陶瓷基复合材料

陶瓷基复合材料

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2023年3月19日发(作者：高三毕业寄语)

陶瓷基复合材料在航天领域的应用

概念：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。陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，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。

一、陶瓷基复合材料增强体

用于复合材料的增强体品种很多，根据复合材料的性能要求，主要分为以下几种

纤维类增强体

纤维类增强体有连续长纤维和短纤维。连续长纤维的连续长度均超过数百。纤维性能

有方向性，一般沿轴向均有很高的强度和弹性模量。

颗粒类增强体

颗粒类增强体主要是一些具有高强度、高模量。耐热、耐磨。耐高温的陶瓷等无机非

金属颗粒，主要有碳化硅、氧化铝、碳化钛、石墨。细金刚石、高岭土、滑石、碳酸钙等。

主要还有一些金属和聚合物颗粒类增强体，后者主要有热塑性树脂粉末

晶须类增强体

晶须是在人工条件下制造出的细小单晶，一般呈棒状，其直径为~1微米，长度为几十

微米，由于其具有细小组织结构，缺陷少，具有很高的强度和模量。

金属丝

用于复合材料的高强福、高模量金属丝增强物主要有铍丝、钢丝、不锈钢丝和钨丝等，

金属丝一般用于金属基复合材料和水泥基复合材料的增强，但前者比较多见。

片状物增强体

用于复合材料的片状增强物主要是陶瓷薄片。将陶瓷薄片叠压起来形成的陶瓷复合材

料具有很高的韧性。

二、陶瓷基的界面及强韧化理论

陶瓷基复合材料(CMC)具有高强度、高硬度、高弹性模量、热化学稳定性等优异性能，

被认为是推重比10以上航空发动机的理想耐高温结构材料。界面作为陶瓷基复合材料重要

的组成相，其细观结构、力学性能和失效规律直接影响到复合材料的整体力学性能，因此

研究界面特性对陶瓷基复合材料力学性能

的影响具有重要的意义。

界面的粘结形式

（1）机械结合（2）化学结合

陶瓷基复合材料往往在高温下制备，由于增强体与基体的原子扩散，在界面上更易形

成固溶体和化合物。此时其界面是具有一定厚度的反应区，它与基体和增强体都能较好的

结合，但通常是脆性的。

界面的作用

陶瓷基复合材料的界面一方面应强到足以传递轴向载荷并具有高的横向强度；另一方

面要弱到足以沿界面发生横向裂纹及裂纹偏转直到纤维的拔出。

强韧化技术

2.1.1纤维增韧

为了提高复合材料的韧性,必须尽可能提高材料断裂时消耗的能量。任何固体材料在载

荷作用下(静态或冲击),吸收能量的方式无非是两种:材料变形和形成新的表面。对于脆性基

体和纤维来说,允许的变形很小,因此变形吸收的断裂能也很少。为了提高这类材料的吸能,

只能是增加断裂表面,即增加裂纹的扩展路径。

2.1.2晶须增韧

陶瓷晶须是具有一定长径比且缺陷很少的陶瓷小单晶,因而具有很高的强度,是一种非

常理想的陶瓷基复合材料的增韧增强体。

2.1.3相变增韧

相变增韧ZrO2陶瓷是一种极有发展前途的新型结构陶瓷,其主要是利用ZrO2相变特性

来提高陶瓷材料的断裂韧性和抗弯强度,使其具有优良的力学性能,低的导热系数和良好的

抗热震性。它还可以用来显着提高脆性材料的韧性和强度,是复合材料和复合陶瓷中重要的

增韧剂

2.1.4颗粒增韧

用颗粒作为增韧剂,制备颗粒增韧陶瓷基复合材料,其原料的均匀分散及烧结致密化都

比短纤维及晶须复合材料简便易行。因此,尽管颗粒的增韧效果不如晶须与纤维,但如颗粒种

类、粒径、含量及基体材料选择得当,仍有一定的韧化效果,同时会带来高温强度、高温蠕变

性能的改善。所以,颗粒增韧陶瓷基复合材料同样受到重视,并开展了有效的研究工作。

2.1.5纳米复合陶瓷增韧

纳米技术一出现,便在改善传统材料性能方面显示出极大的优势,该方面的研究有可能

使陶瓷增韧技术获得革命性突破。纳米陶瓷由于晶粒的细化,晶界数量会极大增加,同时纳米

陶瓷的气孔和缺陷尺寸减小到一定尺寸就不会影响到材料的宏观强度,结果可使材料的强

度、韧性显着增加。

2.1.5自增韧陶瓷

如果在陶瓷基体中引入第二相材料,该相不是事先单独制备的,而是在原料中加入可以

生成第二相的原料,控制生成条件和反应过程,直接通过高温化学反应或者相变过程,在主晶

相基体中生长出均匀分布的晶须、高长径比的晶粒或晶片的增强体,形成陶瓷复合材料,则称

为自增韧。这样可以避免两相不相容、分布不均匀问题,强度和韧性都比外来第二相增韧的

同种材料高。

三、陶瓷基复合材料的应用。

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，取得满意的使用效果。连续纤维补强陶瓷基复合材料(ContinuousFiberReinforced

CeramicMatrixComposites,简称CFCC)是将耐高温的纤维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,JAveston[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正对陶瓷基复合材料。

下面，我主要谈谈碳纤维复合材料在红空领域的应用：

碳纤维材料在航空领域的应用

1.概述

碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观

结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。碳纤维由于具有高强度、高模量、耐高温、耐腐

蚀、导电和导热等性能，因而使其成为一种兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大

特征的化工新材料，是新一代增强纤维。目前，碳纤维不仅广泛应用军事工业，而且在汽

车构件、风力发电叶片、核电、油田钻探、体育用品、碳纤维复合芯电缆以及建筑补强材

料领域也存在巨大应用空间，而其在航空领域的光辉业绩尤为引人注目。

2.碳纤维的发展

碳纤维应宇航工业对耐烧蚀和轻质高强材料的迫切需求发展起来，它主要是由碳元素

组成的一种特种纤维，是继玻璃纤维之后出现的第二代纤维增强塑料。碳纤维的含碳量在

90%以上，具有优异的力学性能，与其它高性能纤维相比具有最高比强度和最高比模量。

在2000℃以上高温惰性环境中，碳纤维是唯一一种强度不下降的物质。此外，它还兼具其

它多种得天独厚的优良性能，更可贵的是，碳纤维与其它材料具有很高的相容性，兼备纺

织纤维的柔软可加工性，并且容易复合，具有很大的设计自由度。这就使得碳纤维成为纤

维增强材料中发展最迅速、应用范围很广、适于不同领域要求的纤维材料。

研制大型飞机要突破许多关键技术，其中一项是“先进复合材料结构设计技术”，这

项技术离不开碳纤维。世界碳纤维的需求在各用途领域都不断增长，特别是急速增长的航

空航天领域拉动了碳纤维全体的增长。

碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。自玻璃纤维与

有机树脂复合得到的玻璃钢问世以来，碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继

研制成功，而且性能不断得到改进，使复合材料领域呈现出一派勃勃生机。碳纤维复合材

料与铝合金、钛合金、合金钢一起成为飞机机体的四大先进结构材料。

3.碳纤维复合材料在航空领域的具体应用

碳纤维复合材料因其独特、卓越的性能，在航空领越特别是飞机制造业中应用广泛。

统计显示，目前，碳纤维复合材料在小型商务飞机和直升飞机上的使用量已占70％~80％，

在军用飞机上占30％~40％，在大型客机上占15％~50％。

（1）碳纤维树脂基复合材料

碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）具有质量轻等一系列突出的性能，在对重量、刚

度、疲劳特性等有严格要求的领域以及要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料

都具有很大优势。

碳纤维增强树脂基复合材料已成为生产武器装备的重要材料。AV—8B改型“鹞”式

飞机是美国军用飞机中使用复合材料最多的机种，其机翼、前机身都用了石墨环氧大型部

件，全机所用碳纤维的重量约占飞机结构总重量的26％，使整机减重9％，有效载荷比AV

—8A飞机增加了一倍。数据显示采用复合材料结构的前机身段，可比金属结构减轻质量%。

用军机战术技术性能的重要指标——结构重量系数来衡量，国外第四代军机的结构重量系

数已达到27～28%。未来以F-22为目标的背景机复合材料用量比例需求为35%左右，其中

碳纤维复合材料将成为主体材料。国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机，已实现了结构的复

合材料化。

直升飞机上碳纤维增强树脂基复合材料的用量更是与日俱增。武装了驻港部队并参加

了2007年上海合作组织在俄罗斯反恐军演的直-9型直升飞机，是我国先进的直升飞机。该

机复合材料用量已占到60％左右，主要是CFRP。此外，日本生产的OH-1“忍者”直升飞

机，机身的40％是用CFRP，桨叶等也用CFRP制造。

在民用领域，世界最大的飞机A380由于CFRP的大量使用，创造了飞行史上的奇迹。

这种飞机25%重量的部件由复合材料制造，其中22%为碳纤维增强塑料(CFRP)。由于CFRP

的明显减重以及在使用中不会因疲劳或腐蚀受损，从而大大减少了油耗和排放。燃油的经

济性比其直接竞争机型要低13%左右，并降低了运营成本，座英里成本比目前效率最高飞

机的低15%~20%成为第一个每乘客每百公里耗油少于三升的远程客机。

（2）碳/碳复合材料

碳/碳复合材料是以碳纤维及其制品（碳毡或碳布）作为增强材料的复合材料。因为它

的组成元素只有一个（即碳元素），因而碳/碳复合材料具有许多碳和石墨材料的优点，如

密度低（石墨的理论密度为2.3g/cm3）和优异的热性能，即高的热导率、低热膨胀系数，

能承受极高的温度和极大的热加速率，有极强的抗热冲击，在高温和超高温环境下具有高

强度、高模量和高化学惰性。凭借着轻质难熔的优良特性，碳纤维增强基体的复合摩擦材

料在航空航天工业中得到了广泛应用。航天飞机轨道的鼻锥和机翼前缘材料，都会选用碳/

碳复合材料。另外还大量用作高超音速飞机的刹车片，目前，国际上大多数军用和民用干

线飞机采均用碳纤维增强基体的复合材料刹车副。这种刹车副不仅质量轻、抗热冲击性好、

摩擦系数稳定、使用寿命长，更为方便的是可设计性强，性能便于调节。还可制作发热元

件和机械紧固件、涡轮发动机叶片和内燃机活塞等。

4.我国碳纤维复合材料发展现状

现代的碳纤维是以聚丙烯腈、人造丝或木质素为原丝，将有机纤维跟塑料树脂结合在

一起高温分解并且碳化后得到的，还不能直接用碳或石墨来制取。

据了解，目前全球碳纤维产能约万吨，我国市场年需求量6500吨左右，属于碳纤维消

费大国。在以“高性能聚丙烯腈碳纤维制备的基础科学问题”为主题的第335次香山科学会

议上，会议执行主席、国家自然科学基金委员会师昌绪院士指出，与国外技术相比，我国

碳纤维领域还存在较大差距。2007年，我国碳纤维产能仅200吨左右，而且主要是低性能产

品。由于缺少具有自主知识产权的技术支撑，目前国内企业尚未掌握完整的碳纤维核心关

键技术。这就使得我国碳纤维在质量、技术和生产规模等方面均与国外存在很大差距，绝

大部分高性能增强材料都长期依赖进口，价格非常昂贵。由于缺乏创新与集成和应用领域

的拓展，极大地制约了我国碳纤维复合材料工业的发展。

基于我国高性能碳纤维复合材料产业尚不能满足国民经济快速、健康、持续发展的需

求，国家发展改革委2008~2009年组织实施高性能纤维复合材料高技术产业化专项，重点

支持碳纤维、芳纶纤维、高强聚乙烯纤维及其高性能复合材料的生产技术及关键装备的产

业化示范，以满足国民经济以及航空航天等高技术产业发展的需求，培育一批具有国际竞

争力的龙头企业。这一举措将为我国从材料大国转变为材料强国奠定坚实的基础。今年5

月，由鹰游纺机自主研发的碳纤维生产线和神鹰碳纤维项目通过国家级验收，标志着我国

碳纤维生产已成功实现国产化和产业化。

四、陶瓷基复合材料的发展前景

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结构制备

高韧性陶瓷材料的思路。1990年Clegg等创造性材料制备的Sic薄片与石墨片层交替叠层结

构复合材料与常规SiC陶瓷材料相比，其断裂韧性和断裂功提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、BN等弱力学性能的材料作为界

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

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。

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