陶瓷基纤维复合材料研究综述

江洪 刘敬仪

陶瓷基纤维复合材料现已被应用到液体火箭发动机喷管、导弹天線罩等方面，是高技术新材料中一个十分重要的分支。本文陶瓷基纤维复合材料的定义采用的是《中国土木建筑百科辞典：工程材料（下）》中对陶瓷基复合材料的第1种描述，即纤维增强陶瓷基复合材料，主要指用碳纤维、石墨纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、氧化锆纤维等增强氧化镁、氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化锆等制成的复合材料，具有高温抗压强度大、弹性模量高、耐氧化性强、耐冲击性能好等特点，是一种耐高温结构材料，已被试用于各种燃气轮机和内燃机的部分零件。陶瓷基纤维复合材料生产方法有泥浆法、热压法和浸渍法等[1]。

本文在对国内外近5年对陶瓷基复合材料研究的基础上，主要探讨影响陶瓷基纤维复合材料的因素、陶瓷基纤维复合材料的制备与性能、基于陶瓷基纤维复合材料的相关模拟与计算模型，以及陶瓷基纤维复合材料的相关应用4个方面。

1 影响陶瓷基纤维复合材料的因素

浦毅杰等人通过计算了纳米碳管和陶瓷基体的热残余应力分布，建立了弹性力学方法的轴对称方程，在纳米碳管增强陶瓷基复合材料的细观力学模型上，得出纳米碳管的弹性模量、热膨胀系数、体积分数、长径比和温度差等因素的变化对复合材料热残余应力具有不同程度的影响[2]；徐颖等人探究了碳（C）/SiC陶瓷基复合材料的动态断裂力学行为和破坏形态，利用了分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar，SHPB）装置进行了动态劈裂实验，对象设定为3种不同短切碳纤维基体分数的C/SiC陶瓷基复合材料，并利用扫描电子显微镜扫描实验对象的破坏界面，分析其失效特征和增韧机理，最终得出相关实验结论[3]。

刘善华等人从细观力学的角度分析并建立了连续纤维增韧陶瓷基复合材料（Continuous Fiberreinforced Ceramic Matrix Composites，CFRCMC）从制备温度冷却到室温过程中产生的残余热应力与复合材料的比例极限应力的关系模型，并将已公开发表的文献报道中纤维增韧陶瓷基复合材料的相应数据引入其研究所建立的关系式中，从而进一步验证该研究建立的关系式的适用性与可靠性，最终得出3条结论：①通过减小基体的残余热应力或是提高纤维与基体的模量比，都可以提高复合材料的比例极限应力；②文中模型具有较好的适用性与可靠性；③该模型可以适用于多种纤维和陶瓷基复合材料，同时为其研究提供了新的思路[5]；陈红梅等人采用低温反应熔渗工艺制备得到了碳纤维增强碳化锆（Cf/ZrC）陶瓷基复合材料，主要研究后热处理对Cf/ZrC复合材料微观结构及性能的影响，在分析与测试阶段分别采用XRD衍射仪、Quanta-200型扫描电镜和JEOL-2010型透射电镜、扫描电镜附带的能谱仪和电感耦合等离子光谱发生仪（ICP）等，对材料物相组成、材料微观结构、材料的微区成分、基体元素组成进行分析，并且采用了三点弯曲法，通过电子万能试验机测量材料的室温弯曲强度，并得到后热处理对Cf/ZrC复合材料在组成、微观形貌、力学性能等3方面的影响[5]；曹晶晶等人主要探究了复合添加剂对Cf/氧化铝陶瓷基复合材料界面的影响作用，其中还采用了真空热压烧结技术制备了Cf/氧化铝陶瓷基复合材料，得出界面得到改善的Cf/氧化铝陶瓷基复合材料有利于提高Cf/氧化铝陶瓷基复合材料的性能等结论[6]。

2 陶瓷基纤维复合材料的制备与性能

余娟丽等人采用了先驱体浸渍——裂解法制备对硅硼氮（SiBN）纤维增强SiBN陶瓷基复合材料进行制备，从热膨胀特性、力学性能、断裂模式以及微观结构这4个方面对复合材料进行了探索与研究，研究结果表明SiBN纤维增强SiBN陶瓷基复合材料呈现出了明显的脆性断裂特征，表明SiBN陶瓷基复合材料的纤维力学性能有待改善[7]；E.Volkmann等人探索了三氧化物/氧化物陶瓷基复合材料的力学性能并对其热处理效果进行了评价，文献对几种氧化物/氧化物陶瓷基复合材料的力学性能进行比较，发现纤维性能对复合材料强度的影响是小于弹性模量的，经过测试的复合材料具有相当的刚度和强度，但与文献综述的平均值相比较来说具有较高的断裂韧性，此外还对陶瓷基复合材料的断裂强度与弯曲韧性线性关系的有效性进行了讨论[8]；李光亚和梁艳媛采用了PIP工艺对氧化铝、莫来石、石英、氮化硅纤维增强SiBN陶瓷基复合材料进行制备，同时测试与评价了其介电和力学性能，最后得出介电常数和介电损耗最低的是石英纤维体系复合材料等结论[9]；胡暄等人对由国防科技大学研制的连续氮化硅纤维的组成结构及其力学性能和介电性能展开了系统研究，并对纤维在氮气中高温处理后组成结构与单丝强度变化规律进行了详细分析，从组成结果和物理性能这2个方面，对国防科技大学研制的氮化硅纤维进行表征，并得出综合室温和高温性能2方面的考虑，KD-N纤维可以满足高速飞行器天线窗口的基本使用要求的结论，同时指出下一步的研究重点应是对纤维的力学强度和耐高温性能进行提高[10]。

Kamyar Shirvanimoghaddam等人主要探讨了碳纤维增强金属基复合材料的制备工艺和性能，对在近几十年开展的碳纤维增强金属基复合材料的研究与开发进行了梳理与总结，发现碳纤维的结构与组成和金属基体的结合对碳纤维-金属基复合材料的性能有显著的影响，同时还对碳纤维工艺的优化和利用的研究进展进行了探索与总结，同时在碳纤维对金属基复合材料结构、物理和力学性能的影响方面也进行了研究[11]；杨金华等人采用共熔法对超高温陶瓷基复合材料进行了制备，将硼化锆（ZrB2）与鳞片石墨，ZrB2、硼化钽（TaB2）、SiC及鳞片石墨，ZrB2、硅化钼（MoSi2）与鳞片石墨作为样品初始组分，在形貌、样品孔结构分布、X射线衍射结果、拉曼位移测试结果和热导率测试这5个方面展开了分析，并得出首次采用该方法对超高温陶瓷基复合材料进行制备，制备的超高温陶瓷基复合材料的热导率较低，还需进一步优化工艺条件，比如采用真空烧结等结论[12]；王辉等人研究了多孔碳纤维增强陶瓷基复合材料抗氧化烧蚀涂层的制备与性能，在制备方面采用的是浆料烧结法，并设计了体积分数为20%的ZrB2-SiC-玻璃浆料进行刷涂烧结的步骤，在观察内外涂层表面和截面的微观形貌方面使用了S-4800型扫描电子显微镜，并在ZrB2-SiC-玻璃内涂层形貌方面分别讨论了烧结温度对涂层微观形貌的影响和玻璃相含量对内涂层微观形貌的影响，此外还讨论了ZrB2-MoSi2-玻璃外涂层形貌、分析了抗烧灼性能，最终得到制备的涂层具有良好的抗烧灼性能时的表面温度需在1 500℃及以下等结论[13]。

齐方方等人对超高温陶瓷基复合材料制备与性能进行了研究，对其研究体系、制备技术、材料力学、抗氧化、抗烧灼性能等方面的研究进展进行了论述，在制备方面主要介绍了烧结致密化制备工艺、先驱体浸渍裂解（PIP）法、化学气相渗透法等等，但也指出超高温陶瓷基复合材料在机理与性能依然有许多值得领域相关人士继续探索的地方，同时指出在该领域应继续研究的问题有尝试制备大型工业部件等5个方面[14]；倪德伟等人则以Cf/ZrB2-ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料为主要研究对象，在其设计、制备和性能等3个方面进行探索，提出了溶胶——凝胶孔道构建——反应熔渗制备新方法，并得出材料得到最优力学性能时所具备的条件[15]。

3 基于陶瓷基纤维复合材料的相关模拟与计算模型

Luke Borkowski和Aditi Chattopadhyay探索了考虑制造损伤的编织陶瓷基复合材料多尺度模型，以多尺度模型在捕获碳纤维增强陶瓷基复合材料的非线性响应中起着重要作用（比如在平纹碳纤维/SiC复合材料中，由于成分之间的热性能不匹配，在生产出来的零件上形成微裂纹时，可以使用多尺度热弹性框架来捕捉这些复合材料的初始损伤状态）为基础背景，建立了基于细观力学的多尺度损伤模型和热弹性渐进损伤模型，模拟了平纹碳纤维/SiC复合材料体系在热载荷和机械载荷作用下的弹性和损伤行为，并认为多尺度模型能够准确地预测复合材料的行为，可以作为材料损伤发生和发展的物理过程的一种较有价值的工具，也可以作为研究由温度变化和损伤引起的复合材料有效弹性模量演化的一种工具。此外，2人还对不同长度尺度下基体损伤的萌生与发展过程展开了研究，并论证了基体损伤对复合材料整体性能的影响等[16]。

Sina Askarinejad等人对刻痕氧化物/氧化物陶瓷基复合材料在燃烧环境中的力学行为进行了实验与仿真，对其在热单调和疲劳破坏中存在的缺陷所起的作用进行了计算和实验研究，并发现在燃烧条件下，缺口试样的疲劳寿命比燃烧环境中的未缺口试样和等温炉中的缺口试样在整个应力范围内的疲劳寿命降低了一个数量级，而且热梯度应力和在燃烧装置试验条件下高含水率导致的氧化速率的增加可造成不同的疲劳性能，前者将通过有限元分析进一步验证，后者将通过对断口表面的有限元分析和微观分析进一步验证[17]。

方光武等人主要研究了层合陶瓷基复合材料的应力——应变行为，采用多尺度分析方法，实现层合陶瓷基复合材料整体应力——应变的计算，并采用可实现单向纤维增强陶瓷基复合材料应力——应变计算的细观力学模型，最终得出该模型可以较好地对于单向SiC/CAS陶瓷基复合材料在单调拉伸载荷下的应力——应变行为进行预测等结论[18]；胡殿印等人建立了宏观等效弹性常数预测方法旨在更好地研究二维编织SiC/SiC陶瓷基复合材料的振动特性，采用细观力学有限元法和均匀化方法对材料宏观等效力学性能常数进行了计算，随后预测了宏观等效弹性常数，展开复合材料锤击法模态试验，最后对模型准确性进行了验证[19]。

4 陶瓷基纤维复合材料的相关应用

F. J. Lino Alves等人主要探讨了航空航天工程中的金属和陶瓷基复合材料的最新进展与应用，此外也对纤维的种类、基体、加工方法、连接和修复技术，以及性能、建模和应用等加以描述与阐释[20]；Frank W. Zok认为陶瓷基复合材料使涡轮发动机效率有了革命性的提高，并介绍陶瓷基复合材料具有低密度、高强度和高韧性以及高温性能等优越性能，这也使得这些材料能够取代航空涡轮发动机中的高温合金。尽管陶瓷基复合材料现在开始出现在燃气涡轮发动机中，但更大的收益将来自于将复合材料插入发动机最热门的部件，未来，材料的挑战依然存在，等待领域相关人士探讨与解决，并指出对SiC/SiC复合材料的不断改进和对材料性能包层的进一步了解将有助于实现陶瓷基复合材料的全部潜力[21]。

刘巧沐等人认为碳化硅陶瓷基复合材料具有低密度、抗氧化、耐高温等优点，因此成为下一代先进航空发动机热端结构部件的潜在材料，但其在燃气环境中却面临着严重的腐蚀问题，需有环境障涂层的保护方可以实现长时间的应用。该文对环境障涂层的选材要求、发展历程、涂层制备工艺、涂层考核技术以及表征手段进行了介绍，对环境障涂层体系在服役过程中存在挥发速率高、使用温度低等问题以及在制备过程中存在涂层晶化率低、致密度低等问题进行了详细阐释与说明，最后指出今后国内在环境障涂层材料优选、评价方法等方面的目标与方向[22]；熊瑛等人则指出目前陶瓷基复合材料因其耐高温、耐腐蚀等优良特点而被越来越广泛地应用至航空航天领域，但受到原材料等因素的限制，相关产品依然存在一定的缺陷，因此选择以微焦点电子计算机断层扫描（CT）系统为基础，开展了调节片类薄壁陶瓷基复合材料的检测试验，以期探索微焦点CT在陶瓷基复合材料上的检测应用[23]。

此外，陶瓷基纤维复合材料的应用还有新型飞行器热防护系统和动力系统的关键部件以及其他民用动力装置的关键部件、先进核能系統中作为燃料包壳和面向高温等离子体材料及高温热交换材料、高性能制动系统的关键部件材料等等，纤维增韧高温陶瓷基复合材料目前也是一类非常有竞争力的极端环境热结构候选材料[24]。

5 结语

陶瓷基纤维复合材料具有耐高温、耐腐蚀等优良性能，已被应用于航空航天领域和先进核能系统等领域，也是诸多国家想攻克和研究的对象，综合近5年国内外在陶瓷基纤维复合材料方面的探索与研究，可以知道研究者们的重点可集中于陶瓷基纤维复合材料的影响因素、制备与性能、相关模拟与计算模型、陶瓷基纤维复合材料的相关应用这4个方面，很多学者在探究的同时也针对目前存在的难题，对未来的研究方向提供了建设性的建议和参考等。

参考文献

[1] 袁润章.中国土木建筑百科辞典：工程材料（下）[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2] 浦毅杰，宋瑞兰，罗冬梅.纳米碳管增强陶瓷基复合材料热残余应力分析[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2016，35（6）：624-629.[3] 徐颖，邵彬彬，许维伟，等.短切碳纤维C/SiC陶瓷基复合材料的动态劈裂拉伸实验[J].爆炸与冲击，2017，37（2）：315-322.[4] 刘善华，邱海鹏，王岭，等.纤维增韧陶瓷基复合材料的比例极限应力与残余热应力关系[J].固体火箭技术，2017，40（5）：648-652，659.

[5] 陈红梅，祝玉林，王松.后热处理对Cf/ZrC复合材料微观结构及性能的影响[J].材料工程，2017，45（8）：43-48.

[6] 曹晶晶，赵文武，高术振，等.复合添加剂对Cf/氧化铝陶瓷基复合材料界面的影响[J].价值工程，2018，37（20）：246-248.

[7] 余娟丽，李森，吕毅，等.先驱体浸渍-裂解法制备SiBN纤维增强SiBN陶瓷基复合材料[J].复合材料学报，2015，32（2）：484-490.[8] VOLKMANN E，TUSHTEU K，KOCH D，et al.Assessment of three oxide/oxide ceramic matrix composites：mechanical performance and effects of heat treatments[J].Composites Part A：Applied Science and Manufacturing，2015，68：19-28.[9] 李光亚，梁艳媛.纤维增强SiBN陶瓷基复合材料的制备及性能[J].宇航材料工艺，2016，46（3）：61-64.

[10] 胡暄，纪小宇，邵长伟，等.连续氮化硅陶瓷纤维的组成结构与性能研究[J].功能材料，2016，47（S1）：123-126.

[11] SHIRVANIMOGHADDAM K，HAMIM S U，AKBARI M K，et al.Carbon fiber reinforced metal matrix composites：Fabrication processes and properties[J].Composites Part A：Applied Science and Manufacturing，2017，92：70-96.[12] 杨金华，刘占军，郭全贵.共熔法制备超高温陶瓷基复合材料[J].宇航材料工艺，2018，48（1）：37-43.[13] 王辉，王焕宁，朱时珍，等.多孔碳纤维增强陶瓷基复合材料抗氧化烧蚀涂层的制备及性能研究[J].稀有金属材料与工程，2018，47（S1）：159-163.

[14] 齐方方，王子钦，李庆刚，等.超高温陶瓷基复合材料制备与性能的研究进展[EB/OL].济南大学学报（自然科学版），2019（1）：8-14[2018-12-12].https：//doi.org/10.13349/j.cnki.jdxbn.

[15] 倪德伟，陈小武，王敬晓，等.Cf/ZrB2-ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料的设计、制备及性能[J].硅酸盐学报，2018（12）：1-8.

[16] BORKOWSKI L，CHATTOPAHYAY A.Multiscale model of woven ceramic matrix composites considering manufacturing induced damage[J].Composite Structures，2015，126：62-71.

[17] ASKARINEJAD S，RAHBAR N，SABELKIN V，et al.Mechanical behavior of a notched oxide/oxide ceramic matrix composite in combustion environment： experiments and simulations[J].Composite Structures，2015，127：77-86.

[18] 方光武，宋迎东，高希光.层合陶瓷基复合材料多尺度应力—应变计算模型[J].航空动力学报，2017，32（6）：1375-1380.

[19] 胡殿印，曾雨琪，张龙，等.二维编织SiC/SiC陶瓷基复合材料宏观弹性常数预测及模态试验研究[J].推进技术，2018，39（2）：465-472.

[20] ALVES F J L，BAPTISTA A M，MARQUES A T.Metal and ceramic matrix composites in aerospace engineering[M].Advanced Composite Materials for Aerospace Engineering.2016：59-99.

[21] ZOK F W.Ceramic-matrix composites enable revolutionary gains in turbine engine efficiency[J].Am Ceram Soc Bull，2016，95：22-28.[22] 劉巧沐，黄顺洲，何爱杰.碳化硅陶瓷基复合材料环境障涂层研究进展[J].材料工程，2018，46（10）：1-8.

[23] 熊瑛，刘海强，杜本莉，等.微焦点CT在陶瓷基复合材料上的检测应用[J].航空制造技术，2018，61（19）：58-63.

[24] 梳理：过去一年陶瓷基复合材料领域重大研究突破[EB/OL].[2018-12-12].https：//www.sohu.com/a/223018951_472924.