陶瓷基复合材料的应用及发展

国云龙 杨志涛 陈红权

（沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁沈阳 110043）

陶瓷基复合材料的应用及发展

国云龙 杨志涛 陈红权

（沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁沈阳 110043）

陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品。其最高使用温度主要取决于基体特征。陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。陶瓷基复合材料由于其优越的性能，在航空、航天领域有着广泛的应用前景。在拉伸载荷下，基体首先出现裂纹。基体裂纹的出现对其高温下的力学性能将产生影响，本文主要介绍陶瓷基复合材料的应用及发展。

陶瓷基 复合材料 研究发展

1　工程背景

随着军用航空发动机推重比的不断增加，为提高推重比，对耐高温材料的要求也越来越高。为适应高推重比航空发动机的发展，各发达国家都竞相发展接替镍基单晶合金和金属间化合物的超高温结构材料及其制造技术。

陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一种复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致失效。而采用高强度、高弹性的纤维和基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效方法。纤维能阻止断裂的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料是制造高推重比航空发动机理想的耐高温结构材料。陶瓷基复合材料的最高使用温度可达1650℃，而密度只有高温合金的70%。因此，陶瓷基复合材料已成为航空航天等高技术领域极有前景的新型材料。经过20多年的发展，陶瓷基复合材料的研究有了较快的发展，并且已经在航空发动机结构部件上得到了应用，法国、美国等航空发动机技术先进国家已经把纤维增强复合材料用于航空燃气涡轮发动机高温部件，CMC-SiC在高推重比航空发动机内已经用于喷管和燃烧室，将工作温度提高了300～500℃，推力提高30%～100%，结构减重50%～70%，是发展高推重比（12～15、15～20）航空发动机的关键热结构材料之一。

2　研究发展

纤维增强陶瓷基复合材料在单轴拉伸载荷下将出现基体开裂、纤维/基体界面脱粘和纤维失效等损伤机制。Solti研究了单向陶瓷基复合材料基体裂纹演化，提出来临界基体应变能准则，该准则假设基体应变能存在一个临界值，当基体应变能超过临界值时，多余的基体能量将通过产生新基体裂纹和界面脱粘等损伤机制耗散掉。

Chiang研究了拉伸应力作用下界面脱粘对单向纤维增强陶瓷基复合材料基体开裂的影响。用一个简单的剪滞模型计算纤维与基体的应力和应变场。解决初始脱粘开裂的方法就是把脱粘过程当作一个特殊扩展的问题。

Liu采用激光超声波技术研究了［0/90］-SiC/CAS陶瓷基复合材料在单轴拉伸载荷下的各向异性破坏特征，在材料的单轴拉伸过程中其三个方向的刚度系数C11、C22和C33（由超声波速度确定）减小、导致材料的最终断裂。

Daniel和Anastassopoulos对单轴拉伸载荷下的［0/90］2s-SiC/ CAS陶瓷基复合材料的失效机理进行了研究，证明了失效时在90°层的地方开始的。

Kou和Chou研究了［0/90］-SiC/CAS正交铺设陶瓷基复合材料的初始开裂模式，运用能量平衡法得到各种开裂模式下的初始开裂应力，研究表明，横向开裂发生在90°层，而基体开裂发生在0°层。

Solti等采用细观力学方法研究了正交铺设陶瓷基复合材料单轴拉伸逐渐损伤及失效过程，其基本的失效模式有：横向开裂、基体开裂、纤维/基体界面脱粘、纤维断裂等，采用Kou和Chou提出的剪滞模型，分析了正交铺设陶瓷基复合材料出现损伤后的细观应力场，结合临界基体应变能准则、最大剪应力界面脱粘准则、临界纤维应变能准则预测了横向裂纹间距、基体界面间距、界面脱粘长度、界面脱粘长度、纤维断裂百分比，预测了不同铺层形式的陶瓷基复合材料单轴拉伸应力-应变曲线。

当基体出现裂纹后，裂纹将沿纤维/基体界面偏转，导致界面脱粘。Takeda通过扫描电镜原位观察研究了正交铺设陶瓷基复合材料单轴拉伸载荷下0°层纤维/基体界面滑移，发现随应力增加，界面脱粘间歇性产生，界面脱粘长度依赖于90°铺层数量及损伤模式。

Morscher研究了二维机织SiC/ SiC陶瓷基复合材料拉伸过程中多裂纹演化，采用声发射监测了拉伸损伤演化过程，得到了应力与基体开裂之间的关系，对于低密度复合材料，90°方向Mini复合材料与一般方向Mini复合材料在没有受到大载荷情况下的基体开裂形状非常相似。对于高密度复合材料，0°方向Mini复合材料受到大载荷，基体开裂取决于缺陷的尺寸大小，而90°方向Mini复合材料则取决于拉力大小与横向裂纹的尺寸。

国内对陶瓷基复合材料的研究起步相对较晚，从上世纪90年代后期开始开展对陶瓷基复合材料的研究，取得了一定的成果。

在力学性能的试验研究方面：汪洋在室温下对单向碳纤维增强碳化硅基复合材料进行了单轴拉伸试验，试验发现，界面粘结强度过弱的单向纤维增强陶瓷基复合材料不可能产生横向的饱和裂纹。梅辉在室温下对二维平纹机织C/SiC陶瓷基复合材料进行了单轴拉伸试验，研究了其宏观力学特性和损伤演化过程，研究的结果表明，C/SiC开裂的原因是损伤累积后最终导致复合材料交叉编织节点处纤维束逐层断裂和拔出，形成斜口断裂和平口断裂。习年生对纤维增强复合材料的损伤特性及失效分析方法进行了研究，给出了纤维增强复合材料单向板的基本失效模式，总结了多向层合板的损伤特征。

从以上多位学者的研究中可以知道，纤维基体含量、界面脱粘等参数对初始基体开裂应力有很大影响，不同模型选择也各有其优越性。