陶瓷基复合材料的连接

1、先进材料连接作业：陶瓷基复合材料的连接姓名： 学号： 专业：摘要：陶瓷基复合材料具有抗热震冲击、耐高温、耐腐蚀、抗氧化和抗烧蚀低膨胀、低密度、热稳定性好的优点，这些优点使其成为备受关注的新型耐高温结构材料。陶瓷基复合材料的连接不仅具有陶瓷材料连接的难点、异种材料连接的问题、加强相与基体的不利反应及加强相的氧化与性能的降低，还具有陶瓷基复合材料承压能力差的缺点。因此陶瓷基复合材料的连接成为一个研究的热点。1.陶瓷基复合材料及其应用陶瓷复合材料虽然具有高温强度高、抗氧化、抗高温蠕变等耐高温性能和高硬度、高耐磨性、线膨胀系数小及耐化学腐蚀等一系列优越的性能特点，但也存在致命的弱点，即脆性，它不能承受

2、激烈的机械冲击和热冲击，这限制了它的应用。而用粒子、晶须或纤维增韧的陶瓷基复合材料，则可使其脆性大大改善。陶瓷基复合材料（CMC）是目前备受重视的新型耐高温结构材料。1，2，3陶瓷虽然具有作为发动机热端结构材料的十分明显的优点，但其本质上的脆性却极大地限制了它的推广应用。增韧的思路经历了从消除缺陷或减少缺陷尺寸、减少缺陷数量，发展到制备能够容忍缺陷，即对缺陷不敏感的材料。目前常见的几种增韧方式主要有相变增韧、颗粒( 晶片) 弥散增韧、晶须( 短切纤维) 复合增韧以及连续纤维增韧补强等。此外还可通过材料结构的改变来达到增韧的目的，如自增韧结构、仿生叠层结构以及梯度功能材料等。目前陶瓷基复合材料分

3、为：非连续纤维增强陶瓷基复合材料、连续纤维增强陶瓷基复合材料、层状陶瓷基复合材料。1.1非连续纤维增强陶瓷基复合材料相变增韧可以大幅度地提高陶瓷材料的常温韧性和强度，但因在高温下相变增韧机制失效而限制了其在高温领域的应用。颗粒弥散及晶须复合增韧CMC 制备工艺较简单，可明显提高陶瓷材料的抗弯强度和断裂韧性。将颗粒、晶须等增强物加入到基体材料中，由于两者弹性模量和热膨胀系数的差异而在界面形成应力区，这种应力区与外加应力发生相互作用，使扩展裂纹产生钉扎、偏转、分叉或以其它形式( 如相变) 吸收能量，从而提高了材料的断裂抗力。对于高温下使用的颗粒弥散及晶须复合增韧陶瓷基复合材料，就基体而言，综合考虑

4、高温强度、抗热震性、比重、抗蠕变性、抗氧化性等，首选材料仍是Si3N4 和SiC。在高温下它们的表面会形成氧化硅保护层，能满足1600以下高温抗氧化的要求。通过在基体材料中加入合适的增强物及选择适当的材料结构，可大幅度提高陶瓷材料的强度和韧性。41.2连续纤维增强陶瓷基复合材料连续纤维增强陶瓷基复合材料( CFCC) 具有较高的韧性，当受外力冲击时， 能够产生非失效性破坏形式，可靠性高，是提高陶瓷材料性能最有效的方法之一。CFCC 的研究始于1973 年S1R1Levitt 制成的高强度碳纤维增强玻璃基复合材料。5 70年代中期，日本碳公司(Nippon Carbon Co.) 高性能SiC连

5、续纤维Nicalon的研制成功，使制造纯陶瓷质CFCC 成为可能。80年代中期，E1Fitzer6等用化学气相沉积法制备出高性能的Nicalon 纤维增强SiC基陶瓷复合材料，有力地推动CFCC的发展。十几年来，世界各国尤其是美国、日本、欧共体等都对CFCC 的制备工艺及增韧机理进行了大量的研究，取得了一些重要成果，少数材料已达到实用化水平。从目前来看， 解决纤维问题的途径主要有2条；一是提高SiC 纤维的纯度， 降低纤维中的氧含量。二是发展高性能的氧化物单晶纤维。氧化物连续纤维出现较晚，且一般为多晶纤维，高温下纤维会发生再结晶，使其性能下降，而单晶纤维则可避免这一问题。例如目前蓝宝石单晶纤维

6、使用温度可达1500，使材料的高温性能有了很大提高。7随着能承受更高温度的氧化物单晶纤维的出现，高温结构陶瓷基复合材料的研究必将有所突破。连续纤维增强陶瓷基复合材料虽然在力学性能上具有一定优势，但是连续纤维的生产、排布和编织等工艺复杂，复合材料的成型和烧结致密化都很困难，复合材料强度较低，成本高昂。同时，高性能的耐高温陶瓷纤维问题至今尚未完全解决，这都极大地限制了它的推广应用。1.3层状陶瓷基复合材料近年来，人们模拟自然界贝壳的结构，设计出一种仿生结构材料层状陶瓷复合材料，其独特的结构使陶瓷材料克服了单体时的脆性，在保持高强度、抗氧化的同时，大幅度提高了材料的韧性和可靠性，因而可应用于安全系数

7、要求较高的领域，为陶瓷材料的实用化带来了新的希望。层状陶瓷复合材料的基体层为高性能的陶瓷片层, 界面层可以是非致密陶瓷、石墨或延性金属等。与非层状的基体材料相比，层状陶瓷复合材料的断裂韧性与断裂功可以产生质的飞跃。层状复合不仅可有效改善陶瓷材料的韧性，而且其制备工艺具有操作简单、易于推广、周期短而廉价的优点，尤其适合于制备薄壁类陶瓷部件。同时，这种层状结构还能够与其它增韧机制相结合，形成不同尺度多级增韧机制协同作用，立足于简单成分多重结构复合，从本质上突破了复杂成分简单复合的旧思路。81.4陶瓷基复合材料的应用（一）航空燃气涡轮发动机的应用Cf / SiC复合材料在高温下有足够的强度，且有良好

8、的抗氧化能力和抗热震性，非常适合作为高温结构材料。使用Cf / SiC 复合材料不仅能减轻质量、延长使用寿命，同时具有很低的操作损耗。NASA Lewis 研究中心制备的Cf / SiC 涡轮发动机在燃烧环境及相应热机械载荷作用下其材料的耐热和力学疲劳性能良好，耐高含氢气体环境性能优越。因此Cf/ SiC 复合材料目前被广泛应用于军事和商业运载器，包括应用在涡轮发动机的消耗管道、涡轮泵旋转体、喷管等。欧洲一些研究机构也研制了Cf/ SiC 复合材料发动机喷管和燃烧室部件。9（二）热保护系统的应用在航天领域，当飞行器进入大气层后，由于摩擦产生的大量热量，将导致飞行器受到严重的烧蚀，为了减小飞行器

9、的这种烧蚀，需要一个有效的防热体系。在热结构材料的构件中包括航天飞机和导弹的鼻锥、导翼，机翼和盖板等 。Cf / SiC复合材料是制作抗烧蚀表面隔热板的较佳候选材料之一，它具有质轻耐用的特点。目前，欧洲正集中研究载人飞船及可重复使用的飞行器的可简单装配的热结构及热保护材料，其中Cf / SiC复合材料是一种重要材料体系，并已达到很高的生产水平。在美国，用Cf / SiC复合材料制备的T PS 可用于航天操作工具和航天演习工具，AlliedSignal 复合材料公司生产的Cf / SiC材料在高温环境测试中显示出优异的性能。波音公司通过测试热保护系统大平板隔热装置，也证实了Cf / SiC复合材

10、料具有优异的热机械疲劳特性。10（三）高温连接件的应用主要应用于连接固定热的外表面和航空框架结构中冷的衬垫，及用作密封装置。未来的空间运输系统和超音速的航天飞机中均要求热保护系统和装置能够耐高热的机械和空气动力载荷，大多数结构和元件需要固定系统，Cf / SiC 复合材料高温连接件能够满足热性能和力学性能的要求，这些材料将由CVI 法制得, 能够在- 1001800范围内使用，拉伸强度大于230MPa。目前可生产的连接件尺寸在812mm 范围内，在连接件上涂上一层抗氧化涂层可使它适用于氧化气氛中。由于金属材料的热性能和化学性能不稳定, 及单相陶瓷太脆的缺点,因此Cf / SiC 复合材料的应用

11、成为必然。Cf / SiC 陶瓷材料已经被制成螺钉和其他连接件。（四）光学和光机械结构中的应用Cf / SiC复合材料除了具有优良的高温性能，而且在恶劣环境下工作的超轻光学系统中，其光学和光机械结构同样具有重要的应用前景。Cf / SiC 复合材料是一种轻质高强的工程材料，它有着可调的力学和热学性能，与传统的粉末基体陶瓷相比，由于其韧性的提高和可忽略的体积收缩，设计非常自由。到目前为止，Cf / SiC已经用于制造超轻反射镜、微波屏蔽反射镜等光学结构部件。另外, 由于Cf / SiC 具有优异的力学性能，同时它的高热导性与其合适的热膨胀系数结合较好，因此其热稳定性也比其他反射镜基座材料优越，被

12、广泛应用于光学系统中的结构材料及反射镜支撑体系，如反射镜底座。（五）在刹车系统中的应用Cf / SiC复合材料由于其低密度、高强度以及良好的耐磨性等性能也被逐渐用于高速飞行器和高速汽车、火车上的刹车系统。国外一些航天中心和设计研究机构采用液态硅浸渗的方法制备的Cf / SiC复合材料正考虑用于制造汽车的刹车片。在这种刹车盘中，刹车片表面之间具有冷却通道，这种结构可以改善刹车盘的散热性，大幅度提高刹车系统的寿命。此通过应用Cf / SiC复合材料刹车片，刹车片的质量小于以前使用的钢刹车片质量的50%，刹车系统中其他组件的质量同样能够减轻50% 左右，这样不但能够大幅度减少费用，同时也能明显提高刹

13、车系统的功能，因此Cf / SiC复合材料应用在刹车系统是一个潜在的大市场。2.陶瓷基复合材料的连接问题和连接方法2.1陶瓷基复合材料的连接问题陶瓷基复合材料的连接不仅具有连接陶瓷材料的难点，如高熔点及有些陶瓷的高温分解使熔焊困难、多数陶瓷的电绝缘性使之不能用电弧或电阻焊进行焊接、陶瓷固有脆性使其无法承受高压力的方法进行连接、陶瓷材料的化学惰性使其不易润湿而造成钎焊困难等等，还应注意连接异种材料时的问题，如选择连接方法与材料时要同时考虑基体材料与加强材料的适应性。另外在连接陶瓷基复合材料时还应考虑避免加强相纤维的氧化与性能的下降等。因此连接时间和连接温度一般不能太长太高。除此之外，由于纤维增强

14、的陶瓷基复合材料的耐压性能较差，因而连接时不能施加较大的压力。112.2陶瓷基复合材料的连接方法常用的连接方法大致可分为三类: 粘接、机械连接、焊接。粘接的界面为物理及化学作用，接头强度低，使用温度也较低, 一般低于200。机械连接界面是机械力作用，接头无气密性，易产生应力集中。考虑到CMCS 复杂的受力条件, 较高的使用温度及可靠性因素时，焊接的方法较为适用。由于CMCS 连接的难点: 基体熔点高，不能使用熔焊，耐压能力差,不能使用大的压力进行固相扩散连接。复合材料的化学惰性使之不易润湿而造成钎焊的困难，连接材料对复合材料的适用性，避免增强相和基体之间不利的化学反应而造成CMCS性能的下降。

15、考虑到以上的问题，因此目前常用的焊接方法有: 钎焊、无压固相反应连接、ARCJIONT、聚合物分解连接及在线液相渗透连接。(一) 粘接粘接是在粘接剂的作用下，使类似的材料或不同材料界面、内部紧密连接的技术。粘接具有固化速度快，使用温度范围宽，抗老化性能好等特点被广泛的应用在飞机的应急修理，炮弹导弹辅助件连接，修复涡轮，修复压缩机转子等方面。粘接剂主要是一些环氧树脂类、改性酚醛类、有机硅等，形成的接头一般只有在使用温度较低，一般低于200，且大多用于静载荷和超低静载荷零件。(二) 机械连接机械连接可分为两种，一种是传统意义上的用紧固件如销钉、螺钉、铆钉和螺栓等进行结合的连接。这种方法连接CMCS

16、 的参数有: 纤维类型与制备方法；纤维的走向；结构形式；纤维的体积分数；紧固件材料等。其优点是: 易于质量控制，安全可靠，强度分散性小；抗剥离能力强，能传递大载荷；便于装卸。但它也存在许多缺点：连接结构一般采用间隙配合，不用干涉配合；制孔和安装过程中易使孔产生分层、掉渣等缺陷，影响连接强度；各向异性显著；应力集中高；对碳纤维复合材料，为防止电偶腐蚀，一般用与之电位接近的钛、钛合金、耐蚀不锈钢、蒙乃尔合金等金属材料的紧固件；而且紧固件的使用增加了整个构件的重量。另一种是成型连接方法。这种方法可以在制备两个待连接构件时进行接头的设计，使之在制备后自动完成连接。在机械连接中，载荷的传递是依靠连接件进

17、行的。由于机械连接需要增加构件的重量，对连接件的形状有较高要求，而这正是陶瓷基复合材料较难做到的一点。因此，机械连接在陶瓷基复合材料的应用还很少。12(三) 焊接焊接一般是指界面发生化学反应的连接，其优点是连接强度高，使用温度高, 构件精度高；它的缺点是由于焊接温度高，热物理失配引起的界面应力也高。对于CMCS 来说，由于有多种材料的存在，CMCS与其他的材料在高温连接时, 界面附近易出现复杂的残余应力，这不仅容易引起陶瓷基体力学性能的下降，而且还可能降低纤维和基体间的结合，使纤维和基体之间发生破坏；而且由于纤维增强的CMCS 表现出各向异性，因此钎焊面和纤维布面之间的关系也会影响接头的强度，

18、当纤维和钎焊面垂直时, 接头的强度一般较高, 这和残余应力有关。但是考虑到构件的使用温度,气密性,承载能力和可靠性等因素一般认为焊接是连接复合材料较为合适的一种方法。几种有效的连接CMCS的焊接方法有: 钎焊、局部过渡液相连接、无压固相反应连接、聚合物分解连接、ARC Joint 和在线液相渗透连接。 钎焊钎焊是利用钎料在高温下熔化，其中的活性组元和复合材料发生反应，形成稳定的反应梯度层，从而将两种材料连接到一起。CMCS的化学惰性使之不易润湿，因此可以采用以下两种方法进行钎焊；一是用活性钎料直接进行连接。二是先对复合材料待连接面采用热喷涂、PVD 沉积金属层、CVD 法, 及离子注入等方法进

19、行金属化处理后, 再用一般钎料进行连接。钎焊结合的主要机制是：钎料在界面处可以产生机械和化学的结合，机械结合可以认为是钎料质粒嵌入或渗入复合材料表层的微孔区，而化学结合强度归结于钎料和基体间的物质转移和反应。在钎焊中, 钎料的选择在连接后接头的性能方面起了关键的作用。为了提高接头的强度, 钎料的选择要从以下几个方面进行考虑:(1)钎料和连接母材材料的润湿性问题。由于连续纤维增韧陶瓷基复合材料很难被润湿，大多数的钎料在接头上往往只形成球珠，很少或根本不产生润湿，这就导致了接头强度较低。针对这种情况，可以选择在钎料中添加表面活性元素Si，Mg，Ti等。(2)由于陶瓷基复合材料钎焊时存在钎料/ 基体

20、，钎料/ 加强相，基体/ 加强相三种界面。因此在选择钎料时要注意钎料对基体和加强相的共同作用。(3)钎料和复合材料热膨胀系数的差异,产生的残余应力，导致接头在使用过程中开裂，因此要考虑在中间层中加入塑性材料或线膨胀系数和复合材料相合适的材料作为缓冲层( Cu，Ti 作为软缓冲层；W， Mo作为硬缓冲层；钎料中加入C 纤维以降低钎料的线膨胀系数)。13局部过渡液相连接(PTLPB)PTLPB 是为了解决活性钎焊、固相扩散焊中的问题，即：低温连接时使用温度低,高温连接时热应力大而使材料的性能受到损害。PTLPB 使用复合层中间层( 如B-A-B的形式，其中A厚度远大于B厚度)，在连接温度下形成液相

21、，随着连接时间的延长，过渡液相被高熔点金属层消耗，同时过渡液相和母材发生反应的一种连接方法。一般认为它可以分为下四个阶段：(1)中间层的熔化和扩大，此过程速度取决于液相扩散。(2)液相的继续扩大，同时成分均匀化并达到液相线，液相的宽度可以由相图计算，这一阶段既有液相扩散又有固相扩散，而且以固相扩散为主。(3)液相凝固阶段。由固相扩散控制, 凝固时间取决于液相的宽度和互扩散系数。(4)固相均匀化阶段。中间层的设计在连接中有很大的作用, 主要从以下几个方面考虑：(1)熔化的B 或AB 的界面产物可以和陶瓷连接。(2)高熔点的中间层能够消耗低熔点层, 形成合适的高熔点合金。(3)A是高熔点元素且线膨

22、胀系数和复合材料相似。这种连接方法较固相扩散焊，连接温度更低；不需要使用更大的压力，避免了复合材料性能的降低；另外由于液相的存在，被连接件的表面质量不要求太高。和钎焊相比，使用温度可以大幅度的提高。在这种方法中，由于中间层是由多种金属构成的，因此不仅要考虑中间层对复合材料的适用性，还要考虑各层金属之间的作用，防止生成脆性金属相降低了接头的性能。无压固相反应连接无压固相反应连接是在大气(或Ar或真空中)加热至金属钎料熔点90%,仅施加使接触面产生接触的压力,使复合材料和金属钎料直接反应的一种连接方法。为获得热核反应的高温接头,用高熔点活性元素Zr、T i作为连接材料。由于CMCS材料耐压性能差，

23、所以连接过程中不能施加太大的压力进行连接，主要是利用Zr和Ti固态下和C，SiC反应，形成Zr和Ti的碳化物与硅化物。14由于CMCS的抗压能力差，使用较大的压力会使CMCS的纤维发生破坏, 因此这种连接方法最大的优点在于避免了母材的损坏，而且可以形成致密的接头，但接头的力学性能很差, 基本上不能承受载荷。因此Zr和Ti无压固相反应连接可以用来连接CMCS, 形成不承受载荷，但可以耐高温的致密接头。利用聚合物分解进行连接聚合物分解连接CMCS是通过陶瓷先驱体聚合物在高温下分解转化为陶瓷进而实现连接的一种方法。但是由于聚合物在高温分解的过程中会产生大量的气孔, 这将会大大的降低接头的强度。为此,

24、可以通过在聚合物中添加活性或惰性填充物、纤维；在分解过程中施压；以及增加渗透和分解次数来改善这一情况。聚合物分解进行连接的这种方法的优点在于接头与待连接复合材料的热膨胀系数相匹配，连接后不会产生过大的残余应力，在聚合物的高温分解过程中不需要施加很大的压力。但这种连接方法的不足之处在于聚合物的分解会导致接头处产生大量的气孔，这将会大大的降低接头的强度，因此使用这种连接方法形成的接头可靠性不高。ARCJointARCJoinT 是一种反应成形连接方法。该工艺首先把碳质混合物放置到接点区域，并用夹具固定，在100120温度下热处理1020 min，然后将Si和Si合金以浆料的形式涂到接点周围，然后根

25、据浆料的类型，在12501450间对其保温1015min，融熔状态的Si 或Si 合金与C 发生反应，形成可控硅含量的SiC。在这个方法中, 可以根据冶金成分决定其它相成分, 接头的厚度也可以通过调节碳质浆料的成分和夹紧力大小来控制。由ARCJoinT 方法连接后的连接件在高温下可以保持其结构的完整性, 具有良好的机械强度和耐环境稳定性。它也可以连接大尺寸部件和形状复杂部件, 可满足接头厚度要求和成份要求, 可以修复材料部件所存在的缺陷。但是由于接头产物是SiC, 因此接头较脆, 强度较低。在线液相渗透连接它是在CMCS 制备过程中控制其孔隙率，采用一种满足高温使用需求并具有一定耐蚀性的Ni

26、基合金作为连接剂，在一定的温度及压力下使得连接剂熔化并渗入复合材料的孔隙中，形成的树根状咬合结构，从而实现连接。连接完后再对材料进行气相沉积以完成材料的制备，这一步气相沉积过程还可以为复合材料连接提供防氧化涂层。由于这种连接方法是在复合材料的制备过程中完成连接, 连接完成时材料并没有制备完成，因而这是一种在线的连接方式。它具有如下优点:(1)在线连接。在线液相渗透连接方法在复合材料的制备过程中完成的，使连接过程对材料的损伤作用降低到最小。而且后期的化学气相沉积过程不仅完成材料的制备，同时可以为整个连接构件提供防氧化涂层，真正体现了连接制备加工一体化。(2)物理结合能力强。在线液相渗透连接方法中

27、，连接剂在复合材料内的渗透大幅度增加了连接剂与复合材料的接触面，并形成了机械的咬合结构，大幅度增加了连接强度，同时提高了连接可靠性。(3)产生良好的梯度层，缓解热应力。在线液相渗透连接方法由于大量连接剂渗入复合材料，渗入的连接剂在复合材料内部形成一个的良好梯度层，使得在得到最佳连接性能的同时最大限度的缓解连接过程中产生的热应力。(4)连接温度高。由于所用连接剂有较高的熔点, 所得连接可以满足1000 温度下的使用需求, 因而在线液相渗透连接方法是一种高温连接方法。(5)连接时间短。在线液相渗透连接方法是在连接剂熔化状态下渗入复合材料而完成连接的，液相的参与使得连接所需时间较短。3.总结上述几种

28、方法共同的缺点是需要对连接件进行整体加热。这样做一方面，如果连接件的体积大，则需要加热设备和加热功率增大，这样势必会造成资源浪费。另一方面由于连接件的各个部分热膨胀系数不同，整体加热会造成很高的残余应力，损坏连接件。因此有必要发展局部加热的连接方式，目前提出的有: 微波连接、电子束连接等方法。这些连接方法都是使用高能量，集中加热接头区域，使接头熔化并进行连接。但由于目前对热源的加热过程控制还不成熟，因此还需要进一步的研究。13参考考文献： 1黄勇，吴建光高性能结构陶瓷的现状和发展趋势材料科学进展，1990，4（2）；1501602许永东，张立同，张湛陶瓷基复合材料进展材料科学进展，1992，（4）；18253苏波陶瓷纤维及其陶瓷