工艺设计改造及检测检修 Ｃｈｉｎａ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｏｖｅｒｖｉｅｗ 陶瓷基复合材料的应用及发展 国云龙杨志涛陈红权 （沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁沈阳１ １ ００４３） 【摘要】陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品。其最高使用温度主要取决于基体特征。陶瓷基复合材料已实用 化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。陶瓷基复合材料由于其优越的性能在航空、航天领域有着广泛的应用前景。在拉 伸栽荷下，基体首先出现裂纹。基体裂纹的出现对其高温下的力学性能将产生影响，本文主要介绍陶瓷基复合材料的应用及发展。 【关键词】陶瓷基复合材料研究发展 １工程背景 层的地方开始的。 Ｋｏｕ和Ｃｈｏｕ研究了［０／９０］－ＳｉＣ／ＣＡＳ正交铺设陶瓷基复合材 随着军用航空发动机推重比的不断增加，为提高推重比，对耐 高温材料的要求也越来越高。为适应高推重比航空发动机的发展， 各发达国家都竞相发展接替镍基单晶合金和金属间化合物的超高 温结构材料及其制造技术。 陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一种复合 材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷 具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而 其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂 导致失效。而采用高强度、高弹性的纤维和基体复合，则是提高陶瓷 韧性和可靠性的一个有效方法。纤维能阻止断裂的扩展，从而得到 有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料是制造高 推重比航空发动机理想的耐高温结构材料。陶瓷基复合材料的最高 使用温度可达１６５０￣Ｃ，而密度只有高温合金的７０％。因此，陶瓷基复 合材料已成为航空航天等高技术领域极有前景的新型材料。经过２０ 多年的发展，陶瓷基复合材料的研究有了较快的发展，并且已经在 航空发动机结构部件上得到了应用，法国、美国等航空发动机技术 先进国家已经把纤维增强复合材料用于航空燃气涡轮发动机高温 部件，ＣＭＣ－ＳｉＣ在高推重比航空发动机内已经用于喷管和燃烧室， 将工作温度提高了３００～５００￣Ｃ，推力提高３０％～１００％，结构减重 ５０％～７０％，是发展高推重比（１２～１５、１５～２０）航空发动机的关键热 结构材料之一。 ２研究发展 纤维增强陶瓷基复合材料在单轴拉伸载荷下将出现基体开裂、 纤维／基体界面脱粘和纤维失效等损伤机制。Ｓｏｋｉ￣究了单向陶瓷 基复合材料基体裂纹演化，提出来临界基体应变能准则，该准则假 设基体应变能存在一个临界值，当基体应变能超过临界值时，多余 的基体能量将通过产生新基体裂纹和界面脱粘等损伤机制耗散掉。 Ｃｈｉａｎｇ￣［究了拉伸应力作用下界面脱粘对单向纤维增强陶瓷 基复合材料基体开裂的影响。用一个简单的剪滞模型计算纤维与基 体的应力和应变场。解决初始脱粘开裂的方法就是把脱粘过程当作 一个特殊扩展的问题。 Ｌｉｕ采用激光超声波技术研究了【Ｏ／９０］－ＳｉＣ／ＣＡＳ陶瓷基复合 材料在单轴拉伸载荷下的各向异性破坏特征，在材料的单轴拉伸过 程中其三个方向的刚度系数Ｃ１１、Ｃ２２和Ｃ３３（由超声波速度确定）减 小、导致材料的最终断裂。 Ｄａｎｉｅｌ和Ａｎａｓｔａｓｓｏｐｏｕｌｏｓ对单轴拉伸载荷下的［Ｏ／９０］２ｓ－ＳｉＣ／ ＣＡＳ陶瓷基复合材料的失效机理进行了研究，证明了失效时在９０。 ５２ ２０１ ５＃１１月下第２２期总第２２６期 料的初始开裂模式，运用能量平衡法得到各种开裂模式下的初始开 裂应力，研究表明，横向开裂发生在９０。层，而基体开裂发生在０。层。 ＳｏＲｉ等采用细观力学方法研究了正交铺设陶瓷基复合材料单 轴拉伸逐渐损伤及失效过程，其基本的失效模式有：横向开裂、基体 开裂、纤维／基体界面脱粘、纤维断裂等，采用Ｋｏｕ和Ｃｈｏｕ提出的剪 滞模型，分析了正交铺设陶瓷基复合材料出现损伤后的细观应力 场，结合临界基体应变能准则、最大剪应力界面脱粘准则、临界纤维 应变能准则预测了横向裂纹间距、基体界面间距、界面脱粘长度、界 面脱粘长度、纤维断裂百分比，预测了不同铺层形式的陶瓷基复合 材料单轴拉伸应力一应变曲线。 当基体出现裂纹后，裂纹将沿纤维／基体界面偏转，导致界面脱 粘。Ｔａｋｅｄａ通过扫描电镜原位观察研究了正交铺设陶瓷基复合材料 单轴拉伸载荷下０。层纤维／基体界面滑移，发现随应力增加，界面脱 粘间歇性产生，界面脱粘长度依赖于９０。铺层数量及损伤模式。 Ｍｏｒｓｃｈｅｒ研究了二维机织ｓｉｃ／ＳｉＣ陶瓷基复合材料拉伸过程 中多裂纹演化，采用声发射监测了拉伸损伤演化过程，得到了应力 与基体开裂之间的关系，对于低密度复合材料，９０。方向Ｍｉｉｎ￣合材 料与一般方向Ｍｉｎｉ复合材料在没有受到大载荷情况下的基体开裂 形状非常相似。对于高密度复合材料，０。方向Ｍｉｎｉ复合材料受到大 载荷，基体开裂取决于缺陷的尺寸大小，而９０。方向Ｍｉｎｉ复合材料则 取决于拉力大小与横向裂纹的尺寸。 国内对陶瓷基复合材料的研究起步相对较晚，从上世纪９Ｏ年代 后期开始开展对陶瓷基复合材料的研究，取得了一定的成果。 在力学性能的试验研究方面：汪洋在室温下对单向碳纤维增强 碳化硅基复合材料进行了单轴拉伸试验，试验发现，界面粘结强度 过弱的单向纤维增强陶瓷基复合材料不可能产生横向的饱和裂纹。 梅辉在室温下对二维平纹机织Ｃ／ＳｉＣ陶瓷基复合材料进行了单轴 拉伸试验，研究了其宏观力学特性和损伤演化过程，研究的结果表 明，Ｃ／ＳｉＣ开裂的原因是损伤累积后最终导致复合材料交叉编织节 点处纤维束逐层断裂和拔出，形成斜口断裂和平口断裂。习年生对 纤维增强复合材料的损伤特性及失效分析方法进行了研究，给出了 纤维增强复合材料单向板的基本失效模式，总结了多向层合板的损 伤特征。 从以上多位学者的研究中可以知道，纤维基体含量、界面脱粘 等参数对初始基体开裂应力有很大影响，不同模型选择也各有其优 越性。
