陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用及發(fā)展

國(guó)云龍 楊志濤 陳紅權(quán)

【摘 要】陶瓷基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐高溫性能，主要用作高溫及耐磨制品。其最高使用溫度主要取決于基體特征。陶瓷基復(fù)合材料已實(shí)用化或即將實(shí)用化的領(lǐng)域有刀具、滑動(dòng)構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)制件、能源構(gòu)件等。陶瓷基復(fù)合材料由于其優(yōu)越的性能，在航空、航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。在拉伸載荷下，基體首先出現(xiàn)裂紋。基體裂紋的出現(xiàn)對(duì)其高溫下的力學(xué)性能將產(chǎn)生影響，本文主要介紹陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用及發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】陶瓷基 復(fù)合材料 研究發(fā)展

1工程背景

隨著軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的不斷增加，為提高推重比，對(duì)耐高溫材料的要求也越來(lái)越高。為適應(yīng)高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，各發(fā)達(dá)國(guó)家都競(jìng)相發(fā)展接替鎳基單晶合金和金屬間化合物的超高溫結(jié)構(gòu)材料及其制造技術(shù)。

陶瓷基復(fù)合材料是以陶瓷為基體與各種纖維復(fù)合的一種復(fù)合材料。陶瓷基體可為氮化硅、碳化硅等高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。這些先進(jìn)陶瓷具有耐高溫、高強(qiáng)度和剛度、相對(duì)重量較輕、抗腐蝕等優(yōu)異性能，而其致命的弱點(diǎn)是具有脆性，處于應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂導(dǎo)致失效。而采用高強(qiáng)度、高彈性的纖維和基體復(fù)合，則是提高陶瓷韌性和可靠性的一個(gè)有效方法。纖維能阻止斷裂的擴(kuò)展，從而得到有優(yōu)良韌性的纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。陶瓷基復(fù)合材料是制造高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)理想的耐高溫結(jié)構(gòu)材料。陶瓷基復(fù)合材料的最高使用溫度可達(dá)1650℃，而密度只有高溫合金的70%。因此，陶瓷基復(fù)合材料已成為航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域極有前景的新型材料。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，陶瓷基復(fù)合材料的研究有了較快的發(fā)展，并且已經(jīng)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)部件上得到了應(yīng)用，法國(guó)、美國(guó)等航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)先進(jìn)國(guó)家已經(jīng)把纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用于航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件，CMC-SiC在高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)已經(jīng)用于噴管和燃燒室，將工作溫度提高了300～500℃，推力提高30%～100%，結(jié)構(gòu)減重50%～70%，是發(fā)展高推重比（12～15、15～20）航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵熱結(jié)構(gòu)材料之一。

2研究發(fā)展

纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料在單軸拉伸載荷下將出現(xiàn)基體開(kāi)裂、纖維/基體界面脫粘和纖維失效等損傷機(jī)制。Solti研究了單向陶瓷基復(fù)合材料基體裂紋演化，提出來(lái)臨界基體應(yīng)變能準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則假設(shè)基體應(yīng)變能存在一個(gè)臨界值，當(dāng)基體應(yīng)變能超過(guò)臨界值時(shí)，多余的基體能量將通過(guò)產(chǎn)生新基體裂紋和界面脫粘等損傷機(jī)制耗散掉。

Chiang研究了拉伸應(yīng)力作用下界面脫粘對(duì)單向纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料基體開(kāi)裂的影響。用一個(gè)簡(jiǎn)單的剪滯模型計(jì)算纖維與基體的應(yīng)力和應(yīng)變場(chǎng)。解決初始脫粘開(kāi)裂的方法就是把脫粘過(guò)程當(dāng)作一個(gè)特殊擴(kuò)展的問(wèn)題。

Liu采用激光超聲波技術(shù)研究了[0/90]-SiC/CAS陶瓷基復(fù)合材料在單軸拉伸載荷下的各向異性破壞特征，在材料的單軸拉伸過(guò)程中其三個(gè)方向的剛度系數(shù)C11、C22和C33（由超聲波速度確定）減小、導(dǎo)致材料的最終斷裂。

Daniel和Anastassopoulos對(duì)單軸拉伸載荷下的[0/90]2s-SiC/CAS陶瓷基復(fù)合材料的失效機(jī)理進(jìn)行了研究，證明了失效時(shí)在90°層的地方開(kāi)始的。

Kou和Chou研究了[0/90]-SiC/CAS正交鋪設(shè)陶瓷基復(fù)合材料的初始開(kāi)裂模式，運(yùn)用能量平衡法得到各種開(kāi)裂模式下的初始開(kāi)裂應(yīng)力，研究表明，橫向開(kāi)裂發(fā)生在90°層，而基體開(kāi)裂發(fā)生在0°層。

Solti等采用細(xì)觀力學(xué)方法研究了正交鋪設(shè)陶瓷基復(fù)合材料單軸拉伸逐漸損傷及失效過(guò)程，其基本的失效模式有：橫向開(kāi)裂、基體開(kāi)裂、纖維/基體界面脫粘、纖維斷裂等，采用Kou和Chou提出的剪滯模型，分析了正交鋪設(shè)陶瓷基復(fù)合材料出現(xiàn)損傷后的細(xì)觀應(yīng)力場(chǎng)，結(jié)合臨界基體應(yīng)變能準(zhǔn)則、最大剪應(yīng)力界面脫粘準(zhǔn)則、臨界纖維應(yīng)變能準(zhǔn)則預(yù)測(cè)了橫向裂紋間距、基體界面間距、界面脫粘長(zhǎng)度、界面脫粘長(zhǎng)度、纖維斷裂百分比，預(yù)測(cè)了不同鋪層形式的陶瓷基復(fù)合材料單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

當(dāng)基體出現(xiàn)裂紋后，裂紋將沿纖維/基體界面偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致界面脫粘。Takeda通過(guò)掃描電鏡原位觀察研究了正交鋪設(shè)陶瓷基復(fù)合材料單軸拉伸載荷下0°層纖維/基體界面滑移，發(fā)現(xiàn)隨應(yīng)力增加，界面脫粘間歇性產(chǎn)生，界面脫粘長(zhǎng)度依賴(lài)于90°鋪層數(shù)量及損傷模式。

Morscher研究了二維機(jī)織SiC/ SiC陶瓷基復(fù)合材料拉伸過(guò)程中多裂紋演化，采用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)了拉伸損傷演化過(guò)程，得到了應(yīng)力與基體開(kāi)裂之間的關(guān)系，對(duì)于低密度復(fù)合材料，90°方向Mini復(fù)合材料與一般方向Mini復(fù)合材料在沒(méi)有受到大載荷情況下的基體開(kāi)裂形狀非常相似。對(duì)于高密度復(fù)合材料，0°方向Mini復(fù)合材料受到大載荷，基體開(kāi)裂取決于缺陷的尺寸大小，而90°方向Mini復(fù)合材料則取決于拉力大小與橫向裂紋的尺寸。

國(guó)內(nèi)對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的研究起步相對(duì)較晚，從上世紀(jì)90年代后期開(kāi)始開(kāi)展對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的研究，取得了一定的成果。

在力學(xué)性能的試驗(yàn)研究方面：汪洋在室溫下對(duì)單向碳纖維增強(qiáng)碳化硅基復(fù)合材料進(jìn)行了單軸拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，界面粘結(jié)強(qiáng)度過(guò)弱的單向纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料不可能產(chǎn)生橫向的飽和裂紋。梅輝在室溫下對(duì)二維平紋機(jī)織C/SiC陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行了單軸拉伸試驗(yàn)，研究了其宏觀力學(xué)特性和損傷演化過(guò)程，研究的結(jié)果表明，C/SiC開(kāi)裂的原因是損傷累積后最終導(dǎo)致復(fù)合材料交叉編織節(jié)點(diǎn)處纖維束逐層斷裂和拔出，形成斜口斷裂和平口斷裂。習(xí)年生對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的損傷特性及失效分析方法進(jìn)行了研究，給出了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單向板的基本失效模式，總結(jié)了多向?qū)雍习宓膿p傷特征。

從以上多位學(xué)者的研究中可以知道，纖維基體含量、界面脫粘等參數(shù)對(duì)初始基體開(kāi)裂應(yīng)力有很大影響，不同模型選擇也各有其優(yōu)越性。