联系电话
13631572573
陶瓷材料耐温能力高、力学性能好、密度低,很早就被视为发动机高温结构的候选材料,但因韧性差、损坏可能引发灾难性后果而应用受限。为提高韧性发展出的陶瓷基复合材料,是在陶瓷基体中引入增强材料,以增强材料为分散相、陶瓷基体为连续相的复合材料,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。
从分类看,按增强体分为连续增强(单向、双向、三向纤维增强及多层陶瓷复材)和不连续增强(晶须、晶片、颗粒第二组元及自身增强);按基体分为氧化物基(玻璃、玻璃陶瓷、氧化物等,常称全氧化物复材)和非氧化物基(以SiC、Si₃N₄、MoS₂基为主)。

从材料体系看,陶瓷基复合材料以陶瓷为基体,通过纤维、晶须或颗粒增强,克服陶瓷脆性大的不足。纤维增强体系包括碳纤维增强碳化硅、碳化硅纤维增强碳化硅等,增韧效果明显;晶须和颗粒增强工艺相对简单,成本较低,增韧幅度有限。复合材料的设计需平衡增强相含量、基体致密度和制备工艺的可行性。
从制备工艺看,陶瓷基复合材料的致密化路线包括化学气相渗透、浸渍裂解、反应熔渗和浆料浸渗等。化学气相渗透温度较低、纤维损伤小,适合形状复杂构件,但周期较长;浸渍裂解通过多次浸渍和裂解提高密度,树脂残留碳率影响基体性能;反应熔渗利用液相反应快速致密,但反应温度和残余相控制较难。
从应用看,陶瓷基复合材料在航空发动机热端部件、航天热防护、刹车材料和核能领域应用价值较高,其耐高温、低密度和抗热震特性适合高温结构应用。随着制备工艺成熟和成本下降,陶瓷基复合材料正从航空航天向工业和民用领域拓展。
从制备工艺看,化学气相渗透法(CVI)将先驱体和载体按比例通入沉积室,通过气体扩散或压力差定向流动将气态先驱体扩散至纤维预制体内部,在纤维表面裂解沉积实现致密化,优点是纤维损伤小、基体纯度高晶型完整、力学性能较高,但工艺复杂、成本高、周期长、孔隙率高。聚合物浸渍裂解法(PIP)以聚合物液相先驱体为浸渍剂,多循环交联固化高温裂解获得致密化材料,优点是处理温度低、近净成型、可制备复杂大尺寸构件,缺点是陶瓷收率低、周期长、孔隙率高。浆料浸渍热压法将陶瓷纤维浸渍浆料后缠绕成无纬布,经切片、叠加、热模压和热压烧结致密化,工艺简单成本较低,但热压易损伤纤维,且仅限一维或二维复材。熔体浸渍工艺将金属或合金熔融后渗透至纤维预制体内部反应生成陶瓷基体,优点是一次成型制备致密无缺陷基体、近净成型、成本低,缺点是处理温度较高、残留金属影响性能。
从增韧技术看,纤维增韧要求纤维与基体化学和物理相容,机制包括基体预压缩应力、裂纹扩展受阻、纤维拔出、纤维桥联、裂纹偏转、相变增韧,可用纤维包括氧化铝系列、碳化硅系列、氮化硅系列、碳纤维等。晶须增韧中,陶瓷晶须是高缺陷少的小单晶,强度高,机制包括晶须拔出、裂纹偏转、晶须桥联,常用SiC晶须和Al₂O₃晶须,基体常用ZrO₂、Si₃N₄、SiO₂、Al₂O₃和莫来石。颗粒增韧分散和烧结比短纤维及晶须简便,增韧效果不如晶须与纤维,但选择得当仍有韧化效果并改善高温强度和蠕变性能,按机理分非相变第二相颗粒、延性颗粒、纳米颗粒增韧。相变增韧利用ZrO₂相变特性提高断裂韧性和抗弯强度,具有低导热系数和良好抗热震性。纳米复合陶瓷增韧通过晶粒细化使晶界数量增加,纳米相以晶间或晶内形式存在,产生穿晶断裂和多重界面效应。自增韧陶瓷在原料中加入可生成第二相的原料,控制条件在主晶相基体中原位生长晶须或高长径比晶粒,避免两相不相容和分布不均问题,增韧机理类似晶须,以桥接为主。
面向上述烧结需求,可选用专业的真空烧结炉设备,配合多段工艺曲线实现稳定致密化。
面向上述工艺需求,可选用专业的真空管式炉设备,实现气氛与温场精确控制。
设备温场均匀性对最终产品质量影响明显,选型时应重点评估。