连续纤维补强陶瓷基复合材料

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1、连续纤维补强陶瓷基复合材料关键词：纤维，FRCMC，增韧机理，制备方法1.FRCMC的纤维和基体1.1FRCMC的选材原则1）陶瓷基体和纤维应该满足结构件的使用环境要求。使用环境包括：工作最低温度、最高温度、湿度、工作介质的腐蚀性等。2）陶瓷基体和纤维间弹性模量的匹配。当复合材料承受负载时，其应力和弹性模量服从加和原则。图1复合材料受力状况?C??fVf??VmmEC?EfVf?EVmm①Vf?Vm?1上述方程中，?表示承受的应力，V为体积分数，E为弹性模量。下标c，f，m分别代表复合材料、纤维、基体。?c??m??f??m/Em??f/Ef②对于脆性基

2、体复合材料，当基体的应变大于其临界断裂应变时基体发生断裂。由于基体的弹性变形非常小，所以在基体断裂瞬间，纤维并未充分发挥作用。假设基体断裂时，它所承担的应力分量全部转移给纤维。此时复合材料所承担的应力由式①和式②可得：?c??mu?1?Vf????Ef?Em???1????③式中下标mu和f分别代表基体和纤维断裂。从式③可看出，对于脆性基体复合材料，如果基体的断裂应变小于纤维的断裂应变，要想提高复合材料的强度，必须Ef大于Em，选择高模量的纤维。这时Ef/Em越大，复合材料的强度越高。如果Ef小于Em，基体不仅得不到强化，反而会降低。3）陶瓷基体和纤维的

3、热膨胀系数的匹配。复合材料组元之间必须要满足物理化学相容性，其中最重要的就是热膨胀系数的匹配。设Am、Afa、Afr分别代表基体、纤维轴向和纤维径向热膨胀系数的平衡值。则基体所承受的应力：轴向?a?(Am?Afa)?TEm④径向?f?(Am?Afr)?TEm⑤式中?T为应力驰豫温度与室温之差值，Em为基体的弹性模量。如果Am＞Afa，则?a为正值。复合材料冷却后纤维受压缩热残余应力，基体受拉仲热残余应力。这种热残余拉仲应力在材料使用时将叠加于外加拉伸载荷，对材料的强度不利。如果?a＞?mu，材料在冷却过程中就可能垂直于纤维轴向形成微裂纹网络，使材料的性能

4、大大降低。如果Am＜Afa，则为负值时，纤维受热残余拉伸应力，基体受压应力。这个应力可能抵消外加拉伸载荷，对材料性能的提高有益。但如果该应力过大，超过纤维的断裂应力时，对强化不利。如果Am＞Afr，则?r为正，那么纤维—基体界面则承受热压缩应力。过大的界面压应力使复合材料在断裂过程中难以形成纤维/脱粘/拔出等吸能机制，对材料性能的提高不利。如果Am＜Afr，则?r为负，那么界面受拉应力，适当的拉应力是有益的。1.2FRCMC的纤维和基体分类1.2.1FRCMC的纤维虽然用于纤维增强陶瓷基复合材料的纤维种类较多，但能够真正实用的纤维种类并不多，现简要介绍：

5、氧化铝系列(包括莫来石)纤维；碳化硅系列纤维；氮化硅系列纤维；碳纤维。第一类为氧化铝系列(包括莫来石)纤维。这类纤维的高温抗氧化性能优良，有可能用于1400℃以上的高温环境，但目前作为FRCMCs的增强材料主要存在以下两个问题：一是高温下晶体相变、晶粒粗化以及玻璃相的蠕变导致纤维的高温强度下降；二是在高温成型和使用过程中，氧化物纤维易与陶瓷基体(尤其是氧化物陶瓷)形成强结合的界面，导致FRCMCs的脆性破坏，丧失了纤维的补强增韧作用。第二类为碳化硅系列纤维。目前制备碳化硅纤维的方法主要有两种：是化学气相沉积法（CVD）。用这种方法制备的碳化硅纤维，其高温

6、性能好，但由于直径太大（大于100?m），不利于制备形状复杂的FRCMCs构件，且价格昂贵，因而其应用受到很大限制。二是有机聚合物先驱体转化法。在这种方法制备的纤维中，最典型的例子是日本碳公司生产的Nicalon和Tyranno等纤维。这种纤维的共同特点是，纤维不同程度地含有氧和游离碳杂质，从而影响纤维的高温性能。最近，日本碳公司生产的低含氧量碳化硅纤维（Hi-Nicalon）具有较好的高温稳定性，其强度在1500~1600℃温度下变化小大。第三类为氮化硅系列纤维。它们实际上是由Si，N，C和O等组成的复相陶瓷纤维。现已有商品出售。这类纤维也是通过有机聚

7、合物先驱体转化法制备的。目前也存在着与先驱体碳化硅纤维同样的问题，因而其性能与先驱体碳化硅纤维相近。第四类为碳纤维。碳纤维已有三十余年的发展历史，它已是目前开发得最成熟，性能最好的纤维之已被广泛用作复合材料的增强材料。其高温性能非常好，在惰性气氛中，2000℃温度范围内其强度基本不下降，是目前增强纤维中高温性能最佳的类纤维。然而，高温抗氧化性能差是其最大的弱点。空气中，温度高于360℃后即出现明显的氧化失重和强度下降，如能解决这个问题(如采用纤维表而涂层等方法)碳纤维仍不失为FRCMCs的最佳侯选材料。1.2.2FRCMC的陶瓷基体用于FRCMC的陶瓷基

8、体种类很多，大致叫分为以下三大类：第一类为玻璃及玻璃陶瓷基体。由于玻璃基复合材料