连续纤维补强陶瓷基复合材料概述

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1、连续纤维补强陶瓷基复合材料概述摘要：八十年代以来，连续纤维补强陶瓷基复合材料材料以其优异的性能特别是高韧性、高强度得到世界各国的高度重视，并取得了令人瞩目的发展。连续纤维补强陶瓷基复合材料开始在航空航天、国防等领域得到应用。本文介绍连续纤维补强陶瓷基复合材料（FRCMC）的选材要求及其分类，通过分析连续纤维补强陶瓷基复合材料失效过程，阐述FRCMC的增韧机理。介绍制备连续纤维补强陶瓷基复合材料的方法，并指出各种方法的优缺点。关键词：纤维，FRCMC，增韧机理，制备方法作为结构材料，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，缺点是呈脆性

2、，不能承受剧烈的机械冲击和热冲击，因而严重影响了他的实际应用，为此人们采用连续纤维增韧的方法来改进其特性，将耐高温的植物纤维植入陶瓷基体中形成了一种高性能的符合材料进，即连续纤维增强陶瓷基复合材料(ContinuousFiberReinforcedCeramicMatrixComposites，简称FRCMC)。20世纪70年代初，JAveston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

3、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日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；SiO2纤维增强SiO2复合材料已作为“哥伦比亚号”和“挑战者号”航天飞机的隔热瓦。由于纤维增强陶瓷基复合材料有着优异的耐高温性能、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，因此，在重复使用的热防护领域有着

4、重要的应用和广泛的市场。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。1）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。②对于脆性基体复合材料，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

5、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：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，必须大于，选择高模量的纤维。这时越大，复合材料的强度越高。如果小于，基体不仅得不到强化，反而会降低。3）陶瓷基体和纤维的热膨胀系数的匹配。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、、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④径向⑤式中为应力驰豫温度与室温之差值，为基体的弹性模量

6、。如果＞，则为正值。复合材料冷却后纤维受压缩热残余应力，基体受拉伸热残余应力。这种热残余拉伸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＞，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，使材料的性能大大降低。如果＜，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＞，则为正，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＜，则为负，那么界

7、面受拉应力，适当的拉应力是有益的。2.FRCMC的增韧机理2.1FRCMC的失效过程分析纤维增强陶瓷基复合材料的增韧机理主要包括因模量小同引起的载荷转移、微裂纹增韧、裂纹偏转、纤维脱粘和纤维拔出等。图2为典型纤维增强陶瓷基复合材料的应力——应变曲线示意图。下面就此曲线讨论纤维增强陶瓷基复合材料的增韧机理。图2纤维增强陶瓷基复合材料（a）和单相陶瓷（b）的应力—应变曲线示意图陶瓷基复合材料的破坏过程大致可分为三个阶段：第一个阶段为OA段。在此阶段，应力水平较低，复合材料处于线弹性状态。当应力达到A点时，由于基体所受应力超过基体极限强度，基体出现裂纹，使复合

8、材料的应力——应变曲线开始与线性偏离。图中A点的应力即为基体的开裂应力，可表示为