连续纤维增强陶瓷基复合材料界面研究进展

在陶瓷基复合材料中引入高强陶瓷纤维的目的是为了增强陶瓷的断裂韧性,纤维与基体的界面是决定CMC韧性的关键因素。国内外许多专家和机构研究重点主要集中于连续纤维增强陶瓷基复合材料的界面,包括纤维与基体的化学相容性和热物理相容性,以及用TEM、HRTEM、SADP、AEM、声学显微法、EDX等微观测试手段研究不同体系的界面形成机理。本文对上述界面研究概况进行了综述,并简述了界面设计原则和近年来计算机技术在界面研究中的应用情况。指出,连续纤维增强陶瓷基复合材料界面研究将一直是复合陶瓷基复合材料界研究的重点和难点。     

纤维增强陶瓷基复合材料概述

连续纤维增强陶瓷基复合材料是最有前途的高温结构材料之一,以其优异的高韧性、高强度得到世界各国的高度重视。综述了纤维增韧陶瓷基复合材料的选材原则、主要的增韧机理、制备方法以及目前主要的界面改性方法。得到以下结论：纤维的选择必须满足工作环境的要求,纤维与基体之间要在热力学上相匹配;主要的增韧机理为载荷转移、微裂纹增韧、裂纹偏转、纤维脱粘和纤维拔出;复合材料的主要制备方法是热压法、CVI法和聚合物浸渍裂解法;目前最有效的界面改性方法是纤维表面涂层。用氧化物纤维作为增韧体,研究更加简单适用于大规模生产的制备方法,研究更加简单的涂层工艺是今后研究纤维增强陶瓷基复合材料的重点。     

连续纤维增强陶瓷基复合材料合成技术及发展趋势

作为结构材料,陶瓷具有耐高温能力强、抗氧化能力强、硬度大、耐化学腐蚀等优点,但缺点是呈现脆性,不能承受剧烈的机械冲击和热冲击,因而严重影响了其应用。为此人们通过采用连续纤维增韧方法改进其特性,进而研发出连续纤维增强陶瓷基复合材料。笔者主要综述了陶瓷基连续纤维增强复合材料的制备方法,并分析了各种工艺的优缺点。在总结了现阶段连续纤维增强复合材料研究中存在的问题的基础上,提出了今后连续纤维增强复合材料的主要研究方向。     

纤维增强陶瓷的研究

本文研究了制备增强复合材料(纤维增强陶瓷)的可行性,采用聚苯酚——甲醛或聚乙烯醇作为增塑剂,以碳纤维和莫来石纤维为增强材料,利用不同种类的氧化铝陶瓷作为基体材料。检测数据表明,增强复合材料能获得许多优良的性能,如:热震性能好、耐化学腐蚀性能好和机械强度大等。同时,以工业氧化铝粉末作为基体材料的增强复合材料(纤维增强陶瓷)的密度比以纯氧化铝粉末作为基体材料的增强复合材料(纤维增强陶瓷)的密度略低一些。事实上,增强复合材料(纤维增强陶瓷)的密度主要是由所采用的增塑剂的数量和种类决定的,增加纤维材料的添加量,反而会减小增强复合材料(纤维增强陶瓷)的密度,同时纤维的种类及其添加量又严重地影响增强复合材料(纤维增强陶瓷)的收缩率。     

欧洲陶瓷复合材料开发近况

欧洲在长纤维增强复合材料的制造和应用特别是军事和航天中的应用方面拥有一定的经验，但总的技术水平不及日本和美国，其所用陶瓷增强纤维需从日本和美国进口。为保持欧洲在２１世纪陶瓷复合材料市场中的竞争地位和开发先进陶瓷复合材料在民用工业中的大规模广泛应用，欧洲联盟委员会要求欧洲国家加强合作共同研究开发连续纤维增强陶瓷复合材料。     

长纤维增强陶瓷复合材料

1FRC的特征所谓氨化硅、碳化硅、蓝晶石或多铝红柱石的结构用陶瓷,因为比金属强度还高,而且轻质、耐热性、耐摩耗性都优异,所以被用作高温结构材料很使人注目。另一方面,因为陶瓷是破坏韧性低的脆性材料,所以正在进行研究对它改善的方法。作为改善手段来说,有控表1材料的强度和破坏韧性材料强度破坏韧性（MPa）（MPa·m”1／2）“关于陶瓷、长纤维增强复合材料,强度为弯曲强度;关于金属,强度指屈服应力值。制材料结构,粒子分散增强或晶须增强等方法。长纤维增强陶瓷复合材料（以下简称FRC）也同这些材料一样,为了实现陶瓷的…     

石英纤维增强可瓷化硼酚醛耐烧蚀复合材料研究

以硼酚醛树脂为基体,石英纤维为增强体,氧化硅、石墨及云母为陶瓷填料制备了可瓷化复合材料。通过1 400℃下烧结前后材料的力学性能测试、氧-乙炔焰(2 100℃)烧蚀性能测试,扫描电镜、热重分析及X射线衍射分析研究了不同含量陶瓷填料对石英纤维增强可瓷化硼酚醛树脂复合材料性能的影响。结果表明,常温下石英纤维增强可瓷化硼酚醛树脂复合材料的弯曲强度随着陶瓷填料含量的增加呈先升高后降低的趋势,最高可达到220.62 MPa,经过1 400℃马弗炉烧蚀后,弯曲强度最高可达19.10 MPa。随着陶瓷填料含量的增加,复合材料的耐烧蚀性能提高,质量烧蚀率和线烧蚀率最低可分别达到0.050 g/s和0.0187 mm/s。陶瓷填料经1 400℃高温处理后在一定程度下可生成SiC,使材料转变为含碳化硅的陶瓷基复合材料,提高了复合材料的弯曲强度、耐烧蚀性和耐高温性。与通常碳化硅陶瓷复合材料相比,该制备工艺简单,可大规模生产,实现了陶瓷基复合材料的低成本化。     

连续纤维增强陶瓷基复合材料合成技术及发展趋势

作为结构材料,陶瓷具有耐高温能力强、抗氧化能力强、硬度大、耐化学腐蚀等优点,然而呈现脆性,不能承受剧烈的机械冲击和热冲击等缺点,严重影响了它的实际应用。为此,人们通过采用连续纤维增韧方法改进其特性,研发出连续纤维增强陶瓷基复合材料。本文综述了陶瓷基连续纤维增强复合材料的制备方法,分析了各种工艺的优缺点。在总结了现阶段连续纤维增强复合材料研究中存在的问题基础上,提出了今后连续纤维增强复合材料的主要研究方向。     

GE公司开展陶瓷基复合材料民用发动机测试

美国通用电气(GE)公司开始在GEnx发动机地面试验中对陶瓷基复合材料(CMC)制成的燃烧室和高压涡轮部件进行测试,推进这一技术成熟以用于GE9X发动机。整机试车在GE公司位于俄亥俄州皮布尔斯的试验场进行,采用CMC的部件包括燃烧室火焰筒的内外环、高压涡轮第1级罩环和第2级导向器。CMC高压涡轮第1级导向器将在验证机第2轮构型中进行测试。CMC材料由陶瓷基体和碳化硅纤维组成,密度只有金属的三分之一,但具有更好的耐久性和耐高     

利用陶瓷抛光渣制备纤维增强硅酸钙板的试验研究

本文使用陶瓷抛光渣取代天然石英粉制备纤维增强硅酸钙板,探讨了陶瓷抛光渣的掺量对纤维增强硅酸钙板抗折强度的影响,并通过XRD和SEM分析了陶瓷抛光渣的掺入对纤维增强硅酸钙板内部的矿物晶体种类、结晶程度和晶体形貌的影响.实验结果表明,掺加陶瓷抛光渣不会改变纤维增强硅酸钙板内部主要矿物晶体的种类,但是矿物晶体的发育程度会随着掺量的增加而降低,并最终使纤维增强硅酸钙板的抗折强度下降.少量的陶瓷抛光渣取代石英粉生产纤维增强硅酸钙板是可行的,考虑到生产和工程实际,陶瓷抛光渣取代石英粉的取代量应控制在15％以内.     

水平连铸用陶瓷分离环

叙述了水平连铸用陶瓷分离环的国内外研究状况及我国今后的研究方向，确认了ＢＮ基复合制品是水平连铸用分离环的理想材料。其中ＯＢＮ（ＺｒＯ２－ＢＮ），ＳＣＢＮ（ＳｉＣ－ＢＮ）分离环是目前水平连铸中使用最普遍，效果最佳的分离环，并结合国情提出了一些见解。     

氧化锆纤维增强超薄陶瓷板的制备及力学性能研究

建筑陶瓷薄板作为一种轻薄、低能耗的家装产品而逐渐成为市场的发展潮流,如何进一步对其实现减薄和增强也成为研究的热点。本文以建筑陶瓷高铝粉料为基体,设计二次球磨法并引入长径比为70~82的氧化锆纤维作为增强相,借助KH570表面改性剂改善纤维/基体(F/M)的界面结合,制备了氧化锆纤维增强超薄陶瓷板。研究表明,采用二次球磨工艺可以有效实现纤维在基体中的分散,当氧化锆纤维的掺杂量为3%(质量分数)时,超薄陶瓷板的弯曲强度可达到106.4 MPa,相较于空白样(96.8 MPa)提升了9.92%。在高温固相反应中,陶瓷熔融相的Na⁺、K⁺对氧化锆晶格的渗透作用会引起四方晶系氧化锆相向锆英石相的转变,四方晶系氧化锆相内部存在微裂纹拓展、颗粒弥漫增强、“纤维桥联-断裂拔出”等多种良性增强机制。     

水平连铸用陶瓷分离环

叙述了水平连铸用陶瓷分离环的国内外研究状况及我国今后的研究方向。确认了ＢＮ基复合制品是水平连铸用分离环的理想材料。其中ＯＢＮ（ＺｒＯ２－ＢＮ）、ＳＣＢＮ（Ｓｉｃ－ＢＮ）分离环是目前水平连铸中使用最普遍、效果最佳的分离环，并结合国情提出了一些见解。     

陶瓷基复合材料概况

本文评述了国内外学者在陶瓷基复合材料方面所做的工作,指出了陶瓷脆性的原因及改善途径,提出了纤维增强陶瓷复合材料的增强机理和强度估算理论,简要介绍了纤维增强陶瓷材料的制备方法。     

先驱体转化法制备连续纤维增韧陶瓷基复合材料的研究进展

介绍了先驱体转化法制备连续纤维增强陶瓷基复合材料的研究现状,简要综述了聚碳硅烷、聚硅氮烷、聚硅氧烷3种先驱体的研究现状以及增强纤维的种类。分析了陶瓷基复合材料的应用现状和今后的研究方向。     

建筑增强用聚丙烯腈纤维的耐海水腐蚀性研究

模拟混凝土应用的海洋环境,在常温(25℃)、氯化物浓度为5610 mg/L的海水中对建筑增强用聚丙烯腈(PAN)纤维进行浸泡处理,研究建筑增强用PAN纤维的耐海水腐蚀性,并与聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)增强纤维和聚丙烯(PP)增强纤维进行对比。结果表明:海水浸泡50 d后,建筑增强用PAN纤维的主要吸收特征峰无明显变化,且无新的吸收特征峰出现,纤维超分子结构变化较小,晶区取向度基本保持不变,结晶度略有增加;海水浸泡50 d后,建筑增强用PAN纤维的拉伸强度为1261 MPa、降幅0.63%,初始模量为18.6 GPa、增幅8.14%,其拉伸强度与PET增强纤维相当、约为PP增强纤维的1.8倍,初始模量约是PET增强纤维的1.4倍、PP增强纤维的3.2倍;建筑增强用PAN纤维、PET增强纤维、PP增强纤维的拉伸强度耐蚀系数分别为99.4%,99.2%,100.0%,建筑增强用PAN纤维的耐海水腐蚀性介于PP增强纤维和PET增强纤维之间,但其在海水中环境中具有优异的模量保持优势,可以更好地提高混凝土在海水环境中的耐受力。     

水平连铸用陶瓷分离环

水平连铸是连续浇铸技术中崛起的一个新技术，是连铸机的未来。本文详述了水平连铸用陶瓷分离环的工作原理、技术条件、国内外研究状况及我国今后研究方向。确认了BN基复合制品是水平连铸用分离环的理想材料，其中OBN（ZrO2-BN),ScBN(SiC-BN)是目前水平连铸中使用最普遍、效果最佳的分离环，并结合国情提出自己的一些见解。     

岩纤维

用作绝热材料的岩纤维,作为节约能源之一环,需要量在不断扩大。苏联系将作为建筑材料广泛应用的玄武岩于1500℃熔化后将其制成直径数微米的细丝,从而得到耐高温、耐酸和耐各种水溶液的性能优良的岩纤维。这种纤维除作为绝热、隔音材料广泛应用外,还是制造理想的过滤器使用的     

树脂基纤维增强复合材料超高应变率拉伸研究

通过爆炸自由膨胀实验技术,采用特殊的薄环试样,对树脂基纤维增强复合材料在超高应变率(104/s)下进行了冲击拉伸实验研究。通过自由膨胀环实验,得到了一些芳纶纤维、玻璃纤维、碳纤维等增强的树脂基复合材料在超高压应变率下的冲击拉伸试验数据,在实验中应用了简便的应变片电测技术,并优化了装药和试样环的设计。为了验证实验数据,采用LY12cz铝合金进行了不同应变率下应力-应变拉伸性能的比较。通过树脂基复合材料爆炸自由膨胀环实验的分析,对实验技术中存在的问题提出了一些建议。研究表明,爆炸自由膨胀环拉伸技术是目前获得纤维增强复合材料超高应变率力学性能的1种相当有效的实验方法。     

纤维增强陶瓷基复合材料界面及增韧机制的进展

陶瓷基复合材料以其优异的耐高温、热稳定性好、耐磨损等性能,在高技术领域和航空航天领域有重要应用。界面在纤维和陶瓷基体之间起着决定性的作用,复合材料的界面相是纤维与基体连接的纽带,也是应力及其它信息传递的桥梁。本文分别从不同复合方式、复合材料的界面研究及纤维增强基体的增韧机制和界面的力学性能等方面进行了综述。