新型碳化硅陶瓷基复合材料的研究及进展.doc

新型碳化硅陶瓷基复合材料的研究进展 Progress in Research Work of New CMC - -SiC [摘要]新型碳化硅陶瓷基复合材料具有密度低、高强度、高韧性和耐高温等综合性能已得到世界各国高度重视,本文主要介绍了新型碳化硅陶瓷基复合材料的研究和发展现状,阐述了CVI-CMC- SiC 制造技术在我国的研究进展,开展了 CVI- CMC- SiC 的性能与微结构特性的研究和 CVI过程控制及其对性能影响的研究,研制了多种 CMC -SiC 和其构件。材料性能和整体研究与应用水平已跻身于国际先进行列。关键词:CVI 制造技术 CMC -SiC 微结构应用研究碳化硅陶瓷因具有高强度、高硬度、抗腐蚀、耐高温和低密度而被广泛用于高温和某些苛刻的环境中,尤其在航空航天飞行器[1] 需要承受极高温度的特殊部位具有很大的潜力。但是,陶瓷不具备像金属那样的塑性变形能力,在断裂过程中除了产生新的断裂表面吸收表面能以外,几乎没有其它吸收能量的机制,这就严重限制了其作为结构材料的应用。碳纤维具有比强度高、比模量大、高温力学性能和热性能良好等优点,在惰性气氛中 2000 ℃时仍能保持强度基本不下降。用碳纤维增强碳化硅复合材料,材料在断裂的过程中通过纤维拔出、纤维桥联、裂纹偏转等增韧机制来消耗能量,使材料表现为非脆性断裂。 CMC- SiC 复合材料综合了碳纤维优异的高温性能和碳化硅基体高抗氧化性能,受到了世界各国的高度关注,并广泛应用在航空、航天、光学系统、交通工具等领域。 CMC -SiC 具有高比强、高比模、耐高温、抗烧蚀、抗氧化和低密度等特点, 其密度为 2~ g/cm3 ,仅是高温合金和铌合金的 1/3 ~1/4 ,钨合金的 1/9 ~ 1/10 。CMC -SiC 主要包括碳纤维增韧碳化硅(C/ SiC )和碳化硅纤维增韧[2] 碳化硅(SiC /SiC )两种,由于碳纤维价格便宜且容易获得,因而 C/SiC 成为 SiC 陶瓷基复合材料研究、考核与应用的首选。 CMC -SiC 的应用可覆盖瞬时寿命(数十秒~数百秒)、有限寿命(数十分钟~数十小时)和长寿命(数百小时~上千小时)3 类服役环境的需求。用于瞬时寿命的固体火箭发动机,C/SiC 的使用温度可达 2 800 ~3000 ℃;用于有限寿命的液体火箭发动机,C/SiC 的使用温度可达 2000 ~ 2200 ℃;用于长寿命航空发动机, C/SiC 的使用温度为 1650 ℃,SiC /SiC 为1 450 ℃,提高 SiC 纤维的使用温度是保证 SiC /SiC 用于 1650 ℃的关键。由于 C/SiC 抗氧化性能较 SiC /SiC 差,国内外普遍认为,航空发动机热端部件最终获得应用的应该是 SiC /SiC 。因此 CMC -SiC 被认为是继碳-碳复合材料(C/C) [3] 之后发展的又一新型战略性材料,可大幅度提高现有武器装备和发展未来先进武器装备性能,发达国家都在竞相发展。此外, CMC -SiC 在核能、高速刹车、燃气轮机热端部件、高温气体过滤和热交换器等方面还有广泛应用潜力。 1、我国 CVI - CMC - SiC 制造技术的研究进展 CMC -SiC 的制造方法有反应烧结(RB) ,热压烧结(HP) ,前驱体浸渍热解(PIP) ,反应性熔体渗透(RMI) 以