工程陶瓷基复合材料及其运用

1、综述与述评 现 代技 术陶瓷 2010年第 2期 (总第 124期 工程陶瓷基复合材料及其运用朱 俊(武汉市汉阳区 , 430055近些年新材料的世界市场正以两倍于整个 世界经济增 长速度而发展。其中 工程陶瓷基复 合材料的发展尤为瞩目。同金属材料相比 , 陶瓷 材料在耐热性、 耐磨性、 抗氧化、 抗腐蚀以及高温 力学性能等方面都具有不可替代的优点 , 特别是 陶瓷基复合材料 , 它克服了一般陶瓷 的脆性 , 其 应用已涉及到空间探索、 科研、 生产、 建设的各个 领域。陶瓷基复合材料应用于切削刀具、 阀及阀 座、 泵衬及挤压 模具等 , 其性能远 优于硬质合金 和普通陶瓷 材料。其中应用得最

2、 普遍的要算切 削刀具类 , 它几乎占工程陶瓷产量的 2/3,各种高 强度、 高硬度、 耐热合金等难切削 材料越来越多 地被采用 , 给切 削加工带来了很大的 困难 , 另一 方面对普通材料的切削 加工也存在着一个提高 生产率和适应大规模自 动流水线生产要求的问 题 , 因此 , 世界各国都非常重视新 型刀具的开发 研究。1 工程陶瓷基复合材料的功用类别 和性能特点材料依其化学特征一般划分为无机材料与 有机材料两大类。无机材料中除金属 (包括纯金 属和合金 以外统称为无机非金属材料 又称 为陶瓷 (C era m ic 。陶瓷材料是工业和基础建设 所必须的基础材料 , 更是现代新技术、 新兴产

3、业 的物质基础 , 它是材料家族的重要成员。陶瓷材料具有 在很宽的温度 范围内特别是 在高温下仍保持很高的强 度、 耐腐蚀、 耐磨等性 能 , 使其应用在很多的特殊领域。但由于脆性及 强度的分散性 , 使其应用受到很大限制。当在陶 瓷基复合材料中引入增强、 增韧材料 后 , 陶瓷基 复合材料克服了陶瓷基低韧性的弱点 , 使其既有 很高的强度又有很好的韧性 , 从而使陶瓷基复合 材料具有很多突出的 优点 , 特别是 韧性的提高 , 使其在航空航天、 军事、 能源、 汽车、 机械、 化工、 轻工等很多领域都有着广泛的应用潜力和前景。 碳化硅陶 瓷基 复合 材料 具有 耐高 温、 高强 度、 抗氧化

4、、 抗腐蚀、 耐磨损等一系 列优越性能 , 是高推重比航空发动机、 空天飞机等重要武器装 备高温部 件的理想材料。随着 对高温高强材料 的要求愈来 愈高 , 人们 转向研 制陶 瓷基 复合材 料。增强材料有碳纤维、 碳化硅纤维和碳化硅晶 须。所谓晶须就是由晶体生长 形成的针状短纤 维。纤维增强陶瓷可以增加陶瓷的韧性 , 这是解 决陶瓷脆 性的途径之一。由纤 维增强陶瓷做成 的陶瓷瓦片 , 用粘接剂贴在航天飞机 机身上 , 使 航天飞机能安全地穿越大气层回到地球上。 陶瓷 是一种无机非金属材料 , 种类繁多 , 应 用广泛。传统上 陶瓷 ! 是陶器与 瓷器 的总称。 后来发展到泛指整个硅 酸盐材

5、料 , 包 括玻璃、 水 泥、 耐火材料、 陶瓷等。在 20世纪 , 随着新技术 的高速发展 , 除上述传统陶瓷外 , 陆续涌现出了 一系列应用于高性能 领域的先进无机非金属材 料 (亦称先进陶瓷或现代陶瓷 , 例如 :结构陶瓷、 复合材料、 功 能陶瓷、 半 导体、 新型玻 璃、 非晶态 材料和人工晶 体等。因此 , 对于陶瓷 , 我们可以 这样定义 :陶瓷是以共价键或 (和 离子键为主要 结合键的 无机材料。新型无机 非金属材料与传 统硅酸盐材料相比主要有以下几方面差别 :从组 成上看 , 远远 超过了硅酸盐的范围 , 还包括氧化 物、 氮化物、 碳化物、 硼化物、 硅化物、 硫化物及其

6、他盐类和一些单质 (如硅、 碳等 ; 从形态上看 , 陶 瓷材料的形态和形状趋 于多样化 , 有 块体、 复合 材料、 薄膜、 纤维、 单晶和非晶材料 ; 从性能上看 , 不仅具有高熔点、 高强度、 高硬度、 耐 磨损、 耐腐综述与述评2010年第 2期 (总第 124期 现代技 术陶瓷蚀、 耐高温等优点 , 而且甚至具有良好的导电性、 导热性、 透光性 以及良好的铁电性、 铁磁性和压 电性等特殊性能。陶瓷材料可以根据化学组成、 性能特点或用 途等不同方 法进行分类。一般可 分为传统陶瓷 和先进陶瓷。传统的陶瓷材料是工业、 基础建设 和日常生活必须的基础材料。包括 :日用和建筑 陶瓷、 玻璃、

7、 水泥和 耐火材料。先 进陶瓷又可分 为工程陶瓷 (有时细分为结构陶瓷和工具陶瓷 和功能陶瓷 两大类。它们是现代 科学技术的物 质基础 , 在微电子技术、 激光和光纤技术、 光电子 技术、 传感技术、 超导技术、 生物技术、 空间技术 的发展中占 有十分重要甚至是核心 的地位。例 如 :微电子技术就是在硅单晶材料和陶瓷外延薄 膜技术及集 成电 路技术 的基础 上发 展起 来的。 陶瓷材料的性能与其化学 组成、 晶体 结构、 制备 工艺、 组织结构、 缺陷等密切相关。2 市场迫切需要开发工程陶瓷基复 合材料陶瓷基复合材料不是传统意义上的陶瓷 , 陶 瓷基复合材料是以陶瓷 为基体与各种纤维复合 的

8、一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、 碳化硅 等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷具有耐高温、 高 强度和刚度、 相对重量较轻、 抗腐蚀等优异性能 , 而其致命的弱点是具有 脆性 , 处于 应力状态时 , 会产生裂纹 , 甚至断裂导致材料失效。而采用高 强度、 高弹性的 纤维与基体复合 , 则是提高陶瓷 韧性和可靠 性的一个有效的方法。纤维能阻止 裂纹的扩展 , 从而得到有优良韧性的纤维增强陶 瓷基复合材料。它的主 要基体有玻璃陶瓷、 氧 化铝、 氮化硅 等。陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能 , 高 强度和刚度、 相对重量较轻、 高耐腐蚀性、 低膨胀 系数、 隔热性好 及低密度等优异性能 , 而且资源

9、 也比较丰富 , 有广泛的应用前景。但其致命的弱 点是具有脆性 , 处于应力状态时 , 会产生裂纹 , 甚 至断裂导致材料失效。而采用高强度、 高弹性的 纤维与基体复合 , 则是提高陶瓷韧性和可靠性的 一个有效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展 , 从而 得到有优良韧性 的纤维增强陶瓷基 复合材料。 , 陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域 , 主要用作高温及耐磨制品 , 其最高使用温度主要 取决于基 体特征。陶瓷基复合 材料已实用化或 即将实用化的领域有刀 具、 滑动构件、 发动机制 件、 能源构件等。法国已将长纤维增强碳化硅复 合材料应用于制造高速列车的制动件 , 显示出优 异的摩擦磨损特性

10、 , 取得满意的使用效果。 陶瓷基复合 材料应用于发 动机的主要障碍 来自价格和可靠性方面。目前 , 陶瓷基复合材料 零件的价 格远比金属零件价格高。制造时可能 产生内部裂纹且陶瓷零件的强度波动较大 , 高温 时有所下 降。但由于陶瓷材料 具有优良的机械 性能和低密度特点 , 世界各国都在大 力发展 , 努 力改善其基本性能和 工艺技术 , 以 求降低成本 , 提高可靠性。为了提高航 空发动机的推 重比和降低燃料 消耗 , 最根本的措施是提高发动机的涡轮进口温 度 , 而涡轮进口温度与热端部件材料的最高允许 工作温度直接相关。 50至 60年代 , 发动机热端 都部件材料主要是铸造高温合金 ,

11、 其使用温度为 800900 ; 进人 80年代以后 , 相继开发出了高 温单晶合金、 弥散强化超合金以及金属间化合物 等 , 并且热障 涂层技术得到了广泛的 应用 , 使热 端部件的使用温度提高到 12001300 , 已接近 这类合金熔点的 80%, 虽然通过各种冷却技术可 进一步提高涡轮进口温度 , 但作为代价降低了热 效率 , 增加了 结构复杂性和制造难度 , 而且对小 而薄型的热端部件难以进行冷却 , 因而再提高的 潜力极其有限。陶瓷基复合材料将在 21世纪中 可替代金属及其合金 的发动机热端结构首选材 料。近 20年来 , 世界各 工业发达国家对于发动 机用高温结 构陶瓷复合材 料

12、的研究与开 发 直 十分重视 , 相 继制定了各自的国家发 展计划 , 并 投人了大量的人力、 物力和财力 , 对这一新型材 料寄予厚望。如美国 NASA 制定的先进高温热机 材料计划 (HI TE MP 、 DOE /NAs A 的先进涡轮技 术应用计划、 美国国家宇航计划 (NASP 、 美国国20综述与述评 现 代技 术陶瓷 2010年第 2期 (总第 124期 防关键技术计划以及日 本的月光计划等都把高 温结构陶瓷基复合材料作为重点研究对象 , 其研 制目标是将发动机热端 部件的使用温度提高到 1650 或更高 , 从而提高发动 机涡轮进 口温度 , 达到节能、 减重、 提高推重比和延

13、长寿命的目的 , 满足军事和 民用热机的需要。由 于陶瓷材料具 有高耐磨性、 耐 高温和抗侵蚀能力 , 国外目前已 将其应用于发动机高速轴 承、 活塞、 密封环阀门 导轨等要求 转速高和配合精度高的 部件。在航 空发动机高温构件的应用上 , 到目前为止已报道 有的法国将 C V I 法 S i C /Cr用于狂风战斗机 M 88发动机的喷嘴瓣以及将 Si C /Si C r 用于幻 影 2000战斗机涡轮风扇发动机的喷管内调节片。此外 , 有许多陶瓷基复合材料的发动机高温 构件正在研 制之中。如美国格鲁 曼公司正研究 跨大气层高超音速飞机发动机的陶瓷材料进口、 喷管 和喷口等 部件 ; 美国碳

14、 化硅公司 用 S i 34N / S i C w 制造导弹发动机燃气喷管 ; 杜邦公司研制出 能承受 12001300 、 使用寿命 2000h 的陶瓷基 复合材料发动机部件等。目前导弹、 无人驾驶飞 机以及其它短寿命的陶 瓷涡轮发动机正处在最 后研制阶段 , 美国空军材料实验室的研究人员认 为 , 12041371 发动机陶瓷基复合材料已经研 制成功。由于提高了燃烧温度 , 取消或减少了冷 却系统 , 预计发动机热效率可从目前的 26%提高 到 46%。英国罗 罗公司认为 , 未来航空发动机 高压压气机叶片和机匣、 高压与低压涡轮盘及叶 片、 燃烧室、 加大燃烧室、 火焰稳定器及排气喷管

15、等都将 采用陶 瓷基复 合材料。预计 在 21世纪 初 , 陶瓷基复合材料的使用温度可提高到 1650 或更高。3 陶瓷基复合材料的制备工艺和成 形方法陶瓷基复合材料基体为陶瓷、 玻璃或玻璃陶 瓷 , 以某种结构形式引入颗粒、 晶片、 晶须或纤维 等形状的增强体材料 , 通过适当复合 工艺 , 从而 改善或调整原基体材料 的某种性能所获得的复 合材料。陶瓷基复合材料主要是 为了克服基体 材料的本征脆性 , 消除或减弱突发性 破坏 , 提高 其可靠性。构成与分类陶瓷基 复合材料按基体 材料可以分为两类 :一是玻璃、 玻璃陶瓷基复合 材料 , 其使用温度较低 , 一般低于 1000 ; 二是高 温

16、陶瓷基复合材料 , 其基体为多晶或耐高温非晶 陶瓷材料 , 使用温度较高 , 通常为 10001400 。 陶瓷基复合材料按增强体形态可以分为若干类 , 如长纤维补强陶瓷基复合材料 , 短纤维、 晶须、 晶 片复合材料 , 颗粒弥散强化陶瓷基 复合材料等。 某些增强体为金属且 含量很高的陶瓷基复合材 料又可称为金属陶瓷。无机纤维较常用的有 碳纤维、 碳 化硅纤维、 氧化铝纤 维及莫来石基纤维等。金属纤维多为 高熔点金属 , 如钥、 钨等纤维。晶须包括碳化硅 晶须、 氮化硅晶须、 氧化铝晶须等。晶片有碳化 硅、 氧化铝等。颗粒的范围更广泛 , 有氧化错、 碳 化钦、 碳化硅等及其他一些金属颗粒。

17、通常增强 体是以某种结构形式分布于陶瓷基体中 , 如果在 某一方向上材料的成 分及结构呈连续变化的称 为梯度复合材料。对于非球形对称的增强体 , 复 合结构形 式包括随机取向均匀分布、 定向排列、 二维排列或层状分散 及长纤维的三维编织结构 等。基体材料与增强体间界面 处的结构及性质 对复合材料的性能影响很大 , 特别是对于纤维状 增强体的体系 , 界面的强弱在很大程度上决定着 基体纤维间的应力传递 , 从而影响着材料的断裂 行为及断裂韧性。根据制备工 艺及使用状况 应选取适当匹配 的基体与增强体以防 止由于不相容或不匹配而 产生的性 能退化。通常要考虑 的匹配因素主要 有化学相容性和热膨胀系

18、数、 弹性模量等物理相 容性等。为调整基体和增强体间的不匹配性 , 改 变界面处的结构和性能 , 可以采用涂层的方法或 适当控制 复合工艺条件。制备 工艺陶瓷基复合 材料制备工艺可以分为两类。一是 短纤维、 晶须、 晶片或颗粒复合材料的 制备工艺 :它与传统陶瓷的制备工艺相近。由于 增强体的存在影响致密化过程 , 常导致致密化困 难 , 因此常采用热压或热等静压工艺以促进致密 化。增强体的存在也给粉末体 系的分散和成型综述与述评2010年第 2期 (总第 124期 现代技 术陶瓷带来困难 , 会导致 成型体 的均 匀性 及致 密度降 低。这类复合材料的制备工艺应注意以下几点 :不应使增强体受到

19、严重的破坏 ; 增强体应充分均 匀地分散于基体中 ; 界面状态应得到控制。湿法 工艺及溶胶凝胶工艺等有希望得到应用。二是长纤维复合材料的制备工艺 :不能采取 传统陶瓷的工艺 , 需要采用专门的制备工艺。这 些工艺尚在开发和完善中 , 并均有其 局限性 , 它 们只分别适 用于某些材料体系。玻璃及玻璃陶 瓷基体纤维复合材料采 用与树脂基体复合材料 相似的浸渍叠层致密化工艺 , 已在某些体系中获 得实际应用。而高温陶瓷基纤维 复合材料较为 成功的制备 技术是 化学气 相渗 积、 液相 金属反 应、 反应结合及陶瓷有机物先驱体浸渍热解转化 工艺。陶瓷基复合材 料的性能主要 由基体材料性 能 , 增强

20、体性能、 形态、 含量 , 复合结构形式 , 制备 工艺条件 , 界面状态及基体致密化 程度等决定。 由于这些因素的变化范围很大 , 因此陶瓷基复合 材料的性能 变化范围也很大。并 且某些性能可 以根据应用要求 , 通过改变含量、 结构形式及制 备工艺条件 等在一定程度上进行调 整。与金属 及有机基体复合材料相比 , 陶瓷基复合材料具有 耐高温、 耐磨、 抗高温蠕变、 导热系数 低、 热膨胀 系数低、 耐化学 侵蚀性好等特点 , 且其性能覆盖 范围很大 , 因而日益被广泛地应用。可以用作机 械加工材料及耐磨件、 高温发动机燃烧室及连接 件等、 航天器保护材料、 高温热交换器材料 , 轻型 装甲

21、材料、 分离或过滤器材料以及生物材料等。 陶瓷基复合材料的成形方法分为两类 :一类 是针对陶瓷短纤维、 晶须、 颗粒等增强体 , 复合材 料的成形工艺与陶瓷基 本相同 , 如 料浆浇铸法、 热压烧结法等 ; 另一类是针对碳、 石墨、 陶瓷连续 纤维增强体 , 复合材料的成形工艺常采用料浆浸 渗法、 料浆 浸渍后 热压烧 结法 和化 学气 相渗透 法。料浆浸渗法是将纤维增强体 编织成所需形 状 , 用陶瓷浆料浸渗 , 干燥后进行烧 结。该法的 优点是不损 伤增 强体 , 工艺 较简 单 , 无需 模具。 缺点是增强体在陶瓷基体中的分布不大均匀。 料浆浸渍热压 成形法是将纤 维或织物增强 体置于制

22、备好的陶瓷粉体浆料里浸渍 , 然后将含 有浆料的纤维或织物 增强体布成一定结构的坯 体 , 干燥后在高温、 高压下热压烧 结为制品。与 浸渗法相比 , 该方法所获制品的密度与力学性能 均有所提高。气相渗透工 艺是将增强纤 维编织成所需形 状的预成形体 , 并置于一定温度的反 应室内 , 然 后通入某种气源 , 在预成形体孔穴的纤维表面上 产生热分解或化学反应沉积出所需陶瓷基质 , 直 至预成形体 中各孔 穴被完 全填 满 , 获得 高致密 度、 高强度、 高韧度的制件。4 连续纤维增韧陶瓷基复合材料现代技术的发展 , 要求材料能在各种苟刻的 环境下可靠地工作。用粒子、 晶须或纤维增韧增 强的陶

23、瓷基复合材料 (简称 C MC 是目前备受重 视的型结构材料 , 具有高强 度、 高耐、 抗氧化、 耐 腐蚀等优良性能 , 在航空航天、 机械、 汽车、 冶金、 化工、 电子等方面具有广阔的应用前景。但陶瓷 材料固有的硬度和脆性使其难以加工、 难以制成 大型或形状复杂的构件 , 因而在工程应用上受到 了很大限 制。解决其实用化的 最好方法之一是 将其与塑性及韧性高 且抗温度冲击能力强的金 属材料连接起来制成复合构件使用 , 充分发挥 2种材料的性能优势 , 弥补各自的不足。陶瓷 材料 的耐 高温、 低 密度、 高比 强、 高比 模、 抗氧化和 抗烧蚀等优异性能 , 使其具有接替 金属作为新一代

24、高温结构材料的潜力。但是 , 陶 瓷材料的脆性大和可 靠性差等致命弱点又阻碍 其实用化。在发展的多种增韧途径中 , 连续纤维 增韧陶瓷基复合材料 (CFRC M C , 简称 C MC 最引 人注目 , 它可 以具有类似金属的断裂 行为、 对裂 纹不敏感、 没有灾难性损毁。 70代初期法国人发 明了化学气相渗透 (CV I 制造连续纤维增韧碳化 硅陶瓷基复合材料 (简称 C MC -S i C 的新方法并 获得专利 , 现 已发展成为工程化技术 , 尔后美国 购买了此项法国专利。C M C-S i C 具有高比强、 高比 模、 耐高温、 抗 烧蚀、 抗 氧 化 和 低密 度 等 特 点 , 其

25、 密 度 为 222综述与述评现 代技 术陶瓷 2010年第 2期 (总第 124期 2 5g /cm 3, 仅是高温合金和铌合 金的 1/31/4, 钨合金的 1/91/10。 C M C -S i C 主要包括碳纤 维增韧碳化硅 (C /Si C 和碳化硅纤维增韧碳化硅 (S i C /Si C 两种 , 由 于碳纤维价格 便宜且容易获 得 , 因而 C /Si C 成为 S i C 陶瓷基复合材料研究、 考 核与应用的首选。 C M C-Si C 的应用可覆盖瞬时 寿命 (数十秒 数百秒 、 有限寿命 (数十分钟 数十小时 和长寿命 (数百小时 上千小时 3类 服役环境的 需求。用于瞬时

26、寿命 的固体火箭发 动机 , C /Si C 的使用温度可达 28003000 ; 用 于有限寿命的液体火箭发动机 , C /Si C 的使用温 度可达 20002200 ; 用于长寿命航空发动机 , C /SiC 的使用温度为 1650 , S i C /Si C 为 1450 , 提高 S i C 纤维的 使用 温度 是保 证 S i C /SiC 用于 1650 的关键。由于 C /SiC 抗氧化 性能较 S i C / S i C 差 , 国内外普遍认为 , 航空发动机热端部件最 终获得应用的 应该是 S i C /SiC 。因此 C MC -S i C 被认为是继碳 -碳复合材料 (

27、C /C 之后发展的 又一新型战略性材料 , 可大幅度提高现有武器装 备和发展未来先进武器装备性能 , 发达国家都在 竞相发展。此外 , C MC -S i C 在核能、 高速刹车、 燃气轮机热端部件、 高温气体过滤和热交换器等 方面还有广泛应用潜力。高性能动力是 发展先进航空 和航天器的基 础。提高航空发动机的推重比和 火箭发动机的 冲质比是改善先进航空 和航天器性能的必经之 路。这些都要求不断降低发动 机的结构重量和 提高发动 机构 件的 耐温 能力。因此 , 发 展耐高 温、 低密度的新型超高温复合材料来接替高温合 金和难熔金属材料 , 成为发展高性能发动机的关 键和基础。国际普遍认为

28、, C M C -S i C 是发动机 高温结构材料的技术制高点之一 , 可反映一个国 家先进航空航天器和 先进武器装备的设计和制 造能力。由于其技术难度大、 耗资大 , 目前只有 法国、 美国等少数国家掌握了连续纤维增韧碳化 硅陶瓷基复合材料的产业化技术。日本丰田汽车采用 A l 2O 3短纤维 A l 基复合 材料活塞开创了 MMC 在民用上的先例。活塞系 耐磨铝合金制成。它要在较高温下工作 , 特别是 镶第一道活塞环的环 槽处往往最先磨损而导致 活塞失效。因此 , 把预制好的 A l 2O 3短纤维环预 置在压铸活塞的模具内 , 通过挤压铸造使铝合金 液充填纤维环中的孔隙并将纤维包裹住

29、, 这个部 位就形成了 A l 2O 3短纤维增强的铝合金 MM C , 使 得该处的耐热和耐磨性都提高了。C M C-S i C 的制造方法有反应烧结 (RB , 热 压烧结 (HP, 前驱体浸渍热解 (PI P, 反应性熔 体渗透 (RM I 以及 CV I , CV I-PI P , CV I-RM I 和 PI P-HP 等。 C V I 是目前唯一已商业化的制造方 法 , 其适应性 强 , 原理上适用于 所有无机非金属 材料 , 可制造 多维编织体复合材料的 界面层、 基 体和表面涂层。 C V I 必须使气相反应物渗透到纤 维预制体的每一根单丝纤维上 , 而单丝的最小间 距仅为 1

30、 m 左右 , 因此 CV I 过程的控制比 CVD 困难得 多。与 其他 成 型方 法 相比 , CV I 法 制造 C M C 具有制备温度低 (#1000 ; 气相渗透能 力强 , 便于制造 大型、 薄 壁、 复杂的 近终形构件 , 能对基体、 界面和表面层进行微观尺度的化学成 分与结构 设计。我国已形成具 有独立知识产权 的 C M C-S i C 制造技术和设备体系 , 发展了 4种 牌号的 C MC -S i C , 并具有制备大型、 薄壁、 复杂 构件的能力 , 多种 构件 通过了 发动 机环 境的考 核 , 材料性 能和整 体研 究水平 跻身 国际 先进行 列。综述与述评 20

31、10 年第 2期 (总第 124期 现代技 术陶瓷 基复合材料具有较高的 比强度、 比刚 度, 以及良 5 陶瓷纤维增强铝基复合材料 我国未来发动机将朝着大功率、 低散热方向 发展。随着发动机功率的提高, 活塞的热负荷增 加, 传统的铝合金活塞已不能满足使用要求。为 此, 必须研制具 有良好耐热、 隔热 效果的活塞顶 材料。对活塞顶进行陶瓷材料等 离子喷涂或用 陶瓷部件镶嵌是解决活塞耐热问题的一种方法, 但由于陶瓷和铝合金膨胀系数相差较大, 在服役 时因热应力易导致陶瓷层剥落或破裂。 陶瓷纤维增强铝基复合材料具有比重小、 高 温性能好、 耐磨性好、 导热率低、 线膨胀系数小等 优点, 是制造大

32、功率发动机活塞的理想增强材料 之一。用梯度铝基复合材料制造 活塞顶可以有 效保证活塞顶部的耐热隔 热要求, 同 时, 该梯度 结构可以缓和铝基复合 材料和活塞本体因膨胀 系数差异而导致的热应力。 纤维增强金属 基和陶瓷基复 合材料不如高 分子基复合材料应用得广泛。金属的熔点较高, 从复合材料制备角度看不宜采用玻璃纤维、 芳纶 纤维作为它 们的增强体。所以往 往多用陶瓷纤 维, 如三氧化二 铝, 以及价格昂贵 的碳纤维和硼 纤等维作为增强体。陶瓷材料大多是脆性材料, 可以采用纤 维来增强它们的韧性。金属的熔点 高, 故高 强 度 纤 维 增 强 后 的 金 属 基 复 合 材 料 ( MM C

33、可以使用在较高温的工作环境之下。这 是 MM C 的一个重要的特点。在较高温下, 复合 材料的这两项指标都高于基体合金。但是, 具有 延性的金属和基本上是 脆性的陶瓷纤维构成复 合材料, 虽强度和弹性模量 (刚度 增加了, 但塑 性和韧性会 有所降低。这在一定 程度上限制了 MMC 的应用范围。常用的基体金属材料有铝合 金、 钛合金和镁合金。作为增强体的连续纤维主 要有硼纤维、 i 和 C 纤维; A l2 O3纤维通常以短 SC 纤维的形式用于 MMC 中。 陶瓷纤维增强 铝基复合材料 是以铝或其合 金为基体, 纤维、 晶须、 金属间化合物、 陶瓷颗粒 或其组合为增强体的复合材料, 它兼有基

34、体铝的 塑性、 韧性又具有增强相 的高硬度、 高强度。铝 24 好的高温性能以及优异的耐磨性能等特点。 增强相与基体达的结合界面, 是影响复合材 料强度的关键因素, 也是复合材料研究的重点之 一。目前铝基复合材料的生成 类型主要有外生 型和内生 型两种。外生型增强 相是从外界直接 加入的, 增强 相的表面易被污染, 与基体的结合 界面不干净, 易有不良的反应物产生, 此外, 进入 基体中的增强相的尺寸不能太小, 须在微米级以 上, 且易在基 体中偏聚, 这些均 严重影响力学性 能的进一步提高, 高温性能也因界面的恶化而严 重下降。本材料是采用原位合 成技术开发的铝 基复合材料, 其增强相是通过

35、基体中的化学反应 产生的, 因此, 增强相表面无污染, 与基体的结合 界面干净、 相容性好, 分布均匀, 克服了外生型的 不足。 陶瓷纤维增强铝基复合材料技术特点: 节省 能源, 充分利 用化学反应热, 在 铝基体中直接反 应生成增强相; 增强相在基体中的分 布均匀、 尺 寸细小, 可达 亚微米级甚至纳米级, 与基体的界 面干净、 结合 强度高; 该技术还 可移植到其它的 基体中, 如镁基、 铜基、 钢基等; 工艺相对简单、 操 作方便、 投资少、 见效快。 颗粒增强铝 基复合材料具 有高比强度和比 刚度、 耐磨、 耐疲劳、 低热膨胀系数、 低密度、 高屈 服强度、 良好的尺寸稳定性和导热性等

36、优异的力 学性能和物理性能, 可广泛应用于航空、 军事、 汽 车、 电子等领域。当前, 世界发 达国家相继进入 了颗粒增强铝基复合 材料的批量生产和工业规 模开发阶段。美国、 国、 英 日本 等国投入了大量 的财力、 物力, 建立了工业规模 生产颗粒增强铝 基复合材料的工厂或公 司, 生产出了 结构级、 仪 表级、 光学级和电子级颗粒增强铝 基复合材料, 其产品已相继在 航空航天、 军工、 电子、 汽车、 运 动机械等领域得到应用。 陶瓷颗粒增 强铝基复合材 料一方面具有铝 合金的优良特性, 即体重轻、 质感好、 塑性、 韧性 好、 导电、 导热 性好, 适合 于多 种功 能设 计等优 点;

37、另一方面又继承了陶瓷材料的高硬度、 耐热、 耐磨、 耐蚀、 膨胀系 数低、 寸稳 定性 好等优 线 尺 综述与述评 现 代技 术陶瓷 2010年第 2期 (总第 124期 点。因而在航空航天、 汽车、 摩托车、 轻工、 医疗 器械、 通讯、 健身器材等领域中有 着广泛的应用 前景。尤其是在高速发展的汽车、 摩托车上。用 陶瓷颗粒增强铝基复合材料制造汽车、 摩托车关 键零部件 (如发动机零部件、 车轮、 刹车盘等 有 三个突出的优点: 重量轻、 油耗少。轻量化是车辆发展的主要 方向, 用铝基复合材料代替钢、 铁件, 能大大减轻 重量。如铝基复合材料缸体代替铸铁缸体, 4缸 发动机缸体重量可减轻

38、42 7kg 6缸发动机缸体 . , 可减轻 58kg 。而车辆自重减轻 10 , 燃油消耗可 % 减少 6 7 。在国外铝汽车已研制成功, 且大量 % 应用了高性能铝合金及铝基复合材料。 导热性要比铸铁 好。用颗粒增 强铝基复合 材料 制造刹车盘转子, 一方面 能降低重量 50 60 , 这不仅减小了惯 性力, 还增 加了制动的加 % 速度以至减少刹车距离; 更重要的另一方面是它 的导热性, 铝基复合材料的导热率大约是铸铁 5 7 倍。因而摩擦产生的热量很容易散发, 这提 高了刹车盘的性能。在国外经 5万 k 的动态测 m 试表明, 其磨损小, 并且降低了刹车噪音。 高性能、 且可设计性。陶

39、瓷颗粒增强铝基复 合材料具有高的比 强度、 比刚 度、 耐热、 耐磨、 高 温性能好等优点, 同时可根据颗粒体积分数的不 同视应用领域不同而进行 设计、 选择, 这是传统 铝合金结构 材料所无法比拟的。目前传统铝合 金在车辆上的使用已接近极限, 如目前我国铝轮 毂仅用于轿车和微型车, 而在国外 已在轻型车、 大客车及载 重卡车上应用。因此 铝基复合材料 的开发将加快汽车、 摩托车向新的轻量化级别脘 近, 使其应用范围更宽。 开发的内 生 A l3 T 、 iB2、 l3 Zr + A l2O 3 陶瓷 iT A 颗粒增强铝基复合材料是顺应现代化工业向 轻 质、 高强、 高速、 高性能 !方向发

40、展的理想材料, 也 是产品更新换代, 实现高技术化、 高性能化的重 要物质基础。当前, 我 国的汽车、 摩托车工业面 临新的挑战, 如 何与国际接轨, 关 键在于我国的 零部件工业, 而零部件的性能与价格关键在于新 材料、 新技术、 新工艺的应用。 6 陶瓷基复合材料的应用前景 陶瓷 材料是一种本质脆性材料, 在制备、 机 械加工以及使用过程中, 容易产生一些内在和外 在缺陷, 从而 导致陶瓷材料灾难性破 坏, 严重限 制了陶瓷材料应用的广度和深度, 因此提高陶瓷 材料的韧性成为影响 陶瓷材料在高技术领域中 应用的关键。 近年来, 受自然界 高性能生物材 料的启发, 材料界提出了模仿生 物材料

41、结构制备高韧性陶 瓷材料的思路。 1990年 C legg等创造性材料制备 的 S ic薄片与石墨片层交替叠层结构复合材料与 常规 S i 陶瓷材料相比, 其断裂韧性和断裂功提 C 高了几倍甚至几十倍, 成功地实现了仿贝壳珍珠 层的宏观 结构增韧。国内外科 研人员在陶瓷基 层状复合材料力学性 能方面进行了大量的试验 研究, 取得了很大进展。陶瓷基层状复合材料力 学性能优劣关键在于界面层材料, 能够应用在高 温环境下, 抗氧化的界面层材料还有待进一步开 发; 此外, 在应用 C、 等弱力学性能的材料作为 BN 界面层时, 虽然能够得到综合性能优异的层状复 合材料, 但是基体层与界面层之间结合强度

42、低的 问题也有 待进一步解决。陶瓷 基层状复合材料 的制备工艺具有简便易 行、 易于推广、 周期短而 廉价的优点, 可以应用于制备大的或形状复杂的 陶瓷部件。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, 实现了简 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。这种新的工 艺思路是对陶瓷基复 合材料制备工艺的重大突 破, 将为陶瓷基复合材料的应用开辟广阔前景。 纤维增强陶 瓷基复合材料 是以纤维作增强 体, 把纤维增强陶瓷基体通过一定的复合工艺结 合在一起 而组成的材料的总称。这类复合材料 具有高强度、 高韧性、 优异的热 稳定性和化学稳 定性, 是一类新型结构材料。作为增强用的纤维 有金属纤维 (如钨丝、 钽丝、 钼丝等 、 玻璃纤维和 陶瓷纤维 ( 如 碳、 化硅、 碳 氧化 铝、 氧化 锆 等纤 维 ; 而陶瓷基本由氧化物基 ( 如氧化铝、 氧化锆 25 综述与述评 2010 年第 2期 (总第 124期 等 和非氧化物基 ( 如碳、 碳化物、 硼化物、 氮化物 等 组成。在选择纤维和陶瓷基体时要注意性能 的匹配, 如 纤维必 须和陶 瓷一 样具 有耐 高温性 能, 纤维的热膨胀系数应稍大于陶瓷基体。陶瓷 基复合材料的发展已有 20 多年的历 史, 某些材 料已在不同领域获得应用,