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碳化硅复合陶瓷的研究现状及其应用

曾星华

长安大学材料科学与工程学院

摘要碳／碳化硅(C／SiC)陶瓷基复合材料是重要的热结构材料体系之

一。综述了近年来发展的有关制备C／SiC陶瓷基复合材料的各种技术及其在航空

航天、光学系统、空间技术、交通Z-具(刹车片、阀)、能源技术等领域的应用，

并且综述了烧结助剂含量对液相烧结SiC陶瓷抗氧化性的影响、三维针刺碳/碳化

硅陶瓷基复合材料及其摩擦磨损性能以及二维C/SiC复合材料的拉伸损伤演变

过程和微观结构特征等必威体育精装版研究成果。

关键字碳化硅陶瓷基复合材料制备技术力学性能抗氧化性液相烧结

1.引言

陶瓷基复合材料（CMC)是在陶瓷基体中引入第二相材料，使之增强、增韧的

多相材料，又称为多相复合陶瓷或复相陶瓷.陶瓷基复合材料是2O世纪8O年代逐

渐发展起来的新型陶瓷材料，包括纤维(或晶须)增韧(或增强)陶瓷基复合材料、

异相颗粒弥散强化复相陶瓷、原位生长陶瓷复合材料、梯度功能复合陶瓷及纳米

陶瓷复合材料。其因具有耐高温、耐磨、抗高温蠕变、热导率低、热膨胀系数低、

耐化学腐蚀、强度高、硬度大及介电、透波等特点，在有机材料基和金属材料基

不能满足性能要求的情况下可以得到广泛应用，成为理想的高温结构材料。陶瓷

基复合材料正是人们预计在21世纪中可替代金属及其合金的发动机热端结构的

首选材料。鉴于此，许多国家都在积极开展陶瓷基复合材料的研究，大大拓宽了

其应用领域，并相继研究出各种制备新技术，其中，C／SiC陶瓷基复合材料是其

中一个非常重要的体系。C／SiC陶瓷基复合材料主要有两种类型，即碳纤维／碳

化硅和碳颗粒／碳化硅陶瓷基复合材料。碳纤维／碳化硅陶瓷基复合材料是利用

碳纤维来增强增韧SiC陶瓷，从而改善陶瓷的脆性，实现高温结构材料所必需的

性能，如抗氧化、耐高温、耐腐蚀等；碳颗粒／碳化硅陶瓷基复合材料是利用碳

颗粒来降低SiC陶瓷的硬度，实现结构陶瓷的可加工性能，同时具有良好的抗氧

化性、耐腐蚀、自润滑等。

本文主要综述了C／SiC陶瓷基复合材料的制备、研究现状及其成果（烧结助

剂含量对其抗氧化性的影响、三维针刺碳/碳化硅陶瓷基复合材料及其摩擦磨损

性能、二维C/SiC复合材料的拉伸损伤演变过程和微观结构特征等），并且从结构

和功能一体化的角度，提出了采用软机械力化学法制备C与SiC复合粉体，通过无

压烧结得到强度、抗氧化性、耐腐蚀等性能以满足普通民用工业用的碳颗粒／碳

化硅陶瓷基复合材料的制备技术及应用前景。陶瓷基复合材料的性能与其结构紧

密相关，原材料、结构和工艺不同，材料的性能也不同。构成复合材料的组分材

料包括纤维、基体和界面，对于C／SiC陶瓷基复合材料而言，界面的材料和结构

是影响其性能的关键。陶瓷基复合材料的性能包括物理化学性能和力学性能，物

化性能主要有密度、孔隙率、线膨胀系数、热扩散系数、热导率、比热容、抗氧

化等，力学性能主要有强度、模量、断裂韧性、疲劳、高温蠕变、抗热震性、耐

烧蚀、摩擦耐磨性等性能。

C／SiC陶瓷基复合材的主要应用前景：刹车材料、航空航天用热结构材料（在

航空发动机上的应用、在航天飞行器上的应用）、卫星反射镜用材料、核聚变第

一壁、液体火箭发动机导弹端头帽及卫星窗框上等。

2.碳化硅复合陶瓷的各种制备工艺

2.1前驱体有机聚合物浸渍热解转化技术

将前驱体有机聚合物浸渍热解(裂解)转化(Polymerin—filtration

pyrolysis，简称PIP)以制备陶瓷基复合材料是2O世纪7O年代至80年代发展起来

的新工艺和新技术。其基本原理是：合成前驱体有机聚合物，将纤维预制体在前

驱体溶液中浸渍，在一定条件下交联固化，然后在一定的温度和气氛下热解转化

为陶瓷基体，经反复浸渍热解最终获得致密陶瓷基复合材料。YajimaS曾以聚碳

硅烷(Polycarbosi—lane，简称PCS)为原料制备出SiC纤维，开创了有机聚合制

备陶瓷的新领域。2O世纪8O年代中期掀起了对PIP技术制备陶瓷基复合材料的研

究热潮，2O多年来，日本、美国、法国和中国等在PIP技术制备陶瓷基复合材料

领域展开了广泛深入的研究，并取得了一些实用化的成果。简科等将先驱体聚碳

硅烷与二乙烯基苯按物质的量比1:0.4配置成溶液，真空浸渍碳纤维三维编织体，

120℃下交联固化6h，经过一段时间后取出，然后在氩气保护下高温热解，制得

三维