一、陶瓷纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料

陶瓷基復(fù)合材料是以陶瓷為基體與各種纖維復(fù)合的一類復(fù)合材料。陶瓷基體可為氧化硅、氧化鋁等氧化物陶瓷以及氮化硅、碳化硅等非氧化物高溫陶瓷。未進(jìn)行纖維增強(qiáng)的特種陶瓷具有耐高溫、高強(qiáng)度和剛度、相對(duì)重量較輕、抗腐蝕等優(yōu)異性能，但是在使用中具有脆性，部分處于應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂導(dǎo)致材料失效。采用高強(qiáng)度、高彈性的纖維與基體復(fù)合，則是提高陶瓷韌性和可靠性的一個(gè)有效的方法。纖維能阻止裂紋的擴(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。

由陶瓷基體和增強(qiáng)纖維組成。這種材料結(jié)合了陶瓷的高強(qiáng)度、高硬度、高熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性，以及纖維的增強(qiáng)作用，提高了材料的力學(xué)性能和耐久性。

在纖維增強(qiáng)陶瓷中，陶瓷基體通常作為基底材料，提供基本的結(jié)構(gòu)和功能。而增強(qiáng)纖維則被添加到陶瓷基體中，以增加材料的強(qiáng)度、韌性和耐久性。這些纖維可以是碳纖維、玻璃纖維、金屬纖維等，根據(jù)具體應(yīng)用需求選擇合適的纖維類型。

通過(guò)在陶瓷基體中引入增強(qiáng)纖維，可以改善材料的力學(xué)性能和耐久性。纖維的加入可以增加材料的韌性，提高抗沖擊和抗疲勞性能。同時(shí)，纖維還可以通過(guò)阻礙裂紋擴(kuò)展，提高材料的斷裂強(qiáng)度。

此外，纖維增強(qiáng)陶瓷還可以通過(guò)改變纖維的體積分?jǐn)?shù)、纖維的類型和尺寸等因素來(lái)調(diào)整材料的性能?？梢愿鶕?jù)具體應(yīng)用需求，選擇合適的纖維體積分?jǐn)?shù)和纖維類型，以獲得所需的力學(xué)性能和耐久性。

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。

二、用于纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的纖維種類

1）碳纖維

碳纖維指的是含碳量在90%以上的高強(qiáng)度高模量纖維。它是由經(jīng)環(huán)氧涂層處理和石墨壓織的碳化纖維制成的。碳纖維的主要特點(diǎn)有：

1. 強(qiáng)度高：碳纖維的強(qiáng)度比金屬還高，是鋁合金的4倍以上。

2. 密度?。禾祭w維的密度小，因此比強(qiáng)度和比模量高。

3. 耐高溫：碳纖維的耐高溫性能極好，居所有化纖之首。

4. 抗摩擦、導(dǎo)熱及耐腐蝕：碳纖維具有耐摩擦、導(dǎo)熱及耐腐蝕等特性。

碳纖維的主要用途是作為增強(qiáng)材料與樹脂、金屬、陶瓷及炭等復(fù)合，制造先進(jìn)復(fù)合材料。其中，碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其比強(qiáng)度及比模量在現(xiàn)有工程材料中是最高的。

在航空航天領(lǐng)域，碳纖維增強(qiáng)陶瓷材料被廣泛應(yīng)用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴口襯板。這種材料可以承受極高的溫度和壓力，具有超強(qiáng)的耐熱性和高強(qiáng)度，能夠滿足極端環(huán)境下的使用需求，提高了航空航天器的性能和可靠性。

此外，連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷纖維增強(qiáng)陶基復(fù)合材料（簡(jiǎn)稱碳陶材料，CMC）也得到了廣泛應(yīng)用。這種材料類似于土木工程的混凝土，由鋼筋與水泥組成。連續(xù)的陶瓷纖維根據(jù)設(shè)計(jì)要求形成可編制的二維、三維的網(wǎng)架，即混凝土中的鋼筋，“水泥”則為陶瓷基體材料，兩者具有良好的結(jié)合性，從而形成了1+1>2的效果。在發(fā)動(dòng)機(jī)上有著廣泛應(yīng)用，其密度和重量只有合金的1/3，但耐高溫性能卻遠(yuǎn)超后者，而且無(wú)需將更多空氣導(dǎo)入高溫部件內(nèi)部，并對(duì)其進(jìn)行冷卻。更多的空氣將留在氣流通道內(nèi)。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)在大推力條件下的運(yùn)轉(zhuǎn)效率更高、能效更高、排放更低、耐用性更好。在噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展史上，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)材料的最高耐受溫度每隔十年可以提升五十華氏度左右，這和“摩爾定律”相似，但是它又不像晶體管有走向盡頭的危險(xiǎn)。CMC新材料的出現(xiàn)，十年內(nèi)提升達(dá)到一百五十華氏度。隨著CMC材料在發(fā)動(dòng)機(jī)中愈來(lái)愈普及的應(yīng)用，發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)力有望提升25%，燃油效率有望提升10%。

2）玻璃纖維

玻璃纖維按形態(tài)和長(zhǎng)度，可分為連續(xù)纖維、定長(zhǎng)纖維和玻璃棉；按玻璃成分，可分為無(wú)堿、耐化學(xué)、高堿、中堿、高強(qiáng)度、高彈性模量和耐堿（抗堿）玻璃纖維等。

玻璃纖維的主要原料是：石英砂、氧化鋁和葉蠟石、石灰石、白云石、硼酸、純堿、芒硝、螢石等。

生產(chǎn)方法大致分兩類：一類是將熔融玻璃直接制成纖維；一類是將熔融玻璃先制成直徑20mm的玻璃球或棒，再以多種方式加熱重熔后制成直徑為 3～80μm的甚細(xì)纖維。通過(guò)鉑合金板以機(jī)械拉絲方法拉制的無(wú)限長(zhǎng)的纖維，稱為連續(xù)玻璃纖維，通稱長(zhǎng)纖維。通過(guò)輥筒或氣流制成的非連續(xù)纖維，稱為定長(zhǎng)玻璃纖維，通稱短纖維。

3）氧化硅纖維

氧化硅纖維是二氧化硅的纖維形態(tài)。

它具有高強(qiáng)度、高硬度、高熱穩(wěn)定性和良好的耐腐蝕性，以及良好的電絕緣性能。在高溫環(huán)境下，氧化硅纖維能夠保持穩(wěn)定的性能，因此在各種高溫窯爐、航空航天、電子、汽車、船舶等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。此外，氧化硅纖維還可以作為增強(qiáng)材料用于復(fù)合材料中，提高材料的強(qiáng)度和耐磨性。

4）氧化鋁纖維

氧化鋁纖維是一種主要成分為氧化鋁的多晶質(zhì)無(wú)機(jī)纖維，主晶形可呈γ-，δ-，θ-，α-氧化鋁，通常它還含有5%左右的二氧化硅，用以穩(wěn)定晶相、抑制高溫下晶粒的長(zhǎng)大。

氧化鋁纖維是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外最新型的超輕質(zhì)高溫絕熱材料之一，它采用高科技的“溶膠—凝膠”法，將可溶性鋁、硅鹽制成具有一定粘度的膠體溶液，溶液經(jīng)高速離心甩絲成纖維胚體，然后經(jīng)過(guò)脫水、干燥和中高溫?zé)崽幚砦鼍У裙に?，轉(zhuǎn)變成Al-Si氧化鋁多晶纖維，其主晶相為主要為剛玉相和少量莫來(lái)石相，化學(xué)成份是Al2O3(95%)+SiO2(5%)，纖維直徑為3-7um，單絲長(zhǎng)度為10-150mm，外觀呈白色，光滑、柔軟、富有彈性、尤如脫脂棉，它集晶體材料和纖維材料特性于一體，使用溫度達(dá)1450℃—1600℃，熔點(diǎn)達(dá)1840℃，有較好的耐熱穩(wěn)定性，其導(dǎo)熱率是普通耐火磚的1/6，容重只有其1/25，節(jié)能率達(dá)15—45%。

此外，氧化鋁纖維強(qiáng)度較高、熱導(dǎo)率低，并且具有獨(dú)特的電學(xué)性能和抗腐蝕等系列特點(diǎn)。與其他高溫陶瓷纖維相比，有高的性價(jià)比和很大的商業(yè)價(jià)值，是廣泛應(yīng)用于軍用、民用復(fù)合材料的重要增強(qiáng)體品種。

5）氧化鋯纖維

氧化鋯纖維是一種含氧化鋯多晶體的隔熱耐火材料，也被稱為多晶氧化鋯纖維或穩(wěn)定ZrO?纖維。它具有高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、高熱穩(wěn)定性和良好的耐腐蝕性。

在耐火材料領(lǐng)域，氧化鋯纖維可以作為隔熱耐火材料使用，具有優(yōu)良的耐火性能和高溫穩(wěn)定性。此外，氧化鋯纖維還可以用于制造陶瓷復(fù)合材料，提高材料的強(qiáng)度和耐磨性。

6）氧化鎂

一種單結(jié)晶白色極細(xì)的纖維，相對(duì)密度3.58，表觀密度0.1 g/cm3。熔點(diǎn)2800℃。有良好的耐熱性、絕緣性、熱傳導(dǎo)性、耐堿性、穩(wěn)定性和補(bǔ)強(qiáng)特性。熱導(dǎo)率是氧化鋁的三倍。耐熱溫度1600℃，拉伸強(qiáng)度980MPa，熱膨脹率13.5×10-6K，熱導(dǎo)率36 w／(m·K)。常溫下電阻值為1017·Ωcm以上。

用作各種復(fù)合材料的補(bǔ)強(qiáng)材料。與聚氯乙烯樹脂配合使用時(shí)，可提高制品的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。與水泥配合使用時(shí)，可提高制品的抗彎曲強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度?？捎米髂突鸫u的原料。還用作吸附劑、導(dǎo)熱材料、吸音材料、耐腐蝕材料、阻燃材料，以及不飽和聚酯的增稠劑和補(bǔ)強(qiáng)劑。

7）氮化硅纖維

氮化硅纖維是一種耐高溫、高強(qiáng)度的陶瓷纖維，其化學(xué)式為Si3N4。在氧化性氣氛中，其最高使用溫度為1300℃；在非氧化性氣氛中，其最高使用溫度為1800℃。拉伸強(qiáng)度和彈性模量分別可達(dá)到1000MPa和300GPa，熱膨脹系數(shù)低，磨損抗力優(yōu)良，主要用來(lái)增強(qiáng)金屬和陶瓷。

8）碳化硅纖維

碳化硅纖維是一種高性能陶瓷材料，由有機(jī)硅化合物經(jīng)紡絲、碳化或氣相沉積而制得。它具有β-碳化硅的晶體結(jié)構(gòu)，具有高硬度、高熱穩(wěn)定性、高強(qiáng)度和良好的耐腐蝕性。

碳化硅纖維的最高使用溫度達(dá)1200℃，在最高使用溫度下強(qiáng)度保持率在80%以上，模量為176.4～294GPa，化學(xué)穩(wěn)定性也好。它還可以用作耐高溫材料和增強(qiáng)材料，包括熱屏蔽材料、耐高溫輸送帶、過(guò)濾高溫氣體或熔融金屬的濾布等。

此外，碳化硅纖維的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與性能自20世紀(jì)80年代SiC纖維問(wèn)世以來(lái)，SiC纖維已有三次明顯的產(chǎn)品迭代，其耐熱性與強(qiáng)度都得到了明顯增強(qiáng)。目前，第三代碳化硅纖維的最高耐熱溫度達(dá)1800-1900℃，耐熱性和耐氧化性均優(yōu)于碳纖維，拉伸強(qiáng)度達(dá)2.5～4GPa，拉伸模量達(dá)290～400GPa，在最高使用溫度下強(qiáng)度保持率在80%以上。

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