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陶瓷基复合材料的论文 陶

复合材料论文陶瓷基复合材料的发展状况院 (系) :材料学院专 业:无机非金属材料班 级:学 号:学生姓名:指导老师:__2011 年 6 月 12 号 陶瓷基复合材料的发展情况1 摘要: 材料是科学技术发展的基础, 材料的演进可以实现科学技术的发展, 材料主要有塑料材料、 聚合物材料、 无机非金属材料和复合材料四大类。 其中复合材料是是最新发展地来的一大类, 发展十分快速。 最早发生的是宏观复合材料, 它复合的组元是肉眼可以看到的, 比如混凝土。 随后发展出来的是微观复合材料, 它的组元肉眼看不见。 由于复合材料各方面优异的性能, 因此受到了广泛的应用。复合材料对民航、 航天事业的制约尤为显著, 可以说如果没有复合材料的诞生, 就没有今天的飞机、火箭跟宇宙飞船等高科技产品。 本文从纤维增强陶瓷基复合材料Cf/SiC入手, 综述了陶瓷基复合材料(ceramic matrix composite,CMC) 的特殊使用性能、 界面增韧机理、 制备工艺作了较全面的介绍, 并对CMC的的研究状况、 未来发展进行了展望。 关键词: 陶瓷基复合材料、 增强纤维、 基体 正文 一、 陶瓷基复合材料的定义与特征陶瓷基复合材料是以瓷釉为基材与各类纤维复合的一类复合材料。

陶瓷涂层可为氮化硅、 碳化硅等高温结构陶瓷。 这些先进陶瓷具有耐低温、 高强度和载荷、 相对长度较轻、 抗腐蚀等出色性能, 其致命的软肋是具备脆性, 处于应力状态时, 会造成裂纹, 甚至破裂造成材料失效。 而采取高强度、 高韧性的纤维与壳体复合, 则是增加陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方式。 纤维可阻挡裂纹的扩展, 从而受到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料(CMC) 由于具备高强度、 高熔点、 高韧性强度、 热化学稳 定性等出色性能, 是生产推重比 10 以上航空发动机的理想耐低温结构材料。 一方面, 它消除了单一陶瓷材料蠕变断裂的特点, 提高了材料的断裂强度; 另一方面, 它保持了陶瓷涂层耐高温、 低膨胀、 低密度、 热稳定性好的特点。 陶瓷基复合材料的最高使用频率可达 1650℃, 而体积只有高温合金的 70%。 因此, 近几十年来,陶瓷基复合材料的研究有了 较快发展。 目前 CMC 正在航空发动机的高温段的少数部件上作评定性试用。 例如,法国一公司已生产了碳化硅增强碳化硅的进气道调节片凤凰体育网站, 在“幻影” 2000 飞机用发动机上飞行。 美国 TextronLycoming 公司用碳化硅纤维增强氮化硅复合材料制造了涡轮级间盘的验证件。

美国某公司还研发了玻璃陶瓷基复合材料燃烧室内衬和 CMC 涡轮叶片试验件。 国内对陶瓷基复合材料的研究起步相对较晚, 从上世纪九十年代后期开始加强对陶瓷基复合材料的研究, 取得了一定的成果。但是不论在材料的表征还是在材料物理性能的研究上相对美国抑或有较大的差别。 尤其在材料失效机理、 失效模型的研究上还更不规范。 二、 陶瓷基复合材料的分类按强化材料形态分类,陶瓷基复合材料可分为颗粒增强陶瓷复合材料、 纤维增强陶瓷复合材料、片材增强陶瓷复合材料。2按基材材料分类陶瓷基复合材料的论文, 陶瓷基复合材料可分为氧化物基陶瓷复合材料、 非氧化物基陶瓷复合材料、 碳/碳复合材料、 微晶玻璃基复合材料。 三、 陶瓷基复合材料的界面对材料整体性能的制约界面直接影响复合材料的整体物理性能。 纤维与壳体间界面的主要作用有:(1) 传递作用: 由于纤维是主要的应力承担者, 因此界面需要有足够的结合强度来释放应力, 使纤维承受大部分载荷, 在壳体与纤维之间起至桥梁作用;(2) 阻断作用: 当熔体裂纹扩展到纤维与烧蚀间界面时, 结合适当的界面从而阻碍裂纹扩展或让裂纹出现偏移, 从而超过调整界面应力, 阻止裂纹向纤维 内部扩展的效果。

当一平行于纤维方向的裂纹穿入包埋单根纤维的基体时, 随后的破坏模式界面对陶瓷基复合材料力学性能的妨碍分析或许为: 基体断裂、 纤维—基体界面脱粘、 脱粘后摩擦、 纤维破裂、 应力重新 分布、 纤维拔出等。对陶瓷基复合材料来说, 纤维与壳体的界面是控制材料性能的关键原因。 因此, 研究界面对陶瓷基复合材料的物理性能的制约具有重要含义。 在纤维与基体之间的界面反应将改变材料的界面强度,从而改变材料的性能。 例如: Cf/SiC复合材料的界面反应主要是Si原子向纤维内部的扩散。 戴永耀 (音)等研究了Si原子通过Cf/SiC的界面处于碳纤维内部的过程, 发现Si的扩散系数为 8. 2×10-17m2/s至 6×10-16m2/s, 扩散自由能为 76. 9 kJ/mol, 温度为 900℃~1 300℃时, Si原子为自由态或与C原子产生SiC。 Kikuchi Shigeru研究结果证实: Si原子在沥青基纤维中的扩散速度远大于在PAN基纤维中的速度。 这个结果也说明沥青基碳纤维更易于合成Cf/SiC复合材料。 为提高陶瓷基复合材料的界面, 最简单最有效的方式是借助纤维的表层涂层来实现, 其工艺方式同抗氧化涂层。

Hojima Akira发现有B4C涂层的Cf/SiC复合材料在与不加涂层的Cf/SiC复合材料在相同的熔点热处理时,Si几乎不扩散入碳纤维内部。 国外对陶瓷基复合材料及其界面的失效模式跟失效机理尚未作了不少的研究。 按界面模型的几何假设陶瓷基复合材料的论文, 可以将界面模型分为连续模型和离散模型。 连续模型既分为唯象学模型、 半经验失效模型、 剪切滞后模型断裂力学模型和连续损伤力学模型等; 离散模型可以分为有限元模型、 弹簧元模型和统计模型等。 四、 陶瓷基复合材料的制取工艺 陶瓷基复合材料的纯化工艺主要有下述几个别组成: 粉体制备、 增强体(纤维、 晶须) 制备和预处理, 成型和烧结。 4. 1 粉体制备 粉体的性能直接影响到陶瓷的性能, 为了获得性能优良的陶瓷基复合材料, 制备出高纯、 超细、组分均匀分布跟无团聚的粉体是最关键的。 陶瓷粉体的合成主要能分为机械制粉跟物理制粉两种。 化学制粉可获得性能优良的高纯、 超细、组分均匀的粉体, 是一类更有前途的粉体制备方式。 但是这类方式或必须较复杂的设施, 或制备工艺 3要求苛刻, 因而成本也较高。 机械法合成多组分粉体工艺简单、 产量大, 但得到的粉体组分分布不均匀, 特别是当某些组分很少的之后, 而且这些方式长会帮粉体引入杂质。

除之外, 还可用物理法, 即用蒸发-凝聚法。 该方式是将塑料原料加热至低温, 使之气化, 然后急冷, 凝聚成分体, 该法可合成出超细的塑料粉体。 4. 2 成型 有了良好的粉体, 成型就成了取得高性能陶瓷复合材料的关键。 坯体在成形中产生的弊端会在烧成后明显的体现出来。 一般成型后坯体的硬度越高则烧成的收缩就越小, 制品的宽度精度越容易控制。陶瓷材料常见的成型方式有: 4. 2. 1 模压成型 模压成型是将粉体填充到模具内部, 通过单向或者双向加压, 将粉料压成所需形状。 4. 2. 2 等静压成型 一般等静压成型是指将粉料装入橡胶或金属等能变形的容器中, 密封后放在液压油或者水等流体介质中, 加压获得所需坯体。 4. 2. 3 热压铸成型 热压铸成型是将粉料与蜡(或其它有机高分子粘合剂) 混合后, 加热让蜡(或其它有机高分子粘合剂) 熔化, 是混合料具有一定流动性, 然后将混合料加压注入模具,冷却后就能得到致密较坚硬的坯体。 4. 2. 4 挤压成型 挤压成型就是利用压力把带有塑性的粉料通过模具挤出凤凰体育 , 模具的颜色就是成型坯体的图案。 4. 2. 5 轧模成型 轧模成形是将加入粘合剂的制件放入相向滚动的压辊之间, 使物料不断受到挤压得到薄膜状坯体的一种成型方式。

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4. 2. 6 注浆成型 注浆成型是基于微孔石膏模具才能吸收水份的物理特点, 将陶瓷粉料配成带有流动性的泥浆, 然后注入多孔模具内(主要为石膏模),水分在被模具(石膏) 吸入后便产生了带有一定硬度的均匀泥层陶瓷基复合材料的论文,脱水干燥过程中同时产生带有一定韧性的坯体。 4. 2. 7 流延法成型 一种陶瓷制品的成型方式,首先把粉碎好的粉料与有机塑化剂溶液按适当配比混合制成具有一定浓度的料浆凤凰体育网站, 料浆从容器同流下, 被刮刀以一定硬度刮压涂敷在专用基带上, 经干燥、 固化后从上剥下作为生坯带的薄膜, 然后按照成品的厚度和颜色必须对生坯带作冲切、 层合等加工处理, 制成待烧结的毛坯成品。 4. 2. 8 注射成型 陶瓷料粉与热塑性树脂等有机溶剂在注塑机加热料筒中塑化后, 由液压或往复螺杆注射到闭合模 4具的模腔中产生食品的加工方式。 4. 2. 9 泥浆渗透法泥浆渗透法是先将陶瓷涂层坯料制成泥浆, 然后在温度让其融入增强预制体, 再干燥就得到所需的陶瓷基复合材料坯体。 4. 3 烧结 在低温下(低于熔点), 陶瓷生坯固体颗粒的相互键联, 晶粒长大, 空隙(气孔) 和应力逐渐降低,通过物质的释放, 其总面积收缩,密度降低凤凰体育网站凤凰体育 , 最后变成带有某些显微结构的致密多晶烧结体, 这种现象称为烧结。

陶瓷基复合材料基体常用烧结方式有普通退火、 热致密化方法、 反应烧结、 微波烧结和等离子烧结。 其中反应烧结是指粉末混合料中大约有两种组分相互出现反应的脱碳。 微波烧结是一种材料固溶工艺的新方式, 它带有升温速度快、 能源利用率高、 加热效率高和安全卫生无污染等优点, 并可提升产品的均匀性和成品率, 改善被烧蚀材料的微观结构跟性能, 近年来早已变成材料烧结领域里新的探究热点。 4. 4 陶瓷基复合材料特殊的新型合成工艺 4. 4. 1 熔体渗透 熔体渗透是指将复合材料基体加热至低温使其融化成熔体, 然后混入增强物的预制体中, 再冷却就得到所需的复合材料。 4. 4. 2 化学气相渗透(CVI) 化学气相渗透(CVI) 制备陶瓷基复合材料是将含挥发性金属化合物的氨气在低温反应产生陶瓷固体沉积在增强剂预制体的缝隙中, 使预制体逐渐致密而产生陶瓷基复合材料。 4. 4. 3 由有机聚合物合成 由有机聚合物可以制备SiC、 Si3N4, 并能作为配体制备陶瓷基复合材料。 通常是将提高体材料跟陶瓷粉末与有机聚合物混合, 然后进行成型烧蚀。 五、 陶瓷基复合材料的演进现状我国从 20 世纪 70 年代初期开始碳纤维增强陶瓷基的研究, 由于碳纤维增强石英复合材料中, 两相在化学上相容性好, 而且在物理上匹配也适度, 因而获得很高的提高增韧效果。

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C/SiC 在数学相容和化学上的匹配都不甚理想, 这种复合材料虽然在任性上受到改进, 但在提高上并没有什么明显疗效, 这一材料早已在我国的空间科技上受到应用。在碳纤维增强氮化硅复合材料的研究中看到: 碳纤维与氮化硅的两相组合在数学上相容和化学上的匹配不甚理想。 尽管可以借助低温烧结的方法来提高其物理相容性, 通过 的相变来缓解因为热膨胀不匹配而导致的应力, 但是两相之间弹性模量的不匹配所造成的妨碍反倒难以克服。 因此, 这种复合材料虽然在强度上可以受到改进, 但在提高上并没有什么明显疗效。碳化硅纤维增强锂镍硅(LAS) 复合材料也是一种比较符合前述原则的复合平台, 它在 1200℃以下不失为一种好的高温结构材料。 由于 LAS 微晶玻璃可以借助添加 调整其热膨胀系数, 使之与碳化硅纤维得 5至最佳的匹配。 碳纤维/LAS 复合材料具有高达 20. 1MPa. m 的断裂强度。 我国采取气相合成或以氢化硅为原料的碳还原法制造 SiC 晶须, 所合成的 SiC 晶须 复合材料有极好的低温强度跟断裂任性, 在 1370℃分别为 880MPa 和 8. 5MPa. m, 且表现出低的残余应力和高的抗应力性能. 国际在 20 世纪 90 年代, CMC-SiC 开始进入应用研究阶段. 作为高推重比航空发动机用低温热结构材料, 以推重比 10 航空发动机为演示验证系统对流场, 燃烧室和涡轮三大部分进行了 大量考核, 历时十余年目前却在进行. 其中德国 Snecma 公司制造的 CMC-SiC 调节片、 密封片已装机使用近 10 年。

在 700℃工作 100h, 减重 50%,疲劳寿命优于高温合金, 目前正向其他发动机上拓展. 中期(2015~2020 年) , 发展燃烧室和内衬、 低压涡轮和导向叶片; 远期(2020 年以后) , 发展高压涡轮和导向叶片, 高压压气机涡轮和导向叶片。目前用来合成发动机构件的 CMC-SiC 纤维主要是碳纤维和 SiC 纤维。根据制备原料的不同, 碳纤维可以分为粘胶基碳纤维、 PAN 基碳纤维和沥青基碳纤维。 PAN 基碳纤维主要是高强度型; 沥青基碳纤维主要是高模量型, 也有高强和高模兼具型。 在纤维用于合成航空发动机构件的选型上, 美国做了较为广泛的研究。 1994 年, NASA 的 EPM 项目(Enabling Propulsion Materials) 选择 SiCf/SiC 作为 HSCT(high speed civil transport) 发展的最佳材料系统, 并开始进行纤维、 纤维涂层和配体组成的选用跟研究。 作为高比冲液体火箭发动机用材料, 多种卫星姿控轨控发动机吊舱和小型运载火箭发动机喷嘴扩张段通过了试车考核。 美国 Hyper-Therm HTC, Inc. 公司跟空军实验室采用 CVI 技术制备的 C/SiC 复合材料液体火箭发动机推力室。

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此推力室长 457mm, 喷管出口直径为 254mm, 喉部直径为 35mm。 目前未借助工作条件为 (g) / (l) 推进剂、 燃气气压 2050℃、 燃烧室压力 4. 1MPa, 推力 1735. 2N 的热试车考核。 美国空军超音速技术计划在模拟 Mach8 巡航导弹工作环境中检测了 多种用于超燃冲压发动机尾喷管,燃烧室侧壁和进气道唇口, 侧壁复合材料的性能。 结果证实, 带有抗氧化涂层的 C/SiC 复合材料能经受住 10min 的模拟环境考核, 可用作一次性使用巡航导弹超燃冲压发动机中的发动机材料, 并有希望用于温度高 1940℃的燃烧室和汽缸。 针对大于 Mach8 飞行跟长期工作, 美法共同发起一项为期 4 年的研究计划, 设计了具有冷却结构的 C/SiC 复合材料夹层结构, 分为 3 层: 面向高温气流的更外层为 C/SiC 复合材料, 中间层为镍合金冷却管, 最外层也为 C/SiC 复合材料。 这种结构的缩比件通过了模拟超燃冲压发动机燃烧室工作环境的考核。 六、 陶瓷基复合材料的发展形势 纤维增强陶瓷基复合材料已经受到广泛应用, 但同时, 此种材料还不太成熟, 要想广泛地实际应用,还需要深入探究其特点, 探索其经济实用的生产工艺, 开发科学的概率设计方式, 以缓解好在高温环境下的耐久性和安全可靠性问题。

(1) 寻找更好的合成工艺, 减少表征周期及合成成本, 减少纤维的病变, 改善纤维与涂覆的界面,进一步提升材料的各项性能。 此外, 完善对CMC各项性能指标的检测和评判标准。 例如Cf/SiC材料的断裂强度的检测和评价。 (2) 对材料在低温氧化环境中的氧化行为及特性进行探究, 找出改善材料抗氧化性能的镀层材料及 6其合成工艺。 (3) 材料的应用研究也应大大加强。 完成复杂构件的成形及合成工艺, 解决陶瓷构件与塑料构件的联结问题等。7参考文献: [1] 周曦亚. 复合材料. 北京: 北京工业出版社, 2004 [2] 张杏奎. 新材料技术, 江苏科学技术出版社, 1992 [3] 甘永学. 宇航材料工艺, 1994; (5) : 1~5 [4] 林德春等. 出国考察技术报告, 1994; (2) : 87 [5] 国防科技大学五 0 五教研室. 无机材料学报, 1986; 1(1) : 329 [6] 杨淑金等. 宇航材料工艺, 1986; (5) : 26 [7] 赵稼祥. 纤维复合材料, 1996; (4) : 46~50 [8] 郭景坤、 杨涵美、 张玉峰、 诸培西、 黄世忠, 材料科学进展, 1993(2) : 179.

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