CMC

第六章陶瓷基复合材料（CMC）概述CMC制备工艺CMC界面性能应用概述•工程陶瓷的主要问题•特种陶瓷优良的综合机械性能、耐磨性好、硬度高以及耐腐蚀性高，•脆性大、抗热震性能差。•陶瓷基复合材料(CMC)及其高韧性•以陶瓷为基体的复合材料。•制备陶瓷基复合材料的主要目的之一就是提高陶瓷的韧性。特别是纤维增强陶瓷复合材料在断裂前吸收了大量的断裂能量，使韧性得以大幅度提高。•表6-1列出了由颗粒、纤维及晶须增强陶瓷复合材料的断裂韧性和临界裂纹尺寸大小的比较。概述•陶瓷基复合材料的基体为陶瓷。•碳化硅、氮化硅、氧化铝等，具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量轻和价格低等优点。化学键往往是介于离子键与共价键之间的混合键。•陶瓷基复合材料中的增强体通常也称为增韧体。•从几何尺寸上可分为纤维(长、短纤维)、晶须和颗粒三类。•碳纤维主要用在把强度、刚度、重量和抗化学性作为设计参数的构件；其它常用纤维是玻璃纤维和硼纤维。•纤维增强陶瓷基复合材料，是改善陶瓷材料韧性的重要手段。概述•短纤维、晶须及颗粒增韧陶瓷基复合材料。•目前常用的是SiC和A12O3晶须．常用的基体则为A12O3，SiO2，Si3N4以及莫来石等。•晶须具有长径比，含量较高时，桥架效应使致密化因难，引起了密度的下降导致性能下降。•颗粒代替晶须在原料的混合均匀化及烧结致密化方面均比晶须增强陶瓷基复合材料要容易。目前这些复合材料已广泛用来制造刀具。概述•陶瓷基复合材料发展迟滞•高温增强材料出现的较晚，sic纤维和晶须是七十年代后出现；•高温制备工艺复杂，热膨胀系数的差异大，易产生热应力；•成本昂贵。它的发展遇到了比其它复合材料更大的困难。至今，陶瓷基复合材料的研究还处于较初级阶段，我国对陶瓷基复合材料的研究则刚刚起步。CMC制备工艺•纤维增强陶瓷基复合材料的加工与制备•纤维增强陶瓷基复合材料的性能取决于多种因素，如基体致密程度、纤维的氧化损伤、以及界面结合效果等，都与其制备和加工工艺有关。主要有热压烧结法和浸渍法。•热压烧结法及其问题•热压烧结法中，压力和高温同时作用可以加速致密化速率，获得无气孔和细晶粒的构件。•困难是基体与增强材料的混合不均匀以及晶须和纤维在混合过程中或压制过程中，尤其是在冷压情况下易发生折断。在烧结过程中，由于基体发生体积收缩，会导致复合材料产生裂纹。CMC制备工艺•浆体浸渍-热压法•适用于长纤维。首先把纤维编织成所需形状，然后用陶瓷泥浆浸渍，干燥后进行烧结。•优点是加热温度较晶体陶瓷低，层板的堆垛次序可任意排列，纤维分布均匀，气孔率低，获得的强度较高。•缺点则是不能制造大尺寸的制品，所得制品的致密度较低，此外零件的形状不宜太复杂，基体材料必须是低熔点或低软化点陶瓷。CMC制备工艺CMC制备工艺•晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工与制备•晶须与颗粒的尺寸均很小，只是几何形状上有些区别，用它们进行增韧的陶瓷基复合材料的制造工艺是基本相同的。•基本上是采用粉末冶金方法。制备工艺比长纤维复合材料简便很多。所用设备也不复杂设备。过程简单。混合均匀，热压烧结即可制得高性能的复合材料。CMC制备工艺•制造工艺也可大致分为配料-成型-烧结-精加工等步骤。•改进的浆体法陶瓷基复合材料的制备还有溶胶凝胶法、液态浸渍法、直接氧化法等，新近发展起来的制备陶瓷基复合材料的方法还有聚合物先驱体热解工艺、原位复合工艺等。CMC界面•陶瓷基复合材料界面可分为两大类：无反应界面和有反应界面。•无反应界面•增强相与基体直接结合形成原子键合的共格界面或半共格界向，有时也形成非共格界面。这种界面结合较强，因此对提高复合材料的强度有利。•有反应界面•在增韧体与基体之间形成一层中间反应层，中间层将基体与增韧体结合起来。这种界面层一般都是低熔点的非晶相，因此它有利于复合材料的致密化。CMC界面•界面的作用•界面粘结性能影响着陶瓷基体和复合材料的断裂行为。•CMC的界面一方面应强到足以传递轴向载荷并具有高的横向强度，另一方面要弱到足以沿界面发生横向裂纹及裂纹偏转直到纤维的拔出。因此CMC界面要有一个最佳的界面强度。CMC界面•强的界面粘结往往导致脆性破坏，如图6-16(s)所示，裂纹可以在复合材料的任一部位形成井迅速扩展至复合材料的横截面，导致平面断裂。这是由于纤维的弹性模量不是大大高于基体．因此在断裂过程中强的界面结合不产生额外的能量消耗。•若界面结合较弱，当基体中的裂纹扩展至纤维时．将导致界面脱粘，其后裂纹发生偏转、裂纹搭桥、纤维断裂以致最后纤维拔出(图6-16(b))。所有这些过程都要吸收能量，从而提高复合材料的断裂韧性，避免了突然的脆性失效。CMC界面可以看出有明显的锯齿效应，这是晶须拔出桥接机制作用的结果。CMC界面•界面的改性•为获得最佳的界面结合强度，我们常常希望完全避免界面间的化学反应或尽量降低界面间的化学反应程度和范围。•实际当中除选择纤维和基体在加工和服役期间能形成热动力学稳定的界面外，最常用的方法就是在与基体复合之前在增强材料表面上沉积一层薄的涂层。•涂层对纤维还可起到保护作用，避免在加工和处理过程中造成纤维的机械损坏。CMC界面比较可知，若纤维末涂涂层，则复合材料的断面呈现为脆性的平面断裂;经CVD沉积2um的BN涂层后，断面上可见到大量的纤维拔出。CMC性能•由于制备陶瓷基复合材料的强化材料不同、基材不同和所用工艺方法不同，因此陶瓷基复合材料的性能也各不相同。•对于陶瓷基复合材料来说，人们不但关心它们的室温性能，而且更关心它们的高温性能。CMC性能•室温力学性能•拉伸强度•与金属基和聚合物基复合材料不同，对于陶瓷基复合材料来说陶瓷基体的失效应变低于纤维的失效应变；因此最初的失效往往是陶瓷基体的开裂，这种开裂是由晶体中存在的缺陷引起的。CMC性能与应用单向连续纤维强化陶瓷基复合材料的拉伸失效有两种形式：(1)突然失效。纤维强度较低，界面结合强度较高，基体裂纹穿过纤维扩展，导致突然失效。(2)如果纤维较强，界面结合相对较弱，基体裂纹沿着纤维扩展，纤维失效前，纤维-基体界面脱粘、因此基体开裂并不导致突然失效，复合材料的最终失效应变大于基体的失效应变。CMC性能•弹性模量•图6-26中杨氏弹性模量也随Vf线性增加．但在较高Vf时，由于基体孔隙和纤维排列会导致偏离混合定律的线性关系。PhilliPs等提出下列经验公式修正基体孔隙所带来的效应：•式中Em是有孔隙材料的弹性模量，Em。是无孔隙基体(孔隙为零时)的弹性横量，P是基体中的孔隙率。由此式对弹性模量实测值进行更正后可与混合定律预测值较好地吻合CMC性能•高温力学性能•强度室温下，SiC/MAS玻璃陶瓷复合材料的抗弯强度比无纤维增强的MAS基体高约10倍．弹性模量提高约2倍。复合材料的抗弯强度自室温至700度保持不变，700度之后，强度随温度升高而急剧增加；但弹性模量却随温度升高从室温的137GPa降到850度时的80GPa。这一变化显然与材料中残余玻璃相随温度升高的变化相关。CMC性能•蠕变•在较高的温度与较大的应力条件下，蠕变速度及变形量都增大。•低于700℃时，恒速的蠕变速率小于10-6h-1表明材料在此条件下蠕变稳定。•800℃的恒速蠕变速度达10-2h-1。应力增大至150MPa，则形变增加了6倍。•这表明材料的蠕变由残余玻璃相的粘滞流动所控制。应用•陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域包括：刀具、滑动构件、航空航天构件、发动机制件、能源构件等。•法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制作超高速列车的制动件．而且取得了传统的制动件所无法比拟的优异的磨擦磨损特性、取得了满意的应用效果。•在航空航天领域，用陶瓷基复合材料制作的导弹的头锥、火箭的喷管、航天飞机的结构件等也收到了良好的效果。应用•热机的循环压力和循环气体的温度越高，其热效率也就越高。合金的耐高温极限受到了其熔点的限制，因此采用陶瓷材料来代替高温合金已成了目前研究的一个重点内容。•为此，美国能源部和宇航局开展了AGT(先进的燃气轮机)loo、101、cATE(陶瓷在涡轮发动机中的应用)等计划。德国、瑞典等国也进行了研究开发。这个取代现用耐热合金的应用技术是难度很高的陶瓷应用技术，也可以说是这方面的最终日标。目前看来，要实现这一日标还有相当大的难度。应用•对于陶瓷材料的应用来说，虽然人们已开始对陶瓷基复合材料的结构、性能及制造技术等问题进行科学系统的研究，但这其中还有许多尚未研究情楚的问题，还需要陶瓷专家们对理论问题进一步研究。此外，陶瓷的制备过程是一个十分复杂的工艺过程，其品质影响因素众多，如何进一步稳定陶资助制造工艺，提高产品的可靠性与一致性，则是进一步扩大陶瓷应用范围所面临的问题。•新型材料的开发与应用已成为当今科技进步的一个重要标志，陶瓷基复合材料正以其优良的性能引起人们的重视，可以预见，随着对其理论问题的不断深入研究和制备技术的不断开发与完善，它的应用范围不断扩大，它的应用前景是十分光明的。