航空發動機用理想材料——陶瓷基複合材料

2020-12-16 中國粉體網

陶瓷材料耐溫能力高、力學性能好、密度低，很早就被認為是發動機高溫結構的理想材料，但由於陶瓷韌性差，一旦損壞會引起發動機災難性後果，因而限制了其應用。為提高陶瓷材料的韌性，材料學家經過不懈努力發展出陶瓷基複合材料。

陶瓷基複合材料是指在陶瓷基體中引入增強材料，形成以引入的增強材料為分散相，以陶瓷基體為連續相的複合材料，它具有耐高溫、耐磨、抗高溫蠕變、熱導率低、熱膨脹係數低、耐化學腐蝕、強度高、硬度大及介電、透波等特點，在航空、航天等眾多領域有著廣泛的應用。

陶瓷基複合材料的分類

陶瓷基複合材料，根據增強體分成兩大類：連續增強的複合材料和不連續增強的複合材料。其中，連續增強的複合材料包括一方向，二方向和三方向纖維增強的複合材料，也包括多層陶瓷複合材料；不連續增強的複合材料包括晶須、晶片和顆粒的第二組元增強體和自身增強體。

陶瓷基複合材料也可以根據基體分成氧化物基和非氧化物基複合材料。氧化物基複合材料包括玻璃、玻璃陶瓷、氧化物、複合氧化物等，弱增強纖維也是氧化物，常稱為全氧化物複合材料。非氧化物基複合材料以SiC、Si3N4、MoS2基為主。

陶瓷基複合材料的製備

化學氣相滲透法

化學氣相滲透法的工藝流程主要為：將先驅體和載體按照特定比例通入沉積室中，通過氣體擴散作用或由壓力差產生的定向流動將氣態先驅體擴散至纖維預製體內部，進而在纖維表面裂解和沉積，實現纖維預製體的緻密化。該工藝的優點是製備過程中纖維損傷較小，製備的陶瓷基體純度高、晶型完整，複合材料的力學性能較高，但是製備工藝較為複雜、成本高、周期長、製備的複合材料孔隙率高。

聚合物浸漬裂解法

聚合物浸漬裂解法以聚合物液相先驅體（或溶液）為浸漬劑，通過多循環交聯固化、高溫裂解，獲得緻密化的複合材料。該工藝的優點是處理溫度低，近淨成型，能夠製備複雜大尺寸構件，其缺點是陶瓷收率低、製造周期長、材料孔隙率高。

漿料浸漬熱壓法

漿料浸漬熱壓法的工藝流程為：首先將陶瓷纖維浸漬於含有陶瓷基體的漿料中，將表面塗覆漿料的纖維纏繞至滾筒，進而製成無緯布，經切片、疊加、熱模壓成型和熱壓燒結後，獲得緻密化的複合材料。該工藝簡單，成本較低。但熱壓工藝容易使纖維造成損傷，降低了複合材料的力學性能；此外，該工藝用於製備一維或二維複合材料，難以製備大型陶瓷基複合材料構件。

熔體浸漬工藝

熔體浸漬法的基本原理為將金屬或合金加熱到熔融液態，然後在一定的工藝條件下滲透至纖維預製體內部，進而發生反應生成陶瓷基體。該工藝最大的優點為能夠通過一次成型製備緻密且基本無缺陷的基體，而且預成型件與構件之間結構尺寸較小，被認為是快速、低成本製備近淨成型複雜形狀構件的有效途徑。其缺點在於處理溫度較高，製備過程中殘留一定體積的金屬，影響複合材料的性能。

陶瓷基複合材料的增韌技術

纖維增韌

纖維增韌要求儘量滿足纖維與基體陶瓷的化學相容性和物理相容性。纖維增強陶瓷基複合材料的增韌機制包括基體預壓縮應力、裂紋擴展受阻、纖維拔出、纖維橋聯、裂紋偏轉、相變增韌等。目前能用於增強陶瓷基複合材料的纖維種類較多，包括氧化鋁系列（包括莫來石）、碳化矽系列、氮化矽系列、碳纖維等，除了上述系列纖維外，現在正在研發的還有BN、TiC、B4C等復相纖維。

晶須增韌

陶瓷晶須是具有一定長徑比且缺陷很少的陶瓷小單晶，它有很高的強度，是一種非常理想的陶瓷基複合材料的增韌增強體。晶須增韌陶瓷基複合材料的主要增韌機制包括晶須拔出、裂紋偏轉、晶須橋聯。目前常用的陶瓷晶須有SiC晶須和Al2O3晶須；基體常用的有ZrO2、Si3N4、SiO2、Al2O3和莫來石等。

顆粒增韌

利用顆粒作為增韌劑，製備顆粒增韌陶瓷基複合材料，其原料的均勻分散及燒結緻密化都比短纖維及晶須複合材料簡便易行。因此，儘管顆粒的增韌效果不如晶須與纖維的效果好，但如顆粒種類、粒徑、含量及基體材料選擇得當，仍有一定的韌化效果，同時會帶來高溫強度、高溫蠕變性能的改善。顆粒增韌按增韌機理可分為非相變第二相顆粒增韌、延性顆粒增韌、納米顆粒增韌。

相變增韌

相變增韌ZrO2陶瓷是一種極有發展前途的新型結構陶瓷，其主要是利用ZrO2相變特性來提高陶瓷材料的斷裂韌性和抗彎強度，使其具有優良的力學性能，低的導熱係數和良好的抗熱震性。它還可以用來顯著提高脆性材料的韌性和強度，是複合材料和複合陶瓷中重要的增韌劑。

納米複合陶瓷增韌

納米陶瓷由於晶粒的細化，晶界數量會極大增加（納米陶瓷的氣孔和缺陷尺寸減小到一定尺寸就不會影響材料的宏觀強度），可使材料的強度、韌性顯著增加。納米相在複合陶瓷中以兩種形式存在，一種是分布在微米級陶瓷晶粒之間的晶間納米相；另一種則「嵌入」基質晶粒內部，被稱為晶內納米相或「內晶型」結構。兩種結構共同作用產生了兩個顯著的效應：穿晶斷裂和多重界面，從而對材料的力學性能起到重要的影響。

自增韌陶瓷

如果在陶瓷基體中引入第二相材料，該相不是事先單獨製備的，而是在原料中加入可以生成第二相的原料，然後控制生成條件和反應過程，直接通過高溫化學反應或者相變過程，在主晶相基體中生長出均勻分布的晶須、高長徑比的晶粒或晶片的增強體，形成陶瓷複合材料，這稱為自增韌。這樣可以避免兩相不相容、分布不均勻的問題，其強度和韌性都比外來第二相增韌的同種材料高。自增韌陶瓷的增韌機理類似於晶須對材料的增韌機理，有裂紋的橋接增韌、裂紋的偏轉和晶粒的拔出，其中橋接增韌是主要的增韌機理。

參考資料：

康永、豆高雅.陶瓷基複合材料研究現狀和應用前景

焦健、陳明偉.新一代發動機高溫材料——陶瓷基複合材料的製備、性能及應用

蔣永彪.淺談陶瓷基複合材料的分類及性能特點

李進衛.淺說陶瓷基複合材料的功用特點及其市場前景

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