含量的剛玉瓷可在1600℃高溫下長期使用，而且蠕變小?！?/p>

很好的耐腐蝕性和電絕緣性。但氧化鋁脆性較大，抗熱震性差，不能承受環(huán)境溫度的突然變化。方晶系。α

-相在高溫下(~1650℃)可轉(zhuǎn)變?yōu)棣?/p>

-相。α-Si?N?多為等軸狀晶粒，有利于材料的硬度和耐磨性；β-Si?N?多為長柱狀晶粒，有利于材料的強度

和韌性。2、

氮化硅陶瓷

(Si?

N?,

silicon

nitride)11以

Si?N?

為主晶相的陶瓷材料。Si?N?有兩種晶型，α-Si?N?

和β-Si?N?,均屬于六以SiC為主要成分的陶瓷材料。SiC變體很多，但作為陶瓷材料的主要有兩種晶體結(jié)構(gòu)，一種是α-SiC,屬六方晶系；一種是β-SiC,屬

立方晶系，具有半導(dǎo)體特性。SiC

具有很高的熱傳導(dǎo)能力，較好的熱穩(wěn)定性、耐磨性、耐腐蝕性和抗蠕變性。3、碳化硅陶瓷

(SiC,Silicon

Carbide)12某些玻璃經(jīng)熱處理后可以晶化形成大量的微晶體。這種含有大量微晶體的玻璃稱為微晶玻璃或玻璃陶瓷。玻璃陶瓷中的微晶體一般取向雜亂，微晶尺寸在0.01-0.1μm,體積結(jié)晶率達50-98%。常用的玻璃陶瓷有鋰鋁硅

(Li?O-Al?O?-SiO?

,LAS)

玻璃陶瓷、鎂鋁硅

(MgO-Al?O?-SiO?,MAS)玻璃陶瓷等。LAS玻璃陶瓷的熱膨脹系數(shù)幾乎為零。MAS

玻璃陶瓷具有高硬耐

磨的特性。4、玻璃陶瓷

(glass-ceramics)三、陶瓷基復(fù)合材料的制備技術(shù)1、料漿浸滲-熱壓燒結(jié)法2、直接氧化沉積法3、化學(xué)氣相浸滲法4、反應(yīng)性熔體浸滲法141、料漿浸滲-熱壓燒結(jié)法

15

(Slurry

Infiltration

and

Hot-Pressinp)連續(xù)纖維進給浸漿從滾柱上取下②堆垛加熱燒去粘結(jié)劑個加溫加壓切斷料漿浸滲

一

熱壓燒結(jié)法的優(yōu)點：※

燒結(jié)時間短，制造成本低※

復(fù)合材料的致密度和性能高※

尤其適合纖維增強的玻璃陶瓷基復(fù)合材料不足之處；8

復(fù)合材料的形狀受限不適合于固相燒結(jié)的材料體系利用熔融金屬氧化來制備陶瓷基復(fù)合材料的一種方法，這種工藝最早是由美國Lanxide公司發(fā)明的，

故又稱LANXIDE法，其制品已經(jīng)用作坦克防護裝甲材

料

。它是將纖維預(yù)制體置于熔融金屬上，金屬液1200~1400℃的高溫下被空氣氧化生成陶瓷，沉積和包裹

在纖維周圍，而形成纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。2、

直接氧化沉積法(Direct

Oxidating

Deposition)反應(yīng)氣預(yù)制體熔化的金屬預(yù)制體復(fù)合材料熔融金屬二已浸漬的預(yù)制體一沉積方向18直接氧化沉積法的優(yōu)點：※

工藝相對簡單對纖維損傷小，※

可以制備復(fù)雜形狀的零部件不足之處；心

不可避免地有金屬殘存，影響材料的高溫性能；

只限于制備氧化鋁基陶瓷和抗高溫氧化性強的

纖

維材料3、化學(xué)氣相浸滲法

20(ChemicalVaporInfiltration,簡稱CYI法)定義：反應(yīng)物以氣體的形式滲入到纖維預(yù)制體的內(nèi)部并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成陶瓷固體沉積在預(yù)制體表面，使預(yù)制體逐漸致密形成陶瓷基復(fù)合材料的一種工藝。石墨：具有耐高溫、抗熱震、導(dǎo)熱好、彈性模量

高、耐磨、化學(xué)惰性等性能，是優(yōu)異的適合于惰

性氣體環(huán)境和燒蝕環(huán)境的高溫材料。但韌性差，

對裂紋敏感?！?/p>

C/C復(fù)合材料：既能保持碳(石墨)原來的優(yōu)良

性能外，又能克服它的缺點，大大提高了韌性和

強度，降低了熱膨脹系數(shù)，尤其是因為相對密度小，具有很高的比強度和比模量。5.1C/C

復(fù)合材料的發(fā)展出材料的發(fā)展與需求相聯(lián)系□

耐燒蝕材料需求：飛船返回艙和航天飛機的鼻嘴

最高溫度分別為1800℃和1650℃。

C/C

具有高燒

蝕熱、低的燒蝕率、抗熱沖擊和超熱環(huán)境下具有

高強度等優(yōu)點?？赡褪?0000℃的駐點溫度。是

超熱環(huán)境中高性能的理想燒蝕材料?！?/p>

高溫耐磨材料需求：

C/C

是唯一能在極高溫度下使用的摩阻材料，且密度僅為1.7～1.9

g/cm3。C/C復(fù)合材料的性能與纖維的類型、增強方向、制造條件以及基體碳的微觀結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)?？?/p>

供使用的C

纖維有人造絲(粘膠)基、PAN基和瀝

青基C纖維?！?/p>

力學(xué)性能■

熱物理性能■

燒蝕性能■

化學(xué)穩(wěn)定性5.2C/C復(fù)合材料的特性5.2.1

力學(xué)性能24密度小；高的比強度、比模量

；良好的高溫力學(xué)

性能，對熱應(yīng)力不敏感；優(yōu)異的耐摩擦性能。室溫：單向度C/C拉伸強度可達700MPa

。(

通■

高溫：1627℃時仍能保持室溫強度，甚至有所提

高，這是目前工程材料中唯一能保持這一特性的材料；

2500℃才能測出塑形變形，是當今在太空環(huán)境下使用

的高溫力學(xué)性能最好的材料?！?/p>

對熱應(yīng)力不敏感：

一旦產(chǎn)生裂紋，不會像陶瓷那

樣嚴重的力學(xué)性能損失。耐磨性：

摩擦系數(shù)小，具有優(yōu)異的耐磨擦磨損性

能，是各種耐磨和摩擦部件的最佳候選材料。用鋼材強度500

600MPa)5.2.2

物理性能25□

熱膨脹性能低：常溫下為-0.4～1.8×10-6/K,

僅為金屬材料的1/5～1/10;導(dǎo)熱系·數(shù)高：室溫時約為0.38～0.45熔點高：4100℃。cal/cms℃

(鐵：0.

13)。5.2.3燒蝕性能燒蝕：導(dǎo)彈和飛行器在高溫高壓大氣層熱流的沖刷下，由于材料發(fā)生熱解、氣化、升華、輻

射等物理和化學(xué)過程，引起材料表面質(zhì)量遷移

(材料消耗)的現(xiàn)象。這種材料表面的質(zhì)量遷

移帶走大量熱量，從而達到耐高溫的目的，即

燒蝕性能。C/C

的燒蝕均勻、燒蝕凹陷淺，能良好地保持制件外形；燒蝕熱高。

27C/C

的升華溫度高達3600

℃,在這樣的高溫度下，通過表面升華、輻射除去大量熱量，使傳遞到

材料內(nèi)部的熱量相應(yīng)地減少。不同材料的有效燒蝕熱的比較材料C/C聚丙乙烯尼龍/酚醛高硅氧/酚醛有效燒蝕熱(kcal/kg)11000~

14000173024904180化學(xué)穩(wěn)定性高；抗氧化性能差C/C

除含有少量的氫、氮和微量金屬元素外，幾乎

99%以上都是元素C,

因此它具有和C

一樣的化學(xué)穩(wěn)定性。■耐腐蝕性：C/C

像石墨一樣具有耐酸、堿和鹽的化

學(xué)穩(wěn)定性；■氧化性能：C/C

在常溫下不與氧作用，開始氧化溫

度為400℃

,高于600℃會嚴重氧化。提高其耐氧化性方法—成型時加入抗氧化物質(zhì)或表面加碳化硅涂

層。5.2.4化學(xué)穩(wěn)定性生物相容性好：是人體骨骼、關(guān)節(jié)、顱蓋骨補塊、牙床的優(yōu)良替代材料；■

安全性和可靠性高：若用于飛機，其可靠性為傳統(tǒng)材料的數(shù)十倍。飛機用鋁合金構(gòu)件從產(chǎn)生

裂紋至破斷的時間是1mim,

而

C/C

是51mim。5.2.5其他性能29世界各國均把C/C復(fù)合材料用作先進飛行器高溫區(qū)的主要熱結(jié)構(gòu)材料，其次是作為飛機和汽車等的剎車材料。■

軍事、航天飛行器中的應(yīng)用■

剎車材料方面應(yīng)用■

其他應(yīng)用5.3

C/C復(fù)合材料的應(yīng)用305.3.1軍事、航天飛行器上的應(yīng)用31主要用能做燒蝕材料和熱結(jié)構(gòu)材料，尺寸穩(wěn)定性良好。其中最重要的用途是做洲際

導(dǎo)彈彈頭的鼻錐、固體火箭噴管、航天飛

機的鼻錐帽和機翼前緣。C/C

在航天飛機上的應(yīng)用部位

32C/C

在航天飛機上應(yīng)用部位航天飛機表面溫度5.3.2剎車材料方面的應(yīng)用□

利用其優(yōu)異的耐摩擦性能。用于飛機、高速火車及

汽車剎車片?！?/p>

法國歐洲動力公司大量生產(chǎn)C/C

剎車片，用作飛機

(如幻影式戰(zhàn)斗機)、汽車(如賽車)和高速火車

的剎車材料?！?/p>

波音747上使用C/C

剎車裝置，大約使機身質(zhì)量減

輕了816.5kg?！?/p>

日本C/C

用作飛機剎車材料已有10

年的歷史。日本

協(xié)和式超音速客機共8個輪，剎車片約用300

kgC/C

復(fù)合材料，可使飛機減輕450kg。用作F-1賽車剎車

片，可使其減輕11