淺談陶瓷基復(fù)合材料的分類及性能特點(diǎn)

蔣永彪

摘 要：陶瓷基復(fù)合材料是以陶瓷為基體與各種纖維復(fù)合的一類復(fù)合材料，有效解決了陶瓷的脆性問(wèn)題，開(kāi)始在航空、航天、國(guó)防等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，例如連續(xù)纖維補(bǔ)強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料，具有高強(qiáng)度和高韌性，特別是具有與普通陶瓷不同的非失效性斷裂方式，使其受到世界各國(guó)的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的極大關(guān)注。文章對(duì)陶瓷復(fù)合材料的分類、主要性能、機(jī)械加工特點(diǎn)進(jìn)行介紹。

關(guān)鍵詞：陶瓷基復(fù)合材料；分類；力學(xué)特性；加工特點(diǎn)

1 陶瓷基復(fù)合材料分類

陶瓷基復(fù)合材料，根據(jù)增強(qiáng)體分成兩大類：連續(xù)增強(qiáng)的復(fù)合材料和不連續(xù)增強(qiáng)的復(fù)合材料，如表1所示。其中，連續(xù)增強(qiáng)的復(fù)合材料包括一方向，二方向和三方向纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，也包括多層陶瓷復(fù)合材料；不連續(xù)增強(qiáng)的復(fù)合材料包括晶須、晶片和顆粒的第二組元增強(qiáng)體和自身增強(qiáng)體，如Si3N4中等軸晶的基體中分布一些晶須狀β-Si3N4晶粒起到增韌效果。納米陶瓷既可以是添加納米尺寸的增強(qiáng)體復(fù)合材料，也可以是自身晶粒尺寸納米化及增強(qiáng)。

陶瓷基符合材料也可以根據(jù)基體分成氧化物基和非氧化物基符合材料。氧化物基復(fù)合材料包括玻璃、玻璃陶瓷、氧化物、復(fù)合氧化物等，弱增強(qiáng)纖維也是氧化物，常稱為全氧化物復(fù)合材料。非氧化物基復(fù)合材料以SiC，Si3N4，MoS2基為主。

2 陶瓷基復(fù)合材料的力學(xué)特性

陶瓷本體具有耐高溫、抗氧化、高溫強(qiáng)度高、抗高溫蠕變性好、高硬度、高耐磨損性、線膨脹系數(shù)小、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，但也存在致命的弱點(diǎn)（脆性），它不能承受激烈的機(jī)械沖擊和熱沖擊，這限制了它的應(yīng)用?？赏ㄟ^(guò)控制晶粒、相變韌化、纖維增強(qiáng)等手段制成復(fù)合材料，陶瓷基復(fù)合材料具有了更高的熔點(diǎn)、剛度、硬度和高溫強(qiáng)度，并具有抗蠕變、疲勞極限好、高抗磨性，在高溫和化學(xué)侵蝕的場(chǎng)合下能承受大的載荷等優(yōu)點(diǎn)，使其在航空、航天等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

2.1 陶瓷基復(fù)合材料的主要物理和化學(xué)性能

（1）熱膨脹。復(fù)合材料有纖維、界面和基體構(gòu)成，因此熱膨脹的相容性是非常重要的。雖然線膨脹系數(shù)彼此相同是最為理想的，但是幾乎實(shí)現(xiàn)不了。通常用線膨脹系數(shù)來(lái)表征材料的熱膨脹，晶體的線膨脹系數(shù)存在各向異性，因此，線膨脹系數(shù)的各向異性造成的熱應(yīng)力常常是導(dǎo)致多晶體材料從燒結(jié)溫度冷卻下來(lái)即發(fā)生開(kāi)裂的原因。在陶瓷基復(fù)合材料里，一般希望增強(qiáng)體承壓縮的殘余應(yīng)力，這樣即使是弱界面，也不會(huì)發(fā)生界面脫黏。

（2）熱傳導(dǎo)。陶瓷作為耐熱，隔熱材料，其熱導(dǎo)率是重要的物理性能指標(biāo)。熱導(dǎo)率對(duì)于復(fù)合材料的裂紋、空洞和界面結(jié)合情況都很敏感。

（3）氧化抗力。陶瓷基復(fù)合材料作為高溫材料，氧化抗力是重要的性能指標(biāo)。

2.2 非連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的主要力學(xué)性能

增強(qiáng)韌手段在制備工藝和增韌效果上有所差異?？梢酝ㄟ^(guò)相變?cè)鲰g大幅度提高陶瓷材料的強(qiáng)度和常溫韌性。在高溫下，相變?cè)鲰g機(jī)制失效限制了其在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用。將顆粒、晶須等增強(qiáng)物加入到基本材料中，它們的彈性模量和線膨脹系數(shù)差異在界面形成應(yīng)力區(qū)，這種應(yīng)力區(qū)和外加應(yīng)力會(huì)發(fā)生相互的作用。這樣，擴(kuò)展裂紋會(huì)產(chǎn)生釘扎、偏轉(zhuǎn)或分叉以其他形式（如相變）吸收能量，由此提高材料的斷裂抗力。顆粒彌散及晶須復(fù)合增韌（CMC）制備工藝相對(duì)容易，能明顯提高材料的斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度。高溫下使用的顆粒彌散及晶須復(fù)合增韌陶瓷基復(fù)合材料，其基體綜合考慮高溫強(qiáng)度、抗蠕變性、密度、抗氧化性、抗熱震性等條件，首選材料依然是Si3N4，SiC。在高溫條件下，它們的表面會(huì)形成SiO2保護(hù)層，可以滿足1600℃抗高溫氧化的要求。

2.3 陶瓷基復(fù)合材料的主要力學(xué)性能

（1）拉伸、壓縮和剪切力學(xué)行為。單體陶瓷的拉伸曲線是直線，而連續(xù)纖維增強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料則會(huì)在直線后經(jīng)過(guò)曲線上升到最大應(yīng)力后斷裂。

（2）斷裂韌性。不同類型的陶瓷基復(fù)合材料增韌機(jī)理有所不同。用傳統(tǒng)斷裂力學(xué)方法測(cè)出的連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料斷裂韌性可達(dá)到20MPa·m1/2，該值遠(yuǎn)高于單體陶瓷材料（≈10MPa·m1/2）。但是，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，不存在力學(xué)定義的斷裂韌性。因此斷裂功被用來(lái)評(píng)價(jià)韌性的高低。

（3）熱沖擊抗力與機(jī)械沖擊抗力。陶瓷基復(fù)合材料在熱沖擊載荷下不容易發(fā)生完全的毀壞。

（4）疲勞。跟傳統(tǒng)材料相比較，陶瓷基復(fù)合材料的疲勞壽命隨最大應(yīng)力或者應(yīng)力幅的增長(zhǎng)而下降，在室溫下，其疲勞極限為拉伸強(qiáng)度的70%-80%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基體的開(kāi)裂應(yīng)力（即最大容許應(yīng)力）。但是在高溫下，疲勞壽命的降低卻是大問(wèn)題。陶瓷基復(fù)合材料在普通工業(yè)領(lǐng)域，常用于閥體及閥座、擠壓模具及泵襯、切削刀具等，其性能遠(yuǎn)優(yōu)于普通陶瓷材料和硬質(zhì)合金。用碳化硅晶須增強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料，韌性和抗彎強(qiáng)度都有顯著提高，用作切削刀具材料，其耐用度比硬質(zhì)合金要高出一百多倍（抗彎強(qiáng)度>800MPa，斷裂韌性值8MPa·m1/2，硬度>92HRA）。

2.4 連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料（CFCC）的主要力學(xué)性能

與其陶瓷基復(fù)合材料相比，CFCC的韌性較高，受外力沖擊時(shí)，能夠產(chǎn)生非失效性破壞形式，可靠性更高。CFCC與單組分材料的性能比較見(jiàn)表2。

連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料具有與傳統(tǒng)復(fù)合材料完全不同的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，即：陶瓷增強(qiáng)體在三維空間連續(xù)，基體也在三維空間連續(xù)，增強(qiáng)體與基體在空間呈交織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種兩相均在三維空間上連續(xù)并交織的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式在天然復(fù)合材料中并不少見(jiàn)，例如動(dòng)物的骨骼、植物的枝干等，但是在合成材料領(lǐng)域卻是一種全新的復(fù)合增強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式。

到目前為止，已經(jīng)認(rèn)識(shí)到并開(kāi)始應(yīng)用于實(shí)際的連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料使用領(lǐng)域包括摩擦磨損類材料、航空結(jié)構(gòu)構(gòu)件、耐高溫機(jī)構(gòu)間、汽車構(gòu)件、抗彈防護(hù)材料等。

3 陶瓷基復(fù)合材料的加工特點(diǎn)

陶瓷基復(fù)合材料屬于脆性材料，一般是使用金剛石刀具或砂輪進(jìn)行切削或研磨加工。這種加工有可能在材料的表面或表面的下層產(chǎn)生微細(xì)的裂紋。需指出的是，顆粒增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料與陶瓷材料的加工特性類似，而纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的加工技術(shù)目前仍處于不斷發(fā)展的過(guò)程中，還未有成熟的結(jié)論。