陶瓷基复合材料有哪些

陶瓷基复合材料有哪些

陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。

这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。

而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。2017-11-02 19:50复合材料:复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。

非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等陶瓷基复合材料是将耐高温的纤维植入陶瓷基体中形成的一种高性能复合材料。由于其具有高强度和高韧性,特别是具有与普通陶瓷不同的非失效性断裂方式,使其受到世界各国的极大关注。

连续纤维增强陶瓷基复合材料已经开始在航天航空、国防等领域得到广泛应用。

纤维增强陶瓷复合材料的优点有哪些

纤维增强复合材料由增强纤维和基体组成。纤维(或晶须)的直径很小，一般在l0μm以下，缺陷较少又小，断裂应变不大于百分之三，是脆性材料。

容易损伤、断裂和受到腐蚀。

基体相对于纤维来说强度和模量要低得多但可经受较大的应变往往具有粘弹性和弹塑性是韧性材料。纤维增强复合材料由纤维的长短可分为短纤维增强复合材料、长纤维复合材料和杂乱短纤维增强复合材料。纤维增强复合材料由于纤维和基体的不同品种很多如碳纤维增强环氧、硼纤维增强环氧、Kevlar纤维增强环氧、Kevlar纤维增强橡胶、玻璃纤维增强塑料、硼纤维增强铝、石墨纤维增强铝、碳纤维增强陶瓷、碳纤维增强碳和玻璃纤维增强水泥等。纤维增强复合材料的性能体现在以下方面：比强度高比刚度大成型工艺好材料性能可以设计抗疲劳性能好。

破损安全性能好。多数增强纤维拉伸时的断裂应变很小、叠层复合材料的层间剪切强度和层间拉伸强度很低、影响复合材料性能的因素很多会引起复合材料性能的较大变化、用硼纤维、碳纤维和碳化硅纤维等高性能纤维制成的树脂基复合材料虽然某些性能很好但价格昂贵、纤维增强复合材料与传统的金属材料相比具有较高的强度和模量较低的密度、纤维增强复合材料还具有独特的高阻尼性能因而能较好地吸收振动能量同时减少对相邻结构件的影响颗粒增强复合材料颗粒增强体是用以改善复合材料的力学性能，提高断裂功、耐磨性、硬度，增进耐蚀性的颗粒状材料。如SiC、TiC、B4C、WC、Al2O3、MoS2、Si3N4、TiB2、BN、C、石墨~~~等颗粒增强金属基复合材料由于制备工艺简单、成本较低微观组织均匀、材料性能各向同性且可以采用传统的金属加工工艺进行二次加工等优点，已经成为金属基复合材料领域最重要的研究方向。

颗粒增强金属基复合材料的主要基体有铝、镁钛、铜和铁等，其中铝基复合材料发展最快；而镁的密度更低，有更高的比强度、比刚度，而且具有良好的阻尼性能和电磁屏蔽等性能，镁基复合材料正成为继铝基之后的又一具有竞争力的轻金属基复合材料。镁基复合材料因其密度小，且比镁合金具有更高的比强度、比刚度、耐磨性和耐高温性能，受到航空航天、汽车、机械及电子等高技术领域的重视。

“韧劲十足”的纤维增强陶瓷基复合材料

中国建筑材料科学研究总院有限公司 霍艳丽 高性能陶瓷材料如碳化硅、氧化铝、氮化硅等，具有强度高、耐腐蚀、质量轻等优点，但是这类材料也有致命的缺陷，就是高脆性，在受到应力冲击时容易导致断裂。而采用高强度、高弹性模量的纤维与陶瓷基体复合可阻止裂纹的扩展，从而得到具有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料，既可以保留陶瓷材料的优点，又能克服掉陶瓷材料脆性高的弱点，是提高陶瓷韧性和可靠性的有效方法。

纤维增强陶瓷基复合材料 好比构造齐全的“人体组织” 纤维增强陶瓷基复合材料的结构一般包含四个部分：补强纤维、界面相、基体及表面抗氧化涂层。

其中补强纤维相当于复合材料的“骨架”，是复合材料的主要承载结构单元，复合材料的强度很大程度上取决于增强纤维的强度。纤维可分为短切纤维和连续纤维。短切纤维的长度一般在150mm以下，通常采用颗粒弥散及晶须复合增韧的方法来实现与基体的复合；连续纤维则具有较大的长径比，能够实现沿长度方向的不间断增强效应，可靠性较高。包覆在纤维外的界面相相当于连接在骨架上的“筋”，是复合材料的传载结构单元，主要作用是将复合材料的载荷传递到尽可能多的纤维上。

基体则相当于复合材料的“肌肉”，是形成复合材料外形和刚性的基本结构，基体应具有良好的抗氧化和耐腐蚀性能，在服役环境中起到保护纤维和界面的作用。而表面涂层则相当于“皮肤”，是复合材料和外界环境直接接触的结构单元，是保护复合材料内部结构的第一道屏障。 纤维增强陶瓷基复合材料 应用潜力巨大 提到纤维增强陶瓷基复合材料，首先要说的就是碳/碳（C/C）复合材料，碳纤维最早起源于1860年英国人用于灯丝的炭丝，经过200多年的发展，碳纤维已成为研究最成熟、性能最好的纤维之一。

20世纪60年代以来，受先进飞行器的要求所推动，碳纤维及其复合材料的制备获得很大发展。与金属材料相比，C/C复合材料具有良好的耐热性、极小的热膨胀率、很轻的重量（只有铁的1/5）、良好的耐腐蚀性等性能优势；与石墨相比，C/C复合材料具有更高的强度、更好的韧性，不易破碎；与树脂相比，C/C复合材料能耐更高的温度（最高耐温达2800 左右），具有良好的耐腐蚀性和极高的耐摩擦性；与单相陶瓷相比，C/C复合材料具有良好的韧性、极佳的耐冲击性和易加工性。这些特性使其应用领域涵盖军用战略导弹、载人飞船等再入飞行器的热端部件，飞机、 汽车 和高速火车等刹车材料，广泛用于民用领域的高温炉发热体、炉体、承重板、螺栓、螺母、垫片等。

碳/碳化硅（C/SiC）复合材料具有C/C复合材料的一系列优点，且克服了C/C复合材料在氧化气氛中易氧化失效的缺点，其抗氧化性能要远远优于C/C复合材料，可应用于再入飞行器、空间反射镜、装甲防弹等领域。 随着SiC纤维制备技术的不断突破，SiC/SiC陶瓷基复合材料作为后起之秀，与C/SiC复合材料相比，其增强相SiC纤维具有高强高模、耐高温、抗蠕变、耐腐蚀、材料热膨胀系数小及更佳的抗氧化性等优点，同时克服了碳化硅陶瓷断裂韧性低和抗冲击性能差的缺陷，是目前国际公认的最有潜力的发动机热结构材料之一。 我国高性能陶瓷基复合材料 仍处于追赶先进阶段 党的十八大以来，我国组织实施了“国家重点研发计划”“两机专项”等系列项目研究，重组、组建了“中国航发集团”“中航复材中心”等研发队伍与基地，取得了一系列的成果。

但是我国在高性能碳纤维、SiC纤维制备技术的开发方面与西方发达国家仍存在10 15年的差距。以美国为首的西方发达国家，SiC陶瓷基复合材料已广泛应用于燃烧室内衬套、燃烧室筒、翼或螺旋桨前缘、喷口导流叶片、涡轮叶片、涡轮壳环等热端部件，而我国虽然已成功研制出多种SiC陶瓷基复合材料构件，但仅有少数C/SiC、SiC/SiC结构件通过试车和考核，离批量应用尚存在距离。可以说我国高性能陶瓷基复合材料仍处于追赶先进的研制阶段。

“高精尖专属”陶瓷基复合材料

在现代材料界，复合材料是一个热点话题。科学技术的发展进步离不开各类复合材料的支撑。

复合材料的研究深度和应用广度及其发展的速度和规模，已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。

复合材料是两种以上的材料根据使用需求而混合在一起的材料。复合材料的最大特点是：宏观上看是均质材料，微观上看是非均质材料，分子间的作用力来源于结合方式，可以通过设计，使各组分的优势得到更大的发挥。在很多领域，复合材料正在逐步取代传统材料，在国民经济的各个不同领域发挥着重要的作用。 陶瓷基复合材料是陶瓷（或陶瓷纤维）基体与各种纤维复合的一类材料。

陶瓷基体一般为高温合成陶瓷材料，其化学组成相对简单，颗粒表面的一致性好，便于进行处理并得到表面包覆一致性的更好材料。现代高温合成陶瓷材料颗粒，一般有非晶态、晶态和晶须3种形态。这些先进陶瓷粉体具有耐高温、强度和刚度高、质量轻、抗腐蚀等优异性能；而其致命的弱点是脆性较大，处于应力状态时会产生裂纹，甚至断裂，导致材料失效。

采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，是提高陶瓷韧性和可靠性的有效方法。纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。 陶瓷基复合材料根据成分可以分为氧化物陶瓷基复合材料和非氧化物陶瓷基复合材料两大类。

氧化物陶瓷基包括氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化锌、氧化锰等；非氧化物陶瓷基包括氮化硅、氮化硼、碳化硅、硫化钼等。在应用中，最重要的技术是对陶瓷粉体材料进行改性与包覆。改性与包覆工艺主要解决两个问题：一是超细粉体或晶须会出现严重的团聚，团聚的粉体与所复合的材料难以进行有效链接；二是超细粉体或晶须与所复合的材料亲和性不好。

两者在相互混合时，界面出现间隙且处于分离状态不能相容。上述两个问题如能得到解决，所生产的复合材料就能获得比较高的性能。 在陶瓷基复合材料中，先进陶瓷成分的加入，使其应用范围超越了很多常规材料，并展现出更加优异的综合性能。 在航天工业中，陶瓷基复合材料可用于“烧蚀材料”。

当宇宙航天器完成任务返回地球时，稠密的大气层是它的必经之地。高速的飞行速度使航天器和空气之间产生强烈的摩擦，由此而放出的热量瞬间可高达8000 10000 ，“烧蚀材料”此时吸收大量的热烧掉自己的一部分，同时使周围的温度降低以保证航天器本体安然无恙。 在现代航空工业中，陶瓷基复合材料以密度小、强度高、易成型、价格合理的综合性能占领了其工业领域的巨大空间。据了解，美国生产的B-2隐身轰炸机，其机体的结构材料几乎全是复合材料。

在新能源领域，风力发电机叶片是最基础和最关键的部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素。陶瓷基复合材料的工艺性好、成本低、密度小、维护费用低、耐雷击、耐腐蚀、耐紫外线、力学性能优异，使其成为大型风力发电机叶片的主导产品。 汽车 轻量化是新能源 汽车 的一个重点发展方向。陶瓷基复合材料的应用，使降低原材料成本、提高使用效率事半功倍。

国外曾有学者研究：一辆整备质量1550kg的新能源电动车，车载动力电池450kg，一次充电续驶里程为186km。利用碳纤维复合材料使其轻量化后，整车减重至1011kg，减重幅度达34.8%，同样充一次电，续驶里程增至275.5km，增加了89.5km，提高了48.1%。如果维持一次充电续驶里程186km不变，则动力电池仅需250kg就能达到目标，电池质量可减少200kg，减少了44.4%，相应的电池成本也将下降44%，这是一个非常了不起的降本绩效。

更令人兴奋的是，研究发现，减重后整备质量为805kg的新能源电动车（包括250kg电池），由于自重的降低，导致能耗大幅降低，其电池能量密度只要达到250Wh/kg，充一次电就能续驶里程450km，达到传统汽油发动机车辆加满汽油后能够行驶的里程数，这使得高性能电池的研究难度大大降低。

陶瓷复合材料的材料

陶瓷复合材料是由陶瓷相和含有2至98％碳和/或氮化硼作为主要组分的相组成的，并且其平均颗粒大小为100nm或以下，其中热膨胀系数在2.0至9.0×10-6/℃，在表面抛光后的表面粗糙度为0.05微米或以下。通过在800至1500℃的烧结温度和200MPa或更高的烧结压力下烧结粉末原料的混合物得到该材料的烧结体。

自蔓延是利用化学反应自身放热合成材料的一种技术，又被称为燃烧合成（Combustion Synthesis）。

它的基本要素是1。利用化学反应放热，完全（或部分）不需要外热源；2。通过快速自动波燃烧的自维持反应得到所需成份和结构的产物；3。通过改变热的释放和传输速度来控制过程的速度、温度、转化率和产物的成份及结构。