中國(guó)粉體網(wǎng)訊 伴隨高性能纖維如碳纖維、碳化硅纖維和氧化鋁纖維的不斷出現(xiàn)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料日益受到人們的關(guān)注，尤其是擁有高性價(jià)比的氧化鋁纖維增強(qiáng)氧化鋁基復(fù)合材料，成為航空航天領(lǐng)域的新興候選材料。
一、為何高性價(jià)比
氧化鋁纖維是目前超輕質(zhì)高溫絕熱材料之一，其長(zhǎng)期使用溫度可以達(dá)到1300~1400℃，具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。氧化鋁纖維增強(qiáng)氧化鋁復(fù)合材料（簡(jiǎn)稱Al2O3/Al2O3復(fù)合材料）相較于傳統(tǒng)金屬材料，具有低密度、高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、抗磨損等特點(diǎn)，力學(xué)性能更強(qiáng)，可靠性更高。與非氧化物陶瓷基復(fù)合材料相比，具有較好的抗水蒸氣氧化性能，在高溫富氧、富含水汽的載荷工況下，不會(huì)因?yàn)檠趸纬蔀?zāi)難性斷裂，可以在嚴(yán)苛的環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用。此外，Al2O3/Al2O3復(fù)合材料的粉體原料成本較低，生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，使得大批量生產(chǎn)成為可能。因此，Al2O3/Al2O3復(fù)合材料極大地拓寬了陶瓷基復(fù)合材料在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用。
圖1 Passport20發(fā)動(dòng)機(jī)采用的Al2O3/Al2O3復(fù)合材料整流罩、排氣混合器和中心錐（圖源：航空動(dòng)力）
二、為何堅(jiān)韌
在Al2O3/Al2O3復(fù)合材料中，基體材料將復(fù)合材料所受載荷通過(guò)一定的方式傳遞給氧化鋁增強(qiáng)纖維并為復(fù)合材料提供韌性和塑性，而氧化鋁增強(qiáng)纖維承受絕大部分外力，是復(fù)合材料的主要承載單元。其增強(qiáng)原理如下：
典型的氧化物陶瓷基復(fù)合材料斷裂過(guò)程可明顯地分為基體斷裂、界面解離、纖維斷裂以及纖維拔出等4個(gè)階段，每個(gè)階段都會(huì)消耗較多能量，其中以纖維拔出所消耗的能量最多。在Al2O3/Al2O3復(fù)合材料中，氧化鋁纖維均勻分布在氧化鋁陶瓷材料中，當(dāng)外力作用于復(fù)合材料時(shí)，氧化鋁陶瓷基體會(huì)將一部分負(fù)荷傳遞到氧化鋁纖維上，從而減少本身的負(fù)荷。當(dāng)氧化鋁纖維承受應(yīng)力大于其本身強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)發(fā)生纖維斷裂，斷裂的氧化鋁纖維會(huì)從陶瓷基體材料中拔出，消耗了裂紋的擴(kuò)散能。
圖2 纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料斷裂過(guò)程（圖源：氧化鋁纖維增強(qiáng)氧化鋯/氧化鋁復(fù)合材料制備工藝研究）
當(dāng)裂紋擴(kuò)展到纖維時(shí)，在不均勻的內(nèi)應(yīng)力和界面相的共同影響下，裂紋會(huì)沿氧化鋁纖維周圍表面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而消耗裂紋的擴(kuò)展能。由于裂紋偏轉(zhuǎn)，裂紋擴(kuò)展路徑呈現(xiàn)鋸齒狀，增加了裂紋的表面能，從而起到了增強(qiáng)效果。
圖3 纖維的裂紋偏轉(zhuǎn)（圖源：中國(guó)耐火材料行業(yè)協(xié)會(huì)）
裂紋在復(fù)合材料基體中形成并發(fā)生擴(kuò)展后，在其尖端尾部會(huì)形成一個(gè)由氧化鋁纖維構(gòu)成的橋聯(lián)區(qū)，橋聯(lián)區(qū)的出現(xiàn)將使裂紋在擴(kuò)展中消耗更多的能量。同時(shí)，氧化鋁纖維對(duì)裂紋也起到了釘扎作用，阻礙了裂紋的擴(kuò)展。
圖4 裂紋橋聯(lián)機(jī)理（圖源：中國(guó)耐火材料行業(yè)協(xié)會(huì)）
三、如何制備
Al2O3/Al2O3復(fù)合材料制備工藝的核心是將Al2O3基體引入Al2O3纖維編織件中，目前常用的制備方法分為固相法和液相法兩種。
固相法需將Al2O3漿料浸入Al2O3纖維編織件后進(jìn)行加壓燒結(jié)，最終形成復(fù)合材料。固相法最常用的制備工藝為漿料浸滲-燒結(jié)工藝，這種方法操作簡(jiǎn)單、制備周期短，可以實(shí)現(xiàn)一次燒結(jié)成型，避免了多次燒結(jié)后出現(xiàn)纖維受損和復(fù)合材料的力學(xué)性能下降問(wèn)題。此外，漿料-浸漬工藝能夠制備高性能的三維Al2O3/Al2O3復(fù)合材料，可以解決二維Al2O3/Al2O3復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度較低的問(wèn)題。
液相法需制備Al2O3前驅(qū)體，使用前驅(qū)體浸漬Al2O3纖維編織件，經(jīng)高溫處理將前驅(qū)體轉(zhuǎn)變?yōu)锳l2O3基體，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的制備。溶膠-凝膠工藝是液相法最常用的制備方法。該方法原料來(lái)源廣、成本低、操作簡(jiǎn)單、技術(shù)要求低，是目前使用最廣泛的Al2O3/Al2O3復(fù)合材料制造工藝。Al2O3溶膠干燥溫度和燒結(jié)溫度都較低，避免了多次高溫導(dǎo)致復(fù)合材料性能下降的問(wèn)題。
四、如何增強(qiáng)
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由增強(qiáng)相、基體相和界面相三部分組成，在Al2O3/Al2O3復(fù)合材料中，增強(qiáng)相是氧化鋁纖維。雖然陶瓷基體和纖維本身都是脆性材料，但通過(guò)對(duì)界面進(jìn)行合理的選取與設(shè)計(jì)，復(fù)合材料也能夠表現(xiàn)出一定的韌性。因此，界面是改善陶瓷材料脆性的關(guān)鍵。
作為連接氧化鋁纖維與氧化鋁基體的橋梁，一方面，界面相要與纖維和基體有良好的物理和化學(xué)相容性，另一方面，界面相會(huì)對(duì)復(fù)合材料的性能存在影響，因此，界面相與纖維和基體之間要有一個(gè)適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合強(qiáng)度。若結(jié)合強(qiáng)度過(guò)大，復(fù)合材料可能會(huì)出現(xiàn)脆性斷裂以及力學(xué)性能下降等問(wèn)題；若界面結(jié)合強(qiáng)度過(guò)小，載荷不能通過(guò)界面?zhèn)鬟f給纖維，那么氧化鋁纖維的增強(qiáng)作用就會(huì)減弱。目前，熱解碳(PyC)、氮化硼(BN)和獨(dú)居石(LaPO4)是Al2O3/Al2O3復(fù)合材料中常用的三種界面相。
圖5 Al2O3/Al2O3復(fù)合材料的三相
1.熱解碳(PyC)界面相
熱解碳是一種廣泛應(yīng)用的界面相材料。熱解碳與氧化鋁纖維之間具有良好的相容性，能有效阻擋纖維和基體間的元素?cái)U(kuò)散。熱解碳具有特殊的層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間通過(guò)范德瓦爾斯力結(jié)合，非常有利于裂紋偏轉(zhuǎn)，阻止復(fù)合材料發(fā)生脆性斷裂，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。
圖6 熱解碳涂層（圖源：偉基碳科技）
2.氮化硼(BN)界面相
氮化硼具有與熱解碳相類似的層狀結(jié)構(gòu)，在復(fù)合材料中引入氮化硼界面相后，在復(fù)合材料受到外力時(shí)，裂紋可沿界面層擴(kuò)展，起到保護(hù)纖維和提高復(fù)合材料力學(xué)性能的作用。相較于熱解碳涂層，氮化硼的抗氧化性能較好。然而，其缺點(diǎn)在于，氮化硼在高于850℃的氧化環(huán)境下可與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成具有揮發(fā)性的B2O3，從而導(dǎo)致氮化硼界面相消失。
圖7 氮化硼纖維涂層（圖源：天元航材）
3.獨(dú)居石（LaPO4）界面相
獨(dú)居石類物質(zhì)是最常見(jiàn)的滿足裂紋偏轉(zhuǎn)需求的弱氧化物界面層。獨(dú)居石具有熔點(diǎn)高（>2000℃）、硬度低的特點(diǎn)，與氧化鋁的結(jié)合力較弱，并且在高溫下能夠與氧化鋁穩(wěn)定共存，因此應(yīng)用最為廣泛。在受到外力作用時(shí)，獨(dú)居石可以通過(guò)滑移、解離和孿晶等機(jī)制有效偏轉(zhuǎn)裂紋，提升復(fù)合材料的力學(xué)性能。獨(dú)居石在高溫下會(huì)在表面形成一層連續(xù)致密的反應(yīng)層，保護(hù)纖維不被高溫侵蝕，可以提高復(fù)合材料的穩(wěn)定性。
圖8 獨(dú)居石（圖源：國(guó)家?guī)r礦化石標(biāo)本資源共享平臺(tái)）
氧化鋁纖維增強(qiáng)氧化鋁基復(fù)合材料已成為新一代備受國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注的航空航天熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，未來(lái)應(yīng)用前景廣闊。
參考來(lái)源：
[1]孫敬偉等，氧化鋁纖維增強(qiáng)氧化鋁基復(fù)合材料研究進(jìn)展
[2]王軍剛，氧化鋁纖維增強(qiáng)氧化鋯/氧化鋁復(fù)合材料制備工藝研究
[3]楊瑞，氧化物/氧化物陶瓷基復(fù)合材料及其制備工藝研究進(jìn)展
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/梧桐)
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