高性能陶瓷材料如碳化硅、氧化鋁、氮化硅等，具有強度高、耐腐蝕、質(zhì)量輕等優(yōu)點，但是這類材料也有致命的缺陷，就是高脆性，在受到應力沖擊時容易導致斷裂。而采用高強度、高彈性模量的纖維與陶瓷基體復合可阻止裂紋的擴展，從而得到具有優(yōu)良韌性的纖維增強陶瓷基復合材料，既可以保留陶瓷材料的優(yōu)點，又能克服掉陶瓷材料脆性高的弱點，是提高陶瓷韌性和可靠性的有效方法。

纖維增強陶瓷基復合材料就是以陶瓷材料為基體，以陶瓷纖維、晶須、晶片或顆粒為補強體，通過適當?shù)膹秃瞎に囍苽淝倚阅芸稍O計的一類新型材料，具有高強度、高模量、低密度、耐高溫、耐磨耐蝕和良好的韌性等諸多優(yōu)點，受到國內(nèi)外學者的廣泛關注。與其他復合材料相比，纖維增強陶瓷基復合材料的成型工藝相對復雜，制備周期長，成本高，對設備要求也高，成品率較難保證。因此，纖維增強陶瓷基復合材料通常應用于高精尖領域，應用于熱結構部件的典型代表有C/C、C/SiC及SiC/SiC復合材料。歐美等發(fā)達國家已經(jīng)開展該類材料在航空發(fā)動機上的應用，我國也緊隨其后展開了廣泛的研究。

纖維增強陶瓷基復合材料

好比構造齊全的“人體組織”

纖維增強陶瓷基復合材料的結構一般包含四個部分：補強纖維、界面相、基體及表面抗氧化涂層。其中補強纖維相當于復合材料的“骨架”，是復合材料的主要承載結構單元，復合材料的強度很大程度上取決于增強纖維的強度。纖維可分為短切纖維和連續(xù)纖維。短切纖維的長度一般在150mm以下，通常采用顆粒彌散及晶須復合增韌的方法來實現(xiàn)與基體的復合；連續(xù)纖維則具有較大的長徑比，能夠?qū)崿F(xiàn)沿長度方向的不間斷增強效應，可靠性較高。包覆在纖維外的界面相相當于連接在骨架上的“筋”，是復合材料的傳載結構單元，主要作用是將復合材料的載荷傳遞到盡可能多的纖維上?；w則相當于復合材料的“肌肉”，是形成復合材料外形和剛性的基本結構，基體應具有良好的抗氧化和耐腐蝕性能，在服役環(huán)境中起到保護纖維和界面的作用。而表面涂層則相當于“皮膚”，是復合材料和外界環(huán)境直接接觸的結構單元，是保護復合材料內(nèi)部結構的第一道屏障。

纖維增強陶瓷基復合材料

應用潛力巨大

提到纖維增強陶瓷基復合材料，首先要說的就是碳/碳（C/C）復合材料，碳纖維最早起源于1860年英國人用于燈絲的炭絲，經(jīng)過200多年的發(fā)展，碳纖維已成為研究最成熟、性能最好的纖維之一。20世紀60年代以來，受先進飛行器的要求所推動，碳纖維及其復合材料的制備獲得很大發(fā)展。與金屬材料相比，C/C復合材料具有良好的耐熱性、極小的熱膨脹率、很輕的重量（只有鐵的1/5）、良好的耐腐蝕性等性能優(yōu)勢；與石墨相比，C/C復合材料具有更高的強度、更好的韌性，不易破碎；與樹脂相比，C/C復合材料能耐更高的溫度（最高耐溫達2800℃左右），具有良好的耐腐蝕性和極高的耐摩擦性；與單相陶瓷相比，C/C復合材料具有良好的韌性、極佳的耐沖擊性和易加工性。這些特性使其應用領域涵蓋軍用戰(zhàn)略導彈、載人飛船等再入飛行器的熱端部件，飛機、汽車和高速火車等剎車材料，廣泛用于民用領域的高溫爐發(fā)熱體、爐體、承重板、螺栓、螺母、墊片等。

C/C復合材料隔離筒、螺母、螺桿 霍艷麗/供圖

碳/碳化硅（C/SiC）復合材料具有C/C復合材料的一系列優(yōu)點，且克服了C/C復合材料在氧化氣氛中易氧化失效的缺點，其抗氧化性能要遠遠優(yōu)于C/C復合材料，可應用于再入飛行器、空間反射鏡、裝甲防彈等領域。

隨著SiC纖維制備技術的不斷突破，SiC/SiC陶瓷基復合材料作為后起之秀，與C/SiC復合材料相比，其增強相SiC纖維具有高強高模、耐高溫、抗蠕變、耐腐蝕、材料熱膨脹系數(shù)小及更佳的抗氧化性等優(yōu)點，同時克服了碳化硅陶瓷斷裂韌性低和抗沖擊性能差的缺陷，是目前國際公認的最有潛力的發(fā)動機熱結構材料之一。

我國高性能陶瓷基復合材料

仍處于追趕先進階段

黨的十八大以來，我國組織實施了“國家重點研發(fā)計劃”“兩機專項”等系列項目研究，重組、組建了“中國航發(fā)集團”“中航復材中心”等研發(fā)隊伍與基地，取得了一系列的成果。但是我國在高性能碳纖維、SiC纖維制備技術的開發(fā)方面與西方發(fā)達國家仍存在10～15年的差距。以美國為首的西方發(fā)達國家，SiC陶瓷基復合材料已廣泛應用于燃燒室內(nèi)襯套、燃燒室筒、翼或螺旋槳前緣、噴口導流葉片、渦輪葉片、渦輪殼環(huán)等熱端部件，而我國雖然已成功研制出多種SiC陶瓷基復合材料構件，但僅有少數(shù)C/SiC、SiC/SiC結構件通過試車和考核，離批量應用尚存在距離?？梢哉f我國高性能陶瓷基復合材料仍處于追趕先進的研制階段。

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