商用航空发动机陶瓷基复合材料部件的研发应用及展望

商用航空发动机陶瓷基复合材料部件的研发应用及展望

商用航空发动机是航空产业的重要支柱，随着气动热力学、结构力学和材料科学的飞速发展，大涵道比涡扇发动机向着低油耗、低排放、低噪声、易维护、高可靠、长寿命等高效能方向发展，已成为先进商用航空发动机的研发目标。基于大数据挖掘，在不改变涡扇发动机现有布局的前提下，要达成上述性能指标，依靠创新材料和新颖构型成为根本性的解决途径。

近半个世纪以来商用航空发动机技术，尤其是燃烧室技术的进步，发动机的推重比得到了显著提高，飞机的性能因此得以大幅提升。随着终端用户对飞行航程和速度要求的不断提高，对发动机高推力、高推重比要求的同时，减少NOx和CO排放等环保指标也越来越苛刻，导致发动机的增压比、涡轮前温度、燃烧室温度以及转速也必须不断提升。就材料而言，当前高效航空发动机喷射出高热气体——足以达到传统钛合金、镍基高温合金使用温度的极限，现有合金材料方案无法完全满足下一代先进发动机设计对耐热的需求，在实际应用中，不得不对高温部件采取气冷以及热障涂层防护等措施。但冷气的应用一方面会减少燃烧空气，降低发动机燃烧效率；另一方面，使部件结构复杂化，不仅增添了加工难度，且研制和维护费用也随之提高。

高性能航空发动机追求不断提升涡轮前温度，对热端部件用材的高温强度、抗腐蚀性及抗氧化性能要求也越来越高，推重比15～20发动机的涡轮前温度将达到1927℃

/2200K，耐温高、密度低、有类金属的断裂行为、对裂纹不敏感、不发生灾难性的损毁等优异性能的陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composite，CMC）取代高温合金，满足热端部件在更高温度环境下使用，不仅有益于大幅减重，还可节约冷气甚至无需冷却，从而提高总压比（Overall Pressure Ratios,OPR），实现在高温合金耐温基础上进一步提升工作温度400~500℃，结构减重50%~70%，势必成为高推比航空发动机的关键热结构用材[1]。

陶瓷基复合材料由连续纤维增韧补强陶瓷基体，具有低密度、高硬度、耐热和耐化学气氛，加之其固有的性能，在广泛的领域，如航空发动机热端结构件、尾喷系统以及内燃机应用中，被视为取代高温合金、实现减重增效“升级换代材料”之首选。

商用航空发动机与军机不同，更注重长寿命、高可靠性、易维护、环保型、经济性等指标，通过采用更多新材料、新结构、新工艺，同时满足严格的适航认证，才能投入商用。

陶瓷基复合材料在大涵道比商用航空发动机的应用已呈快速增长趋势，被认同为高

新技术，是反映一个国家航空航天高端制造业水平、关系国家安全的新型战略性热材料。CMC历经30余年的研发，已开始进入商业市场，以空客为例，从A320到A320neo的飞发换装，借助CMC在内的复合材料应用，有望提高发动机燃效15％。我国大客发动机动力处在追赶先进的研制阶段，不远的将来，将推出装配具有自主知识产权CMC部件的国产长江系列商用航空发动机。

商用航空动力之争——先进发动机

波音和空客是国际著名飞机制造商的两大巨头，几乎垄断了中、大型商用飞机的国际市场。在新一代窄体机中，除了波音737MAX、空客A320neo之外，近年还接连涌现了中国商飞C919，巴航工业E-Jet E2、庞巴迪C系列和俄罗斯MS21等新生力量。

目前商用航空发动机市场基本由GE、P&W、R-R和CFM垄断，俄罗斯和中国在积极努力参入，该领域的技术进步直接推动着整个航空业的升级换代。

其中，CFM是GE和SAFRAN（法国赛峰）集团旗下SNECMA（斯奈克玛）公司对半合资成立的公司，已向波音和空客提供了2.5万余台中型客机用喷气发动机。其经典之作CFM-56是全球装机最多的一款发动机产品，堪称传奇。针对新支线的换装，将推出LEAP （Leading Edge Aviation Propulsion）作为替代产品参与竞争，并将成为CMC应用的首款商用航空发动机面世[2]。

空客于2010年12月1日正式启动A320neo项目，该项目与波音稍后启动的737MAX 项目一样，重点是换装新型发动机。与737MAX不同，A320neo有两款备选发动机，分别是P&W的PW1100G-JM和CFM的LEAP-X1A。

事实上，只有A320neo项目有两款发动机型号供选择，其他客机项目都只选择了唯一的发动机供应商：庞巴迪C系列、三菱重工MRJ、伊尔库特MS-21和巴航工业下一代E-Jets选择了PW1000G系列，737MAX和中国商飞的C919则选择了CFM的LEAP-X发动机。

因此A320neo的发动机是P&W和CFM唯一针锋相对的市场，总计近2500架的庞大订单也给这场动力之争增添了更多火药味。起始于20世纪80年代的窄体客机的动力之争，伴随着多年来的技术发展，比拼已进入一个全新的阶段。CFM和P&W选择了两条不同的技术升级路线。PW1100G-JM以齿轮传动见长；LEAP-X则在复合材料应用上下足功夫，也成就其一大亮点。PW1100G-JM发动机采用传统的金属材料制造，而LEAP-X发动机则凭借采用更多复合材料应对。相比现役发动机，尽管LEAP-X和PW1100G都大幅增加了风扇尺寸和涵道比，但CFM公司把更多精力放在发动机热效率的提高上，P&W公司则着重提高发动机的推进效率。两家都宣称，自己下一代发动机比现役A320产品的油耗将降低15%。按每加仑2.5美元计，每架飞机一年就可节省百万美金的航油费，换发效益可观。

CFM公司和P&W公司各凭借其“二十年磨一剑”的技术优势开启了未来数十年的竞争，目前两家斩获的发动机订单数量基本上旗鼓相当。

CMC——陶瓷基复合材料

传统概念的陶瓷材料通常易碎、脆性大及可靠性差，不适合发动机应用。为了工程应用需克服其固有的致命弱点，人工创新出CMC这种全新的复合材料，它基于陶瓷组分，采用高强度、高弹性的纤维与成分相同或相近的基体复合，纤维用以阻止材料中裂纹的扩展，从而改善韧性，实践证明已成为提高CM可靠性的一个有效方法。复合后的陶瓷材料兼具优良的强度和韧性，强韧化方式有“纳米晶粒增韧”、“原位自生增韧”、“仿生结构增韧”和“增强体增韧”4种[3]。

替代高温合金作为发动机高温结构部件用材料，CMC具有诸多优势：（1）SiC/SiC 密度为2.4~2.6g/cm3，仅相当于高温合金1/3程度，可有效降低结构重量；（2）耐温、能承受更高的工作温度，减少或省去冷却气体，从而提升涡轮效率；（3）可减少为降温而设置的附加结构，简化发动机结构设计；（4）因为冷却气流更少和燃烧室温度更高，燃烧将更为充分，排放气体中的CO和NOx的量更少，尾气更为洁净；（5）叶片可以有更高旋转速率，有益于更大推力；（6）高比强、高比模、高硬度、耐磨损、耐腐蚀；（7）高温抗氧化、抗烧蚀，具有高温热稳定的耐久性能；（8）热膨胀系数、热导率高，纤维和基体间热应力小。

因此，对裂纹不敏感，可避免灾难性损毁等优异特性的CMC，能实现更长的使用寿命，被认定为21世纪航空航天等高温部件最有希望的应用材料，成为航空发动机应用的一个发展趋势。

依所用陶瓷基体不同，CMC一般为氧化物基及非氧化物基两大类。CMC组元纤维的化学成分多采用与基体相同或相近的材料构成。氧化物CMC，增强材料采用氧化物纤维，基体材料多为高熔点金属氧化物，常用基体有氧化铝（Al2O3）、钇铝石榴石（YAG）、氧化锆（ZrO2）等；非氧化物陶瓷基复合材料，主要采用陶瓷纤维（C或SiC）和纤维增韧补强SiC材料（C/SiC或SiC/SiC）两种。尤其是SiC/SiC，不但保持了SiC陶瓷优异的高温力学性能和良好的抗氧化性能，还克服了韧性差等致命弱点。氧化铝基纤维主要优点是抗氧化，缺点是抗蠕变性差；碳化硅陶瓷纤维则具有良好的综合性能，但使用温度有待进一步提高。

CMC典型的制备方法有：化学气相浸透（Chemical Vapor Infiltration，CVI）法、先驱体浸渗热解（Polymer Impregnation and Pyrolysis，PIP）法、浆料浸渍结合热压（Slurry Impregnation and Hot Pressing，SIHP）法和反应性熔体渗透（Reactive Melt Infiltration，RMI）法等。其中CVI法可用于基体、界面层

和表面涂层制备；RMI工艺通过熔融的Si或气态Si渗入有适当孔隙的陶瓷纤维预制体内部，通过Si 和C反应形成SiC基体，对控制部件内空洞缺陷发生、达到致密、实现低成本制备有益。

采用CVI、PIP工艺，可获得无残留Si的CMC材料，但致密度难以达到90%以上（气孔率低于10%），制备的部件多用于航天领域服役时间短或军机的尾喷部件；而服役长寿命的航空发动机热端部件，需达到98%以上致密度，同时消除残余Si以确保抗蠕变性能，通常采用上述工艺与熔渗（RMI）相结合，所获得的CMC耐温水平高，较比当前通用的高温合金“单晶+涂层+冷却”组合，其耐温能力提升400℃以上，已成为新一代航空发动机用材的趋势选择。世界各技术先进国家都把它为推动航空发动机重大进化作用的高新材料，而加以重点开发和应用。

连续纤维作为一种“增强体”，能最大限度地抑制陶瓷缺陷的体积效应，有效偏折裂纹、消耗纤维拔出的断裂能，从而发挥纤维增韧和补强作用，强韧化效果最好。所形成的连续纤维增韧补强陶瓷基复合材料（Continuous Fiber Ceramic Matrix Composite，CFCC）从根本上克服了陶瓷脆性大和可靠性差的弱点，加之自愈合组织形成和应用，使其具备有类金属的断裂行为，对裂纹不敏感，不致发生灾难性损毁等特征。优异的强韧性使其成为新型耐高温、低密度热结构材料发展的主流，连续纤维增韧碳化硅CMC是目前研究最多、应用最广泛的CMC材料，在航空发动机领域具有广阔的应用前景[4]。

应用于航空发动机热端部件，高温和腐蚀性环境会对CMC造成损伤，进而降低其性能。需要通过在其表面涂覆环境阻隔涂层（Environmental Barrier Coating，EBC），以阻隔材料组分与外部破坏性因素的反应，进而延长CMC使用寿命。EBC材料组分主要是金属氧化物或无机盐类化合物，通常有YSZ（ZrO2+8%Y2O3）、钡长石、莫来石+BSAS/Si 等[3]。

由连续纤维补强增韧陶瓷基体复合成材的“混搭”，类似于“钢筋+混凝土”组合，连续的陶瓷纤维根据需要，可编织成1D（一维）、2D（二维）、以至3D（三维）的“钢筋”骨架（纤维预制体）、“混凝土”则为骨架周围紧密充填的陶瓷基体材料，这使其具有高比模、耐高温、抗烧蚀、抗粒子冲蚀、抗氧化和低密度等优点，且强度特别是韧性相比单相陶瓷的应变容限大大提高，维持高强度的同时也获得高韧性。实现减重的同时具备优良的耐涡轮前温度性能，减少冷气量，进而大幅提升发动机工作效率。成为1650℃以下长寿命（数百上千小时）、1900℃以下有限寿命（数分到数十分钟）和2800℃以下瞬时寿命（数秒至数十秒）的热结构/功能材料。

严格化学计量比的SiC陶瓷纤维具有低密度、抗磨损、高基体强度和最高耐温特性；氧含量低于2%的SiNC纤维50~500丝束，可有效提高1350℃/2462℉温度下的抗蠕变和化学稳定性。优质纤维复合的CMC有利于展示最高耐温能力和源自其基体的力学性能，将作为航

空发动机涡轮热端部件发挥效能[2]。在喷气发动机进化史中，涡扇发动机材料耐温能力平均每10年以10℃/50℉速度提升。而按照GE预测，未来10年单就CMC部件应用一项，发动机耐温能力就将改善66℃/150℉，效果相当显著[2]。

CMC面向航空发动机应用的研究积累

在纤维用于制备航空发动机构件的选型上，美国做出了最为广泛的研究。1994年，NASA的EPM（Enabling Propulsion Materials）项目选择SiC /SiC作为HSCT （High Speed Civil Transport）发展的最佳材料系统，开展了SiC纤维、纤维涂层和基体组成的组合工艺优化等研究。之后，CMC成为了航空发动机设计与制造商所青睐的航空发动机高温部件（如涡轮静子的导向叶片、涡轮转子叶片、燃烧室和尾喷部件等）的重要候选材料，并取得突破性进展[4]。

CMC的应用在提高推重比、提高使用温度、简化系统结构等方面可带来显著效益。对于航空发动机长寿命CMC热端部件的开发，世界各国家已竞相投入资源展开研发。

从20世纪80年代中期开始，NASA就已开展CMC技术研究，从先进高温发动机材料技术（HITEMP）项目开始，实施过IHPTET、UEET、VAATE等大型项目，重点研究了先进材料与结构，其中用于航空发动机的CMC高温部件是攻关重点[1]。

在IHPTET计划第2阶段的ATEGG验证机XTC76/3上，GE联手Allison公司使用从EPM（Enabling Propulsion Material）项目中获得的材料，开发并验证了Hi-Nicalon 纤维（占40％）增强CMC燃烧室火焰筒。该燃烧室壁可耐温1316℃/1589K，并与由Lamilloy结构材料加工的外火焰筒一起组合成先进的柔性燃烧室。IHPTET计划第3阶段在ATEGG验证机XTC77/1上，GE与Allison一道开发了CMC燃烧室3D模型，验证了空心叶片。燃烧室3D模型采用正交各向异性材料特性，改进了热力和应力分析。与典型的镍基高温合金的静子叶片相比，减重50%，冷却空气量减少20%[5]。

在IHPTET计划第3阶段的JTAGG（联合涡轮先进燃气发生器）验证机XTC97上，霍尼韦尔（Honeywell）和GE公司考核验证了CMC高温升燃烧室。该燃烧室在目标油气比下保持较小分布因子数据[5]。

在超高效发动机技术（UEET, Ultra Efficient Engine Technology）项目中，材料和结构是其攻关重点。拟实现起飞与着陆距离缩短70%、NOx排放降低70% 、油耗与成本下降8%～15%等目标。而CMC作为燃烧室火焰筒和涡轮静子叶片的关键材料，占材料和结构研究总研制费用近30%[1]。

通过多用途、经济可承受的先进涡轮发动机（VAATE）项目研究，开发和验证了CMC 燃烧室等技术，基本实现“减排增效”目标。GE公司在TECH56计划下开发的CMC燃烧

室，考核验证了提供较大温升且冷气用量减少等性能。

在GE公司角逐用于窄体客机的下一代发动机LEAP-X中，CMC将作为关键验证项目，同时也计划在GEnx型号上采用陶瓷基复合材料燃烧室火焰筒。

在高速研究（HSR）项目中，EPM作为子项目，重点研究了CMC燃烧室火焰筒技术;在1205℃/1478K、大于9000h的热态寿命下，仍保持13.78MPa的应力水准；燃烧室扇形段试验已考核其具有200h，践行了如下开发策略[6]。

（1）在代表飞机任务循环的工作状态下进行发动机试验，验证1205℃/1478K条件下，CMC燃烧室火焰筒的耐久性；（2）提高CMC和EBC的耐温能力，研制1482℃/1755K 和1649℃/1922K体系，以大幅减少甚至取消燃烧室火焰筒的气膜冷却，进而扩展CMC的应用范围。目前，通过以下途径，明显提高CMC的耐温能力，并开展热态工作300~1000h 下提高其承载能力研究条件：

（1）改进工艺，减少或除去影响CMC蠕变性能的因素；（2）改进SYLRAMICTM 纤维热处理表面，提高抗蠕变性能；（3）采用类似于Hi-NicalonTM的SiC纤维；（4）通过优化工艺，降低复合材料特性值分散度，在开发1482℃/1755K 用CMC基础上，同时研发和验证1649℃/1922K CMC体系的可行性。

GE明确将CMC作为未来发展的核心技术，多年来持续投入和研发CMC工艺技术，通过合纵连横开拓美国内外的产学研资源，在CMC研究与应用领域奠定了领导地位，作为标杆值得后来者借鉴。为此，联合法国SNECMA、日本IHI和德国MTU，开展大量协作和部件试制、考核试验，对CMC材料做了数千小时的测试，于2003年就已将CMC材料用在工业燃气轮机上，已服役超过48000h。从燃机用涡轮外环、燃烧室内衬工程化应用中，确认CMC的技术成熟度已足以应用到航空发动机核心部件。

GE公司报道了耐温1205℃/2200°F、减重70%的CMC低压涡轮导向叶片的关键性试验以及在F414军用发动机上进行了CMC材料涡轮转子叶片试验，拟应用到GE9X发动机的高压涡轮二级转子叶片。

R-R联合GE公司将CMC应用于发动机F136（配装F-35）的涡轮导向3级导叶上[7]，耐温可达1200℃，重量比传统高温合金部件明显减轻（大约只有镍合金的1/3和钛合金的1/2）[8]。

在FAA与NASA牵头的CLEEN（Continuous Lower Energy, Emissions and Noise）项目中，波音公司承担CMC声学尾喷（Acoustic Nozzle），R-R公司则负责CMC 涡轮动叶外环组件（Turbine Blade Tracks）[9]。

NASA在ERA（Environmentally Responsible Aviation）项目和其他航空发动机计划中，在燃烧室、涡轮叶片和尾喷管等应用CMC，以减少发动机油耗、NOx 排放和降低噪音。其中，R-R 承担CMC 尾喷管的研制工作[10]。

GE公司在NASA的N+3先进发动机项目中，对2030~2035年将投入运营的高效安静小型商用发动机也参与了预研。在该项目中，除整体碳纤维风扇导向器/前机匣、复合材料风扇叶片和复合材料风扇机匣、全复合材料整体短舱等外，还包括采用新一代CMC的燃烧室、高压涡轮叶片、低压涡轮叶片和高压涡轮外环和整流罩等研究[6]。

20世纪90年代，为解决上一代基体/纤维之间的热解碳界面氧化损伤所造成的寿命短等问题，SNECMA公司研究了自愈合基体技术，开发出新一代SEPCARBINOXR A500和CERASEPR A410产品[5]。

NASA与美国联邦航空管理局（FAA）合作开展的CLEEN

（Continuous Lower Energy，Emissions，and Noise）着重“持续降耗、减排和降噪”目标，聚焦在结构件和新技术以降低发动机油耗、排放和噪音。历时5年在CMC涡轮导叶制备及声学优化尾喷嘴方面取得了技术进步[9]。

2013年1月NASA利用R-R的Trent 1000发动机台架加速试车考核了该CMC尾椎，如预期实现了73h，未发生热或结构应力问题。

此外，P&W还联合MTU和IHI（日本石川岛播磨重工）开发新型发动机。

欧洲的陶瓷基复合材料技术以法国的CVI和德国的熔渗硅

（Liquid Silicon Infiltration，LSI）工艺为代表。其中法国SNECMA公司和美国合作，共同研发了推力矢量CMC密封调节片，并正式装机，经1000h考核均未发现破坏迹象；德国进行了CMC燃烧室内衬的对比试验，在Kl?ckner Humboldt Deutz T216型燃气发动机经10h试验后，CVD-SiC涂层C/SiC火焰燃烧室出现了C/SiC基材和涂层之间的分层剥落，而CVD-SiC涂层C/C火焰燃烧室未出现损坏，SiC/SiC火焰燃烧室则由于自身具有良好的抗氧化性能，经受住90h的试验而无损坏。试验考核也表明：采用CVI工艺的SiC/SiC的液体火箭发动机燃烧室壁及喷嘴，可经受累积高达24000秒点火考核和400次热循环。

日本政府1989年通过执行为期8年的“超大型耐环境先进复合材料规划”，其目的是确定以航天航空、能源为主的各领域所需的高温环境下具有耐热、高比强度、高比模量、耐氧化性等优异性能先进材料的基础技术，开发成功SiC基CMC，一跃成为当今通用级和尖端应用级SiC纤维最大出口国，法国、美国等CMC用SiC纤维基本都依靠日本供应。

日本的两家实验室、4家企业，从1999年参与ESPR项目研究，参与国外的PWA、GE、R-R和SNECMA等领先发动机供应商组建建设的联合队伍，设计并试验了CMC燃烧室和涡轮部件。以IHI为代表的日本产学研机构分别在美、欧申请专利，介绍了陶瓷基复合材料应用件的制备和应用情况。他们采用CVI+PIP 工艺制备SiC/SiC火箭发动机推力室，并完成了热试车考核，推力室的最高工作壁温为1424℃。

俄罗斯CIAM也在瞄准国际先进，开展了CMC燃烧室部件的试制和考核工作。

涡轮叶片工作在燃烧室出口，是发动机中承受热冲击最严重的部件，其耐温能力直接决定着高性能发动机推重比的提升。CMC对减轻涡轮叶片重量和降低涡轮叶片冷气量意义重大。国外近期应用目标是尾喷管、火焰稳定器、涡轮外环等；中期目标在低压涡轮静子和转子叶片、燃烧室、内锥体等应用；远期目标在高压涡轮静子和转子叶片、高压压气机和导向叶片等应用，显示出明显的减重效果、提高温度、大幅减少冷却气量等，但是涡轮叶片的使用寿命尚短，有待深入研究[3]。

目前，多家国际研究机构已成功研制出CMC涡轮叶片，美国和法国以推重比8~10航空发动机为演示验证平台，对尾喷管、燃烧室和涡轮三大单元进行了大量考核。

我国从20世纪80年代开始，就有张立同院士领导的西北工业大学研发团队，以及国防科大、中航复材和上海硅酸盐研究所等先后跟踪国际前沿启动研发工作，在CMC基础及应用领域持续耕耘，技术与制造水准跻身国际先进行列，具备构件研制、工程化和小批量生产能力，技术与国际水平相当，在部分领域甚至领先于国际水平，工程产业化差距正在缩小。

综上所述，为拓宽CMC在商用航空发动机热端部件上的应用，未来还需进一步完善如下关键技术：高温工况下稳定的高性能陶瓷纤维、匹配良好的纤维防护涂层、批产成熟的CMC高致密度复合工艺、自愈合功能组织以及EBC涂层等。

CMC在商用航空发动机中的应用进展

国外航空发动机上应用的复合材料正在从低温向高温，外部冷端向内部热端，军机尾喷系统向商用涡轮、燃烧室方向推进，显示出相当大的应用潜力。美国GE和法国SNECMA公司在CMC的研究及应用领域处于世界领先地位，CFM公司更将CMC应用作为未来核心竞争力来重点开发，已制备或通过试验的部件主要有：燃烧室内衬、燃烧室火焰筒、喷口导流叶片、涡轮导向叶片、涡轮外环及尾喷相关部件等，奠定了CMC构件迈向商用发动机应用的基础。

美国在CMC应用于航空发动机领域做了大量的研究积累工作，NASA和GE研制的CMC 密封片/调节片已实现产品化，应用到F100、F414、F110、F119等军用发动机上，装试燃

烧室火焰筒的CMC内衬也已通过全寿命考核验证，进入应用阶段。有报导称，GE 公司利用F414 军用发动机开展CMC 材料涡轮转子叶片的关键性试验，并明确将该CMC 应用到下一代GE9X发动机高压涡轮二级转子上。

CFM应用在LEAP-X发动机上的复合材料技术，除典型的3D编织碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）风扇叶片和风扇机匣（图1），以及氧化物CMC尾椎外，就是CMC用在最具挑战性的核心热端部件。CFRP采用传递模塑（RTM）工艺制造；尾椎采用的是3M公司的Nextel610氧化铝纤维增韧补强铝硅酸盐氧化物基体CMC。后者是现今为止最大的氧化物CMC部件，外部套环直径约1.6m/5.25英尺、长度约1m/3英尺，位于其内部的尾椎端到端部长约2.1m/7英尺，是CMC应用领域具有标志性成果。

商用航空发动机方面，法国SNECMA公司首开CFM56-C用CMC混气锥应用，耐温超过700℃的同时，可实现减重35%。2011年启动地面和飞行测试，已在空客A320上通过700个发动机循环，包括200h发动机试车和70h试飞，计划于2014~2015年取得法国适航认证，为空客A380、A400飞机提供引擎动力。

将CMC用于发动机，对以镍基为主导的结构设计可实现减重、减少冷气用量，使油耗降低、燃烧性和持久性改善，使发动机运行到更高推力、更高效率。发动机上高压涡轮一级外环主要用来控制高压涡轮叶片和机体的间隙，承受从发动机燃烧室出来的高温高压气体，是整个发动机工作环境最恶劣的固定部件之一。如果采用传统的镍基合金外环，由于其耐温不及CMC，需使用原本用来产生推力的高压空气进行冷却，分流了冷气量，影响到发动机效率发挥。在LEAP-X发动机上应用该CMC部件，每一CMC环块单元重约1Kg，仅相当于镍基高温合金的1/3，整个外环减重达数百磅，使得高压涡轮效率和耐久性大幅提高，推力改善10%；此外还应用了经过验证的CMC低压涡轮导向叶片，采用了新气动设计结构和减震机构，重量为传统合金件的1/2以下，耐温1200℃以上，且无需冷却，便

于成形加工。LEAP-X发动机的涵道比达10~11，相当于CFM56发动机的两倍，CFRP和CMC 复合材料的应用，更有效地降低噪声并提高推进效率。据CFM公司消息，已完成多台核心机、验证机的考核工作，测试考核超过两万多小时，部件性能结果超过预期，LEAP-X发动机拟于2016年装配商用客机首飞。

复合材料在现代航空发动机上的应用数量日益增多，GE公司在此领域一直处于领先地位。该公司率先应用复合材料技术在新一代商用发动机GE90上，实现了更轻、燃油效率更高，风扇叶片在服役中表现优异，运转效率更高、噪声更低等性能方面取得成功，随后在GEnx发机和LEAP-X发动机上应用了更多的复合材料。

波音研究与技术中心开发的声学喷嘴可提升发动机性能至更静、更轻和更高效。喷嘴按设计要求寿命需达到55000h，模拟预测表明持续服役时间会超过预定指标[7]。

R-R通过收购的位于美国加州的Hyper-Therm HTC Inc.公司，CMC生产C/SiC和SiC/SiC，寄希望对现有单纯依靠高温合金单晶叶片的发动机在重量和性能上带来变革[7]。

P&W当前出于“成本与可靠性”考量，主要聚焦在“先进冷却”技术的突破，也将CMC具有的提高燃油效率的潜在能力列入其发展目标。

SNECMA公司生产的密封/调节片已装机使用10余年，结果表明其抗疲劳性能优于高温合金，减重50%。基于连续纤维增韧补强陶瓷基复合材料的优良特性，在新一代的LEAP-X中型发动机采用CMC低压涡轮，提高其耐热性，实现了轻量化。

IHI通过推进CMC技术工艺开发，承制了新一代CMC低压涡轮导向叶片高温部件，耐温可达1300℃，加之减重效果，发动机的燃效有望进一步提高10％，计划于2020年实现商用，作为空客A320neo的后续换发，以及有望于2019年投放市场的波音777后续机型上应用。

目前，美国和法国以推重比8~10航空发动机为演示验证平台，对涡轮、燃烧室和喷管进行了大量考核。据悉，美国研制的燃烧室构件已通过工程验证，最高考核温度为1200℃，累积考核时间达15000h。通过了全寿命5000h和高温段500h测试，即将进入应用阶段。美、法作为CMC应用到航空发动机的先进国，在长达30多年的研发及应用实践中，积累了丰富经验，已达到相当高的技术水准，形成了较为完备的工业技术体系和产业配套能力。

GE公司已将CMC列为其未来发展的核心技术之一。就像此前将GEnx的新技术应用到CF6发动机上一样，随着CMC技术进步，也将逐步应用在配套波音787和747-8的GEnx发动机上，并在GE和CFM的新一代发动机上全面推广。随着NASA的N+3先进发动

机项目成果的实施，复合材料的应用将达到一个新的水平。据悉，国外的CMC材料已成功应用到高推重比的军用航空发动机燃烧室中。GE公司坚信，如同树脂基复合材料在“梦想”787应用引起的技术革新一样，应用于发动机热端部位的CMC也会引领商用发动机材料技术新的进化。

经过30多年的不懈努力，CMC已在航天运载火箭结构件、航空军机整流和尾喷系统获得良好的应用，在商用航空发动机领域应用研发也初见成效。通过复合材料的应用，近50年来商用飞机的油耗指标几乎下降了1/2。随着各国争先对工艺技术研发的重视，以及对批产制造产业化投资的扩大，CMC商用的爆发增长拐点已经到来。

在CMC研发应用领域，我国与国际先进水平相比仍存较大差距，在技术成熟度提升、工程化和产业化方面尚需努力，致力自主创新，必须在工程化阶段破解好“五化“工程应用技术课题：一体化、纯净化、致密化、平滑化和梯度化挑战，夯实CMC应用于航空发动机部件批产化基础，构建CMC产品“材料-工艺-设计”一体化能力，从结构、功能和表面完整性等方面确保长寿命和高可靠性的产品早日走向商用。

CMC面向商用航空发动机产品的机遇与挑战

CMC作为一种新型材料，通过相应的新结构设计，运用到商用航空发动机制造时，需要进行大量实测评估、试验考核，以确保产品的安全和可靠性、满足适航要求。

美国的CMC应用领先离不开诸多创新型高科技企业的支撑，诸如以MATECH、ATK和COI Ceramics Inc.等高科技企业作为创新主体的CMC产业链初具规模。

研发力求稳定CMC性能和增加陶瓷纤维（氧化物和非氧化物）产量，各供应商基于成熟的定型工艺，已从全尺寸的演示、试制件考核中获得良好的评价结果。

作为新的发动机用材，基于CMC风险因素考量，CFM先期仅在固定部件上应用，现有技术成熟度可满足固定部件的可靠性要求，未来CMC材料还将用在发动机的更多部件上。CMC还存在若干阻碍其商用推广的问题需要解决：

首先，CMC材料性能数据短缺、设计应用经验不足，需要开发特定应用环境下寿命评估方法的及必要的软件工具。

由于纤维增强CMC结构强度具有很大的随机性，作为航空发动机的高温部件无法采用常规金属部件惯用的安全系数等确定性设计方法，有必要采用概率设计方法，进行可靠性分析。同时，还要重视CMC材料标准、性能数据、寿命评估方法与工具等体系方面的积累，建设基于CMC数据库支撑的评价方法，形成一套完整、经过验证的CMC适航符合性设

计与验证技术体系。

依据中国民用航空发布的新版《航空发动机适航规定》[11]，CMC作为商用航空发动机用用的新材料，需要满足第33.15条的规定：发动机所用材料的适用性和耐久性必须满足下列要求：（1）建立在经验或试验的基础上；（2）符合经批准的规范（如工业或军用规范），保证这些材料具有设计资料（数据）中采用的强度和其他性能。

其次，CMC 部件的制造费用仍高出传统高温合金数倍，成本偏高，需在确保质量的前提下，实施精益制造，改进加热温度、升温时间、降温周期等来控制工艺各周期中化学组分的变化，通过缩短循环周期等优化批量生产工艺来有效降低成本，实现最佳效益。今后，如何运用CMC提高航空发动机性价比，是在商用航空发动机普及应用该先进材料的一大挑战。

再则，发动机构件工况苛刻，某些部件需暴露于高温、氧化、冷热冲击循环中，还需承受水汽、氧和燃烧固体颗粒的侵蚀；若在海上飞行，还要承受海盐的侵蚀，燃烧室还需耐受由富含燃烧副产物氯化盐和硫酸盐等所引起的加速氧化等考验。

此外，CMC的表面完整性精细加工也应引起足够重视。因为SiC的硬度接近金刚石，工业上常用作磨料或刀具来加工其他材料，所以需采用坚硬的金刚石来研磨，近年来借助脉冲激光手段加工精细微孔等渐受青睐。

还有需要引起重视的关联技术，就是CMC与金属间的联结和结构完整性

（Joining and Integration）工艺探索，随着扩散连接（焊）

（Diffusion bonding）、高温耐久钎焊（Brazing）的进步，必将开拓以金属骨架接合CMC结构为代表部件的广阔应用领域。

国际同行普遍认为，CMC是发动机高温结构材料的技术制高点之一，技术门槛高、投入大，通常反映所在国航空装备设计和制造能力的顶尖水准。目前仅有美国、法国等少数国家掌握高性能SiC纤维和致密化CMC的产业化技术。

GE旗下的航空业务集团已计划在GE9X燃烧室衬套、高压涡轮喷嘴、外环和涡轮叶片这些热端部件上使用CMC材料；相应地，LEAP系列发动机也能从GE9X项目中借鉴诸多宝贵的工程化和产品化经验。

尽管当年GE90发动机上采用宽弦叶片也广被质疑，最终是通过实践证明了其正确的选择。GE方面已经为CMC材料进行过大量测试，与风扇叶片从金属材料转到树脂基复合材料所付出的时间等考验相类似，转向CMC的应用同样需要花费相应的代价来证明，允许人们从中建立起对CMC安全可靠应用的信念。

出于风险控制的考量，现阶段CMC还只能应用在固定部件上。基于已有的数据有理由相信，随着研究深入和科技进步，稳固而扎实的创新将渐趋完美地发挥出CMC的优异特性，未来势必开拓出更多商用航空发动机核心部件上的新应用。

国内商用发动机由中航工业商发作为主承制商，牵头实施国家级商用发动机研发项目，负责组织国内外产、学、研优势资源，通过强强联合、协同攻关拓展国际国内合作空间，为涡轮静子件、浮动瓦块应用扫清路障，逐步夯实CMC工程化、产业化的应用基础。

结束语

来自GE公司官方的预测：未来10年对CMC的需求将递增10倍。据此，为应对CMC 部件需求增长带来的产能压力，2013年6月GE投资1.25亿美金，在美国北卡罗莱纳州的阿什维尔建设1.16万m2的生产基地，用以支撑LEAP-X发动机CMC部件的量产，也为日后GE9X发动机供应所需CMC批产部件，并将逐步应用到为波音787和747-8提供动力的GEnx上，以及在CFM的新一代LEAP发动机上全面推广。

为确保高端SiC纤维的供应，2012年4月GE还携手SNECMA对外发布，将联合日本碳素公司（Nippon Carbon）合资成立NGS公司

（NGS Advanced Fibers Co. Ltd.），生产和销售“Nicalon”品牌SiC连续纤维，以确保“两强”对CMC关键原材料SiC纤维的持续供应能力。

GE正努力将CMC应用到发动机的各种部件，包括涡轮叶片升级用到F414中，预计到2016~2018年间将日产800个CMC成品部件，以兑现大力拓展CMC发动机部件应用的承诺。

CFM准备从2016年开始由CFM56的生产逐渐过渡到LEAP-X发动机，到2020年实现年产1700台发动机。为实现这一产能需求，计划投资7.5亿美元，在美国密西西比州埃利斯维尔新建和扩建厂房，总面积扩至139350m2，用于量产CMC材料部件。

CMC在国外航空发动机上的应用已取得一定的应用成就，国内的技术成熟度和制造成熟度还不够高，工艺技术尚待优化完善，离满足适航审定要求差距明显。要想早日投入应用，还须不断优化CMC制造工艺，探索科学的概率设计方法，掌握该材料服役行为规律，解决高温服役工况条件下的耐久性和安全可靠性等问题。

面向国产商用航空发动机对CMC热端部件的需求，出于风险可控因素考量，参照国际同行经验，在技术成熟度基本满足固定部件可靠性要求的前提下，优先发展高压涡轮外环、涡轮导向叶片和燃烧室内衬等热端固定件上应用CMC材料，随着研究的进一步深入，再逐渐拓展到包括涡轮转子等更多发动机部件的应用。在航空发动机用CMC构件的研制与

应用考核方面，可参考如下原则循序渐进：

（1）先易后难（先静子件后转子件、先低温件后高温件、先简单件后复杂件的原则）发展，充分进行发动机验证平台的考核评测；

（2）优先发展中温（700~1000℃）和中等载荷（低于120MPa）静子件（如尾喷管/内锥体构件）；

（3）在积累基础上发展高温（1000~1300℃）和中等载荷静子件（如涡轮外环、导向叶片及燃烧室内衬等）；

（4）更高载荷（高于120MPa）静子或转子件（如涡轮转子和整体叶盘等）。

同时，为促进CMC国内自主配套产业技术联盟的形成和完善，可参照国外合资参股、风险共担、利益共享（Risk and Revenue Sharing Partner，RRSP）等混合经济模式成长，致力建成“材料-工艺-设计”一体化专业能力，加速贯通CMC制品的批量制造产业链协同，全面满足国产商用航空发动机用CMC部件产品要求，以优良性价比的产品参与国际的市场分工和商业竞争，以不断成长壮大。

本文共有参考文献11篇，因篇章有限，未能一一列出，如有需要，请向本刊编辑部索取。

（作者中航商用航空发动机有限责任公司高铁洪智亮杨娟责编良辰）

压电陶瓷材料及应用

压电陶瓷材料及应用 一、概述 1.1电介质 电介质材料的研究与发展成为一个工业领域和学科领域，是在20世纪随着电气工业的发展而形成的。国际上电介质学科是在20世纪20年代至30年代形成的，具有标志性的事件是：电气及电子工程师学会（IEEE）在1920年开始召开国际绝缘介质会议，以后又建立了相应的分会（IEEE Dielectric and Electrical Insulation Society）。美国MIT建立了以Hippel教授为首的绝缘研究室。苏联列宁格勒工学院建立了电气绝缘与电缆技术专业，莫斯科工学院建立了电介质与半导体专业。特别是德国德拜教授在20世纪30年代由于研究了电介质的极化和损耗特性与其分子结构关系获得了诺贝尔奖，奠定了电介质物理学科的基础。随着电器和电子工程的发展，形成了研究电介质极化、损耗、电导、击穿为中心内容的电介质物理学科。 我国电介质领域的发展是在1952年第一个五年计划制定和实行以来，电力工业和相应的电工制造业得到迅速发展，这些校、院、所、首先在我国开展了有关电介质特性的研究和人才的培养，并开出了“电介质物理”、“电介质化学”等关键专业课程，西安交大于上海交大、哈尔滨工大等院校一道为我国培养了数千名绝缘电介质专业人才，促进了我国工程电介质的发展。80年代初中国电工技术学会又建立了工程电介质专业委员会。 近年来，随着电子技术、空间技术、激光技术、计算机技术等新技术的兴起以及基础理论和测试技术的发展，人们创造各种性能的功能陶瓷介质。主要有： （1）、电子功能陶瓷如高温高压绝缘陶瓷、高导热绝缘陶瓷、低热膨胀陶瓷、半导体陶瓷、超导陶瓷、导电陶瓷等。 （2）、化学功能陶瓷如各种传感器、化学泵等。 （3）、电光陶瓷和光学陶瓷如铁电、压电、热电陶瓷、透光陶瓷、光色陶瓷、玻璃光纤等。（电介质物理——邓宏）

陶瓷基复合材料综述

浅论陶瓷复合材料的研究现状及应用前景 董超2009107219金属材料工程 摘要 本文主要对陶瓷复合材料的研究现状及应用前景进行了研究，并对当今陶瓷复合材料发展面临的问题进行了概括，希望对陶瓷复合材料的进一步发展起到一定的作用。 本文首先对Al2O3陶瓷复合材料和玻璃陶瓷复合材料的研究进展及发展前景进行了详细的研究。然后对整个陶瓷复合材料的发展趋势及存在的问题进行了分析，得出了在新的时期陶瓷复合材料主要向功能、多功能、机敏、智能复合材料、纳米复合材料、仿生复合材料方向发展；目前复合材料面临的主要问题是基础理论研究问题和新的设计和制备方法问题。 关键词：Al2O3陶瓷复合材料玻璃陶瓷复合材料研究现状应用前景 1. 前言 以粉体为原料，通过成型和烧结等所制得的无机非金属材料制品统称为陶瓷。陶瓷的种类繁多，根据陶瓷的化学组成、性能特点、用途等不同，可将陶瓷分为普通陶瓷和特殊陶瓷两大类。而在许多重要的应用及研究领域，特殊陶瓷是主要研究对象。 陶瓷复合材料是特殊陶瓷的一种。在高技术领域内，对结构材料要求具有轻质高强、耐高温、抗氧化、耐腐蚀和高韧性的特点。陶瓷具有优良的综合机械性能，耐磨性好、硬度高、以及耐热性和耐腐蚀性好等特点。但是它的最大缺点是脆性大。近年来，通过往陶瓷中加入或生成颗粒、晶须、纤维等增强材料，使陶瓷的韧性大大地改善，而且强度及模量也有一定提高。因此引起各国科学家的重视。本文主要介绍了各种陶瓷复合材料的研究现状及其应用前景，并对陶瓷复合材料近年来的发展进行综述。 2.研究现状 随着现代科学技术快速发展，新型陶瓷材料的开发与生产发展异常迅速，新理论、新工艺、新技术和新装备不断出现，形成了新兴的先进无机材料领域和新兴产业。科学技术的发展对材料的要求日益苛刻，先进复合材料已成为现代科学技术发展的关键，它的发展水平是衡量一个国家科学技术水平的一个重要指标，因此世界各国都高度重视其研究和发展。 复合材料的可设计性大，能满足某些对材料的特殊要求，特别是在航空航天技术领域的应用得到迅速发展。陶瓷复合材料的研究，根本目的在于提高陶瓷材料的韧性，提高其可靠性，发挥陶瓷材料的优势，扩大应用领域。本文就几类典型的陶瓷复合材料介绍其研究现状。 2.1Al2O3陶瓷复合材料的研究进展及发展前景 Al2O3陶瓷作为常见陶瓷材料，既具有普通陶瓷耐高温、耐磨损、耐腐蚀、

陶瓷基复合材料加工工艺

第十四章陶瓷基复合材料加工工艺 第一节增强体的制备 陶瓷基复合材料的增强体（强韧化组元），主要有陶瓷纤维、陶瓷晶须与片状晶体、硬质陶瓷颗粒和可相变的氧化锆等。 一、增强纤维 可以用作陶瓷复合材料增强体的纤维，有金属纤维、陶瓷纤维和碳纤维。 1．金属纤维 Ta、Mo、W、Ni、Nb等高熔点纤维及不锈钢纤维，原则上都可以用作陶瓷基体的增强体。金属纤维一般由拉丝制成，直径在10～600μm的范围内，有比较大的选择范围。其特点是密度大、热膨胀系数大、容易氧化，可能对复合材料制作工艺和性能不利，而其延展性大和导电率高的特点，在某些情况下是有益的。 2．陶瓷纤维 陶瓷纤维包括含有金属芯的陶瓷纤维和全陶瓷的纤维。 在W金属丝或碳素丝上，用化学沉降的方法可以形成连续的陶瓷纤维。芯的直径大约在30—50μm，沉降后的纤维直径大约在100～200μm。陶瓷层组分可以是SiC或Si3N4。近年来，用有机硅前驱体分解的方法，可以拉制出许多种陶瓷纤维。其方法是将硅基有机物前驱体，在熔融状态下拉制出直径在数十微米的纤维，然后进行聚合以及高温分解，形成陶瓷纤维。这种纤维有碳化硅纤维、氮化硅纤维、碳化钛纤维、氧化铝纤维等。其中，比较有名的是日本宇部兴产株式会社生产的以Nicalon和Tynano命名的碳化硅纤维。它们都是用聚碳硅烷纺丝而成。在组成上是碳化硅微晶和SiO2、C的集合物。在高于1400℃的高温下，其中的SiC微细晶粒会发生再结晶而长大，C会与O发生反应，生成CO气体而逸出。非晶态的SiO2也会结晶化而生成石英微细晶粒。这些现象都使现存的碳化硅陶瓷纤维只能在1400℃以下温度下使用。Tynano 型SiC纤维，是含有一定Ti元素的纤维，耐热温度据称比Nicalon高近50℃。Al2O3纤维在高温下容易发生晶粒长大而难用于高温。 3．碳纤维 碳纤维的用量正在不断增加，尤其是在高分子基复合材料中的用量增长很快。碳纤维分为有机高分子系（PAN系：聚丙烯腈系）和沥青系两大类。有机高分子系较易实现高强度化和高韧性化，最高强度可达7GPa，延伸率可达2.0％以上。另一方面，沥青系碳纤维富有高弹性，

陶瓷基复合材料论文 (1)

陶瓷基复合材料在航天领域的应用 概念：陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品。其最高使用温度主要取决于基体特征。 一、陶瓷基复合材料增强体 用于复合材料的增强体品种很多，根据复合材料的性能要求，主要分为以下几种 纤维类增强体 纤维类增强体有连续长纤维和短纤维。连续长纤维的连续长度均超过数百。纤维性能有方向性，一般沿轴向均有很高的强度和弹性模量。 颗粒类增强体 颗粒类增强体主要是一些具有高强度、高模量。耐热、耐磨。耐高温的陶瓷等无机非金属颗粒，主要有碳化硅、氧化铝、碳化钛、石墨。细金刚石、高岭土、滑石、碳酸钙等。主要还有一些金属和聚合物颗粒类增强体，后者主要有热塑性树脂粉末 晶须类增强体

晶须是在人工条件下制造出的细小单晶，一般呈棒状，其直径为~1微米，长度为几十微米，由于其具有细小组织结构，缺陷少，具有很高的强度和模量。 金属丝 用于复合材料的高强福、高模量金属丝增强物主要有铍丝、钢丝、不锈钢丝和钨丝等，金属丝一般用于金属基复合材料和水泥基复合材料的增强，但前者比较多见。 片状物增强体 用于复合材料的片状增强物主要是陶瓷薄片。将陶瓷薄片叠压起来形成的陶瓷复合材料具有很高的韧性。 二、陶瓷基的界面及强韧化理论 陶瓷基复合材料(CMC)具有高强度、高硬度、高弹性模量、热化学稳定性等优异性能，被认为是推重比10以上航空发动机的理想耐高温结构材料。界面作为陶瓷基复合材料重要的组成相，其细观结构、力学性能和失效规律直接影响到复合材料的整体力学性能，因此研究界面特性对陶瓷基复合材料力学性能 的影响具有重要的意义。 界面的粘结形式 （1）机械结合（2）化学结合 陶瓷基复合材料往往在高温下制备，由于增强体与基体的原子扩散，在界面上更易形成固溶体和化合物。此时其界面是具有一定厚度的反应区，它与基体和增强体都能较好的

氧化铝陶瓷基复合材料概述

概述了氧化铝陶瓷基复合材料，并且对其一般的生产工艺金属间、氧化铝陶瓷基复合材料以及其应用领域作了介绍， 前言 氧化铝(Al2O3) 陶瓷材料具有耐高温、硬度大、强度高、耐腐蚀、电绝缘、气密性好等优良性能, 是目前氧化物陶瓷中用途最广、产量最大的陶瓷新材料。但是与其他陶瓷材料一样,该陶瓷具有脆性这一固有的致命弱点,使得目前Al2O3 陶瓷材料的使用范围及其寿命受到了相当大的限制。近年来, 在氧化铝陶瓷中引入金属铝塑性相的Al/Al2O3 陶瓷基复合材料是一个非常活跃的研究领域。 概述 金属间化合物的结构与组成它的两组元不同, 具有序的超点阵结构, 各组元原子占据点阵的固定位置, 最大程度地形成异类原子之间结合。由于其原子的长程有序排列以及金属键和共价健的共存性, 有可能同时兼顾金属的较好塑性和陶瓷的高温强度。在力学性能上, 有序金属间化合物填补了陶瓷和金属之间的材料空白区域。有序金属间化合物中, Ti - Al、Ni - Al、Fe - Al 和Nb-Al系等几个系列的多种铝化物更是特别受到重视。这些铝化物具有优异的抗氧化性、抗硫化腐蚀性和较高的高温强度, 密度较小, 比强度较高。 由于在空气中铝粉极易氧化而在表面形成Al2O3 钝化膜,使Al 粉和Al2O3 颗粒之间表现出很差的润湿性,导致烧结法制备Al/Al2O3 陶瓷材料烧结困难, 影响复合材料的机械性能[5]。挤压铸造和气压浸渍工艺浸渍速度快, 但是预制体中的细小空隙很难进一步填充[ 6], 而后发展的无压渗透工艺操作复杂,助渗剂的选择随意, 且作用机理复杂, 反而增加了工艺控制难度[7]。20世纪80年代初, 美国Lanxide公司提出了一种制备陶瓷基复合材料的新工艺定向金属氧化技术( DirectedMetal Ox-idation, 简称DMOX)。该工艺是在高温下利用一定阻生剂限制金属熔体在其他5个方向的生长, 使金属熔体与氧化剂反应并只单向生长即定向氧化。采用该方法制备的Al/ Al2O3 陶瓷材料在显微结构上表现为由立体连通的-Al2O3 基体与三维网状连通的残余金属和不连续的金属组成, 由于Al2O3 晶间纯净, 骨架强度高于烧结、浸渍等工艺制得的同类材料的强度[ 9]同时, 三维连通的金属铝具有良好的塑性, 从而使该复合材料具有更为良好的综合机械性能。

压电陶瓷及其应用

压电陶瓷及其应用 一. 概述 压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体，由于它的生产工艺与陶瓷的生产工艺相似（原料粉碎、成型、高温烧结）因而得名。 某些各向异性的晶体，在机械力作用下，产生形变，使带电粒子发生相对位移，从而在晶体表面出现正负束缚电荷，这种现象称为压电效应。晶体的这种性质称为压电性。压电性是J·居里和P·居里兄弟于1880年发现的。几个月后他们又用实验验证了逆压电效应、即给晶体施加电压时，晶体会产生几何形变。 1940年以前，只知道有两类铁电体（在某温度范围内不仅具有自发极化，而且自发极化强度的发向能因外场强作用而重新取向的晶体）：一类是罗息盐和某些关系密切的酒石酸盐；一类是磷酸二氢钾盐和它的同品型物。前者在常温下有压电性，技术上有使用价值，但有易溶解的缺点；后者要在低温（低于—14 C）下才有压电性，工程使用价值不大。 1942-1945年间发现钛酸钡（BaTiO）具有异常高的介电常数，不久又发现它具有压电性，BaTi O压电陶瓷的发现是压电材料的一个飞跃。这以前只有压电单晶材料，此后出现了压电多晶材料——压电陶瓷，并获得广泛应用。1947年美国用BaTiO陶瓷制造留声机用拾音器，日本比美国晚用两年。BaTiO存在压电性比罗息盐弱和压电性随温度变化比石英晶体大的缺点。 1954年美国B·贾菲等人发现了压电PbZrO-PbTiO(PZT)固溶体系统，这是一个划时代大事，使在BaTiO时代不能制作的器件成为可能。此后又研制出PLZT透明压电陶瓷，使压电陶瓷的应用扩展到光学领域。

迄今，压电陶瓷的应用，上至宇宙开发，下至家庭生活极其广泛。 我国对压电陶瓷的研究始于五十年代末期，比国外晚10年左右，目前在压电陶瓷的试制、工业生产等方面都已有相当雄厚力量，有不少材料已达到或接近国际水平。 二. 压电陶瓷压电性的物理机制 压电陶瓷是一种多晶体，它的压电性可由晶体的压电性来解释，晶体在机械力作用下，总的电偶极矩（极化）发生变化，从而呈现压电现象、因此压电性与极化，形变等有密切关系。 1. 极化的微观机理 极化状态是电场对电介质的荷电质点产生相对位移的作用力与电荷间互相吸引力的暂时平衡统一的状态。极化机理主要有三种。 （1）电子位移极化——电介质的原子或离子在电场力作用下，带正电原子核与壳层电子的负电荷中心出现不重合。 （2）离子位移极化——电介质正、负离子在电场力作用下发生相对位移，从而产生电偶极矩。 （3）取向极化——组成电介质的有极分子，有一定的本征（固有）电矩，由于热运动，取向无序，总电矩为零，当外加电场时，电偶极矩沿电场方向排列，出现宏观电偶极矩。 对于各向异性晶体，极化强度与电场存在有如下关系 m，n=1，2，3 式中为极化率，或用电位移写成：

陶瓷基复合材料的连接

摘要：陶瓷基复合材料具有抗热震冲击、耐高温、耐腐蚀、抗氧化和抗烧蚀低膨胀、低密度、热稳定性好的优点，这些优点使其成为备受关注的新型耐高温结构材料。陶瓷基复合材料的连接不仅具有陶瓷材料连接的难点、异种材料连接的问题、加强相与基体的不利反应及加强相的氧化与性能的降低，还具有陶瓷基复合材料承压能力差的缺点。因此陶瓷基复合材料的连接成为一个研究的热点。 1.陶瓷基复合材料及其应用 陶瓷复合材料虽然具有高温强度高、抗氧化、抗高温蠕变等耐高温性能和高硬度、高耐磨性、线膨胀系数小及耐化学腐蚀等一系列优越的性能特点，但也存在致命的弱点，即脆性，它不能承受激烈的机械冲击和热冲击，这限制了它的应用。而用粒子、晶须或纤维增韧的陶瓷基复合材料，则可使其脆性大大改善。陶瓷基复合材料（CMC）是目前备受重视的新型耐高温结构材料。[1，2，3]陶瓷虽然具有作为发动机热端结构材料的十分明显的优点，但其本质上的脆性却极大地限制了它的推广应用。增韧的思路经历了从消除缺陷或减少缺陷尺寸、减少缺陷数量，发展到制备能够容忍缺陷，即对缺陷不敏感的材料。目前常见的几种增韧方式主要有相变增韧、颗粒( 晶片) 弥散增韧、晶须( 短切纤维) 复合增韧以及连续纤维增韧补强等。此外还可通过材料结构的改变来达到增韧的目的，如自增韧结构、仿生叠层结构以及梯度功能材料等。目前陶瓷基复合材料分为：非连续纤维增强陶瓷基复合材料、连续纤维增强陶瓷基复合材料、层状陶瓷基复合材料。 1.1非连续纤维增强陶瓷基复合材料 相变增韧可以大幅度地提高陶瓷材料的常温韧性和强度，但因在高温下相变增韧机制失效而限制了其在高温领域的应用。颗粒弥散及晶须复合增韧CMC 制备工艺较简单，可明显提高陶瓷材料的抗弯强度和断裂韧性。将颗粒、晶须等增

氧化铝陶瓷

氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷（alumina ceramics）是一种以α- Al2O3为主晶的陶瓷材料。其Al2O3含量一般在75～99.99%之间。通常习惯以配料中Al2O3的含量来分类。Al2O3含量在75%左右的为“75瓷“，含量在85%左右的为“85瓷“，含量在95%左右的为“95瓷“，含量在99%左右的为“99瓷“。 工业Al2O3是由铝钒土（Al2O3·3H2O）和硬水铝石制备的，对于纯度要求不高的，一般通过化学方法来制备。电熔刚玉即是用上述原料加碳在电弧炉内于2000～2400C熔融制得，也称人造刚玉。 Al2O3有许多同质异晶体。根据研究报道过的变体有十多种，但主要有三种，即γ- Al2O3，β- Al2O3，α- Al2O3。Al2O3的晶体转化关系如下图，其结构不同，因此其性质也不同，在1300度以上的高温几乎完全转变为α- Al2O3。 γ- Al2O3，属尖晶石型（立方）结构，氧原子形呈立方密堆积，铝原子填充在间隙中。它的密度小。且高温下不稳定，机电性能差，在自然界中不存在。由于是松散结构，因此可利用它来制造多孔特殊用途材料。 β- Al2O3是一种Al2O3含量很高的多铝酸盐矿物。它的化学组成可以近似地用RO·6 Al2O3和R2O·11 Al2O3来表示（RO指碱土金属氧化物，R2O指碱金属氧化物），其结构由碱金属或碱土金属离子如[NaO]ˉ层和[Al11O12]＋类型尖晶石单元交叠堆积而成，氧离

子排列成立方密堆积，Na＋完全包含在垂直于C轴的松散堆积平面内，在这个平面内可以很快扩散，呈现离子型导电。 α- Al2O3，属三方晶系，单位晶胞是一个尖的菱面体，在自然办只存在α- Al2O3，如天然刚玉、红宝石、蓝宝石等矿物。α- Al2O3结构最紧密、活 性低、高温稳定。它是三种形态中最稳定的晶型，电学性质最好，具有优良的机电性能。 Al2O3中的化学键是离子键，离子键也称“电价键”，它是由金属原子失去外层电子形成正离子，非金属原子取得电子形成负离子，互相结合形成的。离子键是依靠正负离子间静电引力所产生的化学键，它没有方向性也没有饱和性。A Al2O3陶瓷属于氧化物晶体结构，氧化物结构的结合键以离子键为主，它的分子式通常以AmXn 表示。A(或者B)表示与氧结合的正离子，n为离子数，x表示氧离子，n表示它的数量。大多数氧化物中的氧离子半径大于正离子的半径。所以它们的结构是以大直径的氧离子密堆排列的骨架，组成六方或面心立方点阵，小直径的正离子嵌入骨架的间隙处。这种陶瓷材料具有高的硬度和熔点。 陶瓷体的相组成中，晶相相对含量波动范围很大，通常特种陶瓷中晶相体相对含量较高。晶相对陶瓷材料性质有很大的影响。表中列出了一般陶瓷到特种陶瓷中的刚玉相(α- Al2O3)含量的变化及表现出的性能差异。

陶瓷基复合材料的研究进展及其在航空发动机上的应用

陶瓷基复合材料的研究进展及其在航空发动机上 的应用 摘要：综述了陶瓷基复合材料(CMCs) 的研究进展。就CMCs的增韧机理、制备工艺和其在航空发动机上的应用进展作了详细介绍。阐述了CMCs研究和应用中存在的问题。最后，指出了CMCs的发展目标和方向。 关键词：陶瓷基复合材料；航空发动机；增韧机理；制备工艺 The Research Development of Ceramic Matrix Compositesand Its Application on Aeroengine Abstract:The development and research status of ceramic matrix compositeswerereviewed in this paper. The main topics include the toughening mechanisms, the preparation progressand the application on aeroengine were introduced comprehensively. Also, the problems in the research and application of CMCswere presented. Finally, the future research aims and directions were proposed. Keywords: Ceramic matrix composites, Aeroengine, Fiber toughening,Preparation progress 1引言 推重比作为发动机的核心参数，其直接影响发动机的性能，进而直接影响飞机的各项性能指标。高推重比航空发动机是发展新一代战斗机的基础，提高发动机的工作温度和降低结构重量是提高推重比的有效途径[1]。现有推重比10一级的发动机涡轮进口温度达到了1500~1700℃，如M88-2型发动机涡轮进口温度达到1577℃，F119型发动机涡轮进口温度达到1700℃左右，而推重比15~20一级发动机涡轮进口温度将达到1800~2100℃，这远远超过了发动机中高温合金材料的熔点温度。目前，耐热性能最好的镍基高温合金材料工作温度达到1100℃左右，而且必须采用隔热涂层，同时设计先进的冷却结构。在此需求之下，迫切需要发展新一代耐高温、低密度、低膨胀、高性能的结构材料[2]。在各类型新型耐高温材料中，

压电陶瓷的特性及应用举例

压电陶瓷的特性及应用举例 芯明天压电陶瓷以PZT锆钛酸铅材料为主，主要利用压电陶瓷的逆压电效应，即通过对压电陶瓷施加电场，压电陶瓷产生纳米级精度的致动位移。 芯明天压电陶瓷 Δ压电效应 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指压电陶瓷受到特定方向外力的作用时，在压电陶瓷的正负极上产生相反的电荷，当外力撤去后，又缓慢恢复到不带电的状态；逆压电效应是指在对压电陶瓷的极化方向上施加电压，压电陶瓷会随之发生形变位移，电场撤去后，形变会随之消失。

Δ纳米级分辨率 压电陶瓷的形变量非常小，一般都小于1%，虽然形变量非常小，但可通过改变电场强度非常精确地控制形变量。 压电陶瓷是高精度致动器，它的分辨率可达原子尺度。在实际使用中，压电陶瓷的分辨 率通常受到产生电场的驱动控制器的噪声和稳定性的限制。 Δ大出力 压电陶瓷产生的最大出力大小取决于压电陶瓷的截面积，对于小尺寸的压电陶瓷，出力 通常达到数百牛顿的范围，而对于大尺寸的压电陶瓷，出力可达几万牛顿。

Δ响应时间快

陶瓷基复合材料(CMC).

第四节 陶瓷基复合材料（CMC） 1.1概述 工程中陶瓷以特种陶瓷应用为主，特种陶瓷由于具有优良的综合机械性能、耐磨性好、硬度高以及耐腐蚀件好等特点，已广泛用于制做剪刀、网球拍及工业上的切削刀具、耐磨件、 发动机部件、热交换器、轴承等。陶瓷最大的缺点是脆性大、抗热震性能差。与金属基和聚合物基复合材料有有所不同的，是制备陶瓷基复合材料的主要目的之一就是提高陶瓷的韧性。特别是纤维增强陶瓷复合材料在断裂前吸收了大量的断裂能量，使韧性得以大幅度提高。表6—1列出了由颗粒、纤维及晶须增强陶瓷复合材料的断裂韧性和临界裂纹尺寸大小的比较。很明显连续纤维的增韧效果最佳，其次为品须、相变增韧和颗粒增韧。无论是纤维、晶须还是颗粒增韧均使断裂韧性较整体陶瓷的有较大提高，而且也使临界裂纹尺寸增大。

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，属于无机化合物纳构远比金属与合金复杂得多。使用最多的是碳化硅、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。陶瓷材料中的化学键往注是介于离子键与共价键之间的混合键。 陶瓷基复合材料中的增强体通常也称为增韧体。从几何尺寸上可分为纤维(长、短纤维)、晶须和颗粒三类。碳纤维是用来制造陶瓷基复合材料最常用的纤

维之一。碳纤维主要用在把强度、刚度、重量和抗化学性作为设计参数的构件，在1500霓的温度下，碳纤维仍能保持其性能不变，但对碳纤维必须进行有效的保护以防止它在空气中或氧化性气氛中被腐蚀，只有这样才能充分发挥它的优良性能。其它常用纤维是玻璃纤维和硼纤维。陶瓷材料中另一种增强体为晶须。晶须为具有一定长径比(直径o 3。1ym，长30—lMy”)的小单晶体。从结构上看，晶须的特点是没有微裂纹、位偌、孔洞和表面损伤等一类缺陷，而这些缺陷正是大块晶体中大量存在且促使强度下降的主要原因。在某些情况下，晶须的拉伸强度可达o．1Z(Z为杨氏模量)，这已非常接近十理论上的理想拉伸强度o．2Z。而相比之下．多晶的金属纤维和块状金属的拉伸强度只有o．025和o．o01f。在陶瓷基复合材料使用得较为普遍的是SiC、Al2O3、以及Si3N4N晶须。颗粒也是陶瓷材料中常用的一种增强体，从几何尺寸上看、它在各个方向上的长度是大致相同的，—般为几个微米。通常用得较多的颗粒也是SiC、Al2O3、以及Si3N4N。颗粒的增韧效果虽不如纤维和晶须，但如恰当选择颗粒种类、粒径、含量及基体材料，仍可获得一定的韧化效果，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。 在陶瓷材料中加入第二相纤维制成的复合材料是纤维增强陶瓷基复合材料，这是改善陶瓷材料韧性酌重要手段，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高于其横向性能。在这种材料中，当裂纹扩展遇到纤维时会受阻．这样要使裂纹进一步扩展就必须提高外加应力。图7—15为这一过程的示意图。当外加应力进一步提高时．由于基体与纤维间的界面的离解，同时又由于纤维的强度高于基体的强

压电陶瓷材料的发展及应用

压电陶瓷材料的发展及应用 美国Sandia研究所的Haertling在1964年发现，如果在Pb(Ti,Zr)O 3 中 添加少量的Bi 2O 3 进行热压成型时,烧结得很好，这种多晶材料的铁电电滞回线呈 现明显的矩形特性。此后，兰德（Land）等人发现，这种陶瓷被研磨成薄片时透光度高，随着晶体粒度的不同显示出二种电光学效应，即粒度为2微米以上的极化了的粗晶粒陶瓷片，散射光的强度随着极化轴的角度发生变化；2微米以下的微细晶粒陶瓷片,则呈现出以极化为光轴的单轴性负光学各向异性,双折射率随偏置电压的改变而变化.这种陶瓷是一种很有价值的新型电光学材料.这一发现是铁电性透明陶瓷展的开端。 1971年美国Haertling和Land用La置换一部分Pb的 Pb 1-x La x (Zr y Ti i-y ) 1-(x/4) O 3 组成(简称PLZT)进行热压烧结成型,所得陶瓷研磨的薄片 具有电控双折射、电控可变光散射等特性,可用作关阀、电光调制器和光记忆元件,PLZT是一种很有价值的新型电子材料,是20世纪70年代铁电陶瓷的重大进展。 透明铁电压电陶瓷的问世,一方面是由于客观上性技术的发展对铁电压电陶瓷材料在电光方程面的应用提出了要求,另一方面,是由于长期以来人们对铁电压电陶瓷进行了大量的研究实践(特别是热压工艺)的结果。具体的工作在1967年左右开始,1970年5月宣布了透明铁电陶瓷试制成功,随后报道了各种应用研究,1972年改进了工艺方法,提高了厚片的透明度,1973年又发展了不用热压而用通氧烧结的方法成功地制造了较大面积的透明铁电压电陶瓷。在此期间,陆续报道的各种有关的应用或实验结构有铁电显示器、光阀、光信息存贮器、偏置应变存贮显示器件、反射式偏置应变存贮显示器件、散射式存贮显示器件、染料激光波长选择器件、全息存贮输入器件等等。各方面应用的研究正在不断发展中. 透明铁电压电陶瓷的发展,给铁电压电陶瓷开辟了新的应用领域－电光应用,过去电光器件用的是单晶铁电材料,但由于单晶材料存在一些缺点,例如尺

高温结构陶瓷基复合材料的研究现状与展望--...

高温结构陶瓷基复合材料的研究现状与展望 摘要概述了国外航空发动机用高温结构陶瓷基复合材料的研究与应用现状及发展趋势,分析了目前研究中存在的问题及其解决办法,确定了今后的研究目标与方向。 关键词陶瓷基复合材料高温结构材料力学性能应用 1 前言 为了提高航空发动机的推重比和降低燃料消耗,最根本的措施是提高发动机的涡轮进口温度,而涡轮进口温度与热端部件材料的最高允许工作温度直接相关。50 至60 年代,发动机热端部件材料主要是铸造高温合金,其使用温度为800～900 ℃;70 年代中期,定向凝固超合金开始推广,其使用温度提高到 接近1000 ℃; 进入80 年代以后,相继开发出了高温单晶合金、弥散强化超合金以及金属间化合物等,并且热障涂层技术得到了广泛的应用,使热端部件的使用温度提高到1200～1300 ℃,已接近这类合金 熔点的80 % ,虽然通过各种冷却技术可进一步提高涡轮进口温度,但作为代价降低了热效率,增加了结 构复杂性和制造难度,而且对小而薄型的热端部件难以进行冷却,因而再提高的潜力极其有限[1 ] 。陶瓷基复合材料正是人们预计在21 世纪中可替代金属及其合金的发动机热端结构首选材料。 近20 年来,世界各工业发达国家对于发动机用高温结构陶瓷基复合材料的研究与开发一直十分重视,相继制定了各自的国家发展计划,并投入了大量的人力、物力和财力,对这一新型材料寄予厚望。如美国NASA 制定的先进高温热机材料计划(HITEMP) 、DOE/ NASA 的先进涡轮技术应用计划(ATTAP) 、美国国家宇航计划(NASP) 、美国国防部关键技术计划以及日本的月光计划等都把高温结构陶瓷基复合材料作为重点研究对象,其研制目标是将发动机热端部件的使用温度提高到1650 ℃或更高[2 ,3 ] ,从而提高发动机涡轮进口温度,达到节能、减重、提高推重比和延长寿命的目的,满足军事和民用热机的需要。 2 国内外应用与研究现状 由于陶瓷材料具有高的耐磨性、耐高温和抗化学侵蚀能力,国外目前已将其应用于发动机高速轴承、活塞、密封环、阀门导轨等要求转速高和配合精度高的部件。在航空发动机高温构件的应用上,到目前为止已报道的有法国将CVI 法SiC/Cf 用于狂风战斗机M88 发动机的喷嘴瓣以及将SiC/ SiCf 用于幻影2000 战斗机涡轮风扇发动机的喷管内调节片[4 ] 。 此外,有许多陶瓷基复合材料的发动机高温构件正在研制之中。如美国格鲁曼公司正研究跨大气层高超音速飞机发动机的陶瓷材料进口、喷管和喷口等部件,美国碳化硅公司用Si3N4/ SiCW制造导弹发动机燃气喷管,杜邦公司研制出能承受1200～1300 ℃、使用寿命达2000h 的陶瓷基复合材料发动机部件等[5 ,6 ] 。目前导弹、无人驾驶飞机以及其它短寿命的陶瓷涡轮发动机正处在最后研制阶段,美国空军材料实验室的研究人员认为[7 ] ,1204～1371 ℃发动机用陶瓷基复合材料已__经研制成功。由于提高了燃烧温度,取消或减少了冷却系统,预计发动机热效率可从目前的26 %提高到46 %。英国罗—罗公司认为,未来航空发动机高压压气机叶片和机匣、高压与低压涡轮盘及叶片、燃烧室、加力燃烧室、火焰稳定器及排气喷管等都将采用陶瓷基复合材料。预计在21 世纪初, 陶瓷基复合材料的使用温度可提高到1650 ℃或更高。 3 研究方向与发展趋势 陶瓷虽然具有作为发动机热端结构材料的十分明显的优点,但其本质上的脆性却极大地限制了它的推广应用。为了克服单组分陶瓷材料缺陷敏感性高、韧性低、可靠性差的缺点,材料科学工作者进行了大量的研究以寻找切实可行的增韧方法[8 ,9 ] 。增韧的思路经历了从“消除缺陷”或减少缺陷尺寸、减少缺陷数量,发展到制备能够“容忍缺陷”,即对缺陷不敏感的材料。目前常见的几种增韧方式主要有相变增韧、颗粒(晶片) 弥散增韧、晶须(短切纤维) 复合增韧以及连续纤维增韧补强等。此外还可通过材料结构的改变来达到增韧的目的,如自增韧结构、仿生叠层结构以及梯度功能材料等。由于连续纤

复合材料学-陶瓷基复合材料的发展现状和最新进展

陶瓷基复合材料的发展现状和最新进展The Development Status and Recent Research Progress of Ceramic-Matrix Composite Materials 学生姓名： 学生学号： 指导教师： 所在院系： 所学专业： 南京理工大学 中国·南京 2015年11月

摘要综述了陶瓷基复合材料（CMC）在近年来的研究进展，就陶瓷的增强增韧机 理、复合材料的制备工艺作了较全面的介绍，综述了先驱体浸渍裂解（PIP）反应熔体浸渗（RMI）化学气相渗透（CVI）泥浆法（SI）等工艺的最新研究进展，并对CMC的应用和未来发展进行了展望。 关键词复合材料；陶瓷基；增强增韧；制备工艺；应用；未来发展 Abstract The studying situation of ceramic matrix composites(CMC) in the lately years is reviewed in this paper.The strengthening and toughening mechanism,selection of matrix and reinforced materials and preparation techniques are introduced comprehensively,and then progresses of several preparation processes such as PIP,RMI,CVI,and SI are discussed.Also,the application prospects of future development of CMC are looked forward. Keywords composites; ceramic matrix; strengthening and toughening; preparation technique;application; future development 1971年，Avesto首次提出陶瓷基复合材料的概念[1]。众所周知，陶瓷基复合材料不是传统意义上的陶瓷，陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。它的主要基体有玻璃陶瓷、氧化铝、氮化硅等，这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、高耐腐蚀性、低线胀系数、隔热性好及低密度等优异性能，而且资源也比较丰富，有广泛的应用前景[2]。但由于陶瓷材料本身脆性的弱点，作结构材料使用时缺乏足够的可靠性。因而，改善陶瓷材料的脆性已成为陶瓷材料领域亟待解决的问题之一。CMC就是通过颗粒弥散增韧和纤维及晶须增韧等来改善陶瓷材料的力学性能，特别是脆性。因而开发CMC已成为改善陶瓷脆性的主要手段，受到各国的高度重视和广泛研究。 1 CMC的增韧机理 目前看来，陶瓷的增韧机理虽然很多，且众说纷纭，但总体而言大致可有如下四种类型：①相变增韧(transformation toughening);②延性相增韧(toughening by ductile phases);③脆性纤维和晶须增韧(toughening by brittle fibers and whiskers);④微裂纹增韧(microcrack toug hening)。 相变增韧的机理是在应力场的作用下，由分散相的相变产生应力场，抵消外加应力，阻止裂纹扩展达到增韧目的。延性相增韧主要是指粒子强化和弥散强化，通过第2相粒子的加入，一方面对某些延性相粒子，它可以在外力作用下产生一定塑性变形或者沿着晶面滑移产生蠕变来缓解应力集中；另一方面由于第二相粒子与基体粒子之间弹性模量和线胀系数的差异，在烧结过程冷却阶段存在一定温差，因而在坯体内部产生径向张应力和切向压应力，这种应力与外应力发生相互作用，使裂纹前进方向发生偏转、绕道，从而提高材料的抗断能力，达到增韧目的[3]。 纤维和晶须增韧的机理如图1[4]所示，其作用原理有以下几步：（1）负荷传递：要求（E f / E m）>2（E为弹性模量，同时要求纤维与基体间有较强界面来帮助负荷从基体转移到纤维）；（2）基体预应力：如果αf>αm，则压缩应力能够产生，界面压缩力增加了纤维/基

陶瓷基复合材料的制备原理与工艺

材料制备原理课程论文 题目陶瓷基复合材料的制备原理与工艺 学院材料科学与工程学院 专业班级 学生姓名 2012 年3 月28日

陶瓷基复合材料的制备原理与工艺 前言：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、梯度功能复合陶瓷及纳米陶瓷复合材料。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。 1陶瓷基复合材料的基本介绍和种类 虽然用于纤维增强陶瓷基复合材料的纤维种类较多．但迄今为止，能够真正实用的纤维种类并不多一现简要介绍如下： 第一类为氧化铝系列(包括莫来石)纤维一这类纤维的高温抗氧化性能优良，有可能用于14000C以上的高温环境．但目前作为FRCMCS的增强材料主要存在以下两个问题：一是高温下晶体相变、晶粒粗化以及玻璃相的蠕变导致纤维的高温强度下降；二是在高温成型和使用过程中，氧化物纤维易与陶瓷基体(尤其足氧化物陶瓷)形成强结合的界面，导致FRCMCS 的脆性破坏，丧失了纤维的补强增韧作用。 第二类为碳化硅系列纤维目前制备碳化硅纤维的方法主要有两种：一足化学气相沉积法(CVD)：用这种方法制备的碳化硅纤维，其高温性能好，但由于直径太大(大于100um)，不利于制备形状复杂的FRCMCS构件，且价格昂贵，因而其应用受到很大限制。二足有机聚合物先驱体转化法。在这种方法制备的纤维中，最典型的例子是日本碳公司生产的Nicalon 和Tyranno等纤维。这种纤维的共同特点是，纤维中不同程度地含有氧和游离碳杂质，从而影响纤维的高温性能。最近，H本碳公司生产的低含氧量碳化硅纤维(Hi．Nicalon)具有较好的高温稳定性，其强度在1500～1600℃温度下变化不大。 第三类为氮化硅系列纤维。它们实际卜是由Si、N、C和0等组成的复相陶瓷纤维，现已有商品出售。这类纤维也是通过有机聚合物先驱体转化法制备的，日前也存存着与先驱体碳化硅纤维同样的问题，因而其性能与先驱体碳化硅纤维相近。 第四类为碳纤维。碳纤维已有三十余年的发展历史，它是目前开发得最成熟，性能最好的纤维之一，已被广泛用作复合材料的增强材料。其高温性能非常好，在惰性气氛中，2000~C

金属陶瓷复合材料

金属陶瓷复合材料 何洋 ( 材料科学与工程一班 200911102016 ) 摘要本文从复合材料入手介绍Al/Al2O3陶瓷基复合材料，定向金属氧化法制备Al/Al2O3陶瓷基复合材料，Al/Al2O3陶瓷基复合材料的低温烧结，金属陶瓷材料的应用以及研究现状、前景。 Abstract The article introduces composite material of Al/Al2O3 ceramic matrix composites， directional metal oxidation method for Al/Al2O3 ceramic matrix composites， Al/Al2O3ceramic matrix composites， low temperature sintering， metal，ceramic materials application and research status， prospects。 关键词复合材料；Al/Al2O3 ；定向金属氧化法；低温烧结；应用；前景 Key words composite materials； Al/Al2O3； directed metal oxidation； low temperature sintering； application； prospects 复合材料(Composite materials) 由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。 氧化铝(Al2O3 ) 陶瓷 先进陶瓷材料中应用最广泛的是素有“陶瓷王”之称的Al2O3陶瓷。氧化铝陶瓷原料分布广、产品性能优良、价格低。由于具有耐高温、硬度大、强度高、

陶瓷基复合材料

河南农业大学机电工程学院《非金属材料》课程论文 陶瓷基复合材料 姓名： 学号： 专业班级： 论文方向： 任课教师：

陶瓷基复合材料 摘要：陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。 陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品。其最高使用温度主要取决于基体特征。陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意的使用效果。 正文： 陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意的使用效果。 连续纤维补强陶瓷基复合材料(简称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。20世纪70年代初,J Aveston[2]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,为高性能陶瓷材料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以及日本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[4];SiO2纤维增强SiO2复合材料已用作“哥伦比亚号”和“挑战者号”航天飞机的隔热瓦[5]。由于纤维增强