【连续长纤维增强陶瓷的研究现状的文献综述2200字】

连续长纤维增强陶瓷的研究现状的文献综述连续长纤维增强陶瓷是增强陶瓷常用的方法之一，也是目前最具有工业应用前景的增强陶瓷手段。碳纤维增强陶瓷材料由于重量轻量轻、强度大、制备成本较低目前已广泛应用于医疗、机械、航空以及汽车领域[59-61]。目前常用于陶瓷增强的长纤维为SiC纤维[62]和碳纤维[63]。在过去的一段时间内，碳纤维增强陶瓷基复合材料受到广泛关注。增韧原理相对简单：因为陶瓷本身的脆性，致使其应用受到较大的限制，通过在内部引入模量较大的连续长纤维，在损伤过程中可以对载荷起到转移以及对裂纹扩展的能量起到消耗的作用，从而可以显著提升复合材料的韧性[64,65]。但是这种材料的缺点也是相对明显的，那就是陶瓷和基体的界面需要设计和调节[66]。根据之前的研究，目前对于界面的设计最优解是具有层状结构的晶体结构，厚度适中的中间层状结构可以形成弱结合的界面，层状的结构有利于载荷在层内的堆积与消耗，使裂纹发生挠度较大的偏转，因此对纤维及基体有着较好的保护作用。而目前对于纤维表面层状结构的制备，目前已知的手段有常用的手段是表面氧化法、化学枝接法、化学气相沉积以及表面涂层制备的方法。表面化学氧化法是比较常见，并且操作简单的方法，原理可以叙述为用强氧化剂对碳纤维表面的微晶碳进行氧化和腐蚀，从而纤维表面存在着较含氧官能团[67]。因此，表面氧化的方法会相应纤维的力学性能，因此氧化剂的选择以及氧化时间，处理时间，都需要调整在合适的范围，避免对纤维的过度氧化。Tiwari[68]等人利用沸腾的硝酸对纤维表面进行氧化，氧化时间为15min-180min，通过SEM可以观察到，在氧化过程中纤维表面的粗糙度逐渐增加，后续实验通过傅里叶光谱测试发现纤维表面羟基和羧基信号，同时纤维的拉伸强度也相应降低，在处理130min后，纤维的承载能力仅为之前的40%。图1-6利用硝酸对碳纤维进行表面氧化前后扫描电镜照片[68]相比与氧化法对与纤维的损伤，化学枝接法侧重于不对纤维造成损伤的前提下，利用偶联剂将例如碳纳米管、石墨烯和纳米颗粒的增强体接枝在碳纤维表面，从而对纤维起到增强的作用[69]。黄玉东等人[70]以三聚氰胺为偶联剂，将表面羧基化的碳纳米管枝接在碳纤维表面，然后将另外一层碳纳米管直接在上一层纳米管表面，通过循环重复可以实现碳纤维表面多层纳米管的枝接，然后将增强体复合在树脂基中制备复合材料增强界面与集体之间的结合能力，通过机械咬合的作用提升两相之间的连接强度。利用化学气相沉积（CVD）或者化学气相渗透（CVI）是将纤维放置在多种前驱体中，在一定的反应条件下，在纤维表面沉积一层中间层结构，这种方法也是目前对碳纤维表面改性的方法中研究最多，使用最广的一种方法。目前使用较多沉积层的材料是BN、B2O3、热解碳层以及碳纳米管。Tzeng等人[71]以金属Ni为催化剂，甲烷为反应前躯体，在530℃条件下反应1小时在碳纤维表面原位生长直径为20-500nm的碳纳米管，通过对微观结构的观测(图1-7)，明显发现碳纳米管呈三维网状结构，并且纳米管的含量较高。对其结构进一步研究，发现层状结构在碳纤维表面生成，力学性能也有了相应的提升。但是这种方法的制备工艺较复杂，制备成本较高，并且生长过程并不稳定，因此这种方法很难用于实际应用环境中。因此需要一种简便稳定的方法对碳纤维和陶瓷的界面进行改性。图1-7利用Ni作催化剂在碳纤维表面生长碳纳米管的扫描电镜照片[71]另一方面，从碳纤维本身的特点出发来分析中间层的设计，碳纤维外层存在着数量较多的无定形碳和微孔，导致单纯的碳纤维增韧陶瓷效果较差，因此对碳纤维外部不定形碳的改性是一个比较好的想法，因此比较常用的方法是将外层不定形碳石墨化[37]。一方面，碳纤维表面的石墨化可以改善其表面的缺陷，对微孔进行填充，从而优化表面性能。另一方面，界面表面的层状石墨结构可以调节基体与陶瓷表面的界面，从而更易形成理想的弱界面，便于纤维的拔出，以及裂纹的偏转。并且，由不定形碳向石墨的转化成本相对较低，工艺也比较简单，解决了制备的问题。因此，以石墨作为中间层的结构是改善界面问题的理想方法。目前也有较多的研究集中于无定形碳石墨化，发现过渡金属元素对于石墨化有着促进作用，Dhakate等[72]研究了氧化铁掺杂的碳纤维增强陶瓷的样品，发现在纤维与陶瓷界面间产生大量的颗粒状石墨结构，因此对材料的抗弯强度有着较大的提升。因此选择过渡金属掺杂是促进纤维表面石墨化的有效方法。参考文献ZhangD,LiY,GaoW,etal.Developmentandapplicationofhightemperatureradomematerials[J].AerospaceMaterials&Technology,2001,6.HsiangHI,ChenCC,YangSY.MicrowavedielectricpropertiesofCa0.7Nd0.2TiO3ceramic-filledCaO-B2O3-SiO2glassforLTCCapplications[J].JournalofAdvancedCeramics2019;8(3):345-51.PirzadaTJ,LiuD,EllJ,BarnardH,SulakI,GalanoM,MarrowTJ,RitchieRO.Insituobservationofthedeformationandfractureofanalumina-aluminaceramic-matrixcompositeatelevatedtemperatureusingx-raycomputedtomography[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety2021;41(7):4217-30.IqbalT,MostafaM,IshtiaqueMS,RahmanMJ,ChoudhuryS.EffectofCe-MnCodopingontheStructural,MorphologicalandElectricalPropertiesoftheBaTiO3BasedCeramics[J].BiointerfaceResearchAppliedChemistry2021;11(4):12215-26.LeiY,WangQ,HuoJ.Fabricationofdurablesuperhydrophobiccoatingswithhierarchicalstructureoninorganicradomematerials[J].CeramicsInternational,2014,40(7):10907-14.LiY,ZhangD,ChenY,etal.Progressinhighperformanceradome&antennamaterialsforaerospace[J].AerospaceMaterials&Technology,2000,5.WangY,LiuJ.Aluminumphosphate–mullitecompositesforhigh-temperatureradomeapplications[J].InternationalJournalofAppliedCeramicTechnology,2009,6(2):190-4.HarisM,LailaD,ZainudinE,etal.Preliminaryreviewofbiocompositesmaterialsforaircraftradomeapplication[J].KeyEngineeringMaterials,2011,471:563-7.张学斌,何利华,漠杰.复合材料在导弹天线罩连接环上的应用[J].制导与引信,2012,33(01):33-6.LiHB,ZhangHM,ChangAM,MaXH,RongJH,YangLY.Anovelcore-shellstructureNTCceramicwithhighstabilityfabricatingbyanin-situink-jetprintingmethod[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety2021;41(7):4167-74.Al-ZahraniYA,MehboobK,MohamadD,AlhawsawiA,AbolabanFA.NeutronicperformanceoffullyceramicmicroencapsulatedofuraniumoxycarbideanduraniumnitridecompositefuelinSMR[J].AnnNuclEnergy2021;155:13.YanJM,HeNL,ChenXJ,XiaoCJ,ZhaoLJ,GaoT.Design,synthesisandcharacterizationofadvancedtritiumbreeder:Li4Si1-xTixO4ceramics[J].CeramicsInternational2021;47(10):14178-82.KavazE,ElAgawanyFI,TekinHO,PerisanogluU,RammahYS.Nuclearradiationshieldingusingbariumborosilicateglassceramics[J].JournalofPhysicsandChemistrySolids2020;142:9.YaoC,AhmedMH,DeGraveL,YoshiharaK,MercelisB,OkazakiY,VanLanduytKL,HuangC,VanMeerbeekB.Optimizingglass-ceramicbondingincorporatingnewsilanetechnologyinanexperimentaluniversaladhesiveformulation[J].Dentalmaterials:officialpublicationoftheAcademyofDentalMaterials2021,37:894-904.SimbaBG,RibeiroMV,AlvesMFRP,AmaranteJEV,StreckerK,dosSantosC.Effectofthetemperatureonthemechanicalpropertiesandtranslucencyoflithiumsilicatedentalglass-ceramic[J].CeramicInternational2021,47:9933-40.PerisanogluU,El-AgawanyFI,KavazE,Al-BuriahiM,RammahYS.SurveyingofNa2O3-BaO-PbO-Nb2O5-SiO2-Al2O3glass-ceramicssystemintermsofalpha,proton,neutronandgammaprotectionfeaturesbyutilizingGEANT4simulationcodes[J].CeramicsInternational2020;46(3):3190-202.YeF,LiuLM,HuangLJ.Fabricationandmechanicalpropertiesofcarbonshortfiberreinfor