层状结构陶瓷复合材料

介绍了弱界面结合和强界面结合的两类层状结构陶瓷复合材料的制备方法，独特的韧性等力学性能及增韧机理，裂纹沿界面的完全偏转及层中的残余应力分别是两类复合材料具有特殊力学性能的原因。     

连续纤维增强SiCf/SiC陶瓷复合材料的发展

连续纤维增强SiCf／SiC陶瓷基复合材料具有良好的高温力学性能、抗氧化性和化学稳定性，是航空航天和核能等领域新的高温结构材料研究的热点之一。回顾了增强体连续SiC纤维的发展，综述了SiCf／SiC材料的成型制备工艺、界面相对力学性能的影响和目前的应用研究，展望了连续纤维增强SiCf／SiC陶瓷基复合材料以后的研究重点及发展前景。     

SiCf/SiC陶瓷复合材料的研究进展

SiCf/SiC陶瓷复合材料具有良好的力学性能、高温抗氧化性和化学稳定性，是航空航天和原子能等领域理想的新一代高温结构材料。本文概述了增强体SiCt的发展状况及存在的问题，对SiCt/SiC材料的制备工艺、界面相的研究状态、材料的损伤破坏机理和目前的应用研究进展做了综述，并分析了SiCf/SiC陶瓷复合材料的研究重点和发展前景。     

三维碳化硅/碳化硅陶瓷基编织体复合材料

采用化学气相浸渗法（CVI）,制备出三维Hi-Nicalon SiC/SiC陶瓷基纺织体复合材料,经30hCVI致密化处理后,复合材料的密度达到2．5g.cm^-3。所研制的三维SiC/SiC复合材料不仅具有较高的强度,而且表现出优异的韧性和类似金属材料非灾难性的断裂特征,复合材料的主要功能力学性能指标为：弯曲强度860MPa,断裂位移1．2mm,断裂韧性41．5MPa.m^1/2,断裂功28．1kJ.m^-2,冲击韧性360.0kJ.m^-2。     

SiC晶须增强SiCf/SiC复合材料的力学性能

以连续SiC纤维为增强体,采用前驱体浸渍裂解工艺,在复合材料基体中引入SiC晶须制备出多级增强的SiCf/SiC-SiCw复合材料,并采用化学气相渗透工艺在SiC晶须表面制备BN界面层,研究了SiC晶须及其表面BN界面层对复合材料的性能影响.结果表明:在复合材料中引入SiC晶须后,由于晶须的拔出、桥连及裂纹偏转等作用增加了裂纹在基体中传递时的能量消耗,使SiCf/SiC复合材料的压缩强度有明显提高,当引入体积分数为20％的SiC晶须时,复合材料压缩强度提高了22.6％,可达673.9 MPa.通过化学气相渗透工艺在SiC晶须表面制备BN界面层后,复合材料的拉伸强度、弯曲强度和断裂韧度分别为414.0,800.3 MPa和22.2 MPa·m1/2,较SiC晶须表面无界面层时分别提高了13.9％,8.8％和19.0％.     

SiC/W层状复合材料力学性能与显微结构的研究

用金属钨作为延性层,增韧碳化硅陶瓷,制备了ＳｉＣ／Ｗ层状复合材料,并测试了其力学性能。结果表明,在保持强度不变的同时,断裂韧性提高了１倍。ＸＲＤ和ＳＥＭ分析发现,Ｗ和ＳｉＣ发生化学反应,界面产生新相,增强了层状复合材料的界面结合,但同时降低了金属对陶瓷的增韧效果。     

SiC/Cu层状复合材料的力学性能研究

采用磁控溅射技术制备了SiC/Cu层状复合材料,研究了Cu层厚度对SiC/Cu层状复合材料力学性能的影响。结果表明,保持SiC层厚度为0.5μm不变,层状复合材料的断裂能和极限拉伸强度随Cu层厚度的增大先增加后降低,在Cu层厚度为8μm时出现峰值,断裂能和极限拉伸强度分别为2080.3MJ/m~3和565MPa。分析认为,在拉伸过程中金属Cu层发生塑性变形和Cu层拔出是SiC/Cu层状复合材料力学性能增强的主要原因。     

碳纤维增强C—SiC梯度基复合材料研究

采用ＣＶＩ工艺均热法共沉积技术制备了碳纤维增强Ｃ－ＳｉＣ梯度基复合材料。Ｃ和ＳｉＣ的原料氛分别是Ｃ２Ｈ２ｔ ＣＨ３ＳｉＣｌ３，Ａｒ和Ｈ２分别是载流和稀释气体。基体微观结构的变化通过控制原料气体的成分配比藜得。测试了材料的力学性能、抗氧化性能和摩擦磨损性能。利用金相技术、电子探针成分分析技术、ＴＥＭ和ＳＥＭ技术观察和分析了材料的微观结构。试验结果表明，这种材料的组织结构特点是：在微观上是梯度的，即围     

炭纤维增强TaC基复合材料的力学性能和氧化行为

用化学气相渗透(CVI)方法在准三维针刺炭毡中沉积连续分布的TaC基体,制备出炭纤维增强TaC陶瓷基体C_f/TaC复合材料,研究了材料的力学性能和在1200-1600℃的氧化行为。结果表明,用CVI法可制备密度为5.12 g/cm~3的C_f/TaC复合材料,TaC陶瓷基体由相互平行的细纤维状晶体组成;与C/C材料相比,该复合材料的抗弯强度略低,但表现出较好的延展性断裂行为;在高温氧化过程中,C_f/TaC复合材料主要受气体在氧化层连通孔隙网络结构中的扩散和TaC/Ta_2O_5界面处的反应所控制。     

原位生长法制备CDC/SiC陶瓷基复合材料

碳化硅(SiC)陶瓷具有脆性大、冲击韧性低、加工性能差等缺点大大限制了其应用范围.碳化物衍生碳(CDC)的比表面积高、纳米孔结构发达、孔径分布窄且精确可调,使碳化物衍生碳材料在摩擦自润滑、超级电容器、气体储存、催化剂载体等领域显示了独特的性能优势和广阔的应用前景.原位生长技术具有成本低、易操作、适合工业上批量化生产等优...     

三维碳化硅/碳化硅陶瓷基编织体复合材料

采用化学气相浸渗法（ＣＶＩ）,制备出三维Ｈｉ－ＮｉｃａｌｏｎＳｉＣ／ＳｉＣ陶瓷基编织体复合材料．经３０ｈ ＣＶＩ致密化处理后,复合材料的密度达到 ２５９·ｃｍ－３,所研制的三维 ＳｉＣ／ＳｉＣ复合材料不仅具有较高的强度,而且表现出优异的韧性和类似金属材料非灾难性的断裂特征．复合材料的主要力学性能指标为：弯曲强度 ８６０ＭＰａ,断裂位移 １．２ｍｍ,断裂韧性４１．５ＭＰａ·ｍ１／２,断裂功２８．１ｋＪ·ｍ－２,冲击韧性３６．０ｋＪ·ｍ－２．     

SiC含量对SiCw/Cu复合材料组织与力学性能的影响

为了研究SiCw/Cu复合材料的制备工艺、形成机理,进一步研究SiC含量对材料的组织结构、力学性能的影响.采用热压法和热等静压法制备了不同SiCw含量的SiCw/Cu复合材料,并对复合材料的致密度、显微组织和物相组成、维氏硬度、拉伸和压缩性能进行了研究,对拉伸断口进行分析.结果表明:SiCw有效阻碍Cu基体晶粒的长大,随着SiCw含量的增加,热压制备的SiCw/Cu复合材料的致密度、断后伸长率、拉伸屈服强度下降,而气孔率、维氏硬度与压缩屈服强度显著增加,抗拉强度先增加后降低.热压制备得到的1wt%SiCw/Cu复合材料,具有相对最优的综合力学性能:抗拉强度为156.9 MPa,拉伸屈服强度为112.5 MPa.采用热等静压法制备的3wt%SiCw/Cu复合材料,各方面性能都要优于相同组分的热压材料,抗拉强度达到175.6 Mpa,拉伸屈服强度达到123.2 MPa,维氏硬度达到101.8 HV.复合材料的强度是SiCw的增强作用与孔隙的弱化作用共同作用的结果,SiCw/Cu复合材料的断裂行为既表现出一定的韧性特征,又表现出一定的脆性特征.     

碳模板转化法制备管状SiC/Si复合陶瓷

利用纸作为原材料,通过卷曲、树脂浸渍、碳化预制备出具有层状结构的管状碳模板,之后在1550℃通过原位反应液相渗Si0.5-1h,在常压烧结条件下制备出具有层状结构特征的SiC/Si管状陶瓷复合材料.采用XRD、SEM对碳模板反应前后的物相变化和显微结构进行了研究.结果表明了该材料的最终产物为β-SiC和Si,且两者分布表现出明显的交替成层现象,呈现出层状陶瓷的结构特征.     

单向C/SiC陶瓷基复合材料基体失效机制与强度预测

采用细观力学方法对单向C/SiC陶瓷基复合材料的基体失效机制进行了研究。利用剪滞理论模型和临界基体应变能(CMSE)准则预测了C/SiC陶瓷基复合材料受拉时基体开裂失效过程,获得了单向C/SiC陶瓷基复合材料基体开裂段的应力-应变曲线。并将扩展有限元法(XFEM)用于该开裂过程的模拟,得到了对应的应力-应变曲线。研究结果表明,采用剪滞理论模型、CMSE和采用XFEM得到的计算结果与相关的实验结果三者能较好地吻合,证明了计算方法的有效性。     

自加热化学气相法制备连续碳纤维增强碳化硅复合材料

通过自加热化学气相渗积法制备了Cf/SiC复合材料，对其力学性能进行了测试与分析，运用SEM对复合材料显微结构和断口形貌进行了分析，研究表明：自加热化学气相渗积法具有较快的渗积速率；气体流量的适度增加可改善复合材料的性能；碳涂层的厚度对复合材料的力学性能有较大的影响，适合的涂层厚度在0.35～0.55μm之间。     

CBS玻璃/堇青石陶瓷复合材料制备与性能

采用电子陶瓷工艺制备了一系列钙硼硅玻璃／堇青石陶瓷复合材料，堇青石含量分别为50％，60％，70％和80％（质量分数）。对复合材料进行了X射线衍射分析、扫描电镜（SEM）观察和性能测试。结果表明：复合材料的介电常数和热膨胀系数随陶瓷含量的增加而减小，显微硬度随陶瓷含量的增加而增加。堇青石的加入抑制了钙硼硅玻璃中石英的析出，并生成了新相钙长石，其数量随堇青石和烧结温度的增加而增加，但它没有恶化复合材料的物理性能。所制得的复合材料具有高的相对密度（≥96％）、低的介电常数（～6）、低的介电损耗（0.3％～0．5％）、低的热膨胀系数（4．2×10^-6℃^-1～5．2×10^-6℃^-1）和低的烧结温度（≤950℃），有望用作介电材料和基板材料。     

炭纤维增强C/SiC双基体复合材料的制备及性能(英文)

以针刺炭纤维整体毡为预制体,联用化学气相沉积法与熔融渗硅法制得炭纤维增强C/SiC双基体(C/C-SiC)复合材料;研究了C/C-Si材料的显微结构、力学性能和不同制动速度下的摩擦磨损性能及机理。结果表明:C/C-SiC材料具有适中的纤维/基体界面结合强度,弯曲强度和压缩强度分别达240MPa和210MPa,具有摩擦系数高(0.41～0.54),磨损小(0.02cm3/MJ),摩擦性能稳定等特点.随着制动速度提高,C/C-Si材料的摩擦磨损机制也随之变化:在低速制动条件下主要表现为磨粒磨损;中速时以黏着磨损为主;高速时以疲劳磨损和氧化磨损为主。     

Recent advances in understanding the reinforcing ability and mechanism of carbon nanotubes in ceramic matrix composites

Since the discovery of carbon nanotubes (CNTs), commonly referred to as ultimate reinforcement, the main purpose for fabricating CNT–ceramic matrix composites has been mainly to improve the fracture toughness and strength of the ceramic matrix materials. However, there have been many studies reporting marginal improvements or even the degradation of mechanical properties. On the other hand, those studies claiming noticeable toughening measured using indentation, which is an indirect/unreliable characterization method, have not demonstrated the responsible mechanisms applicable to the nanoscale, flexible CNTs; instead, those studies proposed those classical methods applicable to microscale fiber/whisker reinforced ceramics without showing any convincing evidence of load transfer to the CNTs. Therefore, the ability of CNTs to directly improve the macroscopic mechanical properties of structural ceramics has been strongly questioned and debated in the last ten years. In order to properly discuss the reinforcing ability (and possible mechanisms) of CNTs in a ceramic host material, there are three fundamental questions to our knowledge at both the nanoscale and macroscale levels that need to be addressed: (1) does the intrinsic load-bearing ability of CNTs change when embedded in a ceramic host matrix?; (2) when there is an intimate atomic-level interface without any chemical reaction with the matrix, could one expect any load transfer to the CNTs along with effective load bearing by them during crack propagation?; and (3) considering their nanometer-scale dimensions, flexibility and radial softness, are the CNTs able to improve the mechanical properties of the host ceramic matrix at the macroscale when individually, intimately and uniformly dispersed? If so, how? Also, what is the effect of CNT concentration in such a defect-free composite system? Here, we briefly review the recent studies addressing the above fundamental questions. In particular, we discuss the new reinforcing mechanism at the nanoscale responsible for unprecedented, simultaneous mechanical improvements and highlight the scalable processing method enabling the fabrication of defect-free CNT-concentered ceramics and CNT-graded composites with unprecedented properties. Finally, possible future directions will be briefly presented.     

原位合成SiC-BN复合陶瓷设计与热力学研究

采用原位合成的方法设计并制备了SiC-BN复合陶瓷.通过热力学计算,选择了制备SiC-BN复合陶瓷的反应方程式,并通过进一步的计算,选择合适的烧结工艺保证了反应方程式Si3N4 B4C 2C=3SiC 4BN不会受到副反应的影响.通过实验验证此反应在1 700℃能够反应完成,生成β-SiC和h-BN.