什么是陶瓷基复合材料？

  在漫长的历史长河中，陶瓷是人类重要的生产生活资料，我国是陶瓷的故乡，英语中china既指陶瓷又指中国，陶瓷之于中国的重要意义不言而喻。然而，陶瓷不仅仅是国粹，不仅仅是一件件巧夺天工的艺术品，不仅仅是我们平时所使用的瓶瓶罐罐、碗碗碟碟，在现代高新科技中依然有它的身影。2004年的国家科学技术奖颁出了已经连续空缺6年的国家技术发明一等奖，其中一项就是西北工业大学张立同院士项目组完成的“耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术”，古老的陶瓷材料在高精尖的航空航天领域仍然贡献着自己的智慧。那么，什么是陶瓷基复合材料？它为什么能耐高温、长寿命、抗氧化呢？它在航空航天领域又发挥着怎么样的作用呢？今天我们就介绍一下陶瓷基复合材料。

  1. 陶瓷与陶瓷基复合材料

  陶瓷大家在日常生活都经常接触和使用，比如说碗，大家用碗时的直接感觉有不怕烫、轻、结实、不变色、耐磨耐用、易碎等，这些直观感受恰好对应着陶瓷材料的优缺点。陶瓷材料的优点有耐高温、低密度、高比强、高比模、高硬度、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损等，但陶瓷材料也有两个致命缺点，脆性大和可靠性差，用力学语言描述就是强度和韧性都很低，陶瓷材料的实际强度不仅远低于理论强度，而且变化范围很大。我们既想利用陶瓷材料的优点，又想克服陶瓷材料的缺点，提高它的强度和韧性，怎么办？理论研究和实践表明，发展陶瓷基复合材料是陶瓷强韧化的有效途径。

  陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composite，CMC）通俗地说就是以陶瓷材料为基体，通过各种强韧化途径，提高陶瓷材料的强度和韧性。目前，强韧化途径归纳起来主要有四种：纳米晶粒增韧、原位自生增韧、仿生结构增韧、增强体增韧。前三种我们暂且不谈，大家如果感兴趣可以自己详细了解，只说最后一种增强体增韧，又分为三种：颗粒增韧、晶须增韧和连续纤维增韧。这其中，前两种我们也暂且不谈，只说最后一种连续纤维增韧，为什么？因为连续纤维增韧是目前陶瓷基复合材料增韧补强效果最好的途径，正是它使得陶瓷基复合材料成为新型耐高温、低密度热结构材料，正是它使得陶瓷基复合材料在航空航天领域开辟出广阔的应用前景，我们在下一节继续介绍。

  上面的内容，可以归纳为下图和下表。

  2. 连续纤维增强韧陶瓷基复合材料

  在介绍了什么是陶瓷基复合材料之后，我们还要继续介绍其中强韧化效果最好的连续纤维增强韧陶瓷基复合材料（Continous Fibre-reinforced Ceramic Composite，CFCC），CFCC可以类比常见的复合材料，由基体和增强纤维组成，只不过基体为陶瓷材料，与之类似的复合材料还有连续纤维聚合物基复合材料（CFPC）和连续纤维金属基复合材料（CFMC）。

  对于复合材料，在纤维与基体界面不发生滑移的条件下，混合法则告诉我们，纤维与基体要满足模量匹配的条件，即模量比大于1，才能发挥纤维的增强作用。注意前提条件是纤维与基体界面不发生滑移，即纤维与基体应变相同，复合材料为界面强结合方式。一般来说，对于CFPC和CFMC，很容易满足模量匹配要求，但对于大部分CFCC来说，基体的模量较高，通常会出现纤维与基体的模量失配，因此CFCC要达到增强增韧的效果就要放弃界面强结合的方式，界面弱结合是CFCC实现增强增韧的前提条件，弱界面结合的方式如下图。

  研究还发现，复合材料的失效模式与纤维的临界长度有关。所谓的纤维临界长度，是指纤维在材料体系中被拉伸时，能够达到最大应力所需的最小长度。通俗地解释，同一体系中纤维越长，纤维内可能出现的最大应力越大，但当纤维长度达到某一长度之后，可能出现的最大应力值将不会增加，而只会扩展纤维内可能达到最大应力的区域范围，这一长度就称为纤维的临界长度。临界纤维长度太长，复合材料将发生非累积型破坏，强度低而韧性高；临界纤维长度适中，复合材料将发生混合型破坏，具有合理的强度和韧性匹配；临界纤维长度太短，复合材料将发生聚积型破坏，强度低韧性也低，我们一般期望纤维发生混合型破坏。对于界面弱结合的CFCC，随着纤维临界长度的增加，材料的韧性升高而强度降低，所以纤维的临界长度要控制在一定范围内才能使CFCC发生混合型破坏。而对于同一种纤维，纤维的临界长度又受界面结合强度的影响，因此不仅要使CFCC以界面弱结合的方式存在，还要使CFCC的界面弱结合以适当的强度存在，才能实现CFCC强韧化的最佳效果。

  CFCC具有庞大的材料体系，基体可分为玻璃陶瓷基、氧化物基和非氧化物基三种，增强纤维可分为碳纤维、氧化物纤维和非氧化物纤维，如下图所示。

  （1）玻璃陶瓷基CFCC多使用SiC纤维，种类繁多，使用温度和性能可选择范围大，可加工性好，作为结构材料和功能材料都有着广泛的应用；

  （2）氧化物陶瓷基CFCC主要使用氧化物纤维，主要问题是界面热物理相容性差，以及纤维容易损伤导致力学性能不高，主要用于对载荷要求不高但是对耐热性要求较高的结构；

  （3）非氧化物陶瓷基CFCC具有更高的强度、硬度、耐磨和耐高温性能，特别是具有更高的高温强度，一直是研究的重点。

  在所有的CFCC材料中，连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料是目前研究最多、应用最成功和最广泛的，张立同院士正是因此而获得2004年国家技术发明一等奖，下一节我们将继续介绍。

  3. 连续纤维增强韧碳化硅陶瓷基复合材料

  连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料（CFCC-SiC）主要包括碳纤维增韧和碳化硅纤维增韧两种（C/SiC、SiC/ SiC），CFCC-SiC是一种兼有金属材料、陶瓷材料和碳材料性能优点的热结构/功能一体化材料，克服了金属材料耐温低和密度大、陶瓷材料脆性大和可靠性差、碳材料抗氧化性差和强度低等缺点，具有耐高温、低密度、高比强、高比模、抗氧化、抗烧蚀，对裂纹不敏感，不发生灾难性损毁等特点。CFCC-SiC可接替聚合物复合材料提高强度和使用温度，接替金属材料可提高使用温度和减重，与C/C复合材料相比可提高抗氧化性和使用寿命，成为1650℃以下长寿命（数百上千小时）、1900℃以下有限寿命（数分到数十分钟）和2800℃以下瞬时寿命（数秒至数十秒）的热结构/功能材料，同时具有优良的超低温性能和抗辐照性能。因此，CFCC-SiC覆盖的使用温度和寿命范围宽，应用领域广，主要有八大应用领域，如下图所示。

  （1）空间技术领域：C/SiC可用于超轻结构反射镜框架和镜面衬底，具有重量小、强度高、抗辐射和膨胀系数小等优点，有望解决大型太空反射镜结构轻量化和尺寸稳定性的难题。

  （2）航空发动机：CFCC-SiC可用于喷管、燃烧室、涡轮和叶片等部件，潜在的工作温度提高能力400~500℃，结构减重50%~70%，是发展高推重比航空发动机的关键热结构材料之一。CFCC-SiC已经开始应用在航空发动机的某些部件上，实践证明优于传统材料。

  （3）刹车制动系统：C/SiC刹车盘与C/C相比，具有生产周期短、成本低、强度高、静摩擦系数高等优点，是继C/C之后新一代刹车材料。目前，C/SiC已应用在高档轿车上，飞机上的应用正在研究和试验当中。

  （4）能源领域：SiC/ SiC有望用于核聚变反应堆第一壁构件，适应高温辐射环境，也可用于工业燃气涡轮机燃烧室内衬和第一级覆环中，可提高工作温度，减少或取消冷却空气。

  （5）液体火箭发动机：C/SiC可用于推力室和喷管，可显著减重，提高推力室压力和寿命。卫星用姿控、轨控液体火箭发动机上使用C/SiC代替铌合金燃烧室-喷管已进入实用阶段，远期还将实现在大型液体火箭发动机上的应用。

  （6）冲压发动机：C/SiC可用于亚燃冲压发动机的燃烧室和喷管喉衬，提高抗氧化烧蚀性能和发动机工作寿命，保证飞行器长航程，并以进入应用阶段，今后还将应用在超燃冲压发动机的头罩前缘、燃料注射支撑件和主动冷却壁上。

  （7）高超声速飞行器热防护系统：使用C/SiC作大面积热防护系统可实现防热/结构一体化，比传统的防热-结构分离系统减重50%，并可提高使用寿命，降低成本。目前，美国X-38地面返回舱的机翼前缘、头锥帽、头锥裙部及下颚板（如下图）、机体副翼和组合襟翼均使用C/SiC，欧洲Hermes航天飞机，英国Hotel航天飞机和法国Sanger航天飞机的热防护系统也采用了C/SiC材料。

  （8）固体火箭发动机：CFCC-SiC主要用于气流通道的喉衬和喉阀，解决可控固体轨控发动机喉道零烧蚀的难题，提高动能拦截系统的变轨能力和机动性，目前各种战术导弹和运载火箭的上面级发动机喉衬已经获得应用。

  综上所述，CFCC-SiC可接替聚合物复合材料作为长寿命空间结构/功能材料，大幅度提高抗辐射和空间环境性能的稳定性；接替高温合金作为长寿命高温热结构材料，可大幅度减少航空发动机重量，减少燃料和冷却空气量，提高推重比；接替难熔金属作为有限寿命高温抗冲蚀结构材料，可大幅度节约液体火箭发动机燃料和冷却剂，提高推力和阻尼特性；接替C/C复合材料作为有限寿命高温防热结构材料，可大幅度提高超高声速飞行器的安全性和机动性。因此， CFCC-SiC材料被认为是反映一个国家航空航天器制造能力，关系国家安全的新型战略性热结构材料。

  4. 总结

  本文我们按照由大到小，从高到低的顺序介绍了陶瓷基复合材料和连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料，如下图，它们之间的递进关系可以总结为：

  （1）陶瓷材料脆性大，可靠性差，发展陶瓷基复合材料（CMC）是陶瓷强韧化的有效途径；

  （2）连续纤维增韧陶瓷基复合材料（CFCC）是陶瓷基复合材料中增韧补强效果最好的；

  （3）在CFCC中，连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料（CFCC-SiC）是目前研究最多、应用最成功和最广泛的，是航空航天领域中具有重要战略意义的热结构材料。