陶瓷基复合材料的应用及发展

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陶瓷基复合材料的应用及发展

作者：国云龙杨志涛陈红权

来源：《中国科技纵横》2015年第22期

【摘要】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。陶瓷基复合材料由于其优越的性能，在航空、航天领域有着广泛的应用前景。在拉伸载荷下，基体首先出现裂纹。基体裂纹的出现对其高温下的力学性能将产生影响，本文主要介绍陶瓷基复合材料的应用及发展。

【关键词】陶瓷基复合材料研究发展

1工程背景

随着军用航空发动机推重比的不断增加，为提高推重比，对耐高温材料的要求也越来越高。为适应高推重比航空发动机的发展，各发达国家都竞相发展接替镍基单晶合金和金属间化合物的超高温结构材料及其制造技术。

陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一种复合材料。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，甚至断裂导致失效。而采用高强度、高弹性的纤维和基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效方法。纤维能阻止断裂的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料是制造高推重比航空发动机理想的耐高温结构材料。陶瓷基复合材料的最高使用温度可达1650℃，

而密度只有高温合金的70%。因此，陶瓷基复合材料已成为航空航天等高技术领域极有前景的新型材料。经过20多年的发展，陶瓷基复合材料的研究有了较快的发展，并且已经在航空发动机结构部件上得到了应用，法国、美国等航空发动机技术先进国家已经把纤维增强复合材料用于航空燃气涡轮发动机高温部件，CMC-SiC在高推重比航空发动机内已经用于喷管和燃烧室，将工作温度提高了300～500℃，推力提高30%～100%，结构减重50%～70%，是发展高推重比（12～15、15～20）航空发动机的关键热结构材料之一。

2研究发展

纤维增强陶瓷基复合材料在单轴拉伸载荷下将出现基体开裂、纤维/基体界面脱粘和纤维失效等损伤机制。Solti研究了单向陶瓷基复合材料基体裂纹演化，提出来临界基体应变能准则，该准则假设基体应变能存在一个临界值，当基体应变能超过临界值时，多余的基体能量将通过产生新基体裂纹和界面脱粘等损伤机制耗散掉。