“韧劲十足”的纤维增强陶瓷基复合材料

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就是以陶瓷材料为基体，以陶瓷纤维、晶须、晶片或颗粒为补强体，通过适当的复合工艺制备且性能可设计的一类新型材料，具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐磨耐蚀和良好的韧性等诸多优点，受到国内外学者的广泛关注。与其他复合材料相比，纤维增强陶瓷基复合材料的成型工艺相对复杂，制备周期长，成本高，对设备要求也高，成品率较难保证。因此，纤维增强陶瓷基复合材料通常应用于高精尖领域，应用于热结构部件的典型代表有C/C、C/SiC及SiC/SiC复合材料。欧美等发达国家已经开展该类材料在航空发动机上的应用，我国也紧随其后展开了广泛的研究。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。

C/C复合材料隔离筒、螺母、螺杆

霍艳丽/供图碳/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