纤维增强陶瓷基复合材料的发展及应用

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一【术用 I技应】。

纤维增强陶瓷基复合材料的发展及应用 李香兰 (昌大学工程力学中心南江西南昌 303 ) 3 0 1

摘

要：陶瓷基复合材料 ( M )是在陶瓷中引入第二相材料，使之增强，增韧的多相材料.、美、德、日等发达国家2多年来积极开展研究，目前陶瓷基 CC法 O

复合材料已在航空航天发动机、航天热防护系统、原子能等领域已经得到应用。 关键词：纤维增强陶瓷基复合材料：发展及应用 中图分类号：T 3文献标识码：A文章编号：1 7 -7 9 2 1 )0 2 1 6 1 Q4 6 1 5 7( 0 O 5 0 1一O

0引育

究。 19年， NS的 EM耳 ( nb ig P ou so a ei l )选择 94 A A P项 Ea ln r p lin M tr as

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，缺点是呈现脆性，不能承受剧烈的机械冲击和热冲击， 因而严重影响了它的实际应用 .为此，人们通过采用连续纤维增韧方法改进其特性，进而研发出连续纤维增强陶瓷基复合材料。该种材料采用碳或陶瓷等纤维进行增强，使陶瓷基体在断裂过程中发生裂纹偏转、纤维断裂和纤维拔出等的同时，吸收能量，既增强了强度和韧性，又保持了良好的高 温性能。

S C/ i作为 HC ( ih p e i i ta s ot发展的最佳材料系 ifsc S T hg se d cv l rn pr ) 统，并开始进行纤维、纤维涂层和基体组成的选择和研究。

作为高比冲液体火箭发动机用材料，多种卫星姿控轨控发动机喷管和 大型运载火箭发动机喷管扩张段通过了试车考核。美国H p rTe mM C ye— hr T, Ic公司和空军实验室采用C I n. V技术制备的cs c/ i复合材料液体火箭发动机

推力室。此推力室长 47m 5m,喷管出口直径为 24 m 5m,喉部直径为3m。目 5m 前已通过工作条件为月2()/ g ( )推进剂、燃气温度 25￣ 1 00C、燃烧室 压力4 1 P,推力1 3 . N热试车考核。 .M a 752的

1纤维增强陶瓷基复合材料的研究发晨我国从2世纪 7年代初期开始碳纤维增强陶瓷基的研究，由于碳纤维 0 0增强石英复合材

料中，两相在化学上相容性好，而且在物理上匹配也适 当，因而取得很好的增强增韧效果 CSC化学相容和物理上的匹配都不/ i在甚理想，这种复合材料虽然在任性上得到改进，但在增强上并没有什么显著效果[] 1,这~材料已经在我国的空间技术上得到应用。在碳纤维增强氮化硅复合材料的研究中发现：碳纤维与氮化硅的两相组合在化学上相容和物理上的匹配不甚理想。尽管可以通过低温烧结的途径来改善其化学相容性，通过 Z的相变来缓和由于热膨胀不匹配而引起的应力，但是两相之，间弹性模量的不匹配所产生的影响仍然无法消除。因此，这种复合材料虽

美国空军超音速技术计划在模拟 Mc 8航导弹工作环境中测试了多 a h巡种用于超燃冲压发动机尾喷管，燃烧室侧壁和进气道唇口，侧壁复合材料的性能结果表明，带有抗氧化涂层的CSC/ i复合材料能经受住 lm n O i的模拟环境考核，可用作一次性使用巡航导弹超燃冲压发动机中的进气道材料，并有希望用于温度高 14￣的燃烧室和喷管。针对大于M c8 90 ah飞行和长期工作，美法共同发起一项为期 4的研究计划，设计了带有冷却结构的年 cs c/i复合材料夹层结构，分为3:面向高温气流的最内层为CSC层/ i复合材料，中问层为镍合金冷却管，最外层也为C SC合材料。这种结构的缩比/ i复件通过了模拟超燃冲压发动机燃烧室工作环境的考核。 3结论纤维增强陶瓷基复合材料已经得到广泛应用，但同时，此种材料还不

然在韧性上可以得到改进，但在增强上并没有什么显著效果[] 2。碳化硅纤 维增强锂铝硅 (A )复合材料也是一种比较符合前述原则的复合系统，它 gS在 10℃以下不失为一种好的高温结构材料[]由于L S晶玻璃可以通 20 3。 A微过添加 Mg调整其热膨胀系数，使之与碳化硅纤维得到更佳的匹配[J O 4。碳纤维/A复合材料具有高达 2,M am LS 0 1P .的断裂韧性[] 5。我国采用气相合成或以氧化硅为原料的碳还原法制造SC i晶须，所制各的S C i晶须双^复合材料有极好的高温强度和断裂任性，在 17℃分

别为80P和 85P ., 30 8Ma .Ma m且表现出低的残余应力和高的抗蠕变性能 .国际在 2世纪 9年代，CC O O M-

太成熟，要想广泛地实际应用，还必须深入研究其特性，探索其经济实用的制造工艺，开发科学的概率设计方法，以解决好在高温环境下的耐久性 和安全可靠性问题。

SC i开始步入应用研究阶段 .作为高推重比航空发动机用高温热结构材料， 以推重比1航空发动机为演示验证平台对喷管，燃烧室和涡轮三大部分进 0

行了大量考核，历时十余年目前仍在进行 .中法国Sem公司生产的CC 其 n ca M— SC i调节片、密封片已装机使用近 1年在 70 O 0℃工作 lO,减重 5% Oh 0,疲劳寿命优于高温合金，目前正向其他发动机上拓展.中期 (05 0 0 ), 2 1￣22年 发展燃烧室和内衬、低压涡轮和导向叶片；远期 (0 0以后 ),发展高 22年压涡轮和导向叶片，高压压气机涡轮和导向叶片。

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2纤维增强陶瓷基复合材料的应用现状目前用来制备发动机构件的CC SC维主要是碳纤维和 SC M - i纤 i纤维。根据制备原料的不同，碳纤维可以分为粘胶基碳纤维、PN碳纤维和沥青基 A基碳纤维。PN A基碳纤维主要是高强度型；沥青基碳纤维主要是高模量型，也 有高强和高模兼具型。 在纤维用于制备航空发动机构件的选型上，美国做了较为广泛的研

[] ag x G H a g YR L , h uA P o . t n e . y po e a i 3W n ,u n , iX R Zo . r c5 h It r Sm . n Cr c m M

t r a s a d C m o e t f r E g n s E i e y Y , u , h S a e i l n o p n n s o n i e . d t d b a D S F X R S i n X W r d S i n i i u . o 1 9 2 0 . o l c e t f e P b C . 9 5: 9 .

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