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《連續(xù)纖維補強陶瓷基復合材料概述》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內容在教育資源-天天文庫。
1、連續(xù)纖維補強陶瓷基復合材料概述摘要：八十年代以來，連續(xù)纖維補強陶瓷基復合材料材料以其優(yōu)異的性能特別是高韌性、高強度得到世界各國的高度重視，并取得了令人矚目的發(fā)展。連續(xù)纖維補強陶瓷基復合材料開始在航空航天、國防等領域得到應用。本文介紹連續(xù)纖維補強陶瓷基復合材料（FRCMC）的選材要求及其分類，通過分析連續(xù)纖維補強陶瓷基復合材料失效過程，闡述FRCMC的增韌機理。介紹制備連續(xù)纖維補強陶瓷基復合材料的方法，并指出各種方法的優(yōu)缺點。關鍵詞：纖維，F(xiàn)RCMC，增韌機理，制備方法作為結構材料，陶瓷具有耐高溫能力強、抗氧化能力強、硬度大、耐化學腐蝕等優(yōu)點，缺點是呈脆性
2、，不能承受劇烈的機械沖擊和熱沖擊，因而嚴重影響了他的實際應用，為此人們采用連續(xù)纖維增韌的方法來改進其特性，將耐高溫的植物纖維植入陶瓷基體中形成了一種高性能的符合材料進，即連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料(ContinuousFiberReinforcedCeramicMatrixComposites，簡稱FRCMC)。20世紀70年代初，JAveston在連續(xù)纖維增強聚合物基復合材料和纖維增強金屬基復合材料研究基礎上，首次提出纖維增強，陶瓷基復合材料的概念，為高性能陶瓷的研究與開發(fā)開辟了一個方向。隨著纖維制備技術和其它相關技術的進步，人們逐步開發(fā)出制備這類材料
3、的有效方法，使得纖維增強陶瓷基復合材料的制備技術日漸成熟。20多年來，世界各國特別是歐美日等對纖維增強陶瓷基復合材料的制備工藝和增強理論進行了大量的研究，取得了許多重要的成果，有的已經達到實用化水平。如法國生產的“Cerasep”可作為“Rafale”戰(zhàn)斗機的噴氣發(fā)動機和“Hermes”航天飛機的部件和內燃機的部件；SiO2纖維增強SiO2復合材料已作為“哥倫比亞號”和“挑戰(zhàn)者號”航天飛機的隔熱瓦。由于纖維增強陶瓷基復合材料有著優(yōu)異的耐高溫性能、高韌性、高比強、高比模以及熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，能有效地克服對裂紋和熱震的敏感性，因此，在重復使用的熱防護領域有著
4、重要的應用和廣泛的市場。1.FRCMC的纖維和基體1.1FRCMC的選材原則1）陶瓷基體和纖維應該滿足結構件的使用環(huán)境要求。使用環(huán)境包括：工作最低溫度、最高溫度、濕度、工作介質的腐蝕性等。1）陶瓷基體和纖維間彈性模量的匹配。當復合材料承受負載時，其應力和彈性模量服從加和原則。圖1復合材料受力狀況①上述方程中，表示承受的應力，V為體積分數(shù)，E為彈性模量。下標c，f，m分別代表復合材料、纖維、基體。②對于脆性基體復合材料，當基體的應變大于其臨界斷裂應變時基體發(fā)生斷裂。由于基體的彈性變形非常小，所以在基體斷裂瞬間，纖維并未充分發(fā)揮作用。假設基體斷裂時，它所承擔
5、的應力分量全部轉移給纖維。此時復合材料所承擔的應力由式①和式②可得：③式中下標mu和f分別代表基體和纖維斷裂。從式③可看出，對于脆性基體復合材料，如果基體的斷裂應變小于纖維的斷裂應變，要想提高復合材料的強度，必須大于，選擇高模量的纖維。這時越大，復合材料的強度越高。如果小于，基體不僅得不到強化，反而會降低。3）陶瓷基體和纖維的熱膨脹系數(shù)的匹配。復合材料組元之間必須要滿足物理化學相容性，其中最重要的就是熱膨脹系數(shù)的匹配。設、、分別代表基體、纖維軸向和纖維徑向熱膨脹系數(shù)的平衡值。則基體所承受的應力：軸向④徑向⑤式中為應力馳豫溫度與室溫之差值，為基體的彈性模量
6、。如果＞，則為正值。復合材料冷卻后纖維受壓縮熱殘余應力，基體受拉伸熱殘余應力。這種熱殘余拉伸應力在材料使用時將疊加于外加拉伸載荷，對材料的強度不利。如果＞，材料在冷卻過程中就可能垂直于纖維軸向形成微裂紋網絡，使材料的性能大大降低。如果＜，則為負值時，纖維受熱殘余拉伸應力，基體受壓應力。這個應力可能抵消外加拉伸載荷，對材料性能的提高有益。但如果該應力過大，超過纖維的斷裂應力時，對強化不利。如果＞，則為正，那么纖維—基體界面則承受熱壓縮應力。過大的界面壓應力使復合材料在斷裂過程中難以形成纖維/脫粘/拔出等吸能機制，對材料性能的提高不利。如果＜，則為負，那么界
7、面受拉應力，適當?shù)睦瓚κ怯幸娴摹?.FRCMC的增韌機理2.1FRCMC的失效過程分析纖維增強陶瓷基復合材料的增韌機理主要包括因模量小同引起的載荷轉移、微裂紋增韌、裂紋偏轉、纖維脫粘和纖維拔出等。圖2為典型纖維增強陶瓷基復合材料的應力——應變曲線示意圖。下面就此曲線討論纖維增強陶瓷基復合材料的增韌機理。圖2纖維增強陶瓷基復合材料（a）和單相陶瓷（b）的應力—應變曲線示意圖陶瓷基復合材料的破壞過程大致可分為三個階段：第一個階段為OA段。在此階段，應力水平較低，復合材料處于線彈性狀態(tài)。當應力達到A點時，由于基體所受應力超過基體極限強度，基體出現(xiàn)裂紋，使復合
8、材料的應力——應變曲線開始與線性偏離。圖中A點的應力即為基體的開裂應力，可表示為
