先驱体转化陶瓷基复合材料的性能及应用研究进展

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1、先驱体转化陶瓷基复合材料的性能及应用研究进展摘要：先驱体转化法是近些年发展起来的制备陶瓷基复合材料（CMCs）的新方法。该方法工艺简单，制备温度低，可通过先驱体分子设计制备出所需组成和结构的陶瓷基体，是一种很有前途的制备连续纤维增强陶瓷基复合材料（CFRCMCs）的工艺。所谓先驱体陶瓷（又称前驱体）转化陶瓷是通过化学合成的方法制得可经预处理转化为陶瓷材料的聚合物，进而热处理获得传统陶瓷工艺难以获得的先进陶瓷材料。本文综述了先驱体转化陶瓷的发展历史、制备技术的特点、制备工艺、组成结构和性能的发展变化研究现状情况。关键词：陶瓷基复合材料；先驱体转化法；技术特点；成型工艺；发展趋势。陶瓷材料作为一种

2、结构材料，因其具有高强度、高硬度、耐磨损、耐高温和抗腐蚀等优异性能，能应用于高温和某些苛刻环境中，被认为是21世纪高温结构部件最有希望的候选材料和“最终材料的梦想”。其作为热结构材料主要应用在航空航天发动机涡轮的热端部件、大功率内燃机的增压涡轮、固体火箭发动机燃烧室和喷管以及完全代替金属的车辆发动机。然而，作为结构材料，单相陶瓷的韧性很低，可瞬间即发生灾难性破坏，因此必须改善单相陶瓷的韧性。从材料的断裂机理分析，提高陶瓷韧性的主要途径是：在陶瓷材料中设置其他耗能机制或形成能阻碍裂纹扩展的机制。引入增强相是改善陶瓷韧性的有效途径，为此材料研究者提出了陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix

3、Composites，CMCs）的概念。CMCs是在陶瓷基体中通过引入第二相来提高强度和韧性的多相材料，又称多相复合陶瓷或复相陶瓷。先驱体转化法制备连续纤维增强陶瓷基复合材料(Continuous Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites，CFCC)是将耐高温的纤维植入陶瓷基体中形成的一种高性能复合材料。由于其具有高强度和高韧性，特别是具有与普通陶瓷不同的非失效性断裂方式，使其受到世界各国的极大关注。连续纤维增强陶瓷基复合材料已经开始在航天航空、国防等领域得到广泛应用。1. 先驱体陶瓷基复合材料的发展历史先驱体陶瓷技术在陶瓷纤维制备过程中的成功极大地

4、推动了先驱体转化法技术的发展，以先驱体制备陶瓷材料为对象的研究主要包括陶瓷基复合材料的制备、陶瓷先驱体的合成两方面的内容。早在1964年就有研究学者提出了无机聚合物可作为陶瓷的先驱体的概念。先驱体陶瓷早期的开拓性研究主要由法国Verbeek和日本的Yajima等完成，Verbeek首先采用三聚甲基硅烷与甲胺反应，然后经缩合反应获得一种脆性的固态含硅碳氮树脂，纺丝、熔化、烧结后可获得无定型结构的陶瓷纤维，Yajima在前人的基础上对制备工艺进行了优化，其研究成果迅速在日本实现了产业化，该纤维具有优异的性能，拉伸强度为2.53.2GPa，拉伸模量为180200GPa，耐高温达1200，抗酸碱腐蚀和

5、抗高温氧化。1992年美国Seyferth对陶瓷先驱体进行了系统深入的评述，总结了陶瓷先驱体化学的研究方向。以道康灵公司为牵头单位开展了用聚合物浸渍/裂解（PIP）工艺制备技术研究，结果表明，陶瓷先驱体聚合物浸渍/裂解工艺是制备大型复杂CMCs构件的最有效方法。20世纪末到21世纪初先驱体陶瓷迅速在航天领域得到了应用，如德国戴姆勒克莱斯勒宇航（DASA）公司利用缠绕成型和PIP技术制备Cf/SiC复合材料防热构件，复合材料密度1.8g/cm3，拉伸、压缩和弯曲强度分别达到了270MPa、370MPa和530MPa，表面温度可达13101590，表面没有明显的退化和质量损失现象。2. 先驱体陶瓷

6、基复合材料技术的特点2.1 先驱体法制备陶瓷基复合材料的技术特点先驱体转化陶瓷工艺具有传统陶瓷工艺无法比拟的众多优点，先驱体陶瓷技术涉及采用化学方法合成先驱体低聚物或聚合物，然后成型、热解得到陶瓷，因而该技术可集有机高分子和陶瓷两大材料的优点。（1）分子的可设计性：可通过分子设计对先驱体组成、结构进行设计和优化，进而实现陶瓷纤维及其复合材料组成与结构设计。（2）良好的工艺性：陶瓷先驱体属于有机高分子，具有高分子工艺性较好的优点，可纺成丝，可模塑成型，也可移植树脂基复合材料成熟的制备工艺和设备。（3）可低温陶瓷化：陶瓷先驱体可在不加烧结助剂下低温（8001200）实现陶瓷化，低温烧结有利于降低能

7、耗和成本，提高陶瓷材料的高温蠕变性能。（4）陶瓷材料的可加工性：陶瓷先驱体可作为各类增强剂的粘结剂，经成型热解后，可获得强度较好、密度低的中间产品，可实施精加工，然后通过多次浸渍和热解先驱体达到陶瓷构件的致密化。2.2 先驱体法制备纤维增韧陶瓷基复合材料的特点20世纪70年代初，Aveston在连续纤维增韧聚合物基复合材料（FRPMCs）和纤维增韧金属基复合材料（FRMMCs）研究的基础上，提出了纤维增韧陶瓷基复合材料的概念，是提高陶瓷材料强度和韧性的最有效途径。而对于纤维增强陶瓷基复合材料，纤维的完整性和分布状态、纤维体积分数、基体致密度和均匀性、气孔的体积分数、纤维与基体的界面结合强度等因

8、素决定材料的最终性能，经工艺的改革与创新，先驱体浸渍/裂解转化陶瓷工艺是制备陶瓷基复合材料最有效的方法。纤维增韧陶瓷基复合材料的主要特点是：（1）高比强度和高比模量。为强化陶瓷基体的力学性能，所选择的纤维的比强度和比模量要比基体材料的高得多。（2）性能的可设计性。可以通过对相组成的选择（化学相容性）、物理性能的匹配以及制备工艺对复合材料性能进行优化设计。（3）性能各向异性。可通过性能设计和一定的成型工艺，制备符合实际需要的性能各项异性的材料。（4）破坏非灾难性。当复合材料受载产生裂纹扩展时，高强度、高模量的纤维通过多种耗能机制，如纤维的脱粘、桥接和拔出等，提高材料的韧性，防止出现脆性断裂。3.

9、 先驱体陶瓷基复合材料构件的成型工艺3.1 缠绕成型-裂解工艺纤维缠绕成型工艺是将连续的纤维粗纱或布带浸渍树脂胶液，连续地缠绕在相应于制品内腔尺寸的芯模或内衬上，然后在室温或加热条件下使之固化制成一定形状制品的方法。该工艺制得的材料比强度高，可实现产品等强度结构，因此该工艺主要用于制备圆柱体、球体及某些正曲线回转体（球、罐等）。先驱体陶瓷结构体也可采用纤维缠绕成型技术制备，其工艺过程是将连续或纤维布带浸渍先驱体和陶瓷粉体组成的浆料，连续地缠绕在相应的石墨芯模上，经加热使先驱体固化后得到构件生坯，然后将生坯连同石墨芯模一起在高温裂解炉中使先驱体转化为陶瓷基体，构件脱模后经多次浸渍和裂解先驱体致密

10、化，即可获得制品。3.2 模压成型-裂解工艺先驱体法制备陶瓷基复合材料借鉴树脂基复合材料层压模压工艺生产大尺寸异形构件，即将纤维布或者织物裁剪成所需形状，预先浸渍先驱体或在模具中与先驱体混合，加温加压使先驱体交联固化并成型，进而高温裂解使先驱体转化为陶瓷基体，再通过多次浸渍和裂解处理即可得到陶瓷基复合材料构件。4. 陶瓷基复合材料的应用和发展趋势陶瓷基复合材料经过了实验室基础研究和工艺探索阶段，研究方向已逐渐向应用研究上转移，研究内容包括复杂形状构件的结构设计与成型加工技术、应用环境下的性能考核与评估技术。目前CMCs的应用对象主要是飞行器热防护系统、火箭发动机燃烧室、航空涡轮发动机、超燃冲压

11、发动机等热结构件以及石油化工等耐高温、抗腐蚀的结构件上，材料体系主要为Cf/SiC和SiC /SiC。Cf/SiC复合材料昏死制作抗烧蚀表面隔热板的良好材料，目前航天器重返大气层保温材料主要是Cf/SiC复合材料，利用Cf/SiC复合材料代替原有金属材料能够降低50%的质量、提高系统安全性与可靠性，通过延长使用时间降低成本，同时实现耐烧蚀、隔热、承载等结构功能一体化。使用Cf/SiC复合材料制备发动机构件可以提高发动机的燃烧温度从而提高发动机的效率，同时由于Cf/SiC复合材料的轻质高强，可以大大减小发动机的质量，提高工作效率。在石油工业中，目前已成功制备燃烧器输油管、导向叶片、热交换器管、石

12、油精炼管吊钩等产品。除上述应用外，Cf/SiC复合材料的摩擦系数高，抗磨性能好，可作为耐磨性材料；还可作高超声速火箭发动机燃烧室的发汗材料，原子能反应堆中核燃料的包装材料，装甲防弹材料和飞机驾驶员的防弹用品等。因此，陶瓷基复合材料在众多领域有着广泛的应用前景。5. 结论纤维增韧是解决脆性的主要途径之一，要获得性能满足要求的陶瓷基复合材料，先驱体裂解转化陶瓷工艺充分发挥了有机高分子先驱体成形优异的特点，进而热处理获得传统陶瓷工艺难以获得的先进陶瓷材料。碳纤维增强碳化硅（Cf/SiC）复合材料它不仅应用于航空航天发动机的耐热部件、可重复使用运载器的热防护材料系统和高超音速运输推进系统等，而且在核能

13、、高速刹车、燃气轮机热端部件、高温气体过滤和热交换器等领域有广泛的应用潜力。参考文献1 赵大方,王海哲,李效东等.先驱体转化法制备SiC纤维的研究进展J.无机材料学报2009,24(6):1097-1104.2 楚增勇,冯春祥,宋永才等.先驱体转化法连续SiC纤维国内外研究与开发现状J.无机材料学报,2002,17(2):193-201.3 陈朝辉,李永清,张长瑞,杜善义等.先驱体法陶瓷基复合材料研究的进展,哈尔滨工业大学，2000.133.4 Morishita, K,Ochiai, S,Okuda, H et al.Fracture toughness of a crystalline s

14、ilicon carbide fiber (Tyranno-SA3(R)J.Journal of the American Ceramic Society,2006,89(8):2571-2576.DOI:10.1111/j.1551-2916.2006.01116.x.5 陈朝辉.先驱体结构陶瓷.长沙:国防科学技术大学出版社，2003.下面是赠送的经典语录和搞笑语录，不需要的朋友可以下载后不急删除！谢谢！ 【感人的话】要学会感恩、同情、宽容、忍耐、积极与真诚。希望是心灵的一种支持力量.逆境的回馈，使生命将更加精彩而富足. 【感人的话】每个人的好运跟坏运都是分配好的，虽然我的好运没有别人多，所

15、以只要是一点点好事，我就非常感恩了。 【祝福的话】这里有一本你当年用过的笔记，它有点儿泛黄了，书页里夹着的话也早已没了香气，却还是谢谢你把它借给了我。今天的我们已经分开，却依然是朋友。还是要跟以前一样，我听着你的述说，看着你笑，看着你难过委屈去安慰你。我会把祝福写在这本笔记里，在那多枯黄的花的旁边，我会写下我的祝福：祝福你过得好！祝福你过得比我好！然后，将它寄给你。不要哭泣，你。 【表白的话】爱你是一个念头，爱你是一种冲动，爱你是一种宿命，只属于我的宿命。爱你是一段旅程，爱你是一场幸福的长跑，爱你是一路沐浴阳光，爱你是一径的花香。爱你，是睡觉呼吸一般的自然！请，给我你的爱。 【有哲理的话】世上

16、有三种人：一是良心被狗吃了的人，二是良心没被狗吃的人，三是良心连狗都不吃的人. 【激励人的话】如果你看到面前的阴影，别怕，那是因为你的背后有阳光。 【感人的话】 一身白衣为你洗尽铅华，白衣白发白胜雪，捧一卷古墨，盈袭暗香，我踏着平平仄仄的长长短短，款款步入风情万种的宋词里。溪边桃红青染，流水潺潺，柳丝随风絮，我在桃花下写着红笺小字，一抹嫣然回眸，惊落了桃花，也惊落了你的心。佛说千年一轮回，今生，你在哪里？ 【有哲理的话】母爱是一滴甘露，亲吻干涸的泥土，它用细雨的温情，用钻石的坚毅，期待着闪着碎光的泥土的肥沃；母爱不是人生中的一个凝固点，而是一条流动的河，这条河造就了我们生命中美丽的情感之景。

17、【表白的话】我深深地恳求你；不要把我逐出你的爱门之外，我一分一秒也不能缺少你的爱。只有赢得你的爱，我的生命才有光彩。 【表白的话】爱你，却要无欲无求，好难！爱你，却要偷偷摸摸，好累！爱你，却让自己心碎，好惨！但竟然心甘情愿，好傻！但是我能肯定的是：我是真的很爱你！ 【表白的话】我扬一把散沙粒粒想念漫天纷飞带给我对你的祝福，我洒下一瓢涟水滴滴飘洋流到你的心海，爱你，今生无悔，牵了你的情，爱了你的人，我会努力呵护你，一生一世！ 【表白的话】你的热情，温暖了我冰冻的心；你的大胆，鼓起了我爱的热忱；你的关怀，激起了我感激之情。新年伊始，愿我们透过那爱湖的波光水雾，一起憧憬美好的未来。情人节快乐！ 【表

18、白的话】也许我的笑容不够灿烂，但足够为你扫清冬日里的阴霾；也许我的双手不够温柔，但还能为你拂去俗世尘埃！如果命运安排我们在一起，我会好好珍惜你！情人节快乐！ 【甜言蜜语的话】我们结婚吧，好不好？那样我们就可以不再对着电话诉说想念，就可以每天清晨起来看见你的睡脸，然后一起吃一顿不太丰盛却很温暖的早餐。我们结婚吧，好不好？那样我们就可以拿着民政局发的红色小本子四处炫耀，我们可以在房间里挂满结婚照，看着看着就会不自觉的微笑。我们结婚吧。 【表白的话】我需要你，就像冬天里的棉袄，夏天里的雪糕，黑暗中的灯泡，饥饿中的面包我不能没有你！ 【有哲理的话】用真理检验真理永远是真理，用错误掩饰错误将会一错再错。

19、我们不能拥有真理，但是我们可以防止错误。 【离别的话】愿你作一滴晶亮的水，投射到浩瀚的大海；作一朵鲜美的花，组成百花满园；作一丝闪光的纤维，绣织出鲜红的战旗；作一颗小小的螺丝钉，一辈子坚守自己的岗位 【离别的话】我们曾经在一起欣赏过美丽的花；我们曾经在一起幻想过美丽的季节。同学啊，同学，分别后不要忘了我们曾经一起走过的日子。 【离别的话】红叶纷飞的枫林里，我们曾拥有多少回忆。那飘舞着的枫叶，将我们带进一个无比美妙的境界。 【离别的话】别离，是有点难舍，但不怅然；是有点遗憾，但不悲观。因为我们有相逢的希望在安慰。 【有哲理的话】人活着，第一要紧的事情就是要有眼光。有了眼光，并相应确定应该为之努力

20、的目的和目标，工作就会出现乐趣，这样才有希望最终成为一个事业和生活的成功者，生命就会丰富多彩。 【有哲理的话】在真相肯定永无人知的情况下，一个人的所作所为能显示他的品格。有些事情的确没有人知道，除你之外，没有人知道，但是你必须对得住自己，最好能问心无愧。因为问心无愧可生自信，而自信会让你生活得更从容。 【有哲理的话】没有任何的动物是比蚂蚁更勤奋，然而它却是最沉默寡言的。与其埋怨世界，不如改变自己。管好自己的心，做好自己的事，比什么都强。人生无完美，曲折亦风景。别把失去看得过重，放弃是另一种拥有；不要经常艳羡他人，人做到了，心悟到了，相信属于你的风景就在下一个拐弯处。 【有哲理的话】有些人成就不

21、大，不在于智力或能力不够，而在于没有克服自己心理上的弱点和谬见，没有充分发挥自己既有的潜力和才能。只有不断向自己挑战，向生活挑战，才能取得更大成功。 【有哲理的话】面对别人的反对意见，如果你针锋相对地进行争执和批驳，对方很难从内心真正接受，在表达方式上委婉一些，效果就好多了。 【有哲理的话】当我们放眼这个世界的时候，如果以自我为中心，很可能会以为自己了不起，可一旦我们把心歇下来，用赤子之心来观察，就会发现我们是多么渺小。我们什么时候都能看清自己不如人的地方，那就是对生命有真正信心的时候。 【有哲理的话】胸有平常心，幸福自然来。人的心态如同琴上的弦，太紧则易断，太松则无音，只有松紧适度，才能弹出

22、美妙之音。保持一颗平常心，才是人生的真谛。怀一颗平常心，看淡得失，超越成败，不为物欲所迷，不被烦恼所扰，明心见性，随缘自适。平常心，是一种人生态度，也是一种生活智慧。 【有哲理的话】绝大多数人都喜欢嘲笑别人，而不愿意被别人嘲笑。在别人处于尴尬境遇时，你如果能通过自己出丑来减少他的难堪，他一定对你非常感激。 【有哲理的话】对于胸怀大志的有志之士和勤奋努力的人来说，障碍是不会起什么作用的。他们会说：不会再有什么困难能拦得住我了。只要有百折不挠的信念，就会战胜许多强大的阻力。 【有哲理的话】成功地推销自己是迈向成功的第一步。在推销自己的过程中，多动脑筋，设计一些小花样，就容易引起别人的兴趣和关注。搞

23、笑语录 一次，同事几个去美国，到超市买东西，用济南话讨论，有个美国人过来用标准的济南话说：“你们是济南的？！”暴汗，原来这老外是以前战争时期留在中国的美国人后代，同事问他：“那你英文怎么样啊？”老外一拍大腿道：“英语太他妈难学了！”哈哈，有木有笑趴啊。 公司加班到半夜，所有人都眼皮打架，一姑娘哀叹：“我现在真想变成一个因字。”众问其故，姑娘说：“就是一个人四肢平摊躺在大床上。”话音刚落，旁边一男同事嘟囔：“困。” 一先生感冒去医院挂吊针，护士小姐很麻利的给这位先生插上针挂好盐水，一个多小时过去了，盐水瓶的水打完了，护士过来马上又换上一瓶。这先生不解，问护士小姐说：“小姐，处方单上不是只开了一瓶

24、吗？”护士小姐指着打完盐水的空瓶盖说，“先生，您运气真好，这瓶中奖了，再来一瓶！” 一退休老头，闲来无事就教鹦鹉说话，每天早上必教：“早上好！”可惜！几个月后，鹦鹉仍不开口。一日，老头心情不佳，未教。只听鹦鹉大叫：“老头，今天牛了！连好也不问了啊！” 白雪公主逃出王宫，来到森林，看到一间小木屋，里面排列着七张小小的床。白雪公主就躺下睡着了。傍晚七个小人回来了，白雪公主说：“你们就是我命中的七个小矮人吧。” 七个人面面相觑，然后说：“你走错地方了，我们是金刚葫芦娃。” 爷孙三人去钓鱼，爷爷拿着鱼杆发呆，孙子看到后对爸爸说：“瞧瞧，你爹在那发呆，跟傻B 似的。”爸爸打了儿子一耳光生气的喊道：“你爹

25、才傻B 呢！” 作业做了很久，顺手打开收音机，一个温柔的声音传出：“如果肤色粉红，脸上的绒毛细嫩柔软，那么说明很健康”听到这里，忍不住摸了自己的脸，对镜顾盼，再笑一笑，样子健康可爱。这时，又听播音员说道：“好，听众朋友，这次我们的养猪知识讲座就到这里。” 话说上技校时我们班为机电八班。某日，学校组织拔河比赛。我们班对战二班。二百女生加时喊：“机二，加油机二，加油”我们班女生也学着人家喊：“机八，加油机八，加油”我滴个神！ 出差，刚出车站就来一大婶：“小伙子，住旅馆呀？”我说：“不用。”大婶马上换成暧昧的语气：“有小姑娘哟，很漂亮的。”我汗，说：“不要小姑娘。”大婶立刻改口：“老姑娘，老姑娘也有

26、，便宜一点。”再汗，说：“我不要姑娘。”大婶沉默了下，小声说：“那个，小伙子也是有的！” 一哥们儿隔壁新搬来个老外，一天晚上老外敲门求助，说：“我的电视坏了，不能换台。”这哥们儿低头看了眼表，很镇定的说：“过了七点半就好了” 有个懒人，懒得出奇。妻子要切面条，叫他到邻家借个面板。他说：“不用借了，就在我背上切吧！”妻子在他背上切完面条，问他：“痛不痛？”他说：“痛，我也懒得吱声。” 一只青蛙给牧师打电话，问自己的命运。牧师说：“明年，有一个年轻的姑娘会来了解你。”青蛙高兴的蹦了起来：“哦，真的吗？是在王子的婚礼上吗？”牧师说：“不，是在她明年的生物课上。” 几个人在高尔夫更衣室，一手机响很久，

27、一男人按了免提键。女：“亲爱的你在俱乐部吗？”男：“在。”女：“我看到一辆宝马，才不到两百万。”男人：“买。”女：“还有那个楼盘又放盘了， 6万一平。”男：“买。”女：“好爱你。”男：“也爱你。”旁边的男人们敬佩得目瞪口呆。男人挂了电话，问：“这是谁的手机？” 深夜，老公未归。女儿心急给妈打电话：“妈！他还没回来，一定有别的女人了！”妈妈轻声安慰：“傻孩子，乖，别净往坏处想，兴许是出车祸了！” 一男子在闹市骑摩托撞昏了一个陌生的老汉！男子惊吓得不知所措！围观群众越来越多！突然，该男抱住老汉，声泪俱下的喊道：“爹，你等着我，我这就去给你找医生！”说后，就跑掉了。老汉挣扎着愤怒的喊道：“给老子回来！”众人纷纷感慨：“这儿子当的真孝顺！”