浅谈陶瓷基复合材料的分类及性能特点

蒋永彪

摘 要：陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料，有效解决了陶瓷的脆性问题，开始在航空、航天、国防等领域得到广泛应用，例如连续纤维补强陶瓷基复合材料，具有高强度和高韧性，特别是具有与普通陶瓷不同的非失效性断裂方式，使其受到世界各国的工业生产领域的极大关注。文章对陶瓷复合材料的分类、主要性能、机械加工特点进行介绍。

关键词：陶瓷基复合材料；分类；力学特性；加工特点

1 陶瓷基复合材料分类

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，如表1所示。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，如Si3N4中等轴晶的基体中分布一些晶须状β-Si3N4晶粒起到增韧效果。纳米陶瓷既可以是添加纳米尺寸的增强体复合材料，也可以是自身晶粒尺寸纳米化及增强。

陶瓷基符合材料也可以根据基体分成氧化物基和非氧化物基符合材料。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。

2 陶瓷基复合材料的力学特性

陶瓷本体具有耐高温、抗氧化、高温强度高、抗高温蠕变性好、高硬度、高耐磨损性、线膨胀系数小、耐化学腐蚀等优点，但也存在致命的弱点（脆性），它不能承受激烈的机械冲击和热冲击，这限制了它的应用。可通过控制晶粒、相变韧化、纤维增强等手段制成复合材料，陶瓷基復合材料具有了更高的熔点、刚度、硬度和高温强度，并具有抗蠕变、疲劳极限好、高抗磨性，在高温和化学侵蚀的场合下能承受大的载荷等优点，使其在航空、航天等众多领域有着广泛的应用前景。

2.1 陶瓷基复合材料的主要物理和化学性能

（1）热膨胀。复合材料有纤维、界面和基体构成，因此热膨胀的相容性是非常重要的。虽然线膨胀系数彼此相同是最为理想的，但是几乎实现不了。通常用线膨胀系数来表征材料的热膨胀，晶体的线膨胀系数存在各向异性，因此，线膨胀系数的各向异性造成的热应力常常是导致多晶体材料从烧结温度冷却下来即发生开裂的原因。在陶瓷基复合材料里，一般希望增强体承压缩的残余应力，这样即使是弱界面，也不会发生界面脱黏。

（2）热传导。陶瓷作为耐热，隔热材料，其热导率是重要的物理性能指标。热导率对于复合材料的裂纹、空洞和界面结合情况都很敏感。

（3）氧化抗力。陶瓷基复合材料作为高温材料，氧化抗力是重要的性能指标。

2.2 非连续纤维增强陶瓷基复合材料的主要力学性能

增强韧手段在制备工艺和增韧效果上有所差异。可以通过相变增韧大幅度提高陶瓷材料的强度和常温韧性。在高温下，相变增韧机制失效限制了其在高温领域的应用。将颗粒、晶须等增强物加入到基本材料中，它们的弹性模量和线膨胀系数差异在界面形成应力区，这种应力区和外加应力会发生相互的作用。这样，扩展裂纹会产生钉扎、偏转或分叉以其他形式（如相变）吸收能量，由此提高材料的断裂抗力。颗粒弥散及晶须复合增韧（CMC）制备工艺相对容易，能明显提高材料的断裂韧性和抗弯强度。高温下使用的颗粒弥散及晶须复合增韧陶瓷基复合材料，其基体综合考虑高温强度、抗蠕变性、密度、抗氧化性、抗热震性等条件，首选材料依然是Si3N4，SiC。在高温条件下，它们的表面会形成SiO2保护层，可以满足1600℃抗高温氧化的要求。

2.3 陶瓷基复合材料的主要力学性能

（1）拉伸、压缩和剪切力学行为。单体陶瓷的拉伸曲线是直线，而连续纤维增强的陶瓷基复合材料则会在直线后经过曲线上升到最大应力后断裂。

（2）断裂韧性。不同类型的陶瓷基复合材料增韧机理有所不同。用传统断裂力学方法测出的连续纤维增强陶瓷基复合材料断裂韧性可达到20MPa·m1/2，该值远高于单体陶瓷材料（≈10MPa·m1/2）。但是，严格来说，不存在力学定义的断裂韧性。因此断裂功被用来评价韧性的高低。

（3）热冲击抗力与机械冲击抗力。陶瓷基复合材料在热冲击载荷下不容易发生完全的毁坏。

（4）疲劳。跟传统材料相比较，陶瓷基复合材料的疲劳寿命随最大应力或者应力幅的增长而下降，在室温下，其疲劳极限为拉伸强度的70%-80%，远远大于基体的开裂应力（即最大容许应力）。但是在高温下，疲劳寿命的降低却是大问题。陶瓷基复合材料在普通工业领域，常用于阀体及阀座、挤压模具及泵衬、切削刀具等，其性能远优于普通陶瓷材料和硬质合金。用碳化硅晶须增强的陶瓷基复合材料，韧性和抗弯强度都有显著提高，用作切削刀具材料，其耐用度比硬质合金要高出一百多倍（抗弯强度>800MPa，断裂韧性值8MPa·m1/2，硬度>92HRA）。

2.4 连续纤维增强陶瓷基复合材料（CFCC）的主要力学性能

与其陶瓷基复合材料相比，CFCC的韧性较高，受外力冲击时，能够产生非失效性破坏形式，可靠性更高。CFCC与单组分材料的性能比较见表2。

连续纤维增强陶瓷基复合材料具有与传统复合材料完全不同的空间拓扑结构形式，即：陶瓷增强体在三维空间连续，基体也在三维空间连续，增强体与基体在空间呈交织网络结构。这种两相均在三维空间上连续并交织的拓扑结构形式在天然复合材料中并不少见，例如动物的骨骼、植物的枝干等，但是在合成材料领域却是一种全新的复合增强结构形式。

到目前为止，已经认识到并开始应用于实际的连续纤维增强陶瓷基复合材料使用领域包括摩擦磨损类材料、航空结构构件、耐高温机构间、汽车构件、抗弹防护材料等。

3 陶瓷基复合材料的加工特点

陶瓷基复合材料属于脆性材料，一般是使用金刚石刀具或砂轮进行切削或研磨加工。这种加工有可能在材料的表面或表面的下层产生微细的裂纹。需指出的是，颗粒增强陶瓷基复合材料与陶瓷材料的加工特性类似，而纤维增强陶瓷基复合材料的加工技术目前仍处于不断发展的过程中，还未有成熟的结论。