陶瓷基復(fù)合材料(CMC)的特性及其制備

陶瓷基復(fù)合材料（CMC）指在陶瓷基體中引入增強材料，形成以引入的增強材料為分散相，以陶瓷基體為連續(xù)相的復(fù)合材料，通常由增強纖維、界面層和陶瓷基體三部分組成，具有耐高溫、熱導(dǎo)率低、強度高、耐化學(xué)腐蝕等特點。

根據(jù)研究機構(gòu)Research And Markets的報告，全球陶瓷基復(fù)合材料市場預(yù)計將從2021年的113.5億美元增長到2022年的122.6億美元，復(fù)合年增長率為8.05%。預(yù)計該市場將在2026年增長到171.5億美元，復(fù)合年增長率為8.75%。

CMC材料的構(gòu)成與特性

● 陶瓷基體：陶瓷基體是復(fù)合材料重要的組成部分，其主要成分和結(jié)構(gòu)對材料綜合性能具有重要影響。

● 增強纖維：纖維作為復(fù)合材料的主要承力部分，對材料的性能具有決定性作用，其影響因素包括：纖維型號、纖維的體積含量以及纖維的編織方法等。而連續(xù)纖維增強CMC材料主要包括碳纖維增強碳化硅（C/SiC）和碳化硅纖維增強碳化硅（SiC/SiC）兩種。

● 界面層：界面層是處于增強纖維和基體之間的一個局部微小區(qū)域，雖然其在復(fù)合材料中所占體積不到10%，卻是影響陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)性能、抗環(huán)境侵蝕能力等性能的關(guān)鍵因素，主要包括PyrolyticCarbon（熱解碳）界面層、BN（氮化硼）界面層和復(fù)合界面層。

陶瓷具有耐高溫、低密度、高比強、高比模等特性；增強纖維具有連續(xù)性、高強度、高彈性等特點，可有效提高陶瓷基體的韌性和可靠性。由連續(xù)纖維補強的陶瓷基體復(fù)合材料，形成類似“鋼筋+混凝土”的結(jié)構(gòu)。連續(xù)的陶瓷纖維根據(jù)需要，可編織成二維或三維的“鋼筋”骨架（纖維預(yù)制體），和骨架周圍緊密填充的陶瓷基體材料“水泥”共同構(gòu)成“混凝土”，形成“1+1>2”的效果，使其具備高比模、耐高溫、抗燒蝕、抗粒子沖蝕、抗氧化和低密度的優(yōu)勢。

CMC材料的生產(chǎn)與制備

① SiC碳化硅纖維生產(chǎn)工藝

SiC纖維是制備CMC的關(guān)鍵材料。SiC纖維位于SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料的上游，是整個產(chǎn)業(yè)鏈至關(guān)重要的一環(huán)。由于SiC纖維有著其它纖維無可替代的作用，發(fā)達(dá)國家紛紛投入大量資金致力于此類陶瓷纖維的研制與開發(fā)。目前世界上僅日本和美國能批量供應(yīng)通用級和商品級的SiC纖維，已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)能達(dá)百噸級的僅有日本碳素公司和日本宇部興產(chǎn)株式會社。

國內(nèi)實現(xiàn)量產(chǎn)的第二代碳化硅纖維（寧波眾興新材料科技有限公司）

目前制備連續(xù)SiC纖維的方法主要有：先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法、化學(xué)氣相沉積法（CVD）、活性碳纖維轉(zhuǎn)化法（CVR）等。其中，化學(xué)氣相沉積法已逐漸被淘汰，先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法是目前比較成熟且已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的方法，也是SiC纖維制備研究的主流方向，其工藝路線可分為聚碳硅烷（PCS）合成、熔融紡絲、不熔化處理和高溫?zé)伤拇蠊ば颉Ｊ紫扔啥谆裙柰槊撀?a href="http://www.ttokpm.com/article/zt/" target="_blank">聚合為聚二甲基硅烷，再經(jīng)過高溫（450～500℃）熱分解、重排、縮聚轉(zhuǎn)化為聚碳硅烷；在250～350℃下，聚碳硅烷在多孔紡絲機上熔紡成連續(xù)聚碳硅烷纖維，再經(jīng)過空氣中約200℃的氧化交聯(lián)得到不熔化聚碳硅烷纖維，最后在高純氮氣保護下1000℃以上裂解得到SiC纖維。

根據(jù)纖維組成、結(jié)構(gòu)及性能的發(fā)展變化過程，先驅(qū)體法制備的SiC纖維可分為三代，第一代為高氧碳SiC纖維，第二代為低氧高碳含量SiC纖維，第三代為近化學(xué)比SiC纖維。其中，第一、二代SiC纖維基本是低密度、高碳含量、無定形纖維，第三代為高密度、近化學(xué)計量比、多晶SiC纖維。

② CMC制備工藝

目前有三種CMC主流制備工藝，包括化學(xué)氣相滲透法（CVI）、聚合物浸漬裂解工藝（PIP）和熔體浸滲工藝（RMI）。

CMC材料制備工藝

③ 加工工藝

由于SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料的硬度大，特別是材料由基體、纖維等多部分構(gòu)成，具有明顯的各向異性，加工后SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料的表面形貌、尺寸精度和位置精度等對構(gòu)件的安全性、可靠性和使用壽命等都有重要影響，已成為制約SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件工程化應(yīng)用的主要瓶頸之一。

SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料的加工主要包括切邊、鉆孔、三維成型和微槽成型等內(nèi)容。加工工藝主要包括機械加工、水射流加工、激光加工3類。

● 機械加工：依靠高硬度金剛石等刀具磨削，加工尺寸易于控制，加工表面質(zhì)量高，刀具磨損嚴(yán)重，難以進(jìn)行小尺寸結(jié)構(gòu)的精加工。

● 水射流加工：依靠高壓水射流中的超硬磨粒高速沖擊實現(xiàn)陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件的加工，無熱影響，易引起崩邊等結(jié)構(gòu)缺陷及損傷，分辨率大于0.5mm，多適用于粗加工。

● 激光加工：利用極高能量密度激光束照射到復(fù)合材料表面，光能在極小的照射面積上轉(zhuǎn)化為高密度的熱能，進(jìn)而使加工表面局部溫度急劇升高，導(dǎo)致材料熔化甚至氣化，熔化物借助氣化蒸氣迅噴射出來實現(xiàn)蝕除。其非接觸性不存在工具磨損問題，因此加工一致性較好。但激光加工表面熱影響區(qū)偏大，產(chǎn)生的微裂紋會在材料使用的應(yīng)力循環(huán)過程中產(chǎn)生緩慢擴展，成為影響材料及構(gòu)件的安全性和穩(wěn)定性的隱患。

CMC材料在我國的發(fā)展

在國內(nèi)，碳化硅纖維已突破各項關(guān)鍵技術(shù)，但生產(chǎn)規(guī)模與批次間穩(wěn)定性仍需提高。制備工藝方面，國內(nèi)已經(jīng)突破了碳化硅纖維制備的各項關(guān)鍵技術(shù)，綜合性能達(dá)到或接近國外同類產(chǎn)品。工程化生產(chǎn)方面，國內(nèi)已實現(xiàn)第一代碳化硅纖維工程化生產(chǎn)，初步實現(xiàn)第二代碳化硅纖維工程化生產(chǎn)。

審核編輯 ：李倩