以下是中國(guó)工程院院士董紹明在一次材料大會(huì)上的主題發(fā)言(節(jié)選)
眾所周知，材料有三大支柱:金屬材料、有機(jī)材料、無(wú)機(jī)材料，其中無(wú)機(jī)材料又分多個(gè)門(mén)類(lèi):水泥、陶瓷、玻璃等，其中先進(jìn)陶瓷和陶瓷基復(fù)合材料是一種全新的結(jié)構(gòu)材料，以陶瓷為基體與各種纖維復(fù)合而成，具有類(lèi)金屬斷裂韌性，對(duì)裂紋不敏感、沒(méi)有災(zāi)難性損毀，能夠在保持傳統(tǒng)陶瓷材料耐高溫、高強(qiáng)度、低密度、耐腐蝕、性能可設(shè)計(jì)強(qiáng)等優(yōu)良性能的同時(shí)，克服其脆性大的致命弱點(diǎn)。
在一些極端服役環(huán)境下，纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料有著金屬材料不可比擬的優(yōu)勢(shì)，因此備受關(guān)注。與其他復(fù)合材料不同，陶瓷基復(fù)合材料的成型工藝相對(duì)復(fù)雜，制備周期長(zhǎng)、成本高，對(duì)設(shè)備的要求高，成品率也難以保證。因此，陶瓷基復(fù)合材料通常應(yīng)用于航空航天、新能源、交通運(yùn)輸?shù)雀呒夹g(shù)領(lǐng)域高精尖領(lǐng)域。
為什么要研究陶瓷基復(fù)合材料?
陶瓷最大的問(wèn)題是脆性，如何改善脆性是材料研究尤其是無(wú)機(jī)非金屬材料研究工作者長(zhǎng)期攻關(guān)的主題。連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料(以下簡(jiǎn)稱(chēng)陶瓷基復(fù)合材料)發(fā)明于20世紀(jì)70年代在法國(guó)波爾多大學(xué)熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了一種化學(xué)氣相沉積的裝置用來(lái)制備陶瓷基復(fù)合材料；
20世紀(jì)80年代這一裝置在工業(yè)上得以使用從而進(jìn)入規(guī)?；瘧?yīng)用;2016年，陶瓷基復(fù)合材料被 應(yīng)用于民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)，大大改進(jìn)了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)性能。歷經(jīng)40多年的發(fā)展，陶瓷基復(fù)合材料已成為戰(zhàn)略性尖端材料，許多國(guó)外機(jī)構(gòu)已具備了陶瓷基復(fù)合材料及構(gòu)件的批量生產(chǎn)能力，并形成了一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。
陶瓷基復(fù)合材料制備技術(shù)
一、是化學(xué)氣相沉積技術(shù)。從20世紀(jì)70年代發(fā)明到20世紀(jì)80年代實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，到20世紀(jì)90年代開(kāi)始在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)通常是一種化學(xué)過(guò)程，它制備周期較長(zhǎng)，在陶瓷生產(chǎn)里有定的局限性。
二、是化學(xué)反應(yīng)熔滲技術(shù)。由于化學(xué)氣相沉積技術(shù)具有一定局限性，因此科學(xué)家們又發(fā)明了RMI技術(shù)，這一技術(shù)始于20世紀(jì)60年代，通過(guò)硅和碳的反應(yīng)制備碳化硅陶瓷。到了20世紀(jì)80年代，這種技術(shù)也被引入到陶瓷基復(fù)合材料的制備當(dāng)中，由于它成本低、可快速制備，得以快速發(fā)展。
三、是有機(jī)前驅(qū)體浸漬裂解技術(shù)。如果化學(xué)里有耐高溫組分，經(jīng)過(guò)高溫?zé)峤鈺?huì)轉(zhuǎn)變成陶瓷，它主要依賴(lài)于先進(jìn)的有機(jī)前軀體。
有了這些制備技術(shù)以后，陶瓷基復(fù)合材料快速向應(yīng)用推進(jìn)。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，一系列美國(guó)軍用發(fā)動(dòng)機(jī)、民用發(fā)動(dòng)機(jī)大量使用陶瓷基復(fù)合材料作為高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)件。自1986年獲得第一個(gè)陶瓷基復(fù)合材料專(zhuān)利以來(lái)，美國(guó)GE公司在30余年里投入近10億美元，研究在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中使用陶瓷基復(fù)合材料制作導(dǎo)向葉片、整流罩、轉(zhuǎn)子葉片、尾噴口葉片等零件，并在可控成本范圍內(nèi)批量生產(chǎn)。
到2020年，以美國(guó)GE公司為代表的企業(yè)通過(guò)研制陶瓷基復(fù)合材料形成了36000個(gè)渦輪置環(huán)，滿(mǎn)足了1200臺(tái)大飛機(jī)C919的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)需求;2019年7月，波音777X研發(fā)的GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)以134300磅的推力成為世界上推力最大的商用噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)(發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù))，打破了吉尼斯世界紀(jì)錄，GE9X就是陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)，從此陶瓷基復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域大展身手。
陶瓷基復(fù)合材料種類(lèi)
陶瓷基復(fù)合材料主要由纖維增強(qiáng)體、陶瓷基體和界面三部分組成。按照基體類(lèi)型，陶瓷基復(fù)合材料主要有碳化硅陶瓷基復(fù)合材料超高溫陶瓷基復(fù)合材料，以及氧化物陶瓷基復(fù)合材料，不同基體的陶瓷基復(fù)合材料特性不同，適用于不同的服役環(huán)境。中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所自20世紀(jì)70年代發(fā)明碳石英復(fù)合材料后，又開(kāi)展了纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料研究，到目前為止已經(jīng)形成完整的陶瓷基復(fù)合材料研發(fā)體系。
碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(以下簡(jiǎn)稱(chēng)Cf/SiC復(fù)合材料)是最早發(fā)展起來(lái)的陶瓷基復(fù)合材料，發(fā)達(dá)國(guó)家在航空航天、新能源、制動(dòng)等領(lǐng)域相繼投入巨資展開(kāi)研究。我國(guó)對(duì)Cf/SiC復(fù)合材料的研究雖起步較晚，但在西北工業(yè)大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所等單位的努力下，Cf/SiC復(fù)合材料的研究和應(yīng)用均取得長(zhǎng)足進(jìn)步，已作為熱結(jié)構(gòu)和空間相機(jī)支撐結(jié)構(gòu)等應(yīng)用于飛行器和高分辨率空間遙感衛(wèi)星。
在研究和應(yīng)用過(guò)程中，Cf/SiC復(fù)合材料的氧化問(wèn)題受到高度關(guān)注，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所針對(duì)Cf/SiC復(fù)合材料中低溫抗氧化性能差的缺點(diǎn)，采用含硼前驅(qū)體(PBN)向基體中引入含硼相制備了具有自愈合功能的Cf/SiC-BN復(fù)合材料。
碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(以下簡(jiǎn)稱(chēng)Sicf/Sic復(fù)合材料)是將SiC纖維增強(qiáng)體引入至SiC陶瓷基體中形成的復(fù)合材料。研究表明，在水蒸氣環(huán)境下，SiC的氧化速率比在氧氣環(huán)境下高一個(gè)數(shù)量級(jí)，導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生更多的孔隙，這些孔隙會(huì)進(jìn)一步加速水氧介質(zhì)的侵入。中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所針對(duì)長(zhǎng)時(shí)間服役Sicf/siC復(fù)合材料開(kāi)展了大量的研究工作，有效提升SiCf/SiC材料的致密程度和抗氧化能力，制備的Sicf/SiC在高溫空氣環(huán)境下具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。
超高溫陶瓷基復(fù)合材料。隨著飛行器技術(shù)的不斷發(fā)展，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭燃燒室以及高超聲速飛行器等對(duì)熱結(jié)構(gòu)、熱防護(hù)材料提出了更高的要求。因此，研發(fā)具有良好抗熱震性、抗氧化、耐燒蝕的超高溫陶瓷基復(fù)合材料成為陶瓷基復(fù)合材料發(fā)展的重要方向近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所圍繞超高溫陶瓷基復(fù)合材料開(kāi)展了持續(xù)深入的研究工作，其針對(duì)常規(guī)RMI方法制備超高溫陶瓷基復(fù)合材料組分難以調(diào)控、纖維/界面損傷等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了基于溶膠一凝膠結(jié)構(gòu)調(diào)控的超高溫陶瓷基復(fù)合材料反應(yīng)熔滲新路線(xiàn)，制備了Cf/Sic-ZrC-ZrB2多組元超高溫陶瓷基復(fù)合材料。
氧化物/氧化物陶瓷基復(fù)合材料。氧化物/氧化物陶瓷基復(fù)合材料是指以高強(qiáng)度氧化物纖維為增強(qiáng)體、氧化物陶瓷為基體的先進(jìn)復(fù)合材料。有別于常規(guī)纖維一基體一界面相三元結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料，氧化物/氧化物陶瓷基復(fù)合材料不存在弱界面相，而是主要利用基體和纖維之間的弱結(jié)合特性實(shí)現(xiàn)纖維的增強(qiáng)效果。
由于我國(guó)此類(lèi)材料研究起步較晚，相關(guān)研究仍以基礎(chǔ)研究為主在材料綜合性能和工程應(yīng)用技術(shù)水平方面與國(guó)外先進(jìn)水平仍存在較大差距，與工程化應(yīng)用尚有很大距離。
近期，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所以美國(guó)3M公司的Nextel720纖維為增強(qiáng)體，通過(guò)調(diào)控AI203溶膠的性質(zhì)，結(jié)合真空袋膜法成型，制備出力學(xué)性能良好的AI203f/AI203陶瓷基復(fù)合材料，其抗彎強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度已達(dá)到國(guó)際同類(lèi)材料的先進(jìn)水平。隨著我國(guó)高性能AI203纖維技術(shù)的不斷進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)高性能低成本AI203f/AI203陶瓷基復(fù)合材料的研發(fā)和國(guó)產(chǎn)化指日可待。
陶瓷基復(fù)合材料展望
隨著航空航天、新能源等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，人們對(duì)高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)材料的性能提出了更高要求，作為極具應(yīng)用前景的高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)材料陶瓷基復(fù)合材料的研究備受關(guān)注，但其發(fā)展及應(yīng)用仍有很多困難需要攻克。通過(guò)材料設(shè)計(jì)、創(chuàng)新制備方法，我們實(shí)現(xiàn)了從1800度到2600度的攻克，支撐了國(guó)家重大裝備的發(fā)展，目前我們的需求是更高的溫度(3000度)、更長(zhǎng)的時(shí)間以及更多次的使用，我們通過(guò)在纖維表面的一個(gè)氣相沉積的技術(shù)，獲得了良好的耐3000度的陶瓷基復(fù)合材料;
在航空發(fā)動(dòng)機(jī)里，我們研制的材料疲勞性的性能也達(dá)到了世界先進(jìn)水平，國(guó)外文獻(xiàn)的最高水平大概在16萬(wàn)次左右，我們的材料可以實(shí)現(xiàn)100萬(wàn)次不斷裂。
第一，陶瓷基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)多元且制備工藝復(fù)雜。目前的研究大多針對(duì)某一參數(shù)對(duì)工藝進(jìn)行改進(jìn)研究，這種方法周期長(zhǎng)且效果不佳。而基于材料的制備原理，借助模擬計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)陶瓷基復(fù)合材料的可控制備是今后改進(jìn)材料工藝的重要途徑；
第二，陶瓷基復(fù)合材料作為熱端結(jié)構(gòu)部件需要承受極短高溫應(yīng)力、水氧、腐蝕等多方作用，在這種復(fù)雜耦合作用下，材料的物相組成、微觀(guān)結(jié)構(gòu)均發(fā)生顯著變化，影響材料的損傷行為以及服役壽命。而目前的研究主要還是分析二元耦合場(chǎng)，與真實(shí)服役環(huán)境相差較大，因此構(gòu)建高溫多場(chǎng)聯(lián)用測(cè)試平臺(tái)，研究多場(chǎng)耦合條件下料的服役行為是推動(dòng)材料向?qū)嶋H應(yīng)用加速發(fā)展的關(guān)鍵手段，目前還缺乏足夠的研究報(bào)道;
第三，由于陶瓷基復(fù)合材料的測(cè)試環(huán)境復(fù)雜且惡劣，目前通常采用離位表征技術(shù)，表征結(jié)果與材料在測(cè)試中真實(shí)狀態(tài)相差較遠(yuǎn)無(wú)法準(zhǔn)確獲得材料的結(jié)構(gòu)演化規(guī)律及機(jī)理。因此，發(fā)展陶瓷基復(fù)合材料多場(chǎng)耦合作用下的原位表征技術(shù)，在線(xiàn)獲得材料在模擬服役環(huán)境下的微結(jié)構(gòu)行為，為研究材料失效行為提供可靠依據(jù)，這一方面還有待深入研究。
一代材料一代技術(shù)，同時(shí)會(huì)帶來(lái)一場(chǎng)工程的變革，材料技術(shù)非常關(guān)鍵，沒(méi)有過(guò)硬的材料、沒(méi)有高性能材料，再好的設(shè)計(jì)理念都無(wú)法實(shí)現(xiàn)盡管我國(guó)在高性能陶瓷纖維方面實(shí)現(xiàn)了工程化技術(shù)突破和產(chǎn)業(yè)化，陶瓷基復(fù)合材料的制備技術(shù)、加工技術(shù)、連接技術(shù)、可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)應(yīng)用技術(shù)等均取得了很大提高，并進(jìn)行了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的多種構(gòu)件設(shè)計(jì)研制與考核，但與歐美及日本等先進(jìn)國(guó)家相比尚存在較大差距。在構(gòu)件考核驗(yàn)證和應(yīng)用方面，我國(guó)尚處于起步階段，應(yīng)用范圍和累計(jì)考核時(shí)間等均非常有限，與國(guó)外工程化應(yīng)用研究相比也存在巨大差距。未來(lái)，加快陶瓷復(fù)合材料的研究有利于推動(dòng)我國(guó)重大裝備的創(chuàng)新與發(fā)展。
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