陶瓷基復合材料的應用及發展

國云龍 楊志濤 陳紅權

【摘 要】陶瓷基復合材料具有優異的耐高溫性能，主要用作高溫及耐磨制品。其最高使用溫度主要取決于基體特征。陶瓷基復合材料已實用化或即將實用化的領域有刀具、滑動構件、發動機制件、能源構件等。陶瓷基復合材料由于其優越的性能，在航空、航天領域有著廣泛的應用前景。在拉伸載荷下，基體首先出現裂紋。基體裂紋的出現對其高溫下的力學性能將產生影響，本文主要介紹陶瓷基復合材料的應用及發展。

【關鍵詞】陶瓷基 復合材料 研究發展

1工程背景

隨著軍用航空發動機推重比的不斷增加，為提高推重比，對耐高溫材料的要求也越來越高。為適應高推重比航空發動機的發展，各發達國家都競相發展接替鎳基單晶合金和金屬間化合物的超高溫結構材料及其制造技術。

陶瓷基復合材料是以陶瓷為基體與各種纖維復合的一種復合材料。陶瓷基體可為氮化硅、碳化硅等高溫結構陶瓷。這些先進陶瓷具有耐高溫、高強度和剛度、相對重量較輕、抗腐蝕等優異性能，而其致命的弱點是具有脆性，處于應力狀態時，會產生裂紋，甚至斷裂導致失效。而采用高強度、高彈性的纖維和基體復合，則是提高陶瓷韌性和可靠性的一個有效方法。纖維能阻止斷裂的擴展，從而得到有優良韌性的纖維增強陶瓷基復合材料。陶瓷基復合材料是制造高推重比航空發動機理想的耐高溫結構材料。陶瓷基復合材料的最高使用溫度可達1650℃，而密度只有高溫合金的70%。因此，陶瓷基復合材料已成為航空航天等高技術領域極有前景的新型材料。經過20多年的發展，陶瓷基復合材料的研究有了較快的發展，并且已經在航空發動機結構部件上得到了應用，法國、美國等航空發動機技術先進國家已經把纖維增強復合材料用于航空燃氣渦輪發動機高溫部件，CMC-SiC在高推重比航空發動機內已經用于噴管和燃燒室，將工作溫度提高了300～500℃，推力提高30%～100%，結構減重50%～70%，是發展高推重比（12～15、15～20）航空發動機的關鍵熱結構材料之一。

2研究發展

纖維增強陶瓷基復合材料在單軸拉伸載荷下將出現基體開裂、纖維/基體界面脫粘和纖維失效等損傷機制。Solti研究了單向陶瓷基復合材料基體裂紋演化，提出來臨界基體應變能準則，該準則假設基體應變能存在一個臨界值，當基體應變能超過臨界值時，多余的基體能量將通過產生新基體裂紋和界面脫粘等損傷機制耗散掉。

Chiang研究了拉伸應力作用下界面脫粘對單向纖維增強陶瓷基復合材料基體開裂的影響。用一個簡單的剪滯模型計算纖維與基體的應力和應變場。解決初始脫粘開裂的方法就是把脫粘過程當作一個特殊擴展的問題。

Liu采用激光超聲波技術研究了[0/90]-SiC/CAS陶瓷基復合材料在單軸拉伸載荷下的各向異性破壞特征，在材料的單軸拉伸過程中其三個方向的剛度系數C11、C22和C33（由超聲波速度確定）減小、導致材料的最終斷裂。

Daniel和Anastassopoulos對單軸拉伸載荷下的[0/90]2s-SiC/CAS陶瓷基復合材料的失效機理進行了研究，證明了失效時在90°層的地方開始的。

Kou和Chou研究了[0/90]-SiC/CAS正交鋪設陶瓷基復合材料的初始開裂模式，運用能量平衡法得到各種開裂模式下的初始開裂應力，研究表明，橫向開裂發生在90°層，而基體開裂發生在0°層。

Solti等采用細觀力學方法研究了正交鋪設陶瓷基復合材料單軸拉伸逐漸損傷及失效過程，其基本的失效模式有：橫向開裂、基體開裂、纖維/基體界面脫粘、纖維斷裂等，采用Kou和Chou提出的剪滯模型，分析了正交鋪設陶瓷基復合材料出現損傷后的細觀應力場，結合臨界基體應變能準則、最大剪應力界面脫粘準則、臨界纖維應變能準則預測了橫向裂紋間距、基體界面間距、界面脫粘長度、界面脫粘長度、纖維斷裂百分比，預測了不同鋪層形式的陶瓷基復合材料單軸拉伸應力-應變曲線。

當基體出現裂紋后，裂紋將沿纖維/基體界面偏轉，導致界面脫粘。Takeda通過掃描電鏡原位觀察研究了正交鋪設陶瓷基復合材料單軸拉伸載荷下0°層纖維/基體界面滑移，發現隨應力增加，界面脫粘間歇性產生，界面脫粘長度依賴于90°鋪層數量及損傷模式。

Morscher研究了二維機織SiC/ SiC陶瓷基復合材料拉伸過程中多裂紋演化，采用聲發射監測了拉伸損傷演化過程，得到了應力與基體開裂之間的關系，對于低密度復合材料，90°方向Mini復合材料與一般方向Mini復合材料在沒有受到大載荷情況下的基體開裂形狀非常相似。對于高密度復合材料，0°方向Mini復合材料受到大載荷，基體開裂取決于缺陷的尺寸大小，而90°方向Mini復合材料則取決于拉力大小與橫向裂紋的尺寸。

國內對陶瓷基復合材料的研究起步相對較晚，從上世紀90年代后期開始開展對陶瓷基復合材料的研究，取得了一定的成果。

在力學性能的試驗研究方面：汪洋在室溫下對單向碳纖維增強碳化硅基復合材料進行了單軸拉伸試驗，試驗發現，界面粘結強度過弱的單向纖維增強陶瓷基復合材料不可能產生橫向的飽和裂紋。梅輝在室溫下對二維平紋機織C/SiC陶瓷基復合材料進行了單軸拉伸試驗，研究了其宏觀力學特性和損傷演化過程，研究的結果表明，C/SiC開裂的原因是損傷累積后最終導致復合材料交叉編織節點處纖維束逐層斷裂和拔出，形成斜口斷裂和平口斷裂。習年生對纖維增強復合材料的損傷特性及失效分析方法進行了研究，給出了纖維增強復合材料單向板的基本失效模式，總結了多向層合板的損傷特征。

從以上多位學者的研究中可以知道，纖維基體含量、界面脫粘等參數對初始基體開裂應力有很大影響，不同模型選擇也各有其優越性。