可陶瓷化树脂基复合材料

『壹』 陶瓷基复合材料有何特性

由纤维增强陶瓷的陶瓷基复合材料既可保留陶瓷材料耐高温、高硬高强和耐磨蚀的性能，同时又克服了陶瓷的脆性，陶瓷基复合材料可满足1200℃～1900℃的使用条件。人造地球卫星、载人宇宙飞船等的发射成功，取决于称为“烧蚀材料“的陶瓷基复合材料，当宇宙飞行器从外层空间返回地球时，稠密的大气层是它的必经之地，高速的飞行速度使飞行器和空气之间产生强烈的摩擦，由此而放出的热量瞬间可高达8000℃～10000℃，”烧蚀材料”此时吸收大量的热烧掉自己的一部分，与些同时使周围的温度降低，以保证飞行器本体安然无恙。

陶瓷基复合材料除了用于航空航天部件，还可用于滑动构件、发动机部件和刀件具等。法国用长纤维增强碳化硅复合材料作为超高速列车的制动机，其优异的摩擦磨损特性是传统制动件无法相比的。

陶瓷基复合材料以优异的耐高温和耐磨损性能取胜于其他复合材料，但由于价格昂贵使其应用受到一定限制。

先进复合材料为航天航空事业做出了重大贡献，最新研究结果表明，在某些特种飞机上先进复合材料用量已占50%以上，美国最新生产的具有隐身功能的轰炸机B-2，其机体的结构材料几乎全是复合材料。当今先进复合材料已广泛扩展到其他领域，如用复合材料制成的箭，其箭杆重量减轻4%，命中率也大大提高。在汽车工业领域，用先进复合材料制成的制件代替同样性能的钢制件，可减重70%左右，而且在工艺上可一次成型，可用来制造汽车车体、受力构件、发动机架和内部构件。先进复合材料在化工、纺织业、医疗和精密仪器等领域也发挥着不可估量的作用。

先进复合材料的研究十分活跃，发展趋向有以下特点：由宏观复合向微观复合发展；由增强性的双元混杂向超混杂复合发展；由结构复合向多功能复合发展。复合材料除具有力学性能外，还有其他如电、磁、光等性能。

『贰』 考研方向为陶瓷基复合材料的有哪些好大学

在陶瓷方面，西北工业大学真的很厉害，只不过名气不响而已http://..com/question/3625645.html?si=2&wtp=wk

中国粉体网http://www.cnpowder.com.cn/news/view.php?id=5160

『叁』 陶瓷复合材料的材料

陶瓷与陶瓷或陶瓷基体材料与其他材料所组成的多相材料。
主要有陶瓷与金属复合材料，如特种无机纤维或晶须增强金属材料、金属陶瓷、复合粉料等；陶瓷与有机高分子材料的复合材料，如特种无机纤维或晶须增强有机材料等；陶瓷与陶瓷的复合材料，如特种无机纤维、晶须、颗粒、板晶等增韧补强陶瓷材料。陶瓷基复合材料通常可分为颗粒补强陶瓷基复合材料和纤维补强陶瓷基复合材料两类。

『肆』 树脂基复合材料知识

纤维增强树脂基复合材料常用的树脂为环氧树脂和不饱和聚酯树脂。目前常用的有：热固性树脂、热塑性树脂，以及各种各样改性或共混基体。热塑性树脂可以溶解在溶剂中，也可以在加热时软化和熔融变成粘性液体，冷却后又变硬。热固性树脂只能一次加热和成型，在加工过程中发生固化，形成不熔和不溶解的网状交联型高分子化合物，因此不能再生。复合材料的树脂基体，以热固性树脂为主。早在40年代，在战斗机、轰炸机上就开始采用玻璃纤维增强塑料作雷达罩。60年代美国在F—4、F—111等军用飞机上采用了硼纤维增强环氧树脂作方向舵、水平安定面、机翼后缘、舵门等。在导弹制造方面，50年代后期美国中程潜地导弹“北极星A—2”第二级固体火箭发动机壳体上就采用了玻璃纤维增强环氧树脂的缠绕制件，较钢质壳体轻27%；后来采用高性能的玻璃纤维代替普通玻璃纤维造“北极星A—3”，使壳体重量较钢制壳体轻50%，从而使“北极星A—3”导弹的射程由2700千米增加到4500千米。70年代后采用芳香聚酰胺纤维代替玻璃纤维增强环氧树脂，强度又大幅度提高，而重量减轻。碳纤维增强环氧树脂复合材料在飞机、导弹、卫星等结构上得到越来越广泛的应用。

在化学工业上的应用
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环氧乙烯基酯树脂在氯碱工业中，有着良好的应用。
氯碱工业是玻璃钢作耐腐材料最早应用领域之一，目玻璃钢已成为氯碱工业的主要材料。玻璃钢已用于各种管道系统、气体鼓风机、热交换器外壳、盐水箱以至于泵、池、地坪、墙板、格栅、把手、栏杆等建筑结构上。同时，玻璃钢也开始进入化工行业的各个领域。在造纸工业中的应用也在发展，造纸工业以木材为原料，造纸过程中需要酸、盐、漂白剂等，对金属有极强的腐蚀作用，唯有玻璃钢材料能抵抗这类恶劣环境，玻璃钢材料已、在一些国家的纸浆生产中显现其优异的耐蚀性。
在金属表面处理工业中的应用，则成为环氧乙烯基酯树脂重要应用，金属表面处理厂所使用的酸，大多为盐酸、基本上用玻璃钢是没有问题的。环氧树脂作为纤维增强复合材料进入化工防腐领域，是以环氧乙烯基酯树脂形态出现的。它是双酚A环氧树脂与甲基丙烯酸通过开环加成化学反应而制成，每吨需用环氧树脂比例达50%，这类树脂既保留了环氧树脂基本性能，又有不饱和聚酯树脂良好的工艺性能，所以大量运用在化工防腐领域。
其在化工领域的防腐主要包括：化工管道、贮罐内衬层；电解槽；地坪；电除雾器及废气脱硫装置；海上平台井架；防腐模塑格栅；阀门、三通连接件等。为了提高环氧乙烯基酯树脂优越的耐热性、防腐蚀性和结构强度，树脂还不断进行改性，如酚醛、溴化、增韧等环氧乙烯基酯树脂等品种，大量运用于大直径风叶、磁悬浮轨道增强网、赛车头盔、光缆纤维牵引杆等。
树脂基复合材料作为一种复合材料，是由两个或两个以上的独立物理相，包含基体材料（树脂）和增强材料所组成的一种固体产物。树脂基复合材料具有如下的特点：
（1）各向异性（短切纤维复合材料等显各向同性）；
（2）不均质（或结构组织质地的不连续性）；
（3）呈粘弹性行为；
（4）纤维（或树脂）体积含量不同，材料的物理性能差异；
（5）影响质量因素多，材料性能多呈分散性。
树脂基复合材料的整体性能并不是其组分材料性能的简单叠加或者平均，这其中涉及到一个复合效应问题。复合效应实质上是原相材料及其所形成的界面相互作用、相互依存、相互补充的结果。它表现为树脂基复合材料的性能在其组分材料基础上的线性和非线性的综合。复合效应有正有负，性能的提高总是人们所期望的，但有进材料在复合之后某些方面的性能出现抵消甚至降低的现象是不可避免的。
复合效应的表现形式多样，大致上可分为两种类型：混合效应和协同效应。
混合效应也称作平均效应，是组分材料性能取长补短共同作用的结果，它是组分材料性能比较稳定的总体反映，对局部的扰动反应并敏感。协同效应与混合效应相比，则是普遍存在的且形式多样，反映的是组分材料的各种原位特性。所谓原位特性意味着各相组分材料在复合材料中表现出来的性能并不只是其单独存在时的性能，单独存在时的性能不能表征其复合后材料的性能。
树脂基复合材料的力学性能
力学性能是材料最重要的性能。树脂基复合材料具有比强度高、比模量大、抗疲劳性能好等优点，用于承力结构的树脂基复合材料利用的是它的这种优良的力学性能，而利用各种物理、化学和生物功能的功能复合材料，在制造和使用过程中，也必须考虑其力学性能，以保证产品的质量和使用寿命。
1、树脂基复合材料的刚度
树脂基复合材料的刚度特性由组分材料的性质、增强材料的取向和所占的体积分数决定。树脂基复合材料的力学研究表明，对于宏观均匀的树脂基复合材料，弹性特性复合是一种混合效应，表现为各种形式的混合律，它是组分材料刚性在某种意义上的平均，界面缺陷对它作用不是明显。
由于制造工艺、随机因素的影响，在实际复合材料中不可避免地存在各种不均匀性和不连续性，残余应力、空隙、裂纹、界面结合不完善等都会影响到材料的弹性性能。此外，纤维（粒子）的外形、规整性、分布均匀性也会影响材料的弹性性能。但总体而言，树脂基复合材料的刚度是相材料稳定的宏观反映。
对于树脂基复合材料的层合结构，基于单层的不同材质和性能及铺层的方向可出现耦合变形，使得刚度分析变得复杂。另一方面，也可以通过对单层的弹性常数（包括弹性模量和泊松比）进行设计，进而选择铺层方向、层数及顺序对层合结构的刚度进行设计，以适应不同场合的应用要求。
2、树脂基复合材料的强度
材料的强度首先和破坏联系在一起。树脂基复合材料的破坏是一个动态的过程，且破坏模式复杂。各组分性能对破坏的作用机理、各种缺陷对强度的影响，均有街于具体深入研究。
树脂基复合材强度的复合是一种协同效应，从组分材料的性能和树脂基复合材料本身的细观结构导出其强度性质。对于最简单的情形，即单向树脂基复合材料的强度和破坏的细观力学研究，还不够成熟。
单向树脂基复合材料的轴向拉、压强度不等，轴向压缩问题比拉伸问题复杂。其破坏机理也与拉伸不同，它伴随有纤维在基体中的局部屈曲。实验得知：单向树脂基复合材料在轴向压缩下，碳纤维是剪切破坏的；凯芙拉（Kevlar）纤维的破坏模式是扭结；玻璃纤维一般是弯曲破坏。
单向树脂基复合材料的横向拉伸强度和压缩强度也不同。实验表明，横向压缩强度是横向拉伸强度的4～7倍。横向拉伸的破坏模式是基体和界面破坏，也可能伴随有纤维横向拉裂；横向压缩的破坏是因基体破坏所致，大体沿45°斜面剪坏，有时伴随界面破坏和纤维压碎。单向树脂基复合材料的面内剪切破坏是由基体和界面剪切所致，这些强度数值的估算都需依靠实验。
杂乱短纤维增强树脂基复合材料尽管不具备单向树脂基复合材料轴向上的高强度，但在横向拉、压性能方面要比单向树脂基复合材料好得多，在破坏机理方面具有自己的特点：编织纤维增强树脂基复合材料在力学处理上可近似看作两层的层合材料，但在疲劳、损伤、破坏的微观机理上要更加复杂。
树脂基复合材料强度性质的协同效应还表现在层合材料的层合效应及混杂复合材料的混杂效应上。在层合结构中，单层表现出来的潜在强度与单独受力的强度不同，如0/90/0层合拉伸所得90°层的横向强度是其单层单独实验所得横向拉伸强度的2～3倍；面内剪切强度也是如此，这一现象称为层合效应。
树脂基复合材料强度问题的复杂性来自可能的各向异性和不规则的分布，诸如通常的环境效应，也来自上面提及的不同的破坏模式，而且同一材料在不同的条件和不同的环境下，断裂有可能按不同的方式进行。这些包括基体和纤维（粒子）的结构的变化，例如由于局部的薄弱点、空穴、应力集中引起的效应。除此之外，界面粘结的性质和强弱、堆积的密集性、纤维的搭接、纤维末端的应力集中、裂缝增长的干扰以及塑性与弹性响应的差别等都有一定的影响。
树脂基复合材料的物理性能
树脂基复合材料的物理性能主要有热学性质、电学性质、磁学性质、光学性质、摩擦性质等（见表）。对于一般的主要利用力学性质的非功能复合材料，要考虑在特定的使用条件下材料对环境的各种物理因素的响应，以及这种响应对复合材料的力学性能和综合使用性能的影响；而对于功能性复合材料，所注重的则是通过多种材料的复合而满足某些物理性能的要求。
树脂基复合材料的物理性能由组分材料的性能及其复合效应所决定。要改善树脂基复合材料的物理性能或对某些功能进行设计时，往往更倾向于应用一种或多种填料。相对而言，可作为填料的物质种类很多，可用来调节树脂基复合材料的各种物理性能。值得注意的是，为了某种理由而在复合体系中引入某一物质时，可能会对其它的性质产生劣化作用，需要针对实际情况对引入物质的性质、含量及其与基体的相互作用进行综合考虑。
树脂基复合材料的化学性能
大多数的树脂基复合材料处在大气环境中、浸在水或海水中或埋在地下使用，有的作为各种溶剂的贮槽，在空气、水及化学介质、光线、射线及微生物的作用下，其化学组成和结构及各种性能会发生各种变化。在许多情况下，温度、应力状态对这些化学反应有着重要的影响。特别是航空航天飞行器及其发动机构件在更为恶劣的环境下工作，要经受高温的作用和高热气流的冲刷，其化学稳定性是至关重要的。
作为树脂基复合材料的基体的聚合物，其化学分解可以按不同的方式进行，它既可通过与腐蚀性化学物质的作用而发生，又可间接通过产生应力作用而进行，这包括热降解、辐射降解、力学降解和生物降解。聚合物基体本身是有机物质，可能被有机溶剂侵蚀、溶胀、溶解或者引起体系的应力腐蚀。所谓的应力腐蚀，是掼材料与某些有机溶剂作用在承受应力时产生过早的破坏，这样的应力可能是在使用过程中施加上去的，也可能是鉴于制造技术的某些局限性带来的。根据基体种类的不同，材料对各种化学物质的敏感程度不同，常见的玻璃纤维增强塑料耐强酸、盐、酯，但不耐碱。一般情况下，人们更注重的是水对材料性能的影响。水一般可导致树脂基复合材料的介电强度下降，水的作用使得材料的化学键断裂时产生光散射和不透明性，对力学性能也有重要影响。不上胶的或仅只热处理过的玻璃纤维与环氧树脂或聚酯树脂组成的复合材料，其拉伸强度、剪切强度和弯曲强度都很明显地受沸水影响，使用偶联剂可明显地降低这种损失。水及各种化学物质的影响与温度、接触时间有关，也与应力的大小、基体的性质及增强材料的几何组织、性质和预处理有关，此外还与复合材料的表面的状态有关，纤维末端暴露的材料更易受到损害。
聚合物的热降解有多种模式和途径，其中可能几种模式同时进行。如可通过"拉链"式的解聚机理导致完全的聚合物链的断裂，同时产生挥发性的低分子物质。其它的方式包括聚合物链的不规则断裂产生较高分子量的产物或支链脱落，还有可能形成环状的分子链结构。填料的存在对聚合物的降解有影响，某些金属填料可通过催化作用加速降解，特别是在有氧存在的地方。树脂基复合材料的着火与降解产生的挥发性物质有关，通常加入阻燃剂减少着火的危险。某些聚合物在高温条件下可产生一层耐热焦炭，这些聚合物与尼龙、聚酯纤维等复合后，因这些增强物本身的分解导致挥发性物质产生可带走热量而冷却烧焦的聚合物，进一步提高耐热性，同时赋予复合材料以优良的力学性能，如良好的坑震性。
许多聚合物因受紫外线辐射或其它高能辐射的作用而受到破坏，其机理是当光和射线的能量大于原子间的共价键能时，分子链发生断裂。铅填充的聚合物可用来防止高能辐射。紫外线辐射则一般受到更多的关注，经常使用的添加剂包括炭黑、氧化锌和二氧化钛，它们的作用是吸收或者反射紫外线辐射，有些无面填料可以和可见光一样传输紫外线，产生荧光。
力学降解是另一种降解机理，当应力的增加频率超过一个键通过平移所产生的响应能力时，就发生键的断裂，由此形成的自由基还可能对下一阶段的降解模式产生影响。硬质和脆性聚合物基体应变小，可进行有或者没有链断裂的脆性断裂，而较软但粘性高的聚合物基体大多是力学降解的。
树脂基复合材料的工艺特点
树脂基复合材料的成型工艺灵活，其结构和性能具有很强的可设计性。树脂基复合材料可用模具一次成型法来制造各种构件，从而减少了零部件的数量及接头等紧固件，并可节省原材料和工时；更为突出的是树脂基复合材料可以通过纤维种类和不同排布的设计，把潜在的性能集中到必要的方向上，使增强材料更为有效地发挥作用。通过调节复合材料各组分的成分、结构及排列方式，既可使构件在不同方向承受不同的作用力，还可以制成兼有刚性、韧性和塑性等矛盾性能的树脂基复合材料和多功能制品，这些是传统材料所不具备的优点。树脂基复合材料在工艺方面也存在缺点，比如，相对而言，大部分树脂基复合材料制造工序较多，生产能力较低，有些工艺（如制造大中型制品的手糊工艺和喷射工艺）还存在劳动强度大、产品性能不稳定等缺点。
树脂基复合材料的工艺直接关系到材料的质量，是复合效应、"复合思想"能否体现出来的关键。原材料质量的控制、增强物质的表面处理和铺设的均匀性、成型的温度和压力、后处理及模具设计的合理性都影响最终产品的性能。在成型过程中，存在着一系列物理、化学和力学的问题，需要综合考虑。固化时在基体内部和界面上都可能产生空隙、裂纹、缺胶区和富胶区；热应力可使基体产生或多或少的微裂纹，在许多工艺环节中也都可造成纤维和纤维束的弯曲、扭曲和折断；有些体系若工艺条件选择不当可使基体与增强材料之间发生不良的化学反应；在固化后的加工过程中，还可进一步引起新的纤维断裂、界面脱粘和基体开裂等损伤。如何防止和减少缺陷和损伤，保证纤维、基体和界面发挥正常的功能是一个非常重要的问题。
树脂基复合材料的成型有许多不同工艺方法，连续纤维增强树脂基复合材料的材料成型一般与制品的成型同时完成，再辅以少量的切削加工和连接即成成品；随机分布短纤维和颗粒增强塑料可先制成各种形式的预混料，然后进行挤压、模塑成型。
组合复合效应
复合体系具有两种或两种以上的优越性能，称为组合复合效应贫下中农站这样的情况很多，许多的力学性能优异的树脂基复合材料同时具有其它的功能性，下面列举几个典型的例子。
1、光学性能与力学性能的组合复合
纤维增强塑料，如玻璃纤维增强聚酯复合材料，同时具有充分的透光性和足够的比强度，对于需要透光的建筑结构制品是很有用的。
2、电性能与力学性能的组合复合
玻璃纤维增强树脂基复合材料具有良好的力学性能，同时又是一种优良的电绝缘材料，用于制造各种仪表、电机与电器的绝缘零件，在高频作用下仍能保持良好的介电性能，又具有电磁波穿透性，适制作雷达天线罩。聚合物基体中引入炭黑、石墨、酞花菁络合物或金属粉等导电填料制成的复合材料具有导电性能，同时具有高分子材料的力学性能和其它特性。
3、热性能与力学性能的组合复合
①耐热性能
树脂基复合材料在某些场合的使用除力学性能外，往往需要同时具有好的耐热性能。
②耐烧蚀性能
航空航天飞行器的工作处于严酷的环境中，必须有防护材料进行保护；耐烧蚀材料靠材料本身的烧蚀带走热量而起到防护作用。玻璃纤维、石英纤维及碳纤维增强的酚醛树脂是成功的烧蚀材料。酚醛树脂遇到高温立即碳化形成耐热性高的碳原子骨架；玻璃纤维还可部分气化，在表面残留下几乎是纯的二氧化硅，它具有相当高的粘结性能。两方面的作用，使酚醛玻璃钢具有极高的耐烧蚀性能。

『伍』 什么是陶瓷基复合材料

合成材料
合成材料又称人造材料，是人为地把不同物质经化学方法或聚合作用加工而成的材料，其特质与原料不同，如塑料、玻璃、钢铁等。

无机非金属材料
无机非金属材料(inorganic nonmetallic materials)是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、棚化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、棚酸盐等物质组成的材料。是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。元机非金属材料的提法是20世纪40年代以后,随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来的。元机非金属材料是与有机高分子材料和金属材料并列的三大材料之一。在晶体结构上,元旦主企是材料的元素结合力主更主Af键、共价键主豆子-共价混合蟹。这些化学键所特有的高键能、高键强赋予这一大类材料以高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等基本属性,以及宽广的导电性、隔热性、透光性及良好的铁电性、铁磁性和压电性。元机非金属材料品种和名目极其繁多,用途各异,因此,还没有一个统一而完善的分类方法。通常把它们分为普通的(传统的)和先进的(新型的)无机非金属材料两大类。传统的元机非金属材料是工业和基本建设所必需的基础材料。如水泥是一种重要的建筑材料;耐火材料与高温技术,尤其与钢铁工业的发展关系密切;各种规格的平板玻璃、仪器玻璃和普通的光学玻璃以及日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷和电瓷等与人们的生产、生活休戚相关。它们产量大,用途广。其他产品,如搪瓷、磨料(碳化硅、氧化铝)、铸石(辉绿岩、玄武岩等)、碳素材料、非金属矿(石棉、云母、大理石等)也都属于传统的无机非金属材料。新型元机非金属材料是20世纪中期以后发展起来的,具有特殊性能和用途的材料。它们是现代新技术、新产业、传统工业技术改造、现代国防和生物医学所不可缺少的物质基础。主要有先进陶瓷(advanced ceramics)、非晶态材料(noncrystal material〉、人工晶体〈artificial crys-tal〉、无机涂层(inorganic coating)、无机纤维(inorganic fibre〉等。

无机非金属材料的分类

(1)传统无机非金属材料：水泥、玻璃、陶瓷等硅酸材料。

『陆』 陶瓷基复合材料的加工与封接

连续纤维补强陶瓷基复合材料(Continuous FiberReinforced Ceramic Matrix Composites,简称CFCC)是将耐高温的纤维植入陶瓷基体中形成的一种高性能复合材料。由于其具有高强度和高韧性,特别是具有与普通陶瓷不同的非失效性断裂方式,使其受到世界各国的极大关注。连续纤维增强陶瓷基复合材料已经开始在航天航空、国防等领域得到广泛应用[1~3]。20世纪70年代初,J Aveston[2]在连续纤维增强聚合物基复合材料和纤维增强金属基复合材料研究基础上,首次提出纤维增强陶瓷基复合材料的概念,为高性能陶瓷材料的研究与开发开辟了一个方向。随着纤维制备技术和其它相关技术的进步,人们逐步开发出制备这类材料的有效方法,使得纤维增强陶瓷基复合材料的制备技术日渐成熟。20多年来,世界各国特别是欧美以及日本等对纤维增强陶瓷基复合材料的制备工艺和增强理论进行了大量的研究,取得了许多重要的成果,有的已经达到实用化水平。如法国生产的“Cerasep”可作为“Rafale”战斗机的喷气发动机和“Hermes”航天飞机的部件和内燃机的部件[4];SiO2纤维增强SiO2复合材料已用作“哥伦比亚号”和“挑战者号”航天飞机的隔热瓦[5]。由于纤维增强陶瓷基复合材料有着优异的高温性能、高韧性、高比强、高比模以及热稳定性好等优点,能有效地克服对裂纹和热震的敏感性[6~7],因此,在代写论文重复使用的热防护领域有着重要的应用和广泛的市场。1 CFCC的选材原则[8]

1)陶瓷基体和纤维应该满足结构件的使用环境要求。使用环境包括:工作最低温度、最高温度、湿度、工作介质的腐蚀性等。

2)陶瓷基体和纤维间弹性模量的匹配。当复合材料承受负载时,其应力和弹性模量服从加和原则[4]。 σc=σfVf+σmVm(1)

Ec=EfVf+EmVm

Vf+Vm= 1

上述方程中,σ表示承受的应力,V为体积分数,E为弹性模量。下标c、f、m分别代表复合材料、纤维、基体。

在复合材料断裂前,基体和纤维其应变是一致的:

εc=εm=εf=σm/Em=σf/Ef(2)对于脆性基体复合材料,当基体的应变大于其临界断裂应变时基体发生断裂。由于基体的弹性变形非常小,所以在基体断裂瞬间,纤维并未充分发挥作用。假设基体断裂时,它所承担的应力分量全部转移给纤维。此时复合材料所承担的应力由式(1)和式(2)可得:

σc=σmu[1+Vf(EfEm-1)] (3)式中下标mu和f分别代表基体和纤维断裂。从式(3)可看出,对于脆性基体复合材料,如果基体的断裂应变小于纤维的断裂应变,要想提高复合材料的强度,必须Ef大于Em,选择高模量的纤维。这时Ef/Em越大,复合材料的强度越高。如果Ef小于Em,基体不仅得不到强化,反而会降低。

3)陶瓷基体和纤维的热膨胀系数的匹配。复合材料组元之间必须要满足物理化学相容性,其中最重要的就是热膨胀系数的匹配。设αm、αfa、αfr分别代表基体、纤维轴向和纤维径向热膨胀系数的平衡值。则基体所承受的应力:

轴向 σa= (αm-αfa)ΔTEm(4)

径向 σr= (αm-αfr)ΔTEm(5)

式中ΔT为应力驰豫温度与室温之差值,Em为基体的弹性模量。

如果αm>αfa,则σa为正值。复合材料冷却后纤维受压缩热残余应力,基体受拉伸热残余应力。这种热残余拉伸应力在材料使用时将叠加于外加拉伸载荷,对材料的强度不利。如果σa>σmu,材料在冷却过程中就可能垂直于纤维轴向形成微裂纹网络,使材料的性能大大降低。如果αm<αfa,则σa为负值,纤维受热残余拉伸应力,基体受压应力。这个应力可能抵消外加拉伸载荷,对材料性能的提高有益。但如果该应力过大,超过纤维的断裂应力时,对强化不利。

如果αm>αfr,则σr为正,那么纤维-基体界面则承受热压缩应力。过大的界面压应力使复合材料在断裂过程中难以形成纤维“脱粘”、“拔出”等吸能机制,对材料性能的提高不利。如果αm<αfr,则σr为负,那么界面受拉应力,适当的拉应力是有益的。

4)材料应满足结构的特殊要求,但组元之间不能发生明显的化学反应、溶解和严重的扩散。而且在满足性能要求的前提下,成本尽可能低。

2 CFCC的增韧机制

任何固体材料在载荷作用下,吸收能量的方式只有两种:材料变形和形成新的表面[9]。对于脆性的陶瓷材料而言,材料只能发生很小的变形,只能增加断裂表面,增加裂纹的扩展路径来消耗能量。对于CFCC其增韧机理主要包括因模量差异而引起的载荷转移、微裂纹增韧、裂纹偏转、纤维脱粘和纤维拔出等[10]。在轴向力作用下,CFCC断裂包括3个阶段(如图1(a)所示):OA段,此段应力水平较低,材料处于线弹性阶段。在A点开始出现线性偏离,A点为基体的极限强度,基体开始出现裂纹。AB段,随着应力的提高裂纹越来越多、越来越大[15]。在B点处复合材料内部纤维开始断裂,即B点为CFCC的极限强度。与单相的陶瓷材料相比(如图1(b)所示),虽然单相陶瓷的极限强度可能大于CFCC的极限强度,但是其应变值却远远小于CFCC的应变值,因此CFCC的断裂功远大于单相陶瓷的断裂功。BC段,随着应力的继续增加,纤维和基体脱粘,伴随着纤维的断裂和拔出(如图2所示)。在轴向力作用下,CFCC的断裂包括:基体开裂、纤维断裂、纤维脱粘、纤维拔出和纤维断裂等复杂过程。因此对于CFCC而言,纤维拔出和纤维桥接是主要的增韧

3 CFCC的制造方法

3.1 泥浆浸渗/热压法

这种方法是最早用于制备CFCC的方法,也是制备低熔点陶瓷基复合材料的传统方法[18]。工艺要点如下:将纤维束连续通过含有粘结剂的泥浆中,将浸有浆料的纤维缠绕于滚筒上,制成无纬布,经切片、叠加、热模压成形和热压烧结制备出CFCC。泥浆浸渗/热压法工艺过程如图3所示。

图3 泥浆浸渗/热压法工艺过程示意图

泥浆一般由液体介质、基体粉末和有机粘结剂组成,在热压过程中,随着粘结剂的挥发、逸出,将发生基体颗粒的重新分布、烧结和粘结流动等过程,从而获得致密的复合材料。

张建良等在碳纤维表面涂敷SiC和SiO2,用热压法制备了碳纤维补强氧化铝陶瓷基复合材料,使复合材料的弯曲强度增加47%,断裂韧性增加58%[19]。虽然此法在制造玻璃及玻璃陶瓷基复合材料方面取得了较好的效果,但是泥浆浸渗/热压法存在以下不足而使其应用范围受到限制[20]:只能制得一维或二维纤维强化复合材料,制造三维材料时,因热压使纤维骨架受到损伤;由于工艺的局限,难以制得形状复杂的大型构件。

3.2 原位化学反应法/化学气相渗透法[9]

化学气相渗透法(Chemical Vapor Infiltration,CVI)是20世纪60年代中期在化学气相沉积法(CVD)基础上发展起来的,二者的区别在于CVD主要从外表面开始沉积,而CVI则是通过空隙渗入预制体内部沉积[21]。CVI是制造CFCC最适合的方法之一,用CVI法可以在低温条件下制得高温陶瓷基体,制得的复合材料具有良好的机械性能;它具有能在同一个反应炉中同时沉积多个或不同形状的预制件,可方便地制备具有三维网络结构的CFCC以及可以通过控制沉积条件改变基体的显微结构等优点[22]。但主要缺陷是只能沉积简单的薄壁件,对于粗厚型件内部往往会出现孔洞,存在致密性差,材料沉积不均匀的问题,同时其工艺周期特别长,制备成本高。为了获得性能优良的CFCC,发展了各种CVI工艺,分为以下5类:均热CVI法、热梯度CVI法、激光CVI法、强制流CVI、微波CVI法等[23~26]。德国已经用CVI法制备出性能优异的二维SiC纤维增强陶瓷基复合材料,其弯曲强度达到500~560MPa、断裂韧性为25MPa·m1/2。

3.3 溶胶-凝胶法及聚合物先驱体裂解法[5]溶胶-凝胶法及聚合物先驱体裂解法又称先驱体转化法或聚合物浸渍裂解法,是近期发展出的制造CFCC的新方法[27]。其主要工艺:将具有一定形状的纤维坯体浸入多聚物液体中,使多聚物填满纤维间的空隙,然后将多聚物在一定条件下固化后,在一定气氛下使其发生高温分解,便制得CFCC[28]。溶胶-凝胶法主要用于氧化物陶瓷基体,而先驱体转化法主要用于非氧化物陶瓷基体。采用合适的聚合物裂解和多次浸渍的方法可以提高复合材料的致密度和提高复合材料的力学性能。国防科学技术大学采用先驱体液相浸渍工艺制备三维编织连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料[29~31],复合材料的弯曲强度达570MPa,断裂韧性为18.25MPa·m1/2,材料的密度为1.7~1.9 g/c。此法的优点是裂解温度低,材料制备过程中对纤维造成的热损伤和机械损伤较小;可制备形状复杂的异型构件。但这一工艺的缺点是烧结过程中基体出现较大的收缩;由于高温裂解过程中有小分子逸出,材料空隙率较高致密度低;为了达到较高的致密度,必须经过多次浸渗和高温处理,制备周期长。

3.4 熔融金属直接氧化法[18](Lanxide法)熔融金属直接氧化法是美国Lanxide公司首先提出并进行研究的,所以又称为Lanxide法。目前此法主要用于以氧化铝陶瓷为基体的CFCC,具体步骤如下:将编织成一定形状的纤维预制体的底部与熔融的铝合金接触,在空气中熔融的金属铝发生氧化反应生成Al2O3基体。Al2O3通过纤维坯体中的空隙由毛细管作用向上生长,最终坯体中的所有空隙被Al2O3填满,制成致密的CFCC。熔融金属直接氧化法制造CFCC示意图如图4所示。

图4 熔融金属直接氧化法制造CFCC示意图Lanxide法制备CFCC可以在900~1 000℃较低温度下进行,对纤维热损伤和机械损伤小,制备的复合材料具有高强度和高韧性;此法制备过程中不存在烧成收缩,也适合制备大型构件。但是由于复合材料中或多或少的会残留有一定量的金属,导致材料的高温抗蠕变性能降低,所制备的材料致密度较低[32]。

4 CFCC的界面改性

纤维与基体间界面的主要作用为传递作用和阻断作用,而这种作用与纤维和基体间的界面特性密切相关。要想制得性能优异的复合材料,则复合材料必须满足以下基本条件[5]:

1)纤维与基体间的界面结合适中;

2)纤维与基体间的物理和化学相容性好。

高温处理是纤维和基体产生结合强度的必要过程,因此在复合材料中,纤维与基体的反应和互扩散作用以及两者之间热膨胀系数的差异等使界面的形状、尺寸、成分和结构变得十分复杂。为了获得高强度高韧性的CFCC,必须严格控制纤维和基体间的界面结构与性能,使复合材料满足上述基本条件,从而获得较好的实现纤维的补强增韧作用。目前,较理想的方法是界面改性,主要是通过在纤维与基体间设计界面相来改善纤维与基体的界面特性,从而达到改善复合材料性能的要求。界面相应该具有以下功能:①传递载荷作用。纤维是主要的载荷承担者,因此界面相应有足够的强度使纤维承受大部分载荷。②缓解作用。界面相应具备缓解纤维与基体间界面残余热应力的作用,而且能降低纤维与基体间的互扩散。③松粘作用。界面相能使裂纹发生偏转,从而阻止裂纹进一步向纤维内部扩展[33~36]。

界面改性最主要的方法是引入第三相来阻止纤维与基体间的界面反应,具体方法有[37~40]:①纤维表面涂层(单一涂层或复合涂层);②采用复合纤维;③添加组分在界面处形成偏聚来改善界面特性。由于纤维表面涂层工艺简单、效果好,因此在制备CFCC中得到广泛应用。

5 结语

由于连续纤维增强陶瓷基复合材料有着优异的力学性能和优良的高温性能,特别是在燃气涡轮、发动机的叶片、高速轴承、活塞、航天飞机的防热体等都有重要的应用。近年来世界各国如美国、日本、德国、中国等都对CFCC的研究投入较多,纤维增强陶瓷基复合材料必然将成为今后材料研究的热点。但是,目前CFCC的制备工艺还不完善,而且目前研究最多的是非氧化物纤维,这就给CFCC在高温高氧化条件下的应用带来了局限。因此,氧化物纤维增强陶瓷基复合材料的应用必然是未来研究的一个重要方向。纤维表面涂层技术是提高纤维增韧效果的一种有效途径,研究更加简单方便的涂层工艺是我们当前研究工作的重点。

『柒』 陶瓷基复合材料的介绍

陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。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。

『捌』 陶瓷基复合材料的应用

在知道里找专业文献不是太妥当，建议你到中国知识资源总库去查找国内外发表的期刊，这样可以找到国内外已经公开发表的所有相关文献资料。一般图书馆和大学可以查找，好一些的研究所也可以查找。

『玖』 金属可否作为陶瓷基复合材料的纤维增强材料

答：
复合材料 是一种混合物。
复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。按其结构特点又分为：
①纤维增强复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。
②夹层复合材料。由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。
③细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。
④混杂复合材料。由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内/层间混杂和超混杂复合材料。
复合材料主要可分为结构复合材料和功能复合材料两大类。
结构复合材料是作为承力结构使用的材料，基本上由能承受载荷的增强体组元与能连接增强体成为整体材料同时又起传递力作用的基体组元构成。增强体包括各种玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属以及天然纤维、织物、晶须、片材和颗粒等，基体则有高聚物(树脂)、金属、陶瓷、玻璃、碳和水泥等。由不同的增强体和不同基体即可组成名目繁多的结构复合材料，并以所用的基体来命名，如高聚物(树脂)基复合材料等。结构复合材料的特点是可根据材料在使用中受力的要求进行组元选材设计，更重要是还可进行复合结构设计，即增强体排布设计，能合理地满足需要并节约用材。
功能复合材料一般由功能体组元和基体组元组成，基体不仅起到构成整体的作用，而且能产生协同或加强功能的作用。功能复合材料是指除机械性能以外而提供其他物理性能的复合材料。如：导电、超导、半导、磁性、压电、阻尼、吸波、透波、磨擦、屏蔽、阻燃、防热、吸声、隔热等凸显某一功能。统称为功能复合材料。功能复合材料主要由功能体和增强体及基体组成。功能体可由一种或以上功能材料组成。多元功能体的复合材料可以具有多种功能。同时，还有可能由于复合效应而产生新的功能。多功能复合材料是功能复合材料的发展方向。

『拾』 陶瓷基复合材料有什么作用

由纤维增强陶瓷的陶瓷基复合材料既可保留陶瓷材料耐高温、高硬高强和耐磨蚀的性能，同时又克服了陶瓷的脆性，陶瓷基复合材料可满足1200℃～1900℃的使用条件。人造地球卫星、载人宇宙飞船等的发射成功，取决于称为“烧蚀材料”的陶瓷基复合材料，当宇宙飞行器从外层空间返回地球时，稠密的大气层是它的必经之地，高速的飞行速度使飞行器和空气之间产生强烈的摩擦，由此而放出的热量瞬间可高达8000℃～10000℃，“烧蚀材料”此时吸收大量的热烧掉自己的一部分，与些同时使周围的温度降低，以保证飞行器本体安然无恙。

陶瓷基复合材料除了用于航空航天部件，还可用于滑动构件、发动机部件和刀件具等。法国用长纤维增强碳化硅复合材料作为超高速列车的制动机，其优异的摩擦磨损特性是传统制动件无法相比的。

陶瓷基复合材料以优异的耐高温和耐磨损性能取胜于其他复合材料，但由于价格昂贵使其应用受到一定限制。

先进复合材料为航天航空事业做出了重大贡献，最新研究结果表明，在某些特种飞机上先进复合材料用量已占50%以上，美国最新生产的具有隐身功能的轰炸机B-2，其机体的结构材料几乎全是复合材料。当今先进复合材料已广泛扩展到其他领域，如用复合材料制成的箭，其箭杆重量减轻4%，命中率也大大提高。在汽车工业领域，用先进复合材料制成的制件代替同样性能的钢制件，可减重70%左右，而且在工艺上可一次成型，可用来制造汽车车体、受力构件、发动机架和内部构件。先进复合材料在化工、纺织业、医疗和精密仪器等领域也发挥着不可估量的作用。

先进复合材料的研究十分活跃，发展趋向有以下特点：由宏观复合向微观复合发展；由增强性的双元混杂向超混杂复合发展；由结构复合向多功能复合发展。复合材料除具有力学性能外，还有其他如电、磁、光等性能。