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新型复合材料论文


陶瓷基复合材料的生产应用及发展前景 概论:科学技术的发展对材料提出了越来越高的要求,陶瓷基复合材 料由于在破坏过程中表现出非脆性断裂特性,具有高可靠性,在新能源、国防军 工、航空航天、交通运输等领域具有广阔的应用前景。 陶瓷基复合材料是在陶瓷基体中引入第二相材料,使之增强、增韧的多 相材料,又称为多相复合陶瓷或复相陶瓷。 陶瓷基复合材料是2O世纪8O年代逐渐发展起来的新型陶瓷材料,包括纤 维(或晶须)增韧(或增强)陶瓷基复合材料、异相颗粒弥散强化复相陶瓷、原位 生长陶瓷复合材料、梯度功能复合陶瓷复合材料。其因具有耐高温、耐磨、抗 高温蠕变、热导率低、热膨胀系数低、耐化学腐蚀、强度高、硬度大及介电、 透波等特点,在有机材料基和金属材料基不能满足性能要求的工况下可以得到 广泛应用,成为理想的高温结构材料。 连续纤维增强复合材料是以连续长纤维为增强材料,金属、陶瓷等为基体材料 制备而成。金属基复合材料是以陶瓷等为增强材料,金属、轻合金等为基体材 料而制备的。从 20 世纪 60 年代起各国都相继对金属基复合材料开展了大量的 研究,因其具有高比强度、高比模量和低热膨胀系数等特点而被应用于航天航 空及汽车工业。陶瓷材料具有熔点高、密度低、耐腐蚀、抗氧化和抗烧蚀等优 异性能,被广泛用于航天航空、军事工业等特殊领域。但是陶瓷材料的脆性大、 塑韧性差导致了其在使用过程中可靠性差,制约了它的应用范围。而纤维增强 陶瓷基复合材料方面克服了陶瓷材料脆性断裂的缺点,另一方面保持了陶瓷本 身的优点及纳米陶瓷。 (1) 基体 陶瓷基复合材料的基体为陶瓷,这是一种包括范围很广的材料,属于无机 化合物而不是单质,所以它的结构远比金属合金复杂得多。现代陶瓷材料的研 究,最早是从对硅酸盐材料的研究开始的,随后又逐步扩大到了其他的无机非 金属材料。 目前被人们研究最多的是碳化硅、氮化硅、氧化铝等,它们普遍具有耐高 温、耐腐蚀、高强度、重量轻和价格低等优点。 (2) 增强体 陶瓷基复合材料中的增强体,通常也称为增韧体。从几何尺寸上增强 体可分为纤维(长、短纤维)、晶须和颗粒三类。 a. 纤维: 在陶瓷基复合材料中使用得较为普遍的是碳纤维、玻璃纤维、硼纤维等; b. 晶须: 晶须为具有一定长径比(直径 0.3~1?m,长 0~100 ?m) 的小单晶体。晶须 的特点是没有微裂纹、位错、孔洞和表面损伤等一类缺陷,因此其强度接近理 论强度由于晶须具有最佳的热性能、低密度和高杨氏模量,从而引起了人们对 其特别的关注。 在陶瓷基复合材料中使用得较为普遍的是 SiC、A12O3 及 Si3N4 晶须。 c. 颗粒 从几何尺寸上看,颗粒在各个方向上的长度是大致相同的,一般为几个 微米。 颗粒的增韧效果虽不如纤维和晶须。但是,如果颗粒种类、粒径、含量及 基体材料选择适当仍会有一定的韧化效果,同时还会带来高温强度,高温蠕变 性能的改善。所以,颗粒增韧复合材料同样受到重视并对其进行了一定的研究。 常用的颗粒也是 SiC、Si3N4 等 陶瓷基基复合材料的种类 1. 纤维增强陶瓷基复合材料 在陶瓷材料中,加入第二相纤维制成复合材料是改善陶瓷材料韧性的 重要手段,按纤维排布方式的不同,又可将其分为单向排布长纤维复合材料和 多向排布纤维复合材料 单向排布纤维陶瓷基复合材料 单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料的显著特点是它具有各向异性, 即沿纤维 长度方向上的纵向性能要大大优于其横向性能。 在实际构件中,主要是使用其纵向性能。在单向排布纤维增韧陶瓷基复合 材料中,当裂纹扩展遇到纤维时会受阻,这时,如果要使裂纹

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