先驱体转化陶瓷基复合材料的性能及应用研究进展

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1、先驱体转化陶瓷基复合材料的性能及应用研究进展摘要：先驱体转化法是近些年发展起来的制备陶瓷基复合材料（CMCs）的新方法。该方法工艺简单，制备温度低，可通过先驱体分子设计制备出所需组成和结构的陶瓷基体，是一种很有前途的制备连续纤维增强陶瓷基复合材料（CFRCMCs）的工艺。所谓先驱体陶瓷（又称前驱体）转化陶瓷是通过化学合成的方法制得可经预处理转化为陶瓷材料的聚合物，进而热处理获得传统陶瓷工艺难以获得的先进陶瓷材料。本文综述了先驱体转化陶瓷的发展历史、制备技术的特点、制备工艺、组成结构和性能的发展变化研究现状情况。关键词：陶瓷基复合

2、材料；先驱体转化法；技术特点；成型工艺；发展趋势。陶瓷材料作为一种结构材料，因其具有高强度、高硬度、耐磨损、耐高温和抗腐蚀等优异性能，能应用于高温和某些苛刻环境中，被认为是21世纪高温结构部件最有希望的候选材料和“最终材料的梦想”。其作为热结构材料主要应用在航空航天发动机涡轮的热端部件、大功率内燃机的增压涡轮、固体火箭发动机燃烧室和喷管以及完全代替金属的车辆发动机。然而，作为结构材料，单相陶瓷的韧性很低，可瞬间即发生灾难性破坏，因此必须改善单相陶瓷的韧性。从材料的断裂机理分析，提高陶瓷韧性的主要途径是：在陶瓷材料中设置其他耗能机

3、制或形成能阻碍裂纹扩展的机制。引入增强相是改善陶瓷韧性的有效途径，为此材料研究者提出了陶瓷基复合材料（CeramicMatrixComposites，CMCs）的概念。CMCs是在陶瓷基体中通过引入第二相来提高强度和韧性的多相材料，又称多相复合陶瓷或复相陶瓷。先驱体转化法制备连续纤维增强陶瓷基复合材料(ContinuousFiberReinforcedCeramicMatrixComposites，CFCC)是将耐高温的纤维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

4、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.先驱体陶瓷基复合材料的发展历史先驱体陶瓷技术在陶瓷纤维制备过程中的成功极大地推动了先驱体转化法技术的发展，以先驱体制备陶瓷材料为对象的研究主要包括陶瓷基复合材料的制备、陶瓷先驱体的合成两方面的内容。早在1964年就有研究学者提出了无机聚合物可作为陶瓷的先驱体的概念。先驱体陶瓷早期的开拓性研究主要由法国Verbeek和日本的Yajima等完成，Verbeek首先采用三聚甲基硅烷与甲胺反应，然后经缩合反应获得一种脆性的固态含硅碳

5、氮树脂，纺丝、熔化、烧结后可获得无定型结构的陶瓷纤维，Yajima在前人的基础上对制备工艺进行了优化，其研究成果迅速在日本实现了产业化，该纤维具有优异的性能，拉伸强度为2.5~3.2GPa，拉伸模量为180~200GPa，耐高温达1200℃，抗酸碱腐蚀和抗高温氧化。1992年美国Seyferth对陶瓷先驱体进行了系统深入的评述，总结了陶瓷先驱体化学的研究方向。以道康灵公司为牵头单位开展了用聚合物浸渍/裂解（PIP）工艺制备技术研究，结果表明，陶瓷先驱体聚合物浸渍/裂解工艺是制备大型复杂CMCs构件的最有效方法。20世纪末到21世

6、纪初先驱体陶瓷迅速在航天领域得到了应用，如德国戴姆勒·克莱斯勒宇航（DASA）公司利用缠绕成型和PIP技术制备Cf/SiC复合材料防热构件，复合材料密度1.8g/cm3，拉伸、压缩和弯曲强度分别达到了270MPa、370MPa和530MPa，表面温度可达1310~1590℃，表面没有明显的退化和质量损失现象。2.先驱体陶瓷基复合材料技术的特点2.1先驱体法制备陶瓷基复合材料的技术特点先驱体转化陶瓷工艺具有传统陶瓷工艺无法比拟的众多优点，先驱体陶瓷技术涉及采用化学方法合成先驱体低聚物或聚合物，然后成型、热解得到陶瓷，因而该技术可集

7、有机高分子和陶瓷两大材料的优点。（1）分子的可设计性：可通过分子设计对先驱体组成、结构进行设计和优化，进而实现陶瓷纤维及其复合材料组成与结构设计。（2）良好的工艺性：陶瓷先驱体属于有机高分子，具有高分子工艺性较好的优点，可纺成丝，可模塑成型，也可移植树脂基复合材料成熟的制备工艺和设备。（3）可低温陶瓷化：陶瓷先驱体可在不加烧结助剂下低温（800~1200℃）实现陶瓷化，低温烧结有利于降低能耗和成本，提高陶瓷材料的高温蠕变性能。（4）陶瓷材料的可加工性：陶瓷先驱体可作为各类增强剂的粘结剂，经成型热解后，可获得强度较好、密度低的中间

8、产品，可实施精加工，然后通过多次浸渍和热解先驱体达到陶瓷构件的致密化。2.2先驱体法制备纤维增韧陶瓷基复合材料的特点20世纪70年代初，Aveston在连续纤维增韧聚合物基复合材料（FRPMCs）和纤维增韧金属基复合材料（FRMMCs）研究的基础上，提出了纤维增