碳纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的研究進展

蘇純蘭 周長靈 徐鴻照 楊芳紅 姜凱 劉福田

摘 要：碳纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料不僅具有耐高溫、耐磨損、抗氧化和機械性能良好的優(yōu)點，還具有抗熱震、抗燒蝕、抗疲勞和抗蠕變等特性，在空天飛行器的熱防護系統(tǒng)、航空發(fā)動機、火箭發(fā)動機、高性能制動以及先進核能等高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)部件上具有良好的應(yīng)用前景。本文介紹了該復(fù)合材料在碳纖維、陶瓷基體、復(fù)合材料制備方法及應(yīng)用等方面的研究進展，以便更好地了解目前該研究領(lǐng)域在國內(nèi)外的研究熱點。

關(guān)鍵詞：碳纖維;陶瓷基體;復(fù)合材料;制備方法

1 前 言

隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，高超聲速飛行器已經(jīng)成為各軍事強國傾力開發(fā)的重要突防手段。高超聲速飛行器是指飛行速度在5倍聲速以上，即馬赫數(shù)大于5的空天飛行器。與傳統(tǒng)的飛行器相比，高超聲速飛行器可有效地減少防御響應(yīng)時間，提高飛行器自身生存的能力，具有機動性能好、突防和反防御能力強、可以實現(xiàn)遠程精確打擊等特性[1]。但是，隨著飛行器飛行速度的不斷提高，以及受飛行環(huán)境復(fù)雜多變等條件的影響，高超聲速飛行器在進行高超聲速飛行時會產(chǎn)生強烈的氣動加熱，使得飛行器表面某些部位的溫度高達2000℃。由于飛行器所面臨的服役環(huán)境越來越惡劣，飛行器熱防護系統(tǒng)對于飛行器的安全作用也就越來越重要。所以，探索應(yīng)用在高溫環(huán)境下的熱防護材料，對高超聲速飛行器的發(fā)展具有重要意義。

目前，常用的耐高溫材料有難熔金屬及其合金、改性的抗燒蝕Cf/C復(fù)合材料、超高溫陶瓷及其復(fù)合材料等。其中，碳纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料因其高溫強度高、韌性好以及耐腐蝕性能好等優(yōu)點，成為目前最有發(fā)展前景的耐高溫材料之一，在國防和航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[2、4]。

2 碳纖維的發(fā)展及應(yīng)用

碳纖維是由有機纖維經(jīng)過一系列熱處理轉(zhuǎn)化而成，是含碳量在90%以上的無機高性能纖維[5]。碳纖維的力學(xué)性能優(yōu)異，其抗拉強度是鋼的4 ～ 5倍，比強度是鋼的10倍，密度是鋼的1/4。在惰性氣氛下，碳纖維具有很高的耐熱性，耐熱溫度可達到2000℃，并具有熱膨脹系數(shù)低、抗腐蝕和抗輻射性好的特點[6]。目前，碳纖維已經(jīng)成為我國經(jīng)濟以及國防建設(shè)中必不可少的材料之一，有“黑色黃金”之稱。

2.1 碳纖維的國外發(fā)展歷程

碳纖維起源于18世紀(jì)中期，是由美國發(fā)明家愛迪生和英國發(fā)明家斯旺共同發(fā)明的，他們利用竹子和纖維素研究出了最早的纖維，并將其用于電燈的燈絲。1959年，美國Union Carbide Corp公司利用人造絲制造出碳纖維。1962年，日本大阪工業(yè)材料研究所以聚丙烯腈（Polyacryonitrile，簡寫為PAN）為原料制造出碳纖維。同年，日本東麗公司開始從碳纖維原絲的角度進行研究，并在1967年成功研制出T300聚丙烯腈基碳纖維。1963年，日本大谷杉郎教授以瀝青為原料研制出碳纖維。到20世紀(jì)70年代，碳纖維開始由實驗室研發(fā)轉(zhuǎn)入工業(yè)化批量生產(chǎn)。1969年，日本東麗公司結(jié)合當(dāng)時美國的碳纖維生產(chǎn)技術(shù)，生產(chǎn)出具有高強度、高模量的碳纖維。進入21世紀(jì)后，隨著科技的不斷發(fā)展，碳纖維的需求量以及碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，碳纖維已成為材料行業(yè)的研究熱點之一[5-8]。

目前，世界上主要的碳纖維生產(chǎn)廠商有日本的東麗、東邦以及三菱麗陽、美國的Hexcel、Cytec以及德國SGL公司等。其中，日本東麗公司在碳纖維的質(zhì)量、生產(chǎn)技術(shù)以及種類方面都居于世界前列。圖1和圖2分別是全球小絲束和大絲束碳纖維的產(chǎn)出分布。

2.2 碳纖維的國內(nèi)發(fā)展歷程

從20世紀(jì)60年代開始，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國的碳纖維從無到有、從研制到生產(chǎn)都取得了顯著的成就。90年代后期，我國的碳纖維發(fā)展進入技術(shù)轉(zhuǎn)型期。北京化工大學(xué)通過開展有機溶劑體系制備高強度碳纖維原絲的技術(shù)研究，實現(xiàn)了以間歇溶液聚合、多道紡絲梯度凝固、多道熱水洗滌、蒸汽定形等技術(shù)為核心的原絲工藝技術(shù)。21世紀(jì)初，有機溶劑一步法濕法紡絲、其它溶劑一步法或二步法濕法紡絲工藝等高強碳纖維的工程化技術(shù)研究取得進展[5]。但是，相比于日美等國，國內(nèi)碳纖維的研制與生產(chǎn)水平還較低，大部分高等級碳纖維還依賴進口[9]。

2.3 碳纖維的應(yīng)用

碳纖維產(chǎn)生于上世紀(jì)50年代，初期主要應(yīng)用于火箭、宇航及航空等尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于紡織、化工、體育、機械及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

2.3.1 航天領(lǐng)域的應(yīng)用

碳纖維由于其有較小的質(zhì)量、較好的導(dǎo)熱性以及剛性，被廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。在航空航天領(lǐng)域，碳纖維最早用于人造衛(wèi)星的天線和衛(wèi)星支架的制造，同時因其耐熱耐疲勞的特性，碳纖維在固體火箭發(fā)動機殼體和噴管上也得到了廣泛應(yīng)用 [10]。據(jù)相關(guān)部門調(diào)查統(tǒng)計，2016年有1.76萬噸碳纖維應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，其中商用飛機占70.5%、公務(wù)機占11.4%、軍用飛機占10.5%[8]。如果飛機材料中碳纖維的比例進一步增加，則飛行速度還能提高20%左右[11]。

碳纖維復(fù)合材料自20世紀(jì)70年代以來首次被應(yīng)用在飛機上的一些二級結(jié)構(gòu)，如整流罩、控制儀表盤和機艙門等。近三十年來，隨著碳纖維制備工藝的成熟及高性能碳纖維的產(chǎn)生，碳纖維復(fù)合材料逐步應(yīng)用到機翼、機身等受力大、尺寸大的主承力結(jié)構(gòu)中。根據(jù)商用飛機發(fā)布的市場預(yù)測年報，未來二十年我國預(yù)計將交付8575架客機，價值約12104億美元，占全球訂單總價值的21%，這說明國產(chǎn)大飛機崛起，驅(qū)動作為航空核心材料的碳纖維的發(fā)展進入了快車道[12-14]。

2.3.2 體育領(lǐng)域的應(yīng)用

碳纖維具有優(yōu)良的力學(xué)特性，被廣泛應(yīng)用于體育領(lǐng)域，如高爾夫球桿、球拍、棒球棒等。據(jù)統(tǒng)計，全世界每年的棒球棒產(chǎn)量達3400萬支，其中40%的棒球棒是由碳纖維制成的。由于碳纖維有高阻尼特性，所以在擊球的瞬間，觸球時間會增加，從而增加了球的初速度和被擊出的距離。2008年，碳纖維在自行車方面的應(yīng)用取得突破性進展，由碳纖維制造的自行車的重量是普通自行車的2/5，但抗撞擊能力卻是普通自行車的8倍，同時具有更好的減震性[6]。其它體育項目的應(yīng)用還包括冰球棍、滑雪杖、垂釣、撐桿跳高等。此外，碳纖維在劃船、賽艇以及其它海洋運動中也有廣泛應(yīng)用。

2.3.3 汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

碳纖維的質(zhì)量輕、強度大等特性使得碳纖維在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用也十分廣泛。目前，碳纖維已經(jīng)成為汽車制造和汽車裝飾的常用材料。在復(fù)合材料的配合下，碳纖維汽車成了家用車中的裝甲車。例如，汽車的剎車片、傳動軸等都使用了碳纖維材料[15]。碳纖維雖然輕，但安全性較高。實際上碳纖維的抗沖擊性比鋼鐵強，特別是用碳纖維制成的方向盤，機械強度和抗沖擊性更高。另外，碳纖維復(fù)合材料已經(jīng)應(yīng)用在高速列車的裙擺上。

2.3.4 其它領(lǐng)域的應(yīng)用

除了以上領(lǐng)域，碳纖維還在多個領(lǐng)域有應(yīng)用。在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域，由于碳纖維復(fù)合材料的性能穩(wěn)定，具有較好的生物相容性，可與人體細(xì)胞共存，所以，可以做成人工骨骼或者是人體假肢等。碳纖維的X光透過性是木材的10倍，在做CT掃描時，如果將木床改為碳纖維制品床，可以減少X光的吸收[16]。隨著科技水平與醫(yī)療水平的提高，碳纖維復(fù)合材料在醫(yī)療設(shè)備上將會有更加廣闊的應(yīng)用前景。此外，碳纖維在電化學(xué)領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用[17]。目前，利用碳纖維制成的質(zhì)子交換膜擴散電極材料已經(jīng)得到了很好的發(fā)展。

3 超高溫陶瓷材料的研究現(xiàn)狀及制備工藝

3.1 超高溫陶瓷材料的研究現(xiàn)狀

近年來，隨著航空航天技術(shù)的迅速發(fā)展和實現(xiàn)空天一體化的迫切需求，高超聲速飛行器已是各軍事強國航空航天部門的重點研究對象。在長時間高超聲速巡航、跨大氣層飛行和大氣層再入等極端環(huán)境下，飛行器的端頭和機翼前緣等關(guān)鍵部件在飛行過程中與大氣劇烈摩擦，產(chǎn)生高溫[18]，會產(chǎn)生大的熱梯度和熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，對高超聲速飛行器的安全性和可靠性造成了嚴(yán)重打擊。在此情況下，傳統(tǒng)的高溫合金材料已然不能滿足高超聲速飛行器熱防護系統(tǒng)的需要，而超高溫陶瓷材料以其優(yōu)異的綜合性能有望成為新一代高溫?zé)岱雷o材料，從而處于高溫?zé)岱雷o材料的研究前沿。

超高溫陶瓷材料（Ultrahigh-Temperature Ceramics，簡稱UHTCs）主要指在高溫環(huán)境（2000℃以上）和反應(yīng)氣氛（如氧化環(huán)境、等離子體）中能夠保持物理和化學(xué)穩(wěn)定的一種特殊材料，通常包括硼化物、碳化物、氮化物等一些高熔點過渡金屬化合物。其中，HfB2、ZrB2、HfC、ZrC、TaC等硼化物、碳化物超高溫陶瓷材料都具有優(yōu)異的物理性能，如高熔點、高熱導(dǎo)率、高彈性模量等，并能在高溫下保持很高的強度，同時還具有良好的抗熱震性和適中的熱膨脹率，因此，受到廣泛關(guān)注。

ZrB2-SiC復(fù)合材料具有高強度、良好的抗熱震性和抗氧化性，主要表現(xiàn)在，當(dāng)溫度在30 s內(nèi)由室溫上升到2200℃時材料不被破壞[18]。Cecilia等[20]在以等離子噴涂法制備ZrB2-SiC復(fù)合防護涂層時發(fā)現(xiàn)，在氧化環(huán)境中，當(dāng)溫度達到2100 K時，添加約25%的SiC可誘導(dǎo)陶瓷材料在熱處理過程中產(chǎn)生自我保護機制。

硼化物陶瓷具有熔點高、難以燒結(jié)致密的特點，如純ZrB2的燒結(jié)溫度較高，需要在2300℃以上[19]。如何提高硼化物陶瓷的致密度一直是國內(nèi)外學(xué)者的研究重點，為此，學(xué)者們也對硼化物陶瓷基復(fù)合材料的燒結(jié)致密工藝進行了大量的研究[20]。Monteverde等[22]以體積分?jǐn)?shù)為3%的HfN作燒結(jié)助劑，并添加體積分?jǐn)?shù)為19.5%的SiC微粒，在1900℃和50 MPa的熱壓燒結(jié)條件下制備出耐高溫的（ZrB2-HfB2）-SiC復(fù)合材料。研究表明，其密度基本達到理論密度，同時（ZrB2-HfB2）-SiC復(fù)合材料的室溫強度達到（765±20） MPa，在1500℃其強度可達到（250±45） MPa。Kim等[23]以鑭為燒結(jié)助劑，將ZrC和ZrB2的混合粉體在氬氣氣氛下進行球磨，采用放電等離子燒結(jié)法在1800℃下進行燒結(jié)，燒結(jié)后的致密度達到97%。測試發(fā)現(xiàn)，鑭燒結(jié)助劑的加入使ZrC和ZrB2晶粒有相似的生長趨勢且不會引起晶粒的異常長大;含鑭ZrB2-ZrC復(fù)合材料的斷裂韌性約為2.56 MPa·m1/2，與純復(fù)合材料的斷裂韌性（2.62 MPa·m1/2）相當(dāng)，表明鑭作為燒結(jié)助劑對ZrB2-ZrC復(fù)合材料起到良好的燒結(jié)作用，且不影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。

3.2 超高溫陶瓷材料的制備

超高溫陶瓷材料的制備方法有許多，使用最多的是燒結(jié)法，燒結(jié)法主要有熱壓燒結(jié)、無壓燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)等，目前最常用的方法是熱壓燒結(jié)法。

3.2.1 熱壓燒結(jié)

許多陶瓷粉體（或者素坯）的燒結(jié)，由于燒結(jié)溫度的提高和燒結(jié)時間的延長，會導(dǎo)致晶粒的異常長大[24]。與無壓燒結(jié)相比，熱壓燒結(jié)具有降低燒結(jié)溫度和縮短燒結(jié)時間的優(yōu)點，可以獲得細(xì)小晶粒的陶瓷材料。此外，一些易揮發(fā)組分的陶瓷，如氧化鋅、氧化鉛和用纖維、晶須、片狀晶粒、顆粒彌散強化的陶瓷基復(fù)合材料等，用熱壓燒結(jié)比無壓燒結(jié)更容易獲得高致密度的陶瓷[25]。

熱壓燒結(jié)得到的陶瓷材料的性能受原材料的顆粒尺寸和純度的影響。一般來說，顆粒的細(xì)化有利于陶瓷材料的燒結(jié)和致密化[26、27]。研究發(fā)現(xiàn)，在2000℃和20 MPa的燒結(jié)條件下，當(dāng)ZrB2的顆粒尺寸由20 μm降到2.1 μm時，材料的致密度將由73%提高到91%[23、27];如果將ZrB2顆粒進一步球磨至0.5 μm以下，在900℃和32 MPa的燒結(jié)條件下，可獲得完全致密的ZrB2陶瓷材料[28]。

Zhang等[29]利用熱壓燒結(jié)法制得ZrB2-SiC-C復(fù)相陶瓷，該復(fù)相陶瓷的斷裂韌性高達6.4 MPa·m1/2，相比ZrB2-SiC（SiC體積分?jǐn)?shù)20%）陶瓷提高39%，但彎曲強度略有下降。他們采用同樣的方法制備出ZrB2-SiC-LaB6陶瓷，在2400℃時，ZrB2-SiC-LaB6陶瓷仍具有優(yōu)良的抗氧化性，這是由于材料表面形成了一層連續(xù)致密的硼酸鹽保護層，抑制了氧的深入擴散，從而提高了ZrB2 - SiC -LaB6陶瓷的抗氧化性。

3.2.2 無壓燒結(jié)

與熱壓燒結(jié)相比，無壓燒結(jié)可以制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷部件，降低材料的制備成本。由于在燒結(jié)過程中不施加壓力，超高溫陶瓷材料的無壓燒結(jié)溫度一般會比熱壓燒結(jié)溫度高200℃左右，因而會導(dǎo)致晶粒的快速增大，導(dǎo)致材料的力學(xué)性能下降，因此無壓燒結(jié)一般需要添加燒結(jié)助劑[30、31]。Sumin Zhu等[32]人采用無壓燒結(jié)法，將2 wt%的B4C和1 wt%的C作為燒結(jié)助劑進行研究，發(fā)現(xiàn)燒結(jié)助劑不僅可以與表面氧化物反應(yīng)，促進材料的致密化，還可以抑制晶粒生長，使得材料強度高達（473±43） MPa。D. Sciti等[33]人以Si3N4和MoSi2作為燒結(jié)助劑，采用無壓燒結(jié)制備ZrB2-SiC，使ZrB2-SiC復(fù)合陶瓷致密化。研究表明，添加Si3N4的ZrB2-SiC材料的韌性可以達到3.8 MPa·m1/2，強度達到300 MPa;添加MoSi2的ZrB2-SiC材料的韌性達到5 MPa·m1/2，強度達到410 MPa。

據(jù)報道，對于ZrB2和HfB2這兩類超高溫陶瓷材料，B4C被認(rèn)為是最有效的燒結(jié)助劑。B4C在1200℃時可以與ZrO2反應(yīng)制得ZrB2，同時不會對復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生消極影響。在粒徑為2 μm的ZrB2粉體中添加2 wt%的B4C和1 wt%的C，在1900℃進行無壓燒結(jié)可以獲得高致密度的ZrB2基超高溫陶瓷材料[35]。Manab Mallik等[34]人研究了無壓燒結(jié)制備ZrB2-SiC復(fù)合材料時燒結(jié)助劑對其致密化和結(jié)構(gòu)、性能的影響。主要采用B4C和C作為燒結(jié)助劑，同時加入W、Co、Fe等元素，通過還原粉體混合料中的ZrO2和SiO2等氧化物雜質(zhì)，促進了ZrB2 -SiC復(fù)合材料的致密化。

3.2.3 放電等離子燒結(jié)

放電等離子燒結(jié)（Spark Plasma Sintering，SPS）是在粉末顆粒間直接通入脈沖電流進行加熱燒結(jié)的方法，近年來常用于超高溫陶瓷材料的制備，具有升溫速度快、燒結(jié)時間短、組織結(jié)構(gòu)可控等優(yōu)點。放電等離子燒結(jié)產(chǎn)生的脈沖電流在粉體顆粒之間發(fā)生放電，使顆粒接觸部位的溫度快速升高，在燒結(jié)初期可以凈化顆粒表面，同時產(chǎn)生各種表面缺陷，改善晶界的擴散和材料的傳質(zhì)，從而促進致密化[36]。與熱壓燒結(jié)相比，放電等離子燒結(jié)是一種快速燒結(jié)的新工藝，它可以最大程度地實現(xiàn)材料的低溫快速燒結(jié)，便于制備致密化程度高、燒結(jié)助劑含量低、晶粒尺寸小、晶界玻璃相少、高溫性能良好的陶瓷材料[36、37]。

影響陶瓷材料致密化和晶粒長大行為的主要因素有燒結(jié)助劑的含量、燒結(jié)溫度、保溫時間和加熱速率等[38]。楊亮亮等[37]利用放電等離子燒結(jié)法制備氮化硅陶瓷發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MgO-Al2O3-CeO2復(fù)合燒結(jié)助劑加入量為9%時，Si3N4陶瓷的致密化程度隨著溫度的升高出現(xiàn)先增后減的趨勢，在1600℃時燒結(jié)可得到相對密度為99.7%的氮化硅燒結(jié)體，比常規(guī)的氣壓燒結(jié)溫度降低150 ～ 200℃。續(xù)曉霄等[39]采用放電等離子燒結(jié)法制備了氧化鋯陶瓷，利用正交實驗法研究了燒結(jié)溫度、時間、壓力等工藝參數(shù)對其組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)影響氧化鋯陶瓷性能的主要因素是燒結(jié)溫度，其次是燒結(jié)時間。劉劍等[40]以亞微米級Si3N4為原料、Al2O3-Y2O3為燒結(jié)助劑，利用放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備了Si3N4陶瓷。研究表明，采用等離子燒結(jié)技術(shù)可在較低溫度下獲得致密度較高、綜合力學(xué)性能較好的β相Si3N4陶瓷。隨著燒結(jié)溫度的提高，樣品致密度、抗彎強度、斷裂韌性均不斷增大。在1550℃時，致密度最高，晶間氣孔少，力學(xué)性能最好;當(dāng)溫度大于1550℃后，部分晶粒會發(fā)生異常長大，抗彎強度急劇下降。

4 碳纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料

陶瓷基復(fù)合材料（Ceramic Matrix Composite，CMC）是指在陶瓷基體中引入第二相材料，使之增強、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）[40]。陶瓷基復(fù)合材料是從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)合材料等[41]。陶瓷基復(fù)合材料具有耐高溫、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、硬度大等特點，是理想的高溫結(jié)構(gòu)材料。據(jù)報道，預(yù)計在21世紀(jì)，陶瓷基復(fù)合材料可替代金屬及其合金成為發(fā)動機結(jié)構(gòu)部件的首選材料[42]。鑒于此，許多國家都已開展陶瓷基復(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)[43]。

碳纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料除了具有耐高溫、高比強度、高比模量、高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)等一系列優(yōu)良性能外，還具有基體致密度高、抗熱震、抗燒蝕、抗疲勞和抗蠕變性能良好等特性，展現(xiàn)了優(yōu)越的高溫?zé)崃W(xué)和微觀組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，是一種集結(jié)構(gòu)承載能力強和耐苛刻環(huán)境等特點于一體的新型輕質(zhì)復(fù)合材料[44]。在空天飛行器的熱防護系統(tǒng)、航空發(fā)動機、火箭發(fā)動機以及高性能制動等高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)部件上具有廣闊的應(yīng)用前景。該類材料的使用可以提高結(jié)構(gòu)部件的力學(xué)性能和耐高溫等性能，并可減少系統(tǒng)自重和提高系統(tǒng)的安全可靠性[43、45]。

4.1 碳纖維增韌碳化物陶瓷基復(fù)合材料研究現(xiàn)狀

碳化物陶瓷具有良好的高溫力學(xué)性能、高溫抗氧化性能、耐蝕耐磨性能和特殊的電、熱學(xué)等性能，從而倍受人們的青睞。碳化物陶瓷作為一類新型工程陶瓷材料，表現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景，具有重要的研究價值。但是，在碳化物陶瓷的研究及應(yīng)用過程中，研究人員遇到了諸多問題，其中最主要的有：（1）碳化物陶瓷的制備成本較高;（2）成品的可靠性和重現(xiàn)性較差。為了制備具有高可靠性的制品，研究人員積極開展實驗，發(fā)現(xiàn)將碳纖維引入超高溫陶瓷基體中是一種提高超高溫陶瓷材料可靠性的有效途徑[46-49]。

研究表明，Cf/SiC復(fù)合材料的抗氧化性能較差，一方面是材料中的孔隙率在10%以上，為氧氣提供了擴散通道，使得碳纖維極易被氧化;另一方面是碳纖維與SiC的熱膨脹系數(shù)不同，會導(dǎo)致殘余熱應(yīng)力的產(chǎn)生，從而使材料基體產(chǎn)生裂紋，進而導(dǎo)致碳纖維直接被氧化，使循環(huán)壽命縮短。Cf/SiC復(fù)合材料的最高使用溫度一般在1600℃左右，在較高溫度下長時間使用需要進行冷卻。SiC基體的致命弱點是在2000℃開始軟化，2700℃分解，不能在3000℃以上的溫度條件下使用[50、51]，因此，Cf/SiC復(fù)合材料在碳纖維與基體的界面結(jié)合、提高抗氧化性能方面還有待進一步研究。Chunlei Yan等[52]利用PIP法，將碳纖維預(yù)制體在PCS中浸漬不同的次數(shù)制備了SiC含量不同的S6-Cf/ZrC-SiC和S4-Cf/ZrC-SiC復(fù)合材料，并對其力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)進行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，由于PCS浸漬效率高，陶瓷產(chǎn)率高，S6-Cf/ZrC-SiC復(fù)合材料密度為2.11 g/cm3，抗彎強度為（136.0±13.1） MPa，彈性模量為（31.8±2.6） GPa，斷裂韌性為（7.3±0.3） MPa·m1/2。

許多發(fā)達國家都在積極開展Cf/SiC復(fù)合材料的研究。目前應(yīng)用最為廣泛的陶瓷基復(fù)合材料主要是SiC或碳纖維增強的SiC和Si3N4基復(fù)合材料。由于陶瓷基復(fù)合材料具有密度小（僅為高溫合金的1/4 ～ 1/3）、力學(xué)性能好和耐腐蝕性好及耐磨性好等優(yōu)點，陶瓷基復(fù)合材料，尤其是碳纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料，已被應(yīng)用于發(fā)動機高溫靜止部件（如噴嘴、火焰穩(wěn)定器、燃燒室火焰筒、燃燒室和內(nèi)外襯等），并嘗試應(yīng)用于渦輪轉(zhuǎn)子葉片、渦輪導(dǎo)流葉片等部件[53]。

4.2 碳纖維增韌硼化物陶瓷基復(fù)合材料研究現(xiàn)狀

主要的超高溫硼化物陶瓷有HfB2、ZrB2、TaB2和TiB2等，它們都有較強的共價鍵，具有高熔點、高強度、高硬度以及高熱導(dǎo)率等特點。目前，ZrB2和HfB2是硼化物陶瓷中研究最多的超高溫陶瓷材料，但是，抗氧化性較差的缺點限制了它們的廣泛應(yīng)用。研究表明，在氧化條件下，當(dāng)溫度達到約1100℃時，材料表面的ZrB2會發(fā)生氧化，形成具有保護性的玻璃態(tài)B2O3層，阻止O2的進入;當(dāng)達到1100℃以上時，B2O3便開始蒸發(fā);當(dāng)接近1860℃時，玻璃態(tài)的B2O3層會出現(xiàn)大的孔洞，為O2的進入提供通道，導(dǎo)致ZrB2表面發(fā)生進一步氧化[53、54]。為了提高ZrB2抗氧化性，通常是將其與SiC纖維混合制備成SiC-ZrB2復(fù)合材料，這種陶瓷基復(fù)合材料有著優(yōu)異的抗氧化性、良好的高溫強度保持率、適中的抗熱沖擊性能、可以在2000℃以上的氧化環(huán)境中長時間使用等特性，這些獨特的性能使得它們成為超高音速飛行、再入大氣層和火箭推進等極端環(huán)境下使用的最有前景的候選材料[55、56]。

但是，超高溫陶瓷基復(fù)合材料的基體ZrB2或HfB2與增強體SiC纖維的熱膨脹系數(shù)差別較大，在遇到高溫高壓時會產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力，從而對超高溫陶瓷的抗熱沖擊性能產(chǎn)生不利影響，所以，有研究者提出通過添加碳纖維、石墨等高熔點軟相進行微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計（如層狀結(jié)構(gòu)、纖維獨石結(jié)構(gòu)等），從而大幅度提高超高溫陶瓷基復(fù)合材料的抗熱沖擊性能[57]。

Hu等[58]利用先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備Cf/SiC-ZrB2超高溫陶瓷基復(fù)合材料。研究表明，Cf/SiC-ZrB2復(fù)合材料的斷裂韌性高達8.1 MPa·m1/2 ～ 17.7 MPa·m1/2，室溫下彎曲強度為163 MPa ～ 367 MPa，在1800℃和2000℃下的強度保留率分別為74%和32%。

Yang等[59、60]利用熱壓燒結(jié)法制備短切碳纖維增韌ZrB2-SiC復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，由于纖維的拔出、橋聯(lián)和裂紋偏轉(zhuǎn)機制，使得Cf /ZrB2-SiC復(fù)合材料的斷裂韌性高于ZrB2-SiC陶瓷材料。此外，在高于1800℃的條件下，表層可以形成連續(xù)致密的SiO2富集區(qū)，大大提高了Cf/ZrB2-SiC復(fù)合材料的高溫抗氧化性能。

王其坤等[61]人采用先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備了不同ZrB2含量的Cf/SiC-ZrB2復(fù)合材料，研究了ZrB2含量對復(fù)合材料力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)和抗燒蝕性能的影響。結(jié)果表明，復(fù)合材料的力學(xué)性能隨ZrB2含量的增加呈現(xiàn)一定的下降趨勢，但是材料的抗燒蝕性能明顯提高。其中當(dāng)ZrB2體積分?jǐn)?shù)為19.4%時，試樣的彎曲強度達242.6 MPa，彎曲模量為37.1 GPa。經(jīng)氧乙炔焰燒蝕90 s后，試樣表面溫度達到2329℃，線燒蝕率為0.015 mm/s，質(zhì)量燒蝕率為0.005 g/s，說明ZrB2的引入不僅提高了材料基體的耐高溫性能，還大大改善了材料的抗氧化性能。

5 碳纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的制備方法

超高溫陶瓷及其復(fù)合材料可以用作火箭發(fā)動機、噴氣發(fā)動機以及熱保護系統(tǒng)等的高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)部件，其中，碳纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料被公認(rèn)為是最有前景的材料之一，而陶瓷基復(fù)合材料的性能很大的程度上決定于其制備工藝。目前，最常用的制備方法有化學(xué)氣相滲透法（CVI）、化學(xué)氣相沉積法（CVD）、聚合物浸漬裂解法（PIP）、反應(yīng)熔體浸漬法（RMI）等。

5.1 化學(xué)氣相沉積法（CVD）

CVD是在一定溫度下，輸入體系中的一種或多種氣體之間互相發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的固態(tài)物質(zhì)沉積在基體的表面形成涂層或薄膜材料[62]。與其它方法相比，CVD法主要有以下優(yōu)點：（1）在CVD過程中，反應(yīng)生成的固態(tài)物質(zhì)直接沉積在基體的表面形成涂層，涂層在基體表面不會收縮，能夠保證模具原有的結(jié)構(gòu)[63];（2）CVD反應(yīng)可通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)控制涂層的結(jié)構(gòu)和沉積速率，具有良好的可控性和設(shè)計性，能在較低溫度下制備出均勻、抗氧化性能優(yōu)良的涂層[64、65];（3）纖維在沉積過程中受到的機械損傷和化學(xué)損傷小;（4）可以制備纖維多向排布、編織和復(fù)雜形狀的制品。但CVD技術(shù)也存在不足：（1）生產(chǎn)周期過長，效率低，生產(chǎn)成本高;（2）基體中的孔洞在CVD過程中很容易被堵塞形成閉孔，即使提高壓強，反應(yīng)源氣體也很難進入，因而難以制備高致密性的復(fù)合材料。

閆志巧等[66]利用化學(xué)氣相沉積法，在Cf/SiC復(fù)合材料的表面制備了SiC涂層，研究涂層連續(xù)沉積和分4次沉積后所制備得到的SiC涂層的微觀結(jié)構(gòu)和涂層樣品的抗氧化性能。研究表明，與連續(xù)涂層樣品相比，4次涂層可顯著提高C/SiC樣品的抗氧化性能。

Xiao Hui Y[67]等制備了碳纖維增強ZrC-SiC復(fù)合材料，利用CVD法制備了SiC涂層，研究了不同燒蝕條件下CVD-SiC涂層對Cf/ZrC-SiC復(fù)合材料抗燒蝕性能的影響及機理。結(jié)果表明，CVD-SiC復(fù)合材料在2.38 MW/m2的熱流中具有良好的抗燒蝕性能。但隨著熱通量增加到4.18 MW/m2，Cf/ZrC-SiC復(fù)合材料的抗燒蝕性能顯著降低，主要是Cf/ZrC-SiC復(fù)合材料在更高的溫度中將加劇SiC氧化和SiO2的蒸發(fā)，很難形成致密、穩(wěn)定的ZrO2-SiO2保護性氧化物，從而使CVD-SiC涂層失去保護作用。

張智等[68]利用化學(xué)氣相沉積工藝對碳纖維預(yù)制體進行致密化處理，使其成為密度為1.55 g/cm3的針刺Cf/C復(fù)合材料。研究表明：CVD法制備的針刺Cf/C復(fù)合材料的內(nèi)部碳纖維被沉積形成的熱解炭所包裹，Cf/C復(fù)合材料的各項力學(xué)性能均達到了較高水平，并且高溫力學(xué)性能相比于常溫力學(xué)性能有了很大幅度的提高。

5.2 化學(xué)氣相滲透法（CVI）

化學(xué)氣相滲透（CVI）技術(shù)是由CVD技術(shù)發(fā)展而來的，二者的不同之處在于CVD是通過氣相反應(yīng)在基材表面產(chǎn)生固體涂層，而CVI則是進入到預(yù)制體的內(nèi)部，在纖維表面發(fā)生反應(yīng)并沉積，可以說CVI是深度的CVD[69、70]。Jenkin[71]最先采用CVI方法向氧化鋁纖維預(yù)制體中滲透Cr4C3以制備連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料。

與其它制備工藝相比，CVI具有以下突出特點：（1）所需溫度、壓力低，對纖維損傷小;（2）對于內(nèi)部的空隙、裂紋，只要反應(yīng)氣體可以進入，都可用CVI法進行致密化處理，所以，對于利用其它方法制備的制件，可利用CVI工藝進行進一步的致密化處理;（3）允許制件形狀復(fù)雜、不規(guī)則;（4）沉積基體的純度高，微結(jié)構(gòu)容易控制。

根據(jù)預(yù)制體受熱均勻性及氣體進入預(yù)制體的方式，CVI工藝又分為均熱法（ICVI）、快速CVI、脈沖CVI（PCVI）等。其中，ICVI法是將纖維預(yù)制體放在均熱反應(yīng)室，反應(yīng)物氣體主要通過擴散滲入到預(yù)制體的氣孔內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并原位沉積，而副反應(yīng)氣體則通過擴散通道向外擴散。ICVI法的主要問題是：在預(yù)制體的氣體入口處，氣體的濃度過高，氣體沉積速率在樣件外部大于內(nèi)部，導(dǎo)致表面過度沉積從而產(chǎn)生密度梯度。為了解決這一問題，ICVI法一般采用低溫低壓以降低沉積反應(yīng)動力學(xué)和加快氣相在孔隙中的擴散，但是這種方法的致密化速度較低，因而周期較長，即使是在最優(yōu)化的條件下還是不能夠完全消除致密梯度。面對這種情況，通常是將部件沉積一段時間，之后進行表面加工處理，使封閉的孔隙敞開，從而降低部件的密度梯度[69、70]。

與ICVI相比，快速CVI的沉積速率要快的多（一般只需一天），且先驅(qū)體的生成率高，不必進行表面加工處理。主要原因是快速CVI采用了熱梯度與壓力梯度，兩者既可同時使用，也可單獨使用，提高了致密化程度。但是，快速CVI的適應(yīng)性較差，一次只能處理一個或少數(shù)幾個形狀簡單的預(yù)制體，如板狀或管狀，并且需要復(fù)雜的固定裝置[69]，從而限制了其更廣泛應(yīng)用。

在許多CVI工藝中，副產(chǎn)物氣體的體積遠大于反應(yīng)物氣體的體積，它們占領(lǐng)反應(yīng)孔隙，阻礙反應(yīng)物氣體向內(nèi)擴散。對于這種情況，可通過交替充入反應(yīng)物氣體，抽出副產(chǎn)物氣體的方式加快沉積速率。PCVI法主要包括以下步驟[69]：（1）用真空泵抽空反應(yīng)室;（2）向反應(yīng)室中噴入反應(yīng)物氣體;（3）沉積一定時間。PCVI提供了一條簡單的途徑來控制反應(yīng)物停滯在孔隙中的時間，這對先驅(qū)體的裂化很有意義。通過計算機控制切換不同的先驅(qū)體及其噴入壓力與停滯時間，能在預(yù)制體中沉積多層nm～ μm級厚度的界面，如（PyC-SiC）n，并控制沉積物的微觀結(jié)構(gòu)[71]。這表明PCVI工藝在制備高性能（特別是熱機械性能）超高溫陶瓷基復(fù)合材料中很有發(fā)展前景，但是，要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有待深入研究。

Yan Jia[71]等人采用CVI的方法，通過層層沉積PyC和SiC，制備了Cf/（PyC-SiC）n復(fù)合材料。研究了PyC-SiC的層數(shù)（n=1，2，4）對Cf/（PyC-SiC）n復(fù)合材料的基體組織、導(dǎo)電性、機械性能和電磁干擾（EMI）屏蔽性能的影響。研究結(jié)果顯示，隨著沉積層數(shù)的增加，復(fù)合材料的抗彎強度從（121±17） MPa增加到（193±18） MPa，斷裂韌性從（3.0±0.1） MPa·m1/2增加到（4.2±0.3） MPa·m1/2。C/（PyC-SiC）n復(fù)合材料力學(xué)性能的提高是由于界面數(shù)量的增加，為裂紋偏轉(zhuǎn)提供了通道，有利于更多的能量消耗。

5.3 聚合物浸漬裂解法（PIP）

聚合物浸漬裂解工藝（PIP）是20世紀(jì)70年代至80年代發(fā)展起來的制備陶瓷基復(fù)合材料的新工藝和新技術(shù)[72]。PIP工藝的基本流程是：首先制成前驅(qū)體溶液，將纖維預(yù)制體放入前驅(qū)體溶液中浸漬，然后在一定條件下將浸漬后的預(yù)制體進行固化，最后在一定的溫度和氣氛下高溫裂解為陶瓷基體;經(jīng)過多次的浸漬裂解，最終得到致密的陶瓷基復(fù)合材料[73、74]。

Yajima S[75]曾以聚碳硅烷（PCS）為原料制備出SiC纖維，開創(chuàng)了有機聚合制備陶瓷的新領(lǐng)域。20世紀(jì)80年代中期迎來了PIP技術(shù)制備陶瓷基復(fù)合材料的研究熱潮。30多年來，日本、美國、法國和中國等在PIP技術(shù)制備陶瓷基復(fù)合材料領(lǐng)域展開了深入的研究，并取得了一些實用化的成果。

PIP制備工藝的優(yōu)點是：（1）先驅(qū)體分子可設(shè)計，進而實現(xiàn)對最終陶瓷基復(fù)合材料組成、結(jié)構(gòu)與性能的控制;（2）制備溫度低，能耗小，設(shè)備操作簡單;（3）可以制備大型的復(fù)雜形狀的構(gòu)件，能夠?qū)崿F(xiàn)凈尺寸成型。但也存在材料的殘余孔隙率過高、制備周期過長等問題。

先驅(qū)體是PIP法制備陶瓷基復(fù)合材料的原料之一，獲得合適的陶瓷先驅(qū)體溶液是成功制備性能良好的陶瓷基復(fù)合材料的基礎(chǔ)。PIP工藝對先驅(qū)體的要求主要包括：（1）常溫下是低黏度液體，或能溶于有機溶劑得到溶液，或能在加熱時熔化成低黏度的液體;（2）與增強纖維有良好的潤濕性;（3）具有良好的原位交聯(lián)能力及較高的陶瓷產(chǎn)率;（4）在高溫下，先驅(qū)體轉(zhuǎn)化的陶瓷基體應(yīng)有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

簡科等[76、77]將先驅(qū)體聚碳硅烷與二乙烯基苯按質(zhì)量比1：0.4配置成先驅(qū)體溶液，在真空條件下浸漬碳纖維預(yù)制體，120℃下進行交聯(lián)固化，然后在Ar氣氛下高溫裂解，制得Cf/SiC復(fù)合材料。再經(jīng)過7個真空浸漬-交聯(lián)固化-高溫裂解周期，使材料致密化，制得彎曲強度達到556.7 MPa的Cf/SiC復(fù)合材料。但是，前驅(qū)體PIP技術(shù)制備的陶瓷基復(fù)合材料孔隙率高、工藝周期長、體積變形大、工藝成本高、生產(chǎn)效率低，不利于推廣應(yīng)用。因此，有待于探討新的制備方法，如PIP與CVI聯(lián)用，不僅能夠提高復(fù)合材料的致密性，而且提高生產(chǎn)效率，制備縮短周期。

蔣進明[78]等人利用PIP法結(jié)合反應(yīng)熔滲工藝將Cf/C -SiC材料內(nèi)部富余的自由碳轉(zhuǎn)變?yōu)閆rC超高溫陶瓷，制備了Cf/ZrC-SiC復(fù)合材料;對Cf/C-SiC基材的孔隙進行了設(shè)計，制備了具有較低孔隙率的Cf/C-SiC復(fù)合材料。

Chen等[79]采用PIP工藝和熱解工藝制備了Cf/C - ZrC復(fù)合材料。將一定量的乙酸鋯溶液與酚醛樹脂混合，在氮氣氣氛的保護下加熱至100℃，制備了浸漬液，經(jīng)過四個周期的浸漬、碳化，最終在2000℃石墨化。研究表明，ZrC顆粒具有亞微米尺寸，在碳基中分散良好。ZrC顆粒由碳包裹，在ZrC與碳之間形成良好的界面層。

5.4 反應(yīng)熔體浸漬法（RMI）

反應(yīng)熔體浸漬法（RMI，又稱金屬熔滲法）是在高溫下，將熔融金屬滲入多孔的預(yù)制件中（一般為Cf/C預(yù)制件），與預(yù)制件中的C反應(yīng)生成陶瓷基體。其一般過程為：首先對預(yù)制體表面進行界面涂層改性，然后用熔融金屬進行浸滲，熔融的金屬和基體碳反應(yīng)后得到高度致密化的碳化物基體。與其它的制備工藝相比，RMI具有以下特點：（1）成本低，制備周期短;（2）制備的材料致密度高，殘余孔隙率低;（3）基體組成可調(diào)節(jié)，可制備多組元基體，如Zr-Si-C，Hf-Si-C。目前，RMI工藝已經(jīng)成為一種非常具有競爭力的工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)。其缺點主要為：Zr、Hf等金屬熔點高、黏度大、浸漬深度不夠，同時浸漬溫度高，易對纖維造成損傷[80]。

但奇善等[81]利用RMI工藝制備了ZrC改性的多孔Cf/C復(fù)合材料，研究孔隙率不同的多孔Cf/C復(fù)合材料在熔滲過程中密度的變化以及滲Zr后的復(fù)合材料的相組成及微觀形貌，發(fā)現(xiàn)中等密度的C/C復(fù)合材料可以提供充足的碳源，其孔隙結(jié)構(gòu)有利于液Zr的滲透，熔滲效果最佳。此外，他們還研究了Cf/C-ZrC復(fù)合材料在不同溫度下的氧乙炔焰燒蝕行為，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)熔滲Zr所得到的Cf/C-ZrC復(fù)合材料在3000℃下的抗燒蝕性能明顯優(yōu)于2500℃下的抗燒蝕性能，原因是2500℃燒蝕時，表面氧化形成的ZrO2層為粉狀，極易從基體表面脫落;當(dāng)3000℃燒蝕時，表面ZrO2層出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象，致密的ZrO2保護膜減緩了火焰對燒蝕表面的沖蝕。

萬玉慧等[82]利用RMI工藝制備了Cf/C-SiC陶瓷基復(fù)合材料，并研究了Cf/C-SiC陶瓷基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。研究表明，復(fù)合材料致密度很高;垂直和平行于碳纖維方向的壓縮強度較高且差別很小，材料的壓縮破壞主要由基體的壓剪組合破壞情況決定，表現(xiàn)為剪切型破壞;材料的層間剪切強度高，明顯高于采用CVI工藝制備的同類復(fù)合材料的強度值，層間剪切破壞主要由碳纖維層間基體的剪切破壞情況決定。

唐睿等[83]人利用CVI法和反應(yīng)熔滲法制備出密度為2.13 g/cm3 ～ 2.28 g/cm3的C/C-SiC復(fù)合材料。研究表明，利用反應(yīng)熔滲法制備的C/C-SiC材料由C、SiC和Si三相組成，C/C復(fù)合材料的密度越低，所得到的C/C-SiC材料密度越高。其中，經(jīng)過石墨化處理的C/C-SiC材料的彎曲強度由203 MPa ～ 275 MPa降低到150 MPa ～ 210 MPa，壓縮強度由463 MPa ～ 607 MPa降低到403 MPa ～ 536 MPa，但材料的斷裂韌性由6.6 MPa·m1/2 ～ 8.5 MPa·m1/2提高到7.3 MPa·m1/2 ～ 9.2 MPa·m1/2。

6 碳纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用

到目前，碳纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的研究已經(jīng)取得了明顯的進展，主要應(yīng)用對象是新型飛行器熱防護系統(tǒng)、高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)部件、先進空間推進系統(tǒng)和高性能制動系統(tǒng)等。針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域，開展了具有針對性的研究開發(fā)，并且在實際的工程應(yīng)用中也有所體現(xiàn)。

6.1 在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

作為飛行器的“心臟”，航空發(fā)動機是高技術(shù)和高附加值融于一體的高科技產(chǎn)品，集中體現(xiàn)了一個國家的工業(yè)發(fā)展水平，被譽為現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的明珠。經(jīng)過幾代航空人艱苦卓絕的奮斗，我國在航空發(fā)動機領(lǐng)域的研究取得了一系列引人矚目的成就，為我國國防事業(yè)發(fā)展和國民經(jīng)濟建設(shè)做出了重要貢獻[84-87]。

由于具有密度小、比強度高和耐高溫等固有特性，纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料在航空渦輪發(fā)動機上應(yīng)用的范圍越來越廣，使航空渦輪發(fā)動機向“非金屬發(fā)動機”或“全復(fù)合材料發(fā)動機”方向發(fā)展[88-92]。法國將Cf/SiC復(fù)合材料制成的噴嘴應(yīng)用于幻影2000戰(zhàn)斗機的M53發(fā)動機和狂風(fēng)戰(zhàn)斗機的M88航空發(fā)動機上[92];美國針對航空發(fā)動機實施的IHPTET和VAATE計劃，以及歐洲實施的ACME和AMET計劃，已將纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料在航空發(fā)動機上的應(yīng)用列為重點內(nèi)容。可見，纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料在航空發(fā)動機上的大量使用己成為必然[92-97]。

6.2 在熱防護系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用

航空航天技術(shù)的發(fā)展對超高溫材料的性能提出了更為嚴(yán)苛的要求，尤其是高性能航空發(fā)動機的熱結(jié)構(gòu)部件及空天飛行器的熱防護系統(tǒng)，由于在長時間飛行、大氣層再入飛行和跨大氣飛行時面對嚴(yán)重的燒蝕、高速氣流的沖擊以及大梯度熱沖擊的影響，急需一種耐高溫、耐燒蝕、抗沖擊的材料解決這些問題，而碳纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料正是候選材料之一[86]。

據(jù)報道，英國Hotel航天飛機的熱防護系統(tǒng)便應(yīng)用了Cf/SiC復(fù)合材料。西北工業(yè)大學(xué)等研制的Cf/SiC復(fù)合材料能夠在1650℃的氧化環(huán)境下長時間工作并通過了大量的模擬環(huán)境和試車考核。俄羅斯以高超聲速巡航彈為背景研制的超高溫抗氧化復(fù)合材料多涂層體系可以在2000℃有氧環(huán)境下工作1 h而不被破壞[90]。目前，歐洲正在集中研究用于載人飛船及可重復(fù)使用飛行器中的可簡單裝配的熱結(jié)構(gòu)部件及熱保護材料，其中Cf/SiC復(fù)合材料是重要的材料體系，并已經(jīng)達到很高的技術(shù)水平[94、98]。

6.3 在其它領(lǐng)域的應(yīng)用

除了上述領(lǐng)域，碳纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料還應(yīng)用在衛(wèi)星窗框、核聚變第一壁、衛(wèi)星反射鏡及汽車剎車片上。如Cf/SiC復(fù)合材料作為衛(wèi)星反射鏡材料的研究在國外已經(jīng)進行了30多年，技術(shù)已相當(dāng)成熟，其中，美國、德國、加拿大等國家利用Cf/SiC復(fù)合材料制備出了高性能反射鏡[92]。國防科技大學(xué)已開展對SiC衛(wèi)星反射鏡基材的研究，在碳纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料方面已經(jīng)取得了很大的成就[97]。

Cf/SiC復(fù)合材料作為一種新型的剎車材料，與Cf/C復(fù)合材料相比，具有密度低、強度高、耐高溫、物理性能良好等優(yōu)點，尤其是摩擦系數(shù)高且穩(wěn)定、對環(huán)境不敏感等，現(xiàn)在Cf/SiC復(fù)合材料已作為剎車材料應(yīng)用于保時捷等高檔轎車上。

7 結(jié) 語

碳纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料作為一種新型的熱結(jié)構(gòu)材料，在制造過程中會受到制造工藝以及加工條件的影響，形成結(jié)構(gòu)缺陷和加工缺陷，由于這些缺陷的存在，使得復(fù)合材料的性能具有一定的離散性[92]。尤其是作為商用航空發(fā)動機的核心部件材料，首要考慮的就是安全性和可靠性。因此，在目前性能考核數(shù)據(jù)比較短缺的情況下，需進行大量的基于環(huán)境的考核試驗和性能評價[95、96]。

在商用發(fā)動機和內(nèi)燃機的高熱端部件應(yīng)用需求中，碳纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的性能優(yōu)勢更加突出[97]。針對不同的服役環(huán)境，對碳纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能需求差異較大。通過改變碳纖維、超高溫陶瓷基體、孔隙的分布，實現(xiàn)材料的結(jié)構(gòu)構(gòu)筑，將是碳纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的重要發(fā)展方向。通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可使復(fù)合材料獲得最優(yōu)的綜合性能;通過調(diào)整超高溫陶瓷的組成和含量可以實現(xiàn)材料在不同溫度段的燒蝕、氧化防護性能;通過調(diào)節(jié)材料空隙結(jié)構(gòu)、碳纖維預(yù)制體含量和結(jié)構(gòu)以及超高溫陶瓷的分布，可以實現(xiàn)不同密度、強度和熱物理性能的材料的制備[30、98]。

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Abstract： Carbon fiber reinforced ceramic matrix composites not only have the advantages of high temperature resistance， wear resistance， oxidation resistance， and good mechanical properties， but also have the characteristics of thermal shock resistance， ablation resistance， fatigue resistance and creep resistance. It has a good application prospect in high-temperature thermal structural components， such as thermal protection systems， aero engines， rocket engines， high-performance brakes and advanced nuclear energy. This paper introduces the research progress of the composite materials in carbon fiber， ceramic matrix， the preparation methods of composite material and applications， in order to better understand the research hotspots of this research field at home and abroad.

Keywords： Carbon fiber; Ceramic matrix; Composite materials; The preparation methods