淺談陶瓷基復合材料的分類及性能特點

蔣永彪

摘 要：陶瓷基復合材料是以陶瓷為基體與各種纖維復合的一類復合材料，有效解決了陶瓷的脆性問題，開始在航空、航天、國防等領域得到廣泛應用，例如連續纖維補強陶瓷基復合材料，具有高強度和高韌性，特別是具有與普通陶瓷不同的非失效性斷裂方式，使其受到世界各國的工業生產領域的極大關注。文章對陶瓷復合材料的分類、主要性能、機械加工特點進行介紹。

關鍵詞：陶瓷基復合材料；分類；力學特性；加工特點

1 陶瓷基復合材料分類

陶瓷基復合材料，根據增強體分成兩大類：連續增強的復合材料和不連續增強的復合材料，如表1所示。其中，連續增強的復合材料包括一方向，二方向和三方向纖維增強的復合材料，也包括多層陶瓷復合材料；不連續增強的復合材料包括晶須、晶片和顆粒的第二組元增強體和自身增強體，如Si3N4中等軸晶的基體中分布一些晶須狀β-Si3N4晶粒起到增韌效果。納米陶瓷既可以是添加納米尺寸的增強體復合材料，也可以是自身晶粒尺寸納米化及增強。

陶瓷基符合材料也可以根據基體分成氧化物基和非氧化物基符合材料。氧化物基復合材料包括玻璃、玻璃陶瓷、氧化物、復合氧化物等，弱增強纖維也是氧化物，常稱為全氧化物復合材料。非氧化物基復合材料以SiC，Si3N4，MoS2基為主。

2 陶瓷基復合材料的力學特性

陶瓷本體具有耐高溫、抗氧化、高溫強度高、抗高溫蠕變性好、高硬度、高耐磨損性、線膨脹系數小、耐化學腐蝕等優點，但也存在致命的弱點（脆性），它不能承受激烈的機械沖擊和熱沖擊，這限制了它的應用?？赏ㄟ^控制晶粒、相變韌化、纖維增強等手段制成復合材料，陶瓷基復合材料具有了更高的熔點、剛度、硬度和高溫強度，并具有抗蠕變、疲勞極限好、高抗磨性，在高溫和化學侵蝕的場合下能承受大的載荷等優點，使其在航空、航天等眾多領域有著廣泛的應用前景。

2.1 陶瓷基復合材料的主要物理和化學性能

（1）熱膨脹。復合材料有纖維、界面和基體構成，因此熱膨脹的相容性是非常重要的。雖然線膨脹系數彼此相同是最為理想的，但是幾乎實現不了。通常用線膨脹系數來表征材料的熱膨脹，晶體的線膨脹系數存在各向異性，因此，線膨脹系數的各向異性造成的熱應力常常是導致多晶體材料從燒結溫度冷卻下來即發生開裂的原因。在陶瓷基復合材料里，一般希望增強體承壓縮的殘余應力，這樣即使是弱界面，也不會發生界面脫黏。

（2）熱傳導。陶瓷作為耐熱，隔熱材料，其熱導率是重要的物理性能指標。熱導率對于復合材料的裂紋、空洞和界面結合情況都很敏感。

（3）氧化抗力。陶瓷基復合材料作為高溫材料，氧化抗力是重要的性能指標。

2.2 非連續纖維增強陶瓷基復合材料的主要力學性能

增強韌手段在制備工藝和增韌效果上有所差異?？梢酝ㄟ^相變增韌大幅度提高陶瓷材料的強度和常溫韌性。在高溫下，相變增韌機制失效限制了其在高溫領域的應用。將顆粒、晶須等增強物加入到基本材料中，它們的彈性模量和線膨脹系數差異在界面形成應力區，這種應力區和外加應力會發生相互的作用。這樣，擴展裂紋會產生釘扎、偏轉或分叉以其他形式（如相變）吸收能量，由此提高材料的斷裂抗力。顆粒彌散及晶須復合增韌（CMC）制備工藝相對容易，能明顯提高材料的斷裂韌性和抗彎強度。高溫下使用的顆粒彌散及晶須復合增韌陶瓷基復合材料，其基體綜合考慮高溫強度、抗蠕變性、密度、抗氧化性、抗熱震性等條件，首選材料依然是Si3N4，SiC。在高溫條件下，它們的表面會形成SiO2保護層，可以滿足1600℃抗高溫氧化的要求。

2.3 陶瓷基復合材料的主要力學性能

（1）拉伸、壓縮和剪切力學行為。單體陶瓷的拉伸曲線是直線，而連續纖維增強的陶瓷基復合材料則會在直線后經過曲線上升到最大應力后斷裂。

（2）斷裂韌性。不同類型的陶瓷基復合材料增韌機理有所不同。用傳統斷裂力學方法測出的連續纖維增強陶瓷基復合材料斷裂韌性可達到20MPa·m1/2，該值遠高于單體陶瓷材料（≈10MPa·m1/2）。但是，嚴格來說，不存在力學定義的斷裂韌性。因此斷裂功被用來評價韌性的高低。

（3）熱沖擊抗力與機械沖擊抗力。陶瓷基復合材料在熱沖擊載荷下不容易發生完全的毀壞。

（4）疲勞。跟傳統材料相比較，陶瓷基復合材料的疲勞壽命隨最大應力或者應力幅的增長而下降，在室溫下，其疲勞極限為拉伸強度的70%-80%，遠遠大于基體的開裂應力（即最大容許應力）。但是在高溫下，疲勞壽命的降低卻是大問題。陶瓷基復合材料在普通工業領域，常用于閥體及閥座、擠壓模具及泵襯、切削刀具等，其性能遠優于普通陶瓷材料和硬質合金。用碳化硅晶須增強的陶瓷基復合材料，韌性和抗彎強度都有顯著提高，用作切削刀具材料，其耐用度比硬質合金要高出一百多倍（抗彎強度>800MPa，斷裂韌性值8MPa·m1/2，硬度>92HRA）。

2.4 連續纖維增強陶瓷基復合材料（CFCC）的主要力學性能

與其陶瓷基復合材料相比，CFCC的韌性較高，受外力沖擊時，能夠產生非失效性破壞形式，可靠性更高。CFCC與單組分材料的性能比較見表2。

連續纖維增強陶瓷基復合材料具有與傳統復合材料完全不同的空間拓撲結構形式，即：陶瓷增強體在三維空間連續，基體也在三維空間連續，增強體與基體在空間呈交織網絡結構。這種兩相均在三維空間上連續并交織的拓撲結構形式在天然復合材料中并不少見，例如動物的骨骼、植物的枝干等，但是在合成材料領域卻是一種全新的復合增強結構形式。

到目前為止，已經認識到并開始應用于實際的連續纖維增強陶瓷基復合材料使用領域包括摩擦磨損類材料、航空結構構件、耐高溫機構間、汽車構件、抗彈防護材料等。

3 陶瓷基復合材料的加工特點

陶瓷基復合材料屬于脆性材料，一般是使用金剛石刀具或砂輪進行切削或研磨加工。這種加工有可能在材料的表面或表面的下層產生微細的裂紋。需指出的是，顆粒增強陶瓷基復合材料與陶瓷材料的加工特性類似，而纖維增強陶瓷基復合材料的加工技術目前仍處于不斷發展的過程中，還未有成熟的結論。