陶瓷基復(fù)合材料研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景

康 永 豆高雅

(陜西金泰氯堿化工有限公司 陜西 榆林 718100)

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陶瓷基復(fù)合材料研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景

康 永 豆高雅

(陜西金泰氯堿化工有限公司 陜西 榆林 718100)

綜述了陶瓷基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀、基體和增強增韌纖維的選擇；對陶瓷基復(fù)合材料的界面、增韌技術(shù)及其制造工藝，尤其是對化學(xué)氣相浸滲(CVI)工藝做出了較為全面的總結(jié)和介紹。最后對陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用前景進行了展望。

陶瓷基復(fù)合材料 增韌技術(shù) 制造工藝 界面 應(yīng)用前景

陶瓷基復(fù)合材料(Ceramic Matrix Composite,CMC)是在陶瓷基體中引入第二相材料，使其增強、增韌的多相材料，又稱為多相復(fù)合陶瓷(Multiphase Composite Ceramic)或復(fù)相陶瓷(Diphase Ceramic)[1]。陶瓷基復(fù)合材料是20世紀(jì)80年代逐漸發(fā)展起來的新型陶瓷材料,包括纖維(或晶須)增韌(或增強)陶瓷基復(fù)合材料、異相顆粒彌散強化復(fù)相陶瓷、原位生長陶瓷復(fù)合材料、梯度功能復(fù)合陶瓷及納米陶瓷復(fù)合材料。它具有耐高溫、耐磨、抗高溫蠕變、熱導(dǎo)率低、熱膨脹系數(shù)低、耐化學(xué)腐蝕、強度高、硬度大及介電、透波等特點，因其在有機材料基和金屬材料基不能滿足性能要求的工況下可以得到廣泛應(yīng)用，而成為理想的高溫結(jié)構(gòu)材料，越來越受到人們的重視。但由于陶瓷材料本身具有脆性的弱點，作為結(jié)構(gòu)材料使用時缺乏足夠的可靠性，因此改善陶瓷材料的脆性已成為陶瓷材料領(lǐng)域亟待解決的問題之一。據(jù)文獻[2]報道，陶瓷基復(fù)合材料將成為在21世紀(jì)中可替代金屬及其合金的發(fā)動機熱端結(jié)構(gòu)的首選材料。鑒于此，許多國家都在積極開展陶瓷基復(fù)合材料的研究，大大拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域，并相繼研究出各種制備新技術(shù)[3]。

1 陶瓷基復(fù)合材料的基體和纖維的選擇

1.1 基體材料的選擇

對基體材料，要求它有較高的耐高溫性能,與纖維(或晶須)之間有良好的界面相容性，同時還應(yīng)考慮到復(fù)合材料制造的工藝性能?？晒┻x擇的基體材料有：玻璃、玻璃-陶瓷、氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷材料。

1)玻璃基復(fù)合材料的優(yōu)點是：易于制作(因燒成過程中可通過基體的粘性流動來進行致密化)，且增韌效果好；其缺點是：由于玻璃相的存在容易產(chǎn)生高溫蠕變，同時玻璃相還容易向晶態(tài)轉(zhuǎn)化而發(fā)生析晶，使其性能受損,使用溫度也受到限制。

2)氧化物類陶瓷是20世紀(jì)60年代以前主要使用的陶瓷材料，主要有MgO、Al2O3、SiO2、ZrO2和莫來石等，但均不宜用于高應(yīng)力和高溫環(huán)境中。

3)非氧化物陶瓷，如Si3N4、SiC等由于具有較高的強度、模量和抗熱震性及優(yōu)異的高溫機械性能而受到人們的重視，與金屬材料相比，這類陶瓷材料具有密度較低等特點。

1.2 增強增韌纖維的選擇

陶瓷基復(fù)合材料中最早使用的纖維是金屬纖維，如W、Mo、Ta等，用來增韌Si3N4、莫來石、Al2O3和Ta2O5等，此類陶瓷基復(fù)合材料雖然可以得到較高的室溫強度，但其缺點是在高溫下容易發(fā)生氧化，所以又發(fā)展了SiC涂層W芯纖維[4]。使用此種纖維增韌的Si3N4復(fù)合材料,斷裂功可提高到3 900 J/m2，但強度卻僅有55 MPa (見圖1)，然而纖維的抗氧化性問題仍未得到解決，而且當(dāng)溫度為800 ℃時，強度會嚴(yán)重下降。C纖維由于具有較高的強度、彈性模量和低成本而被廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料領(lǐng)域中，但在實際中發(fā)現(xiàn)，在高溫下C纖維與許多陶瓷基體會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

圖1 Si3N4陶瓷采用SiC涂層W芯纖維增韌前后斷裂功的變化[5]

Nicalon是由聚碳硅烷熔融紡絲后經(jīng)熱解而成的SiC纖維，其中含有過量的O和C，而過量的C有利于CMC制造過程中在f/m界面上形成富C層，它的存在有利于Si3N4增韌[6]，但在1 000 ℃以上它會嚴(yán)重氧化，使纖維性能大幅度下降，高溫下這種纖維增強復(fù)合材料還會產(chǎn)生脆化，主要是因為纖維在高溫下性能受損，f/m界面結(jié)合加強。氧化物陶瓷纖維目前還很少受到關(guān)注，主要是因為這些纖維與許多陶瓷基體界面結(jié)合過于牢固，同時纖維本身易發(fā)生晶粒長大，如果其中含有玻璃相時，則會發(fā)生高溫蠕變[6]，起不到良好的增韌效果。但經(jīng)過一系列涂層技術(shù)的研究和應(yīng)用，這類纖維的應(yīng)用前景將有所改觀。所以目前還迫切需要開發(fā)出高性能的陶瓷基復(fù)合材料的增韌纖維。

2 陶瓷基復(fù)合材料增韌技術(shù)

2.1 纖維增韌

為了提高復(fù)合材料的韌性，必須盡可能提高材料斷裂時消耗的能量。任何固體材料在載荷作用下(靜態(tài)或沖擊)，吸收能量的方式無非是材料變形和形成新的表面。對于脆性基體和纖維來說，允許的變形范圍很小，因此變形吸收的斷裂能也很少。為了提高這類材料的吸收能量，只能是增加斷裂表面，即增加裂紋的擴展路徑。纖維的引入不僅提高了陶瓷材料的韌性，更重要的是使陶瓷材料的斷裂行為發(fā)生了根本性變化，由原來的脆性斷裂變成了非脆性斷裂。纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的增韌機制包括基體預(yù)壓縮應(yīng)力、裂紋擴展受阻、纖維拔出、纖維橋聯(lián)、裂紋偏轉(zhuǎn)、相變增韌等[7～8]。

目前能用于增強陶瓷基復(fù)合材料的纖維種類較多，包括氧化鋁系列(包括莫來石)、碳化硅系列、氮化硅系列、碳纖維等，除了上述系列纖維外，現(xiàn)在正在研發(fā)的還有BN、TiC、B4C等復(fù)相纖維[9]。利用漿料法結(jié)合真空浸滲工藝,制備了二維(2D)石英纖維增強多孔Si3N4-SiO2基復(fù)合材料，增加浸滲次數(shù)雖不能有效提高復(fù)合材料強度[10]，但卻使裂紋偏轉(zhuǎn)因子變小，斷裂模式由韌性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變,斷口形貌由纖維成束拔出變?yōu)槎嗉壈纬?。利用LPCVI技術(shù)制備了三維連續(xù)纖維增韌碳化硅基復(fù)合材料[11]。當(dāng)復(fù)合材料界面相厚度為0.19 μm，體積密度為2 101～2 105 g/cm3時，用碳纖維T300增韌后的復(fù)合材料的彎曲強度為459 MPa，斷裂韌性為2 010 MPa·m1/2，斷裂功為25 170 J/m2。

纖維拔出是纖維復(fù)合材料的主要增韌機制，通過纖維拔出過程的摩擦耗能，使復(fù)合材料的斷裂功增大。纖維拔出過程的耗能取決于纖維拔出長度和脫粘面的滑移阻力?；谱枇^大，纖維拔出長度較短，增韌效果不好；滑移阻力過小，盡管纖維拔出長度較長，但摩擦做功較小，增韌效果不好，且強度較低。纖維拔出長度取決于纖維強度分布、界面滑移阻力[12]。因此，在構(gòu)組纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料時，應(yīng)考慮：纖維的強度和模量高于基體，同時要求纖維強度具有一定的Weibull分布；纖維與基體之間具有良好的化學(xué)相容性和物理性能匹配[13]；界面結(jié)合強度適中，既保證載荷傳遞，在裂紋擴展中適當(dāng)解離，又能有較長的纖維拔出，以達到理想的增韌效果。

2.2 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復(fù)合材料的增韌增強體[14]。目前常用的陶瓷晶須有SiC晶須，Si3N4晶須和Al2O3晶須；基體常用的有ZrO2，Si3N4，SiO2，Al2O3和莫來石等。采用30%(體積分?jǐn)?shù))B-SiC晶須增強莫來石，在SPS燒結(jié)條件下材料強度比熱壓高10%左右，為570 MPa，斷裂韌性為415 MPa·m1/2比純莫來石提高100%以上[15]。在2%(摩爾分?jǐn)?shù))Y2O3-超細料中加入30%(體積分?jǐn)?shù))的SiC晶須，可以細化2Y-ZrO2材料的晶粒，并使材料的斷裂方式由沿晶斷裂為主變?yōu)榇┚嗔褳橹鞯幕旌蠑嗔眩瑥亩@著提高了復(fù)合材料的剛度和韌性[16]。

晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料的主要增韌機制包括晶須拔出、裂紋偏轉(zhuǎn)、晶須橋聯(lián)，其增韌機理與纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料類似。晶須增韌效果不隨著溫度的變化而變化，因此晶須增韌被認為是高溫結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料的主要增韌方式。晶須增韌陶瓷復(fù)合材料主要有2種方法[17]：

1) 外加晶須法。即通過晶須分散、晶須與基體混合、成形、再經(jīng)煅燒制得增韌陶瓷?？杉尤氲窖趸?、碳化物、氮化物等基體中得到增韌陶瓷復(fù)合材料，目前此方法應(yīng)用較為普遍。

2) 原位生長晶須法。將陶瓷基體粉末和晶須生長助劑等直接混合成形，在一定的條件下原位合成晶須，同時制備出含有該晶須的陶瓷復(fù)合材料，這種方法尚未成熟，有待進一步探索。

晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料與很多因素有關(guān)，首先晶須與基體應(yīng)選擇得當(dāng)，兩者的物理、化學(xué)相容性要匹配才能使陶瓷復(fù)合材料在韌性上得到提高[18]；其次晶須的含量存在臨界含量和最佳含量，復(fù)合材料的斷裂韌性隨晶須體積含量Vf的增加而增大。但是，隨著晶須含量的增加，因晶須的橋聯(lián)作用，使復(fù)合材料的燒結(jié)致密化變得困難。

2.3 相變增韌

相變增韌ZrO2陶瓷是一種極有發(fā)展前途的新型結(jié)構(gòu)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(yōu)良的力學(xué)性能，低的導(dǎo)熱系數(shù)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，是復(fù)合材料和復(fù)合陶瓷中重要的增韌劑。近年來，具有各種性能的ZrO2陶瓷和以ZrO2為相變增韌物質(zhì)的復(fù)合陶瓷迅速發(fā)展，在工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的許多領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用[19]。ZrO2的增韌機制一般認為有應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌、微裂紋增韌、壓縮表面韌化[20]。在實際材料中究竟何種增韌機制起主導(dǎo)作用，在很大程度上取決于四方相向單斜相馬氏體相變的程度高低及相變在材料中發(fā)生的部位。

2.4 顆粒增韌

利用顆粒作為增韌劑，制備顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料，其原料的均勻分散及燒結(jié)致密化都比短纖維及晶須復(fù)合材料簡便易行。因此，盡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(dāng)，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。所以，顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料同樣受到重視，并開展了有效的研究工作。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[21]。非相變第二相顆粒的增韌主要是通過添加顆粒使基體和顆粒間產(chǎn)生彈性模量和熱膨脹失配來達到強化和增韌的目的，此外，基體和第二相顆粒的界面在很大程度上決定了增韌機制和強化效果，目前使用較多的是氮化物和碳化物等顆粒。延性顆粒增韌是在脆性陶瓷基體中加入第二相延性顆粒(一般加入金屬粒子)來提高陶瓷的韌性。金屬粒子作為延性第二相引入陶瓷基體內(nèi)，不僅改善了陶瓷的燒結(jié)性能，而且還可以多種方式防止陶瓷中裂紋的擴展，如裂紋的鈍化、偏轉(zhuǎn)、釘扎及金屬粒子的拔出等，可使復(fù)合材料的抗彎強度和斷裂韌性得以提高[22]。金屬粒子增韌陶瓷的增韌效果歸因于金屬的塑性變形或裂紋偏轉(zhuǎn)，且其韌化的強烈取決于金屬粒子的形狀。當(dāng)其形狀呈顆粒狀時，增韌機制主要是裂紋偏轉(zhuǎn)；而金屬的塑性變形則主要發(fā)生于金屬呈纖維、薄片等形狀存在的復(fù)合材料中。

2.5 納米復(fù)合陶瓷增韌

納米技術(shù)的出現(xiàn)，在改善傳統(tǒng)材料性能方面顯示出極大的優(yōu)勢，基于納米的研究將使陶瓷增韌技術(shù)獲得革命性突破。納米陶瓷由于晶粒的細化，晶界數(shù)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。在微米級Al2O3基體中加入體積分?jǐn)?shù)為5%的SiC納米顆粒并得到較高強度。圍繞納米顆粒復(fù)合陶瓷的研究越來越多[23]，其中Al2O3/SiC納米復(fù)合材料研究成果最為成熟。

納米相在復(fù)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(Intergranular)納米相；另一種則“嵌入”基質(zhì)晶粒內(nèi)部，被稱為晶內(nèi)(Intragranular)納米相或“內(nèi)晶型”結(jié)構(gòu)。兩種結(jié)構(gòu)共同作用產(chǎn)生了兩個顯著的效應(yīng)：穿晶斷裂和多重界面，從而對材料的力學(xué)性能起到重要的影響。有關(guān)納米陶瓷復(fù)合材料的增韌強化機理目前還不明確，看法不一，將其歸納起來有以下幾種理論[24]：

1)細化理論。該理論認為納米相的引入能抑制基體晶粒的異常長大，使基體結(jié)構(gòu)均勻細化，是納米陶瓷復(fù)合材料強度韌性提高的一個原因。

2)穿晶理論。該理論認為基體顆粒以納米顆粒為核發(fā)生致密化而將納米顆粒包裹在基體晶粒內(nèi)部，因此在納米復(fù)合材料中，存在“晶內(nèi)型”結(jié)構(gòu)，而納米復(fù)合材料性能的提高與“晶內(nèi)型”結(jié)構(gòu)的形成及由此產(chǎn)生的次界面效應(yīng)有關(guān)?！熬?nèi)型”結(jié)構(gòu)能減弱主晶界的作用，誘發(fā)穿晶斷裂，使材料斷裂時產(chǎn)生穿晶斷裂而不是沿晶斷裂。

3)“釘扎”理論。該理論認為存在于基體晶界的納米顆粒因產(chǎn)生“釘扎”效應(yīng)，從而限制晶界滑移和孔穴、蠕變的發(fā)生。氧化物陶瓷高溫強度衰減主要是由于晶界的滑移、孔穴的形成和擴散蠕變造成的，因此“釘扎”效應(yīng)是納米顆粒改善氧化物高溫強度的主要原因。

2.6 自增韌陶瓷

如果在陶瓷基體中引入第二相材料，該相不是事先單獨制備的，而是在原料中加入可以生成第二相的原料，然后控制生成條件和反應(yīng)過程，直接通過高溫化學(xué)反應(yīng)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?；蚓脑鰪婓w，形成陶瓷復(fù)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于晶須對材料的增韌機理，有裂紋的橋接增韌、裂紋的偏轉(zhuǎn)和晶粒的拔出，其中橋接增韌是主要的增韌機理[25]。目前，自增韌陶瓷主要有Si3N4、Sialon、Al-Zr-C、Ti-B-C、SiC、Al2O3、ZrB2/ZrCO16/Zr等，但目前研究較多的是Si3N4和Sialon。氮化硅晶體具有生長各向異性，在高溫時，其A相能夠向B相轉(zhuǎn)變，B-Si3N4晶體會繼續(xù)長大使其顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[26]。因此，可通過B-Si3N4晶粒的形核和生長來獲得所需要的顯微結(jié)構(gòu)，從而形成自增韌Si3N4陶瓷。Sialon是Si3N4中Si、N原子被Al及O原子置換所形成的一大類固溶體的總稱，因此也可以利用Si3N4的這種相變來達到增韌的目的。

3 陶瓷基復(fù)合材料的界面

復(fù)合材料的界面是指基體與補強劑之間化學(xué)成分有顯著變化的、構(gòu)成彼此結(jié)合的、能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。界面雖然很小，但界面的結(jié)合方式要符合材料的性能[27～28]。

陶瓷基復(fù)合材料的界面結(jié)合方式包括化學(xué)結(jié)合、物理結(jié)合、機械結(jié)合和擴散結(jié)合，其中以化學(xué)結(jié)合為主，有時幾種界面結(jié)合方式同時存在。由于在陶瓷基復(fù)合材料中存在人為的界面，而界面又起著很重要的作用，故可按所需控制界面以達到理想的效果。現(xiàn)階段界面的控制方法主要有以下幾種：

3.1 改變補強劑表面的性質(zhì)

改變補強劑的表面性質(zhì)是用化學(xué)手段控制界面的方法。如在SiC晶須表面形成富碳結(jié)構(gòu)的方法，在纖維表面以化學(xué)氣相沉積(CVD)或物理氣相沉積(PVD)的方法進行BN或碳涂層的方法等。這些方法的目的都是為防止補強劑與基體之間產(chǎn)生反應(yīng)，從而獲得最佳的界面力學(xué)特性。改變補強劑表面性質(zhì)的另一個目的是改善纖維與基體之間的結(jié)合力。

3.2 補強劑的表面涂層

涂層技術(shù)的應(yīng)用是實用的界面控制方法之一，可以分為CVD、PVD、噴鍍和噴射等工藝。涂層的主要目的是防止成形過程中纖維與基體反應(yīng)，調(diào)節(jié)界面剪切破壞能量以提高剪切強度。

3.3 向基體添加特定的元素

采用燒結(jié)法制造陶瓷基(如氧化鋁基等)復(fù)合材料的過程中，為了利于燒結(jié)，常常在基體中添加一些元素(如CaO、MgO等)，有時為了使纖維與基體發(fā)生適度的反應(yīng)以控制界面，也可以添加一些元素(如Y2O3、TiO2等)，以便在熱處理過程中獲得最佳界面，從而達到增韌的目的。

4 陶瓷基復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝

4.1 傳統(tǒng)的漿料浸滲工藝

漿料浸滲工藝目前在制造長纖維補強玻璃和玻璃-陶瓷及低熔點陶瓷基復(fù)合材料上應(yīng)用最多，且最為有效，熱壓燒結(jié)時的溫度應(yīng)接近或略高于玻璃的軟化點，這樣利于粘性流動，以促進致密化過程的進行。

4.2 Sol-gel法和聚合物熱解法

這種方法是近年來發(fā)展起來的， Sol-gel法是將金屬醇鹽在室溫或略高于室溫下水解、縮聚，得到溶膠和凝膠，再將其進行熱處理，得到玻璃和陶瓷[29]。

4.3 熔體浸滲法

熔體浸滲法在金屬基復(fù)合材料方面得到了廣泛應(yīng)用，并且卓有成效。但迄今為止，在陶瓷基復(fù)合材料方面所做的工作仍然較少，還未得到應(yīng)有的重視。這種方法只需通過浸滲處理即可得到完全致密和沒有裂紋的基體，從預(yù)制件到成品的處理過程中，其尺寸基本不發(fā)生變化，適合于制作任何形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件。

4.4 化學(xué)氣相浸滲(Chemical Vapor Infiltration，CVI)工藝

CVI工藝是在CVD工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種制備復(fù)合材料的新方法，CVI法能將反應(yīng)物氣體滲入到多孔體內(nèi)部，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并進行沉積，特別適用于制備由連續(xù)纖維增強的陶瓷基復(fù)合材料。與固相粉末燒結(jié)法和液相浸漬法相比，CVI工藝在制備陶瓷基復(fù)合材料方面具有以下顯著優(yōu)點：①可以在較低溫度下制備材料，如在800～1 200 ℃下制備SiC陶瓷，而傳統(tǒng)的粉末燒結(jié)法的燒結(jié)溫度在2 000 ℃以上；②可以制備硅化物、碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等多種陶瓷材料，并實現(xiàn)在微觀尺度上的成分設(shè)計，③可以制備形狀復(fù)雜、近尺寸(Near-net Shapped)和纖維體積分?jǐn)?shù)高的部件，由于制備過程是在較低溫度下進行，并且不需外加壓力，材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力小,纖維幾乎不受損傷。

CVI工藝方法主要分為[30]：等溫CVI(ICVI)、熱梯度CVI、等溫強制對流CVI、熱梯度強制對流CVI(FCVI)、脈沖CVI和位控CVD(PC-CVD)等6種。在這些方法中，最具有代表性的是ICVI和FCVI方法。下面主要介紹這兩種方法的基本原理：

1) ICVI法。又稱靜態(tài)法，是把被浸滲的部件放在均熱的空間，反應(yīng)物氣體通過擴散滲入多孔體內(nèi)，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并進行沉積，其副產(chǎn)物氣體再通過擴散向外散逸[31]。

2) FCVI法。它是由美國ORNL首先提出，是動態(tài)CVI法中最典型的方法。在纖維多孔體內(nèi)施加一個溫度梯度，同時施加一個反向的氣體壓力梯度，迫使反應(yīng)氣體強行通過多孔體，在溫度較高處發(fā)生沉積，在此過程中，沉積界面不斷由高溫區(qū)向低溫區(qū)推移，或在適當(dāng)?shù)臏囟忍荻妊睾穸确较蚓鶆虺练e[32～33]。

5 結(jié)語

陶瓷是一種脆性材料，在制備、機械加工以及使用過程中，容易產(chǎn)生一些內(nèi)在和外在缺陷，嚴(yán)重限制了其應(yīng)用，因此提高陶瓷材料的韌性成為影響陶瓷材料在高技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用的關(guān)鍵。

近年來，材料學(xué)科因受自然界高性能生物材料的啟發(fā)，而提出了模仿生物材料結(jié)構(gòu)制備高韌性陶瓷材料的思路。SiC薄片與石墨片層交替疊層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料與常規(guī)SiC陶瓷材料相比，其斷裂韌性和斷裂功提高了幾倍甚至幾十倍，成功地實現(xiàn)了仿貝殼珍珠層的宏觀結(jié)構(gòu)增韌。

國內(nèi)外科研人員在陶瓷基層狀復(fù)合材料力學(xué)性能方面進行了大量的試驗研究，取得了很大進展。陶瓷基層狀復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)劣關(guān)鍵在于界面層材料，能夠應(yīng)用在高溫環(huán)境下，抗氧化的界面層材料還有待進一步開發(fā)；此外，在使用C、BN等弱力學(xué)性能的材料作為界面層時，雖然能夠得到綜合性能優(yōu)異的層狀復(fù)合材料，但是基體層與界面層之間結(jié)合強度低的問題還有待進一步解決。

陶瓷基層狀復(fù)合材料的制備工藝具有簡便易行、易于推廣、制備周期短且成本低廉等優(yōu)點，不僅可應(yīng)用于制備大的或形狀復(fù)雜的陶瓷部件，這種層狀結(jié)構(gòu)還能與其它增韌機制相結(jié)合，產(chǎn)生不同尺度多級增韌機制協(xié)同作用，實現(xiàn)了簡單成分多重結(jié)構(gòu)復(fù)合，從本質(zhì)上突破了復(fù)雜成分簡單復(fù)合的舊思路。這種新的工藝思路是對傳統(tǒng)陶瓷基復(fù)合材料制備工藝的重大突破，將為陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用開辟廣闊前景。

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The Research Status and Future Development of Ceramic Matrix Composites

Kang Yong,Dou Gaoya

(Shaanxi Jintai Chlor-alkali Chemical Industry Co.,Ltd,Shaanxi,Yulin,718100)

This paper reviews the research status of ceramic matrix composites, the matrix and the toughening and reinforcing fiber choice, in ceramic matrix composites, interfacial toughening technology and manufacturing process, especially made a more comprehensive summary and introduction of CVI technology, finally, the future development of ceramic matrix composites composites was prospected.

Ceramic matrix composite; Toughening technology; Manufacturing process; Interface; Development trend

康永(1981-)，碩士研究生，工程師；主要從事復(fù)合材料及精細化學(xué)品的研究工作。

TB332

B

1002-2872(2016)11-0009-06