江洪 劉敬儀

陶瓷基纖維復(fù)合材料現(xiàn)已被應(yīng)用到液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、導(dǎo)彈天線罩等方面，是高技術(shù)新材料中一個(gè)十分重要的分支。本文陶瓷基纖維復(fù)合材料的定義采用的是《中國(guó)土木建筑百科辭典：工程材料（下）》中對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的第1種描述，即纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料，主要指用碳纖維、石墨纖維、碳化硅纖維、氮化硅纖維、氧化鋯纖維等增強(qiáng)氧化鎂、氧化硅、氮化硅、氧化鋁、氧化鋯等制成的復(fù)合材料，具有高溫抗壓強(qiáng)度大、彈性模量高、耐氧化性強(qiáng)、耐沖擊性能好等特點(diǎn)，是一種耐高溫結(jié)構(gòu)材料，已被試用于各種燃?xì)廨啓C(jī)和內(nèi)燃機(jī)的部分零件。陶瓷基纖維復(fù)合材料生產(chǎn)方法有泥漿法、熱壓法和浸漬法等[1]。

本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外近5年對(duì)陶瓷基復(fù)合材料研究的基礎(chǔ)上，主要探討影響陶瓷基纖維復(fù)合材料的因素、陶瓷基纖維復(fù)合材料的制備與性能、基于陶瓷基纖維復(fù)合材料的相關(guān)模擬與計(jì)算模型，以及陶瓷基纖維復(fù)合材料的相關(guān)應(yīng)用4個(gè)方面。

1 影響陶瓷基纖維復(fù)合材料的因素

浦毅杰等人通過計(jì)算了納米碳管和陶瓷基體的熱殘余應(yīng)力分布，建立了彈性力學(xué)方法的軸對(duì)稱方程，在納米碳管增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的細(xì)觀力學(xué)模型上，得出納米碳管的彈性模量、熱膨脹系數(shù)、體積分?jǐn)?shù)、長(zhǎng)徑比和溫度差等因素的變化對(duì)復(fù)合材料熱殘余應(yīng)力具有不同程度的影響[2]；徐穎等人探究了碳（C）/SiC陶瓷基復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)行為和破壞形態(tài)，利用了分離式霍普金森壓桿（split Hopkinson pressure bar，SHPB）裝置進(jìn)行了動(dòng)態(tài)劈裂實(shí)驗(yàn)，對(duì)象設(shè)定為3種不同短切碳纖維基體分?jǐn)?shù)的C/SiC陶瓷基復(fù)合材料，并利用掃描電子顯微鏡掃描實(shí)驗(yàn)對(duì)象的破壞界面，分析其失效特征和增韌機(jī)理，最終得出相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)論[3]。

劉善華等人從細(xì)觀力學(xué)的角度分析并建立了連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料（Continuous Fiberreinforced Ceramic Matrix Composites，CFRCMC）從制備溫度冷卻到室溫過程中產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力與復(fù)合材料的比例極限應(yīng)力的關(guān)系模型，并將已公開發(fā)表的文獻(xiàn)報(bào)道中纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的相應(yīng)數(shù)據(jù)引入其研究所建立的關(guān)系式中，從而進(jìn)一步驗(yàn)證該研究建立的關(guān)系式的適用性與可靠性，最終得出3條結(jié)論：①通過減小基體的殘余熱應(yīng)力或是提高纖維與基體的模量比，都可以提高復(fù)合材料的比例極限應(yīng)力；②文中模型具有較好的適用性與可靠性；③該模型可以適用于多種纖維和陶瓷基復(fù)合材料，同時(shí)為其研究提供了新的思路[5]；陳紅梅等人采用低溫反應(yīng)熔滲工藝制備得到了碳纖維增強(qiáng)碳化鋯（Cf/ZrC）陶瓷基復(fù)合材料，主要研究后熱處理對(duì)Cf/ZrC復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及性能的影響，在分析與測(cè)試階段分別采用XRD衍射儀、Quanta-200型掃描電鏡和JEOL-2010型透射電鏡、掃描電鏡附帶的能譜儀和電感耦合等離子光譜發(fā)生儀（ICP）等，對(duì)材料物相組成、材料微觀結(jié)構(gòu)、材料的微區(qū)成分、基體元素組成進(jìn)行分析，并且采用了三點(diǎn)彎曲法，通過電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量材料的室溫彎曲強(qiáng)度，并得到后熱處理對(duì)Cf/ZrC復(fù)合材料在組成、微觀形貌、力學(xué)性能等3方面的影響[5]；曹晶晶等人主要探究了復(fù)合添加劑對(duì)Cf/氧化鋁陶瓷基復(fù)合材料界面的影響作用，其中還采用了真空熱壓燒結(jié)技術(shù)制備了Cf/氧化鋁陶瓷基復(fù)合材料，得出界面得到改善的Cf/氧化鋁陶瓷基復(fù)合材料有利于提高Cf/氧化鋁陶瓷基復(fù)合材料的性能等結(jié)論[6]。

2 陶瓷基纖維復(fù)合材料的制備與性能

余娟麗等人采用了先驅(qū)體浸漬——裂解法制備對(duì)硅硼氮（SiBN）纖維增強(qiáng)SiBN陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行制備，從熱膨脹特性、力學(xué)性能、斷裂模式以及微觀結(jié)構(gòu)這4個(gè)方面對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了探索與研究，研究結(jié)果表明SiBN纖維增強(qiáng)SiBN陶瓷基復(fù)合材料呈現(xiàn)出了明顯的脆性斷裂特征，表明SiBN陶瓷基復(fù)合材料的纖維力學(xué)性能有待改善[7]；E.Volkmann等人探索了三氧化物/氧化物陶瓷基復(fù)合材料的力學(xué)性能并對(duì)其熱處理效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，文獻(xiàn)對(duì)幾種氧化物/氧化物陶瓷基復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)纖維性能對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度的影響是小于彈性模量的，經(jīng)過測(cè)試的復(fù)合材料具有相當(dāng)?shù)膭偠群蛷?qiáng)度，但與文獻(xiàn)綜述的平均值相比較來說具有較高的斷裂韌性，此外還對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度與彎曲韌性線性關(guān)系的有效性進(jìn)行了討論[8]；李光亞和梁艷媛采用了PIP工藝對(duì)氧化鋁、莫來石、石英、氮化硅纖維增強(qiáng)SiBN陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行制備，同時(shí)測(cè)試與評(píng)價(jià)了其介電和力學(xué)性能，最后得出介電常數(shù)和介電損耗最低的是石英纖維體系復(fù)合材料等結(jié)論[9]；胡暄等人對(duì)由國(guó)防科技大學(xué)研制的連續(xù)氮化硅纖維的組成結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性能和介電性能展開了系統(tǒng)研究，并對(duì)纖維在氮?dú)庵懈邷靥幚砗蠼M成結(jié)構(gòu)與單絲強(qiáng)度變化規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)分析，從組成結(jié)果和物理性能這2個(gè)方面，對(duì)國(guó)防科技大學(xué)研制的氮化硅纖維進(jìn)行表征，并得出綜合室溫和高溫性能2方面的考慮，KD-N纖維可以滿足高速飛行器天線窗口的基本使用要求的結(jié)論，同時(shí)指出下一步的研究重點(diǎn)應(yīng)是對(duì)纖維的力學(xué)強(qiáng)度和耐高溫性能進(jìn)行提高[10]。

Kamyar Shirvanimoghaddam等人主要探討了碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備工藝和性能，對(duì)在近幾十年開展的碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的研究與開發(fā)進(jìn)行了梳理與總結(jié)，發(fā)現(xiàn)碳纖維的結(jié)構(gòu)與組成和金屬基體的結(jié)合對(duì)碳纖維-金屬基復(fù)合材料的性能有顯著的影響，同時(shí)還對(duì)碳纖維工藝的優(yōu)化和利用的研究進(jìn)展進(jìn)行了探索與總結(jié)，同時(shí)在碳纖維對(duì)金屬基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、物理和力學(xué)性能的影響方面也進(jìn)行了研究[11]；楊金華等人采用共熔法對(duì)超高溫陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行了制備，將硼化鋯（ZrB2）與鱗片石墨，ZrB2、硼化鉭（TaB2）、SiC及鱗片石墨，ZrB2、硅化鉬（MoSi2）與鱗片石墨作為樣品初始組分，在形貌、樣品孔結(jié)構(gòu)分布、X射線衍射結(jié)果、拉曼位移測(cè)試結(jié)果和熱導(dǎo)率測(cè)試這5個(gè)方面展開了分析，并得出首次采用該方法對(duì)超高溫陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行制備，制備的超高溫陶瓷基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率較低，還需進(jìn)一步優(yōu)化工藝條件，比如采用真空燒結(jié)等結(jié)論[12]；王輝等人研究了多孔碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料抗氧化燒蝕涂層的制備與性能，在制備方面采用的是漿料燒結(jié)法，并設(shè)計(jì)了體積分?jǐn)?shù)為20%的ZrB2-SiC-玻璃漿料進(jìn)行刷涂燒結(jié)的步驟，在觀察內(nèi)外涂層表面和截面的微觀形貌方面使用了S-4800型掃描電子顯微鏡，并在ZrB2-SiC-玻璃內(nèi)涂層形貌方面分別討論了燒結(jié)溫度對(duì)涂層微觀形貌的影響和玻璃相含量對(duì)內(nèi)涂層微觀形貌的影響，此外還討論了ZrB2-MoSi2-玻璃外涂層形貌、分析了抗燒灼性能，最終得到制備的涂層具有良好的抗燒灼性能時(shí)的表面溫度需在1 500℃及以下等結(jié)論[13]。

齊方方等人對(duì)超高溫陶瓷基復(fù)合材料制備與性能進(jìn)行了研究，對(duì)其研究體系、制備技術(shù)、材料力學(xué)、抗氧化、抗燒灼性能等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了論述，在制備方面主要介紹了燒結(jié)致密化制備工藝、先驅(qū)體浸漬裂解（PIP）法、化學(xué)氣相滲透法等等，但也指出超高溫陶瓷基復(fù)合材料在機(jī)理與性能依然有許多值得領(lǐng)域相關(guān)人士繼續(xù)探索的地方，同時(shí)指出在該領(lǐng)域應(yīng)繼續(xù)研究的問題有嘗試制備大型工業(yè)部件等5個(gè)方面[14]；倪德偉等人則以Cf/ZrB2-ZrC-SiC超高溫陶瓷基復(fù)合材料為主要研究對(duì)象，在其設(shè)計(jì)、制備和性能等3個(gè)方面進(jìn)行探索，提出了溶膠——凝膠孔道構(gòu)建——反應(yīng)熔滲制備新方法，并得出材料得到最優(yōu)力學(xué)性能時(shí)所具備的條件[15]。

3 基于陶瓷基纖維復(fù)合材料的相關(guān)模擬與計(jì)算模型

Luke Borkowski和Aditi Chattopadhyay探索了考慮制造損傷的編織陶瓷基復(fù)合材料多尺度模型，以多尺度模型在捕獲碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的非線性響應(yīng)中起著重要作用（比如在平紋碳纖維/SiC復(fù)合材料中，由于成分之間的熱性能不匹配，在生產(chǎn)出來的零件上形成微裂紋時(shí)，可以使用多尺度熱彈性框架來捕捉這些復(fù)合材料的初始損傷狀態(tài)）為基礎(chǔ)背景，建立了基于細(xì)觀力學(xué)的多尺度損傷模型和熱彈性漸進(jìn)損傷模型，模擬了平紋碳纖維/SiC復(fù)合材料體系在熱載荷和機(jī)械載荷作用下的彈性和損傷行為，并認(rèn)為多尺度模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)復(fù)合材料的行為，可以作為材料損傷發(fā)生和發(fā)展的物理過程的一種較有價(jià)值的工具，也可以作為研究由溫度變化和損傷引起的復(fù)合材料有效彈性模量演化的一種工具。此外，2人還對(duì)不同長(zhǎng)度尺度下基體損傷的萌生與發(fā)展過程展開了研究，并論證了基體損傷對(duì)復(fù)合材料整體性能的影響等[16]。

Sina Askarinejad等人對(duì)刻痕氧化物/氧化物陶瓷基復(fù)合材料在燃燒環(huán)境中的力學(xué)行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與仿真，對(duì)其在熱單調(diào)和疲勞破壞中存在的缺陷所起的作用進(jìn)行了計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究，并發(fā)現(xiàn)在燃燒條件下，缺口試樣的疲勞壽命比燃燒環(huán)境中的未缺口試樣和等溫爐中的缺口試樣在整個(gè)應(yīng)力范圍內(nèi)的疲勞壽命降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，而且熱梯度應(yīng)力和在燃燒裝置試驗(yàn)條件下高含水率導(dǎo)致的氧化速率的增加可造成不同的疲勞性能，前者將通過有限元分析進(jìn)一步驗(yàn)證，后者將通過對(duì)斷口表面的有限元分析和微觀分析進(jìn)一步驗(yàn)證[17]。

方光武等人主要研究了層合陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)力——應(yīng)變行為，采用多尺度分析方法，實(shí)現(xiàn)層合陶瓷基復(fù)合材料整體應(yīng)力——應(yīng)變的計(jì)算，并采用可實(shí)現(xiàn)單向纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)力——應(yīng)變計(jì)算的細(xì)觀力學(xué)模型，最終得出該模型可以較好地對(duì)于單向SiC/CAS陶瓷基復(fù)合材料在單調(diào)拉伸載荷下的應(yīng)力——應(yīng)變行為進(jìn)行預(yù)測(cè)等結(jié)論[18]；胡殿印等人建立了宏觀等效彈性常數(shù)預(yù)測(cè)方法旨在更好地研究二維編織SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料的振動(dòng)特性，采用細(xì)觀力學(xué)有限元法和均勻化方法對(duì)材料宏觀等效力學(xué)性能常數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，隨后預(yù)測(cè)了宏觀等效彈性常數(shù)，展開復(fù)合材料錘擊法模態(tài)試驗(yàn)，最后對(duì)模型準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證[19]。

4 陶瓷基纖維復(fù)合材料的相關(guān)應(yīng)用

F. J. Lino Alves等人主要探討了航空航天工程中的金屬和陶瓷基復(fù)合材料的最新進(jìn)展與應(yīng)用，此外也對(duì)纖維的種類、基體、加工方法、連接和修復(fù)技術(shù)，以及性能、建模和應(yīng)用等加以描述與闡釋[20]；Frank W. Zok認(rèn)為陶瓷基復(fù)合材料使渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)效率有了革命性的提高，并介紹陶瓷基復(fù)合材料具有低密度、高強(qiáng)度和高韌性以及高溫性能等優(yōu)越性能，這也使得這些材料能夠取代航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的高溫合金。盡管陶瓷基復(fù)合材料現(xiàn)在開始出現(xiàn)在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，但更大的收益將來自于將復(fù)合材料插入發(fā)動(dòng)機(jī)最熱門的部件，未來，材料的挑戰(zhàn)依然存在，等待領(lǐng)域相關(guān)人士探討與解決，并指出對(duì)SiC/SiC復(fù)合材料的不斷改進(jìn)和對(duì)材料性能包層的進(jìn)一步了解將有助于實(shí)現(xiàn)陶瓷基復(fù)合材料的全部潛力[21]。

劉巧沐等人認(rèn)為碳化硅陶瓷基復(fù)合材料具有低密度、抗氧化、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，因此成為下一代先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端結(jié)構(gòu)部件的潛在材料，但其在燃?xì)猸h(huán)境中卻面臨著嚴(yán)重的腐蝕問題，需有環(huán)境障涂層的保護(hù)方可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用。該文對(duì)環(huán)境障涂層的選材要求、發(fā)展歷程、涂層制備工藝、涂層考核技術(shù)以及表征手段進(jìn)行了介紹，對(duì)環(huán)境障涂層體系在服役過程中存在揮發(fā)速率高、使用溫度低等問題以及在制備過程中存在涂層晶化率低、致密度低等問題進(jìn)行了詳細(xì)闡釋與說明，最后指出今后國(guó)內(nèi)在環(huán)境障涂層材料優(yōu)選、評(píng)價(jià)方法等方面的目標(biāo)與方向[22]；熊瑛等人則指出目前陶瓷基復(fù)合材料因其耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良特點(diǎn)而被越來越廣泛地應(yīng)用至航空航天領(lǐng)域，但受到原材料等因素的限制，相關(guān)產(chǎn)品依然存在一定的缺陷，因此選擇以微焦點(diǎn)電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）系統(tǒng)為基礎(chǔ)，開展了調(diào)節(jié)片類薄壁陶瓷基復(fù)合材料的檢測(cè)試驗(yàn)，以期探索微焦點(diǎn)CT在陶瓷基復(fù)合材料上的檢測(cè)應(yīng)用[23]。

此外，陶瓷基纖維復(fù)合材料的應(yīng)用還有新型飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件以及其他民用動(dòng)力裝置的關(guān)鍵部件、先進(jìn)核能系統(tǒng)中作為燃料包殼和面向高溫等離子體材料及高溫?zé)峤粨Q材料、高性能制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件材料等等，纖維增韌高溫陶瓷基復(fù)合材料目前也是一類非常有競(jìng)爭(zhēng)力的極端環(huán)境熱結(jié)構(gòu)候選材料[24]。

5 結(jié)語(yǔ)

陶瓷基纖維復(fù)合材料具有耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良性能，已被應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域和先進(jìn)核能系統(tǒng)等領(lǐng)域，也是諸多國(guó)家想攻克和研究的對(duì)象，綜合近5年國(guó)內(nèi)外在陶瓷基纖維復(fù)合材料方面的探索與研究，可以知道研究者們的重點(diǎn)可集中于陶瓷基纖維復(fù)合材料的影響因素、制備與性能、相關(guān)模擬與計(jì)算模型、陶瓷基纖維復(fù)合材料的相關(guān)應(yīng)用這4個(gè)方面，很多學(xué)者在探究的同時(shí)也針對(duì)目前存在的難題，對(duì)未來的研究方向提供了建設(shè)性的建議和參考等。

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