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1、第 1 O卷第 2期 1 9 9 5年 6月 无机材料学报 J o u r na l o f I n o r g a n i c M a t e r i a l s Vbl _1 O No2 J un e 1 9 9 5 碳化硅基复合材料 江左壶 7 (中国科 学院上海 硅酸盐研 究所上海 2 0 0 0 5 0)要 V、碳化硅材料具有优良的高温力学性 舱和高比强度，通过粒子、晶须、纤维以及自增强 等各种补强技术构成的碳化硅基复合材料 已经成 为当前陶瓷及其复合材料研究的一太热 点，可望在航空航天、复合装甲、热 引擎、汽车、机械、化工、舱源等领域中得到广瑟应 用 本 文 就 近 十 年 来 这
2、 方 面 的 研 究 和 发 展 加 以 综 述 陶 垆 关调碳化硅，粒子，晶须，连续纤维，碳纤维，V 复合材料，复相陶瓷，表面改性，表面涂 层，梯度 陶瓷 1 引富 谈化硅陶 碳化硅陶瓷 由于其高温强度、抗氧化、耐磨、耐腐蚀、比重小等优 良性 能受到广泛注 意，在机械、化工、能源和军工方面也 已获得大量应用 I l l，但是，由于其室温强度较低及韧 性 不足而使其应用受到一定限制，为了提高碳化硅材料的强度和韧性，研究通过高纯、超细 原料以及添加荆的选择等手段 p 来改善烧结性能以获得高致密微晶材料，虽然使材料强 度有所提高，但对韧性改善并无多大作用 从八十年代以来，许多研究采用添加第二相粒子
3、 办法，借鉴金属材料弥散强化理论，使通过裂纹与较韧二相粒子相遇时，发生裂纹偏折、绕 道、分叉或钉扎等效应，改善了基体抗断裂能力，从而提高了韧性，较典型的例子有 S i C-T i C 系统 I，S i C-Z r B 2 系统 州，S i C-A 1 2 O 3 系统 9,1 o】，S i C-T i B 2系统 I“-1 z J 等，随着韧性提高，也 由于第二相引入而带来若干其它缺点，如高温强度和抗氧化性能会有所下降，此外粒子弥 散强化碳化硅基材料的韧性提高仍有 一定限制更多研究者则试 图通过晶须、纤维来补强 碳化硅陶瓷，即所谓 陶瓷基复合材料，由于复合材料性能 与晶须和纤维的性能密切相关，
4、而 目前晶须和纤维的品种和质量均有一定的局限，主要有 A 1 2 0 3晶须，S iC晶须，A 1 2 0 3 纤维，硅酸铝纤维，碳化硅纤维，硼纤维和碳纤维等 _l 3 J，除了晶须、纤维本身性能外，复合 材料性能在很大程度上又取决于增强元与基体之间物理、化学 匹配，也就是增强元与基体 之间界面特性控制了复合材料性能，对界面特性了解和表征仍处在研究发展阶段，而要实 现这种 良好 匹配又与复合工艺和各种改性技术密切相关据美国 B u s s i n e s s C o mm u n i c a t i o n Comp a n y调查报道 1 4 1：1 9 9 0年美国陶瓷基复合材料市场可达到
5、 1 3 1 亿美元，年增长率达到 1 4 6 特别 是在 航天、航 空、装 甲以及交 通 运输 中有 着广 泛应 用 前景，但与 聚合 物基、金 属基复合材料相比，它仍处于研究初期 此外近年来通过一些特殊工艺技术，如原位生长 技术、梯度复合结构、表面强化等途径来改善韧性也获得很大成功本 文将从粒子弥散增 强、晶须、纤维补强以及原位生长表面强化等 四个方面对碳化硅基复合材料近十年来的发 1 9 9 5年 2月 2 1日收到 初稿 维普资讯 http:/ 1 5 2 无机材料学报 l 0卷 展作 一综述 2 粒子强化碳化 硅基复合材料 2 1 多相复合陶瓷材料的发展 单 相 陶瓷材 料经 历 了
6、从 复杂 组分和 多相 体 系渐渐 发展 到高 纯、超细 原料 来制 备单 相细 晶结构材料，材料强度和其它性能均有较大改善，饲如从普通瓷 一 高铝瓷 7 5 A 1 2 O 3瓷-*9 5 A 1 2 0 3瓷 一9 9 A 1 O 3 瓷的发展过程就是最典型的例子但是从工程应用角度看，单 组分材料的性能(尽管还有较大潜力)特别是韧性要满足高技术需求还有相当大差距通过 学 科交 叉和 材 料 的增 韧增 强理 论 的探 索，特别 是 大量 实验研 究 表 明，通过 材料设 计 湘、组分、形貌和晶粒尺寸 以及取向排列)可 以使材料的韧性有较大幅度 的提高采用第二相 粒子加入使之与基体在物理化学
7、匹配上相适应，饲如要考虑二者弹性模量和热膨胀系数上 差异，从而在基体与二相粒子界面形成应力区，这种应力与外加应力发生相互作用，使裂 纹前进受阻、偏折、绕道和分枝，从而提高了材料的抗断裂能力 从七十年代 以来，国 际上先 后发展 了一 系列复 相材料 此类 材料有 S i C-T i C，S i C-Z r B2，S i C Ti B 2，S i C S bN 4 I 1 6 。S i C-AI N l，Ti C-A 2 O，S i C-Z r O22 ，S i C-Mu l l i t e 2 2 1，s i DM0 s 和 S i C T i C T i ，主要 集 中在氧 化铝、碳 化硅
8、基为主 的复相 材料，可 以是二元 的，也 可 以是 三元 的，更进 一步发 展是 纳米复合和粒子一 晶须双重增强元组成的多相复合材料 具有代表性的复相 陶瓷性能列于表 1 衰 1 各种复相陶瓷的性能 亡总 Tabl e 1 Pr o per t i e s of Y r i O t l t$m u l t i phas e c om pos ed m at er i a l s 2 2 碳化硅基多相复合材料 通过较韧第二相粒子来补强碳化硅材料吸引了各国科学家注意研究工作除了第二相 材料选择外，还从 二相粒子 与基体 的相 对古 量 以及粒径 比、界面特 性和制备 工 艺等各种 因素 对复合
9、材料 性能影 响 表 2列 出 了二组分和 三组分碳 化 硅多 相材料 的力学性 能 表 2不 仅说 明双组 分性 能 明显优 于单相 材料 而 三组分 S i C-T i C-Ti B2系统则 更胜 一 筹强 度高 达 9 7 0 MP a，断裂韧性接近 6 0 MP a II 1 ，另外也说 明组分变化对 材料性能影响是十分 明显的，因此多相材料的组分、古量设计具有特殊意义 囹 1 和囹 2 则从第二相粒子与基体之间粒径比对性能影响角度表明，不同组成具有不同 结果【，可能与不同增韧机理有关细颗粒第二相添加可能有助于结构细化和钉扎增韧，粗晶第二相添加则主要引起裂纹偏折和绕道，从而提高材料的韧
10、性 维普资讯 http:/ 2 期 江东 亮：碳化 硅 基复 合材 料 1 5 3 衰 2 二组分和三组分碳化硅材料的力学性能 l hb l e 2 M e c h a n i c a l p r o pe r t i e s o f c a r b i d e mu l t i p h a s e ma t e r i a l s wl t h t wo o r t h r e e com ponent s l 0 9 8 7 6 5 4 3 2 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 T i C ho i 图 1 含有 0 8 胂和 7 2 u rnT i C的 S i C基复 合
11、材料的室温断裂韧性 Fi g 1 Ro o m t e m p e r a t u r e f r a c t u r e t o u g h he 8 8 of S i C ba s e dc o mp o s i t e sc o n t a i ni n g0 8 pro a n d 7 2 p m Ti C 3 昌须补强碳 化硅基复合材料 图 2 含有 0 5 p ro和 m S i C的 S i s N4 基复 合材 料 的室温 断裂 韧性 Fi g 2 Roo m t e mp e r a t u r e fra c t u r e t o u gh n e s s o f S I
12、 3 N4 b a s e d c o mp o s i t e s c o n t a i ni ng 0 5“m a nd 8a m S i C 3 1 须的制鲁和衰面改性 作为复合材料重要增强元的晶须受到广泛重视，特别是作为陶瓷基复合材料来说，要 求晶须与基体有 良好 的物理化学匹配外，还根据应用需要进行适当改性 _2 6 此外，在工 艺上如何能使晶须均匀分散于基体也是制备高性能复合材 料的重要条件 0 1 目前 除 了氧 化物 晶须(A 1 2 03，硅酸铝，Ti Oa)外最受 人注 目的 碳化硅 晶须 3 0,3 1 J 由于 碳化硅 晶须 良好 的热机械性 能，已被 广泛应 用于增
13、强金属 A l l s 3,3 4 、A I 2 0 、S i a Nt4 a 、mu l l i t e 4 v、z r O 以及 S i C 4 2 等，若干材料已实现商品化，如：S i C(w)A I 2 O a 用于切削刀 具和其它工程应用 0，“】生产碳化硅晶须可以有六种工艺路线 I】，最普通 的是用 C V D法 来制备 S i C晶须，而用 S i O 2 与 c反应制备法最适于大规模 生产，但纯度稍差碳化硅晶须 根据不同制备工艺和生产厂商其性能大致可归纳于表 3中 日毒 三日 8口 曷 暑卜 维普资讯 http:/ 1 5 4 无机材料学报 1 0卷 衰 3各种须表面化学分类
14、Tabl e 3 Ge ne r al s ur f ac e c he m l s t r y c at e go r i e s o f v a r l o us Si C whi s ke r s 耍获得优 良力学性能的陶瓷基复合材料，关键是耍控制基体和增强元之间界面特性，对于晶须补强陶瓷基复合材料来说，增韧机理主要有三种：(1)裂纹偏转，(2)裂纹桥联，(3)晶须拔出它取决于基体与增强元之间较弱结合在晶须和基体一定条件下可以通过不 同材料 及涂覆 工艺来 达到 例 如采 用聚合 物涂 碳，C VD法涂 B N和 Ti N 等在 S i C晶须上，使之与基体产生一定程度的反应结合表 4
15、列出各种涂覆 S i C晶须及其工艺 比较 衰 4 各种涂Ms i c须麓其工艺比较 Ta bl e 4 Coa t i n gs obt ai ne d m di B口札 t pr oc e f o r Si C whi s k e r s 3 2 棚朴曩硪化硅基复合材料 3 2 1 须扑薯复合材料工艺 晶须在基体中均匀分散对复合材料性能有举足轻重影响 通常采用超声分散，然后与基 体球磨混合法来制备 为了对晶须有适当取 向控制以及进行捧列，利用流延技术(t 叩 c 8 g t h 培)来 生 产层状 晶须增 强 复合材 料就 可 以在一 定程 度上 实现定 向设计，从 而 制备 出性 能更
16、优越 的复合材料图 3 是制备这种复合材料的工艺流程图 _l l J 3 2 2 须扑薯碳化硅基复合材料性麓 近年来块体陶瓷通过晶须加入途径，其韧性在 一定程度上得到改善【卅，由于碳化硅材 料高温优良性能，因此添加 S i C晶须来增强碳化硅基材料，以改善其韧性受到人们注意，维普资讯 http:/ 2期 江 东亮：碳 化硅 基复 合材 料 1 5 5 囊 5在不同疆度下蔓舍材料与块体 的量大挠度 毒曲应壹 毒曲强度、断裂韧性和弹性簟量比较 JI h b e 1 5 Pr o p e r t i e s o f S i C a n d S l ew S i C a t v a r i o i s
17、 t e mp e r a t u r 囊 B 热每尊压烧结s i C(w)l mC复舍材料的性能 Tabl e B Pr o pe r t i e s of si C whi s ke r r ei n f or ce d Si C co m po s i t e s H Ma l i f u z等【蚓 研究了这种复合材 料 的力 学性 能并 与块 体 S i C材 料进行 对 比(表 5)结果表明：从室温到 8 0 0。C弯 曲强度和断裂韧性复合材料均优于单相 碳化硅 材料，在高温 1 2 0 0。C时则性 能未 见改善，可能与晶须退化以及在晶须与 基体界面处形成玻璃相有关 J i a n
18、 g 等 采 用 热 等 静 压 来 j 备 S i C(W)s i c复合材料，在 l 8 5 0。C，2 0 0 MP a 下保温 l h获得的结果表明：韧性随晶须 含量 增加 而提高，加入 l O w t 晶须 的复 合材料韧性为 6 9 MP a m 0 4 纤维补强碳化硅基复合材料 B a 1 1m il l P。妇wj I l l hi n d e r s 怫m(8-2 4h)U Ad d wh i k c J r(1 0-5 0 v o 1)l m 0I h)T a r c一a s t 一 5 0 0-1 0 0 0m s Tn i c k n e -,0-20 0um J 1o
19、t a m ire J Binde rburnnu|J 丑盟上醢 0 B inder 1ud一on(a c r y l i c r e s i nd m dh y I dh k o c)b 血(b a t y l b e n z y p I I a t e)C so v erd f 1 I I 喇c h o o e t h a n e)竺 竺 罂 图3 制 备 层 状 晶 须 增 强 复 合 材 料 的 工 艺 泷 程 图 奎 为 苎 堡 差 卺 都 苎 三P rocessfl ow di a g ra m f o rt hef br i cat三 无 机纤 维，其 中主要 有 氧化 物纤 维
20、、碳 h i。k n f 0 r c e d c 0 mD 0 8 i t 纤维，硼 纤维 和碳 化硅纤 维，主要纤 维普资讯 http:/ 1 5 6 无机材料学报 1 0卷 维 的性能列于表 7 ，其中氧化铝、莫来石、碳化硅和碳纤维都 已经商 品化大部分氧化 物纤维都是采用熔融仿丝办法来制备碳纤维和碳化硅纤维则多数采用有机聚合物作前驱 体，经熔融仿丝再热解或聚合反应来制各【1 作为碳化硅的增强元则较多集中在碳纤维 和碳化硅纤维方面 这两类纤维的最大特点是强度和模量高、比重小、耐高温，因此作为未 来宇 航、能源、交 通、运动 器具应 用具 有特 别 吸 引力 衰 7陶瓷基复合材料用主要扦维的
21、性能 Tabl e 7 Pr o pe r t i es of c andi da t e fibr e f or c e r a m i c-m a t r i x c om po s i t es Fi b r e E Di a e t e r M a x l mu m u s e g-c m一。MP a GP a “m t e mp e r a t u r e 。C Fi b r e FP 3 母 1 3 8 3 8 0 2 1 1 3 1 5 AI 2 O3 PRD 1 6 6 4 2 2 0 7 3 8 0 2 1 1 4 0 0 Su mi t o mo 3 9 1 4 5 1 9
22、 0 1 7 1 2 5 0 M u l l l t e Ne xt e l 4 4 0 3 1 2 7 1 蚰 1 2 1 4 2 7 Ne xt e l 3 1 2 2 7 1 5 5 1 5 0 1 2 1 2 0 5 S i C Ni c a hin 2 5 5 2 6 2 1 9 3 1 0 1 2 0 5 S 汀|C0 Ty r a n no 2 5 2 7 6 1 9 3 1 0 1 3 0 0 S i 3 N4 TNSN 2 5 3 3 2 9 6 1 0 1 2 05 Si C wh i s k e r vLs 3 2 8 3 5 8 0 4 7 1 4 0 0 Si C S
23、 CS 6 3 0 5 3 45 41 0 1 柏 1 3 0 0 mo n o fi l a me n t S i g n 3 4 3 4 5 4 1 0 1 0 0 1 2 6 0 Pu r ef u s e d As t r o q u ar t z 2 2 3 4 5 6 9 9 9 8 o s i l l c e Graph i t e T3 0 0 1 8 2 7 6 2 7 6 1 0 1 6 5 0 T4 0 R 1 8 3 4 5 2 7 6 1 0 1 6 5 0 衰 8 I-H-Ni c a l o n 维在气氯下沮后的力掌性能 Tabl e 8 M e c hAni c
24、 al pr ope r t i e s of H i-Ni c al o n a f t e r呻os ur e a t hj g h t e m pe r a t ur e M e as u r e d b y mon ofil ame nt met ho d at r oom t empe x at u r e Ga ge l e ngt h=2 5m m，n=1 0-2 0 为 了改进纤维与基体间结合，与晶须相似，可以采用若干涂覆技术来使纤维表面改性 例如 N i c a l o n纤维涂覆碳而使其与基体形成弱结合界面，也可降低高温下退化作为增强碳 化硅陶瓷用纤维，目前主要使用碳纤维和
25、碳化硅纤维由于碳纤维抗氧化性能较差，更多 注意力集中在连续碳化硅纤维上，使 用最多商品牌号是 N i p p o n C a r b o n C o 生产的 N i c a l o n 纤维早期 N i c a l o n纤维 由于其含氧量 高(1 0 1 2)，实际上是一 种 S i-C-O纤维作为 陶瓷 基复合材料使用，其上限温度往往 由于纤维性能退化而受到限翻据 Y o s h io 叫 报道，超过 1 2 0 0。C，过量 C与在界面上 S i-O相互发生反应，从而降低了纤维强度一般只能在 1 2 0 0。C 维普资讯 http:/ 2期 江东亮：碳化 硅基 复合材 料 1 5 7 以
26、下使用，而大部分复合材料采用热压工 艺，温度往往高达 1 5 0 0。C以上，这样纤维 已经受 到损伤而使性能下降因此许多研究是在 N i e a l o n纤维基础上再作进一步改进，例如最近 发 展 一 种 低 氧 含 量(0 5 w t)的Hi N i c M o n 作 为 在 高 温 使 用 两 种 N i e a l o n 纤维制备工艺见图 4 I l，主要区别在于固化 采 用不 同条件 由于 普通 Ni c a l o n在氧 化条 件下固化，因而含氧量高，实际形成 s i G O 纤 维；而 H i Ni c a l o n则 用 电 子 柬辐 照 固 化，使氧 含量下 降到
27、0 5 wt 此外还 有采 用 化学蒸汽固化(C V C)法 I 5 6 _ 来制备低氧含 量(1 1 5 1 7 wt)的碳 化 硅纤 维 T a k e d a 等 1 5 r l 对 N i c M o n S i C纤维的 s i c 比研 究表 明：禽接近当量 比性能愈好 表 8列 出 了 H i-N i c a l o n纤维 的 高温性 能，特别是抗 张模量 高于一 般 N ic a l o n纤 维在高温氨气氛下暴露即使 1 8 0 0。C，l h 仍 有 1 2 GP a抗 张强 度 I 5 5 J 4 2连续纤维增量碳化硅基复合材料 4 2 1 Ne x t e l T 系
28、列纤维增量碳化硅复合 材料 由于 N e x t e l。系列纤维是一类氧化物 纤 维 它的 主 要组 成 是 以 A1 2 03为基 硅酸 盐纤维(见表 9)Is s 由于其价格低廉和抗氧 化等优 良性能，有可能替代 N i c a l o n纤维来 增强碳化硅材料，为 了改 善界面性能和 进一步提高抗氧化性，采用 B N作为中间层 显示出较隹效果，弯曲强度会 比含 C中间 层耍高，长时间暴露在空气中强度损失也 较 小 典 型 含碳 界 面层 的 Ne x t e l s i c 材料的弯 曲负荷 一位移曲线见图 5，对不同 中间层的 N e x t e l 4 4 0 s i c复合材料的
29、弯曲曲 线见图 6 复合材料性能见表 l 0 Di me th y l d i c h lo r o s i lu n e Do：h l n r i r ml i o n U Di me l h ylpo l y s i l a n e U Re ar r a n n c n l U P ol y c a r b s i l a ne S pi n n i n g 0 nfib r e U U EI。：|mn b e am Ox i d a t io n i r mdia l i o n J J Cur e dfib r e U U s i t C fib r e Si-C 0 fib r e
30、 (Hj Ni c a l a n)f Ni c lo n)M e -S i C H?-I n H 圈 4 两种 N i c a l o n纤维的 5 I 备工艺流程圈 Fi g4 F ab r i c a t i o n pr o c e s s of Hi-Ni c a l o n a nd Ni e a I o I I Si C fib r e s 寰 9 Ne x t e i i 系捌纤维的性蠢 Tabl e 9 Fi br e pr o pe r t i C 州 维普资讯 http:/ 1 5 8 无机材料学报 1 O卷 衰 1 0 Ne x t e l s i c复合材料的性麓 T
31、 a b l e 1 0 P r o p e r t i e s o f Ne x t e l s i c c o mp o s i t e s As-f ab r i c at e dNO he a t t r e a t me n t “Ox i di z e dHe at t r e a t me nt a t 1 27 3K i n wh1 g ai r f o r 1 0 0 h+Ar g on=He at t r e a t me nt at 12 7 3K i n fi 1 wi ng B I 罾on 自f 1 0 0h Di l a c e me n|，c m 图 5 典型 含
32、 碳界 面层 的 Ne x t e l s 材 料 的弯 曲负荷 一位移 曲线 F 5 Fl e xu r e c u r v e s f o r Ne x t e l 31 2 t Ne x t e l 4 4 O a n d Ne x t e l 5 5 0 t h c a r b on i u t e r f a c e s Di l a c e me m c m 图 6 具有不 同中间层的 N e x t e 4 4 0 S I C复 合材料的弯曲曲线 F培 6 F l e x z t r e c u r v e s f o r Ne x t e l 4 4 0 wi t h c a
33、r-bo n b or o n do pe d r Do n Bn d BN i n t e r f a c e s 4 2 2 Ni c a l o n 雉增 盟碳化硅基复台材料 用 N i c a l o n纤维来增强陶瓷基复合材料是 目前研究工作中的活跃领域这种复合材辩 由于编织方法和复合工艺不同而不 同，还 由于纤维采用不同涂覆层而使性能有更多改善 例如，通过涂覆碳层厚度不同使增强硼硅酸盐玻璃复合材料弯曲强度性能提高 2 5倍 S i n g h等】指出：涂层厚度 0 3 m对性能改善无明显影响 而在增强陶瓷基复合材料 中，对碳化硅为基材料和性能研究叉相对集中【B 2“有用 N i c
34、 a l o n纤维织成布后再通过聚合物 渗入、热解工艺来制备所谓 N i c a l o c e r a m复合材料，其基本物理性能列于表 l l，这种复合材 料的密度较低，因而强度也不够，此外其断裂韧性值 由于纤维是二维捧列布型叠置使断 裂韧性值相差近一倍 M 同样层叠形纤维，但基体是由 C V I 法 S i C构成的复合材料，其性 能有明显提高，见表 1 2 e 8 ，并与层叠取向有关 _ 皇、口2 瑚瑚瑚抛 m瑚靳 o 己 日-嚣 维普资讯 http:/ 2期 江 东亮：碳化 硅 基复 合材 料 1 5 9 衰 1 1 Ni c Mo n S i C复合材料的典型性能 T a b l
35、 e 1 1 Pr o p e r t i e s o f Ni c a l o n S i C c o mp o s i t e s D e n s i t y g-c m F i b r e v o l u me T e n s i l e s t r e n g t h MP a 1 1 0 T e n s i l e mo d u l u s GP a F l e x a r a l s t r e n g t h MP a 1 1 0 F l e x u r a l mo d G P a T o u g h n e s s MP a-m 5，9 5 TE C K一 3 6 1 0 0
36、 Th e r m a l c o nd u c t i v i t y w-m-1 K一 0 5 6 a t 5 呻。C 0 7 3 a t 7 呻。C S pe c i fic h e a t J _ k g-1 K 1 1 3 0 a t 5 0 0。C 1 1 7 0 a t 7 0 0。C 衰 1 2 Nt c a l o n S i C CVI-S i C复合材料的性能 T a b l e 1 2 Pr o p e r t i e s o f Ni c a l o n-S i C CVI-S t C c o mp o s i t e s S p e c i fi c g r a v
37、 i t y g 一。2 5 4 F i b r e v o l u me 3 6 Ma t r i x v o hm e 4 8 T o t a l r e s i d u a l p r i t y 1 2 M e c h a n i c a pr o p e r t i Lamndaateorientation(1ay-up)o 9 0 o 4 9 o 4 5 4 2 3 磺纤维增薯硪化硅基复合材料 H Y o s h i d a等研 究碳纤维增强碳化硅复合材料，注 意到工艺过程中 由于碳纤维损伤罩 于 材料性 能影 响，同时 也研究 了纤维 含量对 材料 力学 性 能影 响采 用工 艺
38、流 程如 图 7所示-热 解是在 8 0 0。C、N 2 下进行，热压烧结是在 2 0 0 0。C、N 2 中进行 l叫 复合材料力学性能见表 l 3 B S c c Ad I hI 刚 。吖 n d cu X U M u 形I n I l h)c p j n g P，r d y z l n 图 7 碳纤 维增强 碳 化硅 基复 合材 料 的工艺 流 程 Fi g 7 E x p e r i me n t a l fl o w 维普资讯 http:/ 1 6 O 无机材料学报 l 0卷 表 1 3 Cf S i C复合材料的力学性能 T a b l e 1 3 Me c h a n i c a
39、 l p r o p e r i t i e a o f Cf S i C A B，C，D a nd E：c a r bon fib r e wi t h v a r i ous c har a c t e r i s t i c s 碳纤维的弹性模量对复合材料强度和断裂韧性有相当大影响(见图 8)最高弯 曲强度在 室 温和 1 4 5 0。C时分 别达 9 1 0 MP a和 9 6 0 MP a，断 裂 韧性 最高 可达 2 6 MP a 1 2 2 。，取决 于碳纤 维 选择，即其弹性模量应在 4 4 0 6 4 0 G P a之间 E l a s t i c mo d u l u s
40、oP a 鼋 皇 露 营 El a s tic mo d ul u s，OPa 图 8 碳纤维的弹性模量对复合材料强度和断裂韧性的影响 F i g 8(A)F l e x u r a l s t r e n g t h a n d(B)f r a c t u r e t o u g h n e e,s v e r B u B e l a s t i c mo d u l u s o f c a r b o n fi b r e s f o r C dS i C c o mp usi t e 5 原位生长梯度结 构碳 化硅基 复合材 料 晶须、纤维和粒子补强复合材料，在工艺上最大难点是由于结构形
41、态、比重差异使得增 强元与基体之间很难做到均匀分散，从而使产品规模生产时在均匀性上受到抑制，基于这 种 考虑 以及从 化 学反应 和 晶体在 一定 条件 下各 晶面 之 间生 长趋 向不 一致性 启 发，一些 研 究 工作者提出了 自增强(或原位生长)复台材料，例如在氮化硅材料 中通过 自增强工艺使坯体 中生长出柱状 卢 S i 3 N 晶粒，由于这种棒晶存在使裂缝扩展受阻而绕道(见图 9)，从而使整 个材 料韧性 有较 大提 高 l J 江 东 亮等则 从碳 化物 在 一定温 度和 一 定氨压 下，在热 力 学上处 于 不稳 定状 态而 转化 成 氮 化物 这一基 本化 学 原理 出发，通
42、过热 等静 氮化 后处理 工 艺，成功 地在 碳化 物基 体 中生 长 出柱状 和针 状 S i 3 N4晶体。经 过 XR D、Au g e r和 核 探针 分 析表 明：在 材 料表 面 形 成一梯度结构 S i 3 N S i C复台材料由于氮化反应，不仅使基体碳化硅晶粒发生细化，同时 由于形成 卢 S i 3 N 4 柱状晶(见图 1 0)，再加上 S i a N 4 与 S i C膨胀系数差别导致材料表面形成压 缩 应力 层，使整个 复 台材料 的强度 和韧性 比单纯 S i C材 料 要提 高 1倍 左 右，强 度和 韧性 分 别达到 9 0 0 MP a和 8 MP a m ，2
43、，开创了一种制备表面梯度结构的复相材料 通过这种氮化反 应 可 以进行 材料 组分 设 计，即只要 在热 力 学上允 许 氮化 反应 发 生，所有碳 化物 均 可 以通过 这 一 办法转 化 成 氮化物 或 碳氮 化 物 最 近对 S i C Ti C复 相材 料 研究 表 明，同样 可 以帚 葺 备 出 _ 皇、目 维普资讯 http:/ 2期 江东亮：碳化硅基复合材料 l 6 l S i C-T i C T i N或 S i C S ia N 4 T i C T i N材料【侧，也可从 T i C直接获得 T i C T iN材料，同样也 可进 行 A1 2 03-S i C复 相材 料转
44、 化成 AhOa-S i C-S i,N 4材 料且 初 步性 能表 明也 有较 大改 善，强 度 高达 1 0 0 0 MP a 图 9 s 棒 晶增 强 s i n4 复相 材料 的显徽 结构 F i g 9 Mi c r o s t x u c t u r e o f-S i a Na r o d c r y s t a l _m r c e d Si g N4 ma t r i x c o mp0 i t e s 图 1 0 S i C S i 3 N 梯 度 复相材 料 的 S E M 照片 F i 0 S E M ml c r o r a p h o f S i C S i g N
45、 4 g r a d l-e a t c o mp o s i t e s wi t h n e e d l e-l e S hN4 g r a i n s 寰 1 4 S i C须补薯S i C基复合材料在量化前后的性能对比 T a b l e 1 4 E ff e c t o f HI P-n i t r i d a t i o n o n p r o p e r t i e s o f s l c(w)S l C c o mp o s i t e s s i c(w)s i c复合材料通过高温氮化反应处理，材料性能也取得 明显改善材料表面将 由S i a N 4-S i C-S i C(
46、w)构成多相复合材料，表 1 4列出 H I P氮化反应前后材料性能对 比 参 考 文 献 1江 东 亮硅 酸 盐学报 1 9 7 8，B：1 7 6 2宗宫 重行，猎股 吉三碳 化硅 七，工 J a p a n：u c h i d aP k a k u h oP u b l i s h i n g C o L t d ，1 9 8 8 3江东亮，等硅酸盐学报 1 9 8 1，0：1 3 3 4 KR r a t K，AB 8 h i M七，步工，1 9 8 3，4：1 5 2 5中村 浩介 工业材 料，1 9 8 3，3 1：1 1 3 6 W e iG C，B e：h e rP F Am，
47、fio c ，1 9 8 4，67：37 1 7 J i a n gD L，W an g J H，L iY LM e i e r S En 9，1 9 8 9，A 1 0 9：4 01 8江东亮李请林王菊红，等硅酸盐学报，1 9 9 0，1 8：1 2 3 9 Br e v l e r e D，Re M，W i l l e r B 却 r h s a a I,1 9 8 4，i 1 7：5 4 2 1 0藤村枯次，小林正树糟体扫 粉末抬金，1 9 8 8，3 5；1 3 7 1 1 Mc M u r t r y C HAm ，u mSo c 且 1 9 8 7 66：3 2 5 维普资讯 ht
48、tp:/ 1 6 2 无机材料学报 l 0卷 l 2 JR n n e y M AA玎 I Ce m m BUl L 1 9 8 7 66：3 2 2 1 3 Bu ns e l l A R，Be r B e r M HCo ml p o s i t e s S e i T e c h 1 9 9 4，51：1 2 7 1 4 Ge i g e r GA Ce m m 且 j 1 9 9 1 1 7 0：2 l 2 l 5江东亮，郭景坤硅酸盐学报，1 9 9 1，1 9：2 5 8 1 6 Gr e i l P e t z o w P1 T a n a k a HC e r a mi c I
49、n t e r n a t i o n a l,1 9 8 7，1 3：1 9 1 7 Bu l z a n S T，Be l d o ni J G Hu c k a b e e M L Am Ce r a m So c 口 L，1 9 8 7，66：3 47 1 8 Ko d a me H，Mi y o s h i T Ce mmE n g,s P r o c 1 9 8 9 1 0：1 0 7 2 1 9 M&i l l o SA，Fr i e lD Ba r-OnI Ce r a mEn g Sc i Pr o c ，1 9 蚰，14：l 0 7 7 2 0 Y a u o k aM，B
50、 r l t oM E，h j r a 0K，K8 n 善 a S J Ce mmS o c o f J a p a n,l 9 9 3，l 0 l：明5 2 l Hu a n gX X，Gu o JK 私In t 跏 n o nCe rami cMa ter ml a a n dCo ml po n e n f s，。rE n g i n e s 1 9 9 2 7 5 7 2 2洪金生，黄校先，郭景坤，等无机材料学报 1 9 9 0，5：3 4 0 2 3 L_m WY，m u JY，Be r t a Y Am Ce ram Bul1 1 9 9 4，73：7 2 2 4 De M mt