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航空发动机用理想材料——陶瓷基复合材料

发布时间:2020-10-12发布人:浏览:
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前 言

陶瓷材料耐温能力高、力学性能好、密度低,很早就被认为是发动机高温结构的理想材料,但由于陶瓷韧性差,一旦损坏会引起发动机灾难性后果,因而限制了其应用。为提高陶瓷材料的韧性,材料学家经过不懈努力发展出陶瓷基复合材料。

陶瓷基复合材料是指在陶瓷基体中引入增强材料,形成以引入的增强材料为分散相,以陶瓷基体为连续相的复合材料,它具有耐高温、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,在航空、航天等众多领域有着广泛的应用。

 

陶瓷基复合材料的分类

陶瓷基复合材料,根据增强体分成两大类:连续增强的复合材料和不连续增强的复合材料。其中,连续增强的复合材料包括一方向,二方向和三方向纤维增强的复合材料,也包括多层陶瓷复合材料;不连续增强的复合材料包括晶须、晶片和颗粒的第二组元增强体和自身增强体。

陶瓷基复合材料也可以根据基体分成氧化物基和非氧化物基复合材料。氧化物基复合材料包括玻璃、玻璃陶瓷、氧化物、复合氧化物等,弱增强纤维也是氧化物,常称为全氧化物复合材料。非氧化物基复合材料以SiC、Si3N4、MoS2基为主。

 

陶瓷基复合材料的制备

化学气相渗透法

化学气相渗透法的工艺流程主要为:将先驱体和载体按照特定比例通入沉积室中,通过气体扩散作用或由压力差产生的定向流动将气态先驱体扩散至纤维预制体内部,进而在纤维表面裂解和沉积,实现纤维预制体的致密化。该工艺的优点是制备过程中纤维损伤较小,制备的陶瓷基体纯度高、晶型完整,复合材料的力学性能较高,但是制备工艺较为复杂、成本高、周期长、制备的复合材料孔隙率高。

聚合物浸渍裂解法

聚合物浸渍裂解法以聚合物液相先驱体(或溶液)为浸渍剂,通过多循环交联固化、高温裂解,获得致密化的复合材料。该工艺的优点是处理温度低,近净成型,能够制备复杂大尺寸构件,其缺点是陶瓷收率低、制造周期长、材料孔隙率高。

浆料浸渍热压法

浆料浸渍热压法的工艺流程为:首先将陶瓷纤维浸渍于含有陶瓷基体的浆料中,将表面涂覆浆料的纤维缠绕至滚筒,进而制成无纬布,经切片、叠加、热模压成型和热压烧结后,获得致密化的复合材料。该工艺简单,成本较低。但热压工艺容易使纤维造成损伤,降低了复合材料的力学性能;此外,该工艺用于制备一维或二维复合材料,难以制备大型陶瓷基复合材料构件。

熔体浸渍工艺

熔体浸渍法的基本原理为将金属或合金加热到熔融液态,然后在一定的工艺条件下渗透至纤维预制体内部,进而发生反应生成陶瓷基体。该工艺最大的优点为能够通过一次成型制备致密且基本无缺陷的基体,而且预成型件与构件之间结构尺寸较小,被认为是快速、低成本制备近净成型复杂形状构件的有效途径。其缺点在于处理温度较高,制备过程中残留一定体积的金属,影响复合材料的性能。

 

陶瓷基复合材料的增韧技术

纤维增韧

纤维增韧要求尽量满足纤维与基体陶瓷的化学相容性和物理相容性。纤维增强陶瓷基复合材料的增韧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、相变增韧等。目前能用于增强陶瓷基复合材料的纤维种类较多,包括氧化铝系列(包括莫来石)、碳化硅系列、氮化硅系列、碳纤维等,除了上述系列纤维外,现在正在研发的还有BN、TiC、B4C等复相纤维。

晶须增韧

 陶瓷晶须是具有一定长径比且缺陷很少的陶瓷小单晶,它有很高的强度,是一种非常理想的陶瓷基复合材料的增韧增强体。晶须增韧陶瓷基复合材料的主要增韧机制包括晶须拔出、裂纹偏转、晶须桥联。目前常用的陶瓷晶须有SiC晶须和Al2O3晶须;基体常用的有ZrO2、Si3N4、SiO2、Al2O3和莫来石等。

颗粒增韧

利用颗粒作为增韧剂,制备颗粒增韧陶瓷基复合材料,其原料的均匀分散及烧结致密化都比短纤维及晶须复合材料简便易行。因此,尽管颗粒的增韧效果不如晶须与纤维的效果好,但如颗粒种类、粒径、含量及基体材料选择得当,仍有一定的韧化效果,同时会带来高温强度、高温蠕变性能的改善。颗粒增韧按增韧机理可分为非相变第二相颗粒增韧、延性颗粒增韧、纳米颗粒增韧。

相变增韧

相变增韧ZrO2陶瓷是一种极有发展前途的新型结构陶瓷,其主要是利用ZrO2相变特性来提高陶瓷材料的断裂韧性和抗弯强度,使其具有优良的力学性能,低的导热系数和良好的抗热震性。它还可以用来显著提高脆性材料的韧性和强度,是复合材料和复合陶瓷中重要的增韧剂。

纳米复合陶瓷增韧

纳米陶瓷由于晶粒的细化,晶界数量会极大增加(纳米陶瓷的气孔和缺陷尺寸减小到一定尺寸就不会影响材料的宏观强度),可使材料的强度、韧性显著增加。纳米相在复合陶瓷中以两种形式存在,一种是分布在微米级陶瓷晶粒之间的晶间纳米相;另一种则“嵌入”基质晶粒内部,被称为晶内纳米相或“内晶型”结构。两种结构共同作用产生了两个显著的效应:穿晶断裂和多重界面,从而对材料的力学性能起到重要的影响。

自增韧陶瓷

如果在陶瓷基体中引入第二相材料,该相不是事先单独制备的,而是在原料中加入可以生成第二相的原料,然后控制生成条件和反应过程,直接通过高温化学反应或者相变过程,在主晶相基体中生长出均匀分布的晶须、高长径比的晶粒或晶片的增强体,形成陶瓷复合材料,这称为自增韧。这样可以避免两相不相容、分布不均匀的问题,其强度和韧性都比外来第二相增韧的同种材料高。自增韧陶瓷的增韧机理类似于晶须对材料的增韧机理,有裂纹的桥接增韧、裂纹的偏转和晶粒的拔出,其中桥接增韧是主要的增韧机理。

 

参考资料:
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康永、豆高雅.陶瓷基复合材料研究现状和应用前景

焦健、陈明伟.新一代发动机高温材料——陶瓷基复合材料的制备、性能及应用

蒋永彪.浅谈陶瓷基复合材料的分类及性能特点

李进卫.浅说陶瓷基复合材料的功用特点及其市场前景


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关键词:复合材料热工装备 化学气相沉积装备

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