（大連理工大學(xué)航空航天學(xué)院，大連 116024）

連續(xù)纖維增韌高溫陶瓷基（本文指非氧化物SiC纖維和C纖維增韌SiC基復(fù)合材料：SiCf/SiC，Cf/SiC）復(fù)合材料目前是一類非常有競爭力的極端環(huán)境熱結(jié)構(gòu)候選材料。其典型應(yīng)用包括：新型飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件以及其他民用動(dòng)力裝置的關(guān)鍵部件；先進(jìn)核能系統(tǒng)中作為燃料包殼和面向高溫等離子體材料及高溫?zé)峤粨Q材料；高性能制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件材料等。這些系統(tǒng)的服役環(huán)境對(duì)材料要求極為苛刻，傳統(tǒng)材料對(duì)性能提升具有一定的局限性，而陶瓷基復(fù)合材料除了具有耐高溫、高比強(qiáng)度、高比模量、高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)等一系列優(yōu)良性能外，還具有基體致密度高、耐熱震、抗燒蝕、耐輻照及低放射活性、抗疲勞和抗蠕變等特性，展現(xiàn)了優(yōu)越的高溫?zé)崃W(xué)性能和微觀組織穩(wěn)定性，是一種集結(jié)構(gòu)承載和耐苛刻環(huán)境的輕質(zhì)新型復(fù)合材料，在空天飛行器的防熱/隔熱系統(tǒng)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)以及先進(jìn)核能等耐高溫部件上擁有巨大的應(yīng)用潛力[1-8]。該類材料的使用可以大幅提高新型飛行器的防熱和抗熱震性能，減少結(jié)構(gòu)自重，提高飛行器的安全可靠性，以及提升有效載荷和動(dòng)力系統(tǒng)效率。就Cf/SiC復(fù)合材料而言，由于其優(yōu)異的干/濕和動(dòng)/靜摩擦性能、輕質(zhì)高強(qiáng)、耐磨損/磨蝕、制動(dòng)性能高以及相對(duì)高的性價(jià)比，在航空和地面載運(yùn)工具制動(dòng)系統(tǒng)中是極具競爭力的高性能制動(dòng)材料[1-2,6,8]。本文針對(duì)近年來纖維增韌高溫陶瓷基復(fù)合材料的研發(fā)設(shè)計(jì)、制備及服役環(huán)境對(duì)材料性能的影響進(jìn)行了綜述，并對(duì)該類材料未來的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

作為工程結(jié)構(gòu)材料，與傳統(tǒng)單體陶瓷相比，復(fù)合材料的最大優(yōu)點(diǎn)是具有非脆性破壞方式。在連續(xù)纖維增韌復(fù)合材料中，纖維通過界面層與基體進(jìn)行有機(jī)復(fù)合，因此纖維、界面層和基體被看作是復(fù)合材料的3要素。在載荷作用下，連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料斷裂韌性的提高主要?dú)w因于纖維與基體之間相互作用的能量耗散機(jī)制，如圖1所示。當(dāng)基體裂紋發(fā)生時(shí)，裂紋將沿基體-纖維的界面偏折，并通過纖維架橋和纖維滑移來消耗外力做功。特別是纖維架橋能夠抑制微裂紋的擴(kuò)展和減小裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子。在實(shí)際工程領(lǐng)域，往往要根據(jù)材料的服役環(huán)境，對(duì)材料的基體、界面和纖維進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和選擇，從而體現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能的可設(shè)計(jì)性。

典型纖維增韌體

對(duì)于纖維增韌高溫陶瓷基復(fù)合材料，其制備工藝溫度往往高達(dá)1000℃以上。因此，在復(fù)合材料制備過程中，為避免高工藝溫度導(dǎo)致的纖維性能降級(jí)，需要增韌體纖維的制造溫度必須高于復(fù)合材料的制備工藝溫度。目前滿足這一條件且被廣泛應(yīng)用的典型增韌體有碳纖維和碳化硅纖維。

1 碳纖維增韌體

根據(jù)碳纖維制備所采用的不同先驅(qū)體，碳纖維可以分為粘膠基碳纖維（Rayon-based carbon fiber）、聚丙烯腈基碳纖維（PAN-based carbon fiber）和瀝青基碳纖維（Pitch-based carbon fiber）。不同級(jí)別碳纖維的性能主要取決于先驅(qū)體、工藝技術(shù)和最終的熱處理溫度[9-10]。然而，根據(jù)纖維的最終熱處理溫度不同，碳纖維又可以分為不同類別，如表1[2]所示。同時(shí)表2列出了不同制造商所提供的纖維性能[2]，這些性能在實(shí)際情況中可能會(huì)有所變動(dòng)，表中所列的纖維價(jià)格主要是針對(duì)常規(guī)類型，對(duì)于航空航天應(yīng)用，由于較高的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，纖維實(shí)際價(jià)格往往要比表2中高15%～25%。

2 碳化硅纖維增韌體

圖1 纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料裂紋擴(kuò)展原理Fig.1 Crack propagation principle for improved toughness in CMCs

表1 不同纖維分類及其力學(xué)和物理性能

SiC纖維作為復(fù)合材料的主要載荷承受體，直接影響著復(fù)合材料的綜合性能。從20世紀(jì)70年代首次合成SiC纖維，發(fā)展到目前為止，根據(jù)SiC纖維的制備工藝、成分及結(jié)晶度，SiC纖維的發(fā)展可概括為3代[11-12]，如圖2所示。相關(guān)的基本性能比較如表3[11-17]所示。

第一代SiC纖維主要是以Nicalon（NL200）作為代表，該纖維由SiC納米晶（平均晶粒尺寸1～2nm）和大量的SiCxOy非晶相和游離碳組成，其抗氧化性能和高溫?zé)岱€(wěn)定性比較差。當(dāng)使用溫度高于1200℃以上，大量的SiCxOy分解導(dǎo)致纖維晶粒顯著生長和結(jié)構(gòu)破壞，其力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)嚴(yán)重劣化。為了改善SiC纖維的高溫穩(wěn)定性和抗氧化性能，在1990年，采用電子束輻照和熔融紡絲技術(shù)制備了以Hi-Nicalon（HNL）為代表的第二代SiC纖維，該纖維中氧含量明顯降低，高溫力學(xué)性能和微觀組織穩(wěn)定性進(jìn)一步得到改善。但是該纖維不僅含有SiC納米晶（平均晶粒尺寸5nm），而且還含有質(zhì)量0.5%的過量碳，這會(huì)影響纖維在高溫氧化環(huán)境下的抗蠕變性能和抗氧化能力。為了進(jìn)一步改善SiC纖維在超高溫（高于1600℃）環(huán)境下的穩(wěn)定性，第三代以Hi-Nicalon Type S （HNLS）和Tyranno SA （TySA）為代表的SiC纖維被研制成功，該纖維在成分上近化學(xué)計(jì)量比并且具有高SiC結(jié)晶度，第三代SiC纖維的晶粒尺寸較大（在20～200nm之間），具有極為優(yōu)異的高溫力學(xué)性能和微觀組織穩(wěn)定性。

圖3展示了不同SiC纖維在高溫下的力學(xué)行為[18]。可以看出：（1）HNL纖維的晶粒在1400℃開始長大；（2）在1600℃以下，HNLS和TySA纖維幾乎沒有產(chǎn)生力學(xué)性能降級(jí)，同時(shí)HNLS和TySA纖維的晶粒也幾乎沒有變化，然而更高的溫度引起了HNLS纖維的晶粒生長，但TySA纖維僅顯示了微小的晶粒粗化，TySA纖維在接近2000℃時(shí)依然展示了優(yōu)越的超高溫力學(xué)性能。對(duì)于微觀組織的穩(wěn)定性，也可以通過下面的數(shù)據(jù)對(duì)比看到，未經(jīng)高溫的SiC纖維的結(jié)晶尺寸為4.0nm（HNL）、11.4nm（HNLS）、22.7nm（TySA），經(jīng)過1900℃高溫的SiC纖維的結(jié)晶尺寸分別為15.5nm（HNL）、30.3nm（HNLS）、25.5nm（TySA）。

表2 不同制造商所提供的纖維性能

圖2 碳化硅纖維的發(fā)展歷程Fig.2 Development of SiC-based fibers

圖4是不同SiC纖維經(jīng)過高溫試驗(yàn)后表面和斷口橫截面的微觀形貌。可以看到，與原始纖維相比，HNL纖維在1400℃以下，表面幾乎沒有變化。在1400℃以上，HNL纖維表面有輕微的粗化。但在1780℃纖維表面變得疏松，并且有很多大晶粒附著在表面上。從橫截面觀察，纖維體內(nèi)沒有觀察到明顯的晶粒變化，這是由于過量的游離碳分布在晶界抑制了晶粒的生長。對(duì)于HNLS纖維而言，1600℃高溫沒有引起微觀組織的變化，當(dāng)溫度高于1600℃時(shí)，盡管有單個(gè)的大晶粒生長現(xiàn)象，但纖維的大部分表面仍然保持光滑，與原始纖維相比沒有明顯的結(jié)構(gòu)降級(jí)。在1780℃，纖維的表面有很多的單個(gè)晶粒，但基體結(jié)構(gòu)仍然比較密實(shí)。TySA纖維展示了一個(gè)非常優(yōu)越的微觀組織熱穩(wěn)定性，即使在1900℃，也很難觀察到明顯的微觀組織變化。同時(shí)，從斷口的照片可以看到，原始SiC纖維的斷裂起源于內(nèi)部缺陷，但是1600℃，大多數(shù)HNL和HNLS纖維的斷裂起源于表面缺陷，這是由于在拉應(yīng)力作用下，表面缺陷容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致裂紋優(yōu)先從缺陷發(fā)起。在1900℃，TySA纖維斷口組織和原始纖維相比，幾乎沒有什么變化。

圖3 不同SiC纖維在高溫下的力學(xué)性能Fig.3 Mechanical properties of different SiC fibers at different temperatures

表3 商用SiC纖維基本性能

圖4 不同SiC纖維經(jīng)過高溫試驗(yàn)后表面和斷口截面的顯微照片F(xiàn)ig.4 Fractography and surface morphology of different fibers after high temperature tests

3 其他增韌體

碳納米管（Carbon nanotube）、碳納米纖維（Carbon nanofiber）、SiC晶須 （SiC whisker）、SiC納米線（SiC nanowire）和SiC納米纖維（SiC nanofiber）等材料具有極高的楊氏模量和拉伸強(qiáng)度，目前也是較為理想的增韌體[19-23]。對(duì)于納米纖維增韌復(fù)合材料，它們的直徑一般在100nm以內(nèi)，而且長徑比一般大于100。但是由于納米材料在引入過程中受到分布均勻性的限制，其引入量往往有限。這類增韌材料一般作為次級(jí)增韌材料與碳纖維或碳化硅纖維結(jié)合，形成一個(gè)多尺度協(xié)同增韌體。兼并不同尺度增韌相的優(yōu)點(diǎn)，充分發(fā)揮多尺度復(fù)合效應(yīng)，減少微米級(jí)纖維增韌復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)缺陷，使得材料性能更加優(yōu)越和穩(wěn)定。

在實(shí)際應(yīng)用中，纖維束往往要被編織成各種預(yù)制體。由于碳纖維的各向異性，因此預(yù)制體的編織要考慮減小制備中所產(chǎn)生的熱應(yīng)力和在不同方向上的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。預(yù)制體的編織設(shè)計(jì)往往包括結(jié)構(gòu)工程、機(jī)械工程和紡織工程，預(yù)制體根據(jù)實(shí)際構(gòu)件需求被編織成各種復(fù)雜的幾何形狀。纖維預(yù)制體是多孔結(jié)構(gòu)，可以采用特定的工藝形成致密體。對(duì)于預(yù)制體編織中纖維的分布和取向主要有如下5種方式：

（1）UD預(yù)制體。這是一種最為簡單的預(yù)制體形式，主要是將纖維束按一個(gè)方向平行分布排列，并采用聚合物粘結(jié)劑去獲得所要求的纖維體積分?jǐn)?shù)和幾何形狀。這些聚合物粘結(jié)劑可以在高溫惰性氛圍環(huán)境下轉(zhuǎn)化為碳基體。

（2）2D預(yù)制體。主要是采用纖維布進(jìn)行層層鋪疊而成，而在疊層中可以對(duì)每一層纖維的取向進(jìn)行調(diào)整。這種預(yù)制體在平行于纖維的兩個(gè)方向上具有較好的熱力學(xué)性能，但是在層厚方向上，力學(xué)性能較差。而且2D預(yù)制體的層間結(jié)合較弱，易發(fā)生脫層現(xiàn)象。為了克服層間脫層問題，有時(shí)候采用2.5D預(yù)制體結(jié)構(gòu)。

（3）2.5D預(yù)制體。為了消除2D預(yù)制體的脫層問題，常采用纖維束對(duì)鋪層纖維布進(jìn)行縫合。與層間纖維含量相比，縫合纖維的體積分?jǐn)?shù)相對(duì)比較低，把這種預(yù)制體稱為2.5D預(yù)制體結(jié)構(gòu)。這種預(yù)制體結(jié)構(gòu)比較通用。

（4）3D預(yù)制體。這種結(jié)構(gòu)是采用多重纖維束在3個(gè)相互垂直的方向上進(jìn)行纖維編織，為了獲得最大的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在每一個(gè)方向上纖維束都是平直分布的。顯而易見，與以上預(yù)制體結(jié)構(gòu)相比，3D預(yù)制體最大限度地弱化了材料的各向異性，但強(qiáng)度會(huì)相對(duì)降低。3D預(yù)制體結(jié)構(gòu)在火箭噴管和超音速飛行器前緣應(yīng)用較多。對(duì)于3D錐形預(yù)制體結(jié)構(gòu)，缺點(diǎn)之一是在厚度截面方向上纖維體積分?jǐn)?shù)的不均勻分布性，這在一定程度上會(huì)影響復(fù)合材料的熱力學(xué)性能。

（5）4D預(yù)制體。4D預(yù)制體結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一個(gè)改進(jìn)版的3D預(yù)制體結(jié)構(gòu)，主要是在纖維面對(duì)角線方向上引入了纖維，從而使得材料的各向同性顯著提高。這種較為復(fù)雜的預(yù)制體結(jié)構(gòu)主要用于再入式導(dǎo)彈的鼻錐和火箭噴管的喉襯部分。

基體-纖維界面層

界面層是在基體形成前通過CVD（Chemical Vapor Deposition）或CVI（Chemical Vapor Infiltration）工藝沉積在纖維表面的一種涂層材料（典型厚度為0.1～1μm）。界面層作為載荷從基體到纖維傳遞的一個(gè)過渡區(qū)，其主要功能是捕獲和偏折基體裂紋，被看作是影響復(fù)合材料力學(xué)性能和使用壽命的一個(gè)關(guān)鍵因素。特別是當(dāng)基體的失效應(yīng)變低于纖維時(shí)，界面在一定程度上能承受應(yīng)力引起的損傷，中斷裂紋在基體中的擴(kuò)展，從而提高脆性基體的韌性。因此，在陶瓷基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)及制備中，對(duì)基體-纖維界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選材和界面結(jié)合強(qiáng)度的控制是至關(guān)重要的。如果基體-纖維界面結(jié)合強(qiáng)度過高，在載荷作用下，界面難以觸發(fā)脫粘，使得纖維拔出困難，導(dǎo)致纖維拔出臨界長度過短，纖維主要起補(bǔ)強(qiáng)作用，但難以起到增韌基體的作用，因此復(fù)合材料主要以脆性的方式發(fā)生斷裂。反之，如果基體-纖維界面結(jié)合強(qiáng)度過弱，纖維容易從基體中脫粘，發(fā)生滑移并拔出，容易導(dǎo)致纖維拔出臨界長度過長，此時(shí)纖維可以顯著增韌基體，但復(fù)合材料整體強(qiáng)度會(huì)明顯下降。如圖5所示，只有當(dāng)基體-纖維結(jié)合強(qiáng)度適中時(shí)，基體應(yīng)變和纖維應(yīng)變能夠較好地匹配，并通過纖維在基體中的滑移、拔出和架橋等作用機(jī)理，將纖維拔出臨界長度控制在適度范圍內(nèi)，復(fù)合材料才能以混合型方式失效，從而達(dá)到纖維對(duì)基體的補(bǔ)強(qiáng)和增韌效果。因此適中的纖維-基體界面結(jié)合強(qiáng)度可以使得復(fù)合材料不僅具有較高的強(qiáng)度，而且有利于韌性的改善。

對(duì)于基體-纖維界面層，目前主要的結(jié)構(gòu)形式有[1,24-25]：單層熱解碳（PyC）界面涂層、單層六方氮化硼（BN）界面涂層、單層多孔SiC界面涂層，多層SiC或BN界面涂層、多層（PyC-SiC）n或（BN-SiC）n界面涂層。不同界面層及其裂紋擴(kuò)展模式如圖6所示。

由于碳界面層的柔性本質(zhì)，對(duì)裂紋偏折方面非常有效，但其對(duì)有氧環(huán)境非常敏感。大量的研究結(jié)果表明[24-27]，多層界面結(jié)構(gòu)是一種比較好的界面形式。對(duì)于多層界面涂層，在涂層內(nèi)部，層與層之間結(jié)合較弱，而界面層與纖維表面結(jié)合較強(qiáng)，因此當(dāng)基體裂紋進(jìn)入界面層內(nèi)后，會(huì)沿平行于纖維表面的界面層多次偏折。在多數(shù)情況下，界面層不僅充當(dāng)著“力學(xué)的保險(xiǎn)”，而且也充當(dāng)著環(huán)境障礙涂層（Environmental Barrier Coating，EBC）。當(dāng)應(yīng)力高于復(fù)合材料基體的比例極限應(yīng)力（Proportional Limit Stress，PLS），基體會(huì)產(chǎn)生大量的微裂紋，微裂紋密度和擴(kuò)展取決于纖維增韌體的結(jié)構(gòu)形式及其與基體的界面層形式。熱力耦合環(huán)境將會(huì)加速氧化介質(zhì)沿裂紋路徑的擴(kuò)散，從而加速對(duì)氧敏感的界面層和纖維的性能劣化。BN與SiC這兩種界面層對(duì)于阻止或減緩氧向材料內(nèi)部的擴(kuò)散非常有效。這主要是由于這兩類材料在不同的溫度下能分別產(chǎn)生B2O3和SiO2玻璃相，而且在高溫下，B2O3和SiO2呈液態(tài)且具有較高的粘性。這些粘性玻璃相將填充在微裂紋的縫隙里，有效阻止氧的進(jìn)一步擴(kuò)散，從而阻止或減緩復(fù)合材料的氧化，改善復(fù)合材料的高溫耐久性。

圖5 界面結(jié)合強(qiáng)度對(duì)復(fù)合材料的強(qiáng)韌性影響機(jī)理Fig.5 Schematic illustration for the influence of interface bonding strength on the strengthening and toughening of fiber-reinforced ceramic matrix composites

圖6 基體-纖維界面層類型及其裂紋擴(kuò)展模式Fig.6 Interphase type and the crack extending mode

圖7 采用不同界面層制備的SiCf/SiC復(fù)合材料在高溫大氣環(huán)境測試后的掃描電鏡斷口形貌Fig.7 Fracture micro-morphology of SiCf/SiC composites with different interphase after a flexural test in the high temperature air environment

圖7所示為采用PyC和BN界面層制備的SiCf/SiC復(fù)合材料在高溫大氣環(huán)境測試后的掃描電鏡斷口形貌。從圖7（a）中發(fā)現(xiàn)了明顯的纖維拔出且纖維拔出長度較大，這是由于在高溫大氣環(huán)境中PyC界面層發(fā)生氧化消耗，在纖維-基體的界面層之間出現(xiàn)了溝槽，纖維和基體相之間的過渡層減少或消失，導(dǎo)致SiC纖維和基體容易發(fā)生相對(duì)滑移。圖7（b）為采用BN界面層的SiCf/SiC復(fù)合材料在高溫大氣環(huán)境測試后的局部斷口照片，可以看到斷口表面被一層含有大量氣泡的B2O3玻璃相所覆蓋，從而對(duì)環(huán)境中氧的侵入起到了很好的密封作用。

SiC陶瓷基復(fù)合材料的制備

在20世紀(jì)90年代，SiC陶瓷基復(fù)合材料的研發(fā)主要集中在美國、日本和歐洲的一些國家[1-2,28-30]。我國近些年來在這方面的研究也取得了長足的進(jìn)步，在材料整體開發(fā)和應(yīng)用方面已躋身于國際先進(jìn)行列[31]。目前，纖維增韌SiC陶瓷基復(fù)合材料的典型工藝技術(shù)路線主要有氣相和液相路線。采用的制備工藝包括化學(xué)氣相浸漬工藝（Chemical Vapor Infiltration，CVI）、聚合物浸漬裂解法（Polymer Impregnation Pyrolysis，PIP）、液相燒結(jié)法（Liquid Phase Sintering，LPS）和反應(yīng)熔體滲透工藝（Reactive Melt Infiltration，RMI）等。

1 CVI工藝

圖8 化學(xué)氣相浸漬工藝的基本原理Fig.8 Schematic illustration of CVI fabrication process

CVI工藝主要是基于氣相技術(shù)路線，是目前制備纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料最為廣泛的方法之一。其浸漬原理如圖8所示。該工藝與其他工藝相容性好，能夠多尺度實(shí)現(xiàn)材料表面、界面和基體的協(xié)同制備，具有較強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性和可制造性[1,32-33]。

通過該工藝，可以獲得高純度的陶瓷基體，同時(shí)由于該工藝所需溫度較低（900～1100℃），對(duì)纖維的熱損傷較少。另外，還可以利用該工藝來沉積纖維的界面層和復(fù)合材料的表面涂層，用于調(diào)控材料中纖維-基體的界面結(jié)合強(qiáng)度以及改善制備材料的熱力學(xué)穩(wěn)定性。其中界面層和基體的沉積主要是基于如下反應(yīng)：

其中X為F、Cl。

上述反應(yīng)（1）中，CH3SiCl3是沉積SiC基體最常用的反應(yīng)氣體，易于獲得化學(xué)結(jié)構(gòu)式的SiC基體，具有很寬的沉積溫度范圍，而H2往往被用作載體。反應(yīng)（3）可以用來在纖維表面沉積BN涂層。由于氣態(tài)先驅(qū)體在預(yù)制體中的傳輸靠擴(kuò)散作用，為了獲得致密的基體，在CVI工藝過程中，保持纖維預(yù)制體內(nèi)的開孔就顯得至為關(guān)鍵。通常是在預(yù)制體中施加一個(gè)方向溫度梯度，并保持孔隙入口處較低的溫度場。也可以通過表面加工消除過早封閉而切斷氣源傳輸通道的孔洞，使得傳輸通道重新打開并保持暢通。

目前，最通用的CVI工藝技術(shù)是I（Isothermal/Isobaric）-CVI，通過I-CVI工藝，可以近凈成型并制備不同形狀和尺寸的薄壁結(jié)構(gòu)件，但是該工藝由于采用較低的制備溫度和壓力，其致密化速度低、沉積周期長。為了提高基體沉積速率，又發(fā)展了脈沖壓力P（Pressure-pulsed）-CVI工藝。在P-CVI工藝中，要周期性地對(duì)預(yù)制體內(nèi)充入氣體先驅(qū)物，并讓其在預(yù)制體內(nèi)滯留一定的時(shí)間，然后再抽空，如此反復(fù)，便可以在預(yù)制體內(nèi)較快地沉積基體。利用該工藝，通過引入反應(yīng)式（1）～（3）中不同的氣體先驅(qū)體，就可以獲得高度工程化的纖維界面層（C、BN）和SiC基體。為進(jìn)一步提高基體的密實(shí)度，后來又發(fā)展了F（Force）-CVI工藝，F(xiàn)-CVI工藝是通過在預(yù)制體上施加一個(gè)壓力梯度，通過較快的對(duì)流質(zhì)量傳輸代替慢擴(kuò)散質(zhì)量傳輸，使得沉積速率進(jìn)一步加快。盡管采用一些技術(shù)已經(jīng)大大改善了基體的致密化過程，但這些不同CVI工藝制備的復(fù)合材料中，往往含有10%～15%的殘余孔隙率。另外，在CVI沉積工藝過程中，在預(yù)制體入口孔隙處周圍氣體濃度高且伴隨有氣體產(chǎn)物的逸出，從而導(dǎo)致預(yù)制體入口處基體沉積速度過快，容易封閉入口或在入口處形成密度梯度，需要反復(fù)加工打開孔隙開口再沉積，導(dǎo)致沉積周期長，不適合厚度較大構(gòu)件的制備；并且CVI設(shè)備復(fù)雜，沉積工藝過程易受環(huán)境與構(gòu)件形狀等因素影響，使得工藝參數(shù)（如氣體流量、前驅(qū)體揮發(fā)溫度、沉積室溫度及其分布等）控制困難；此外，CVI過程中會(huì)產(chǎn)生大量腐蝕性氣體如HCl，需要進(jìn)行特別處理。因此，該工藝雖然是一個(gè)比較成熟的工業(yè)技術(shù)路線，但是對(duì)于工藝的控制精度和設(shè)備的要求均較高。

2 PIP工藝

與CVI工藝相比，PIP工藝具有一些明顯的技術(shù)優(yōu)勢。該工藝原理上更容易制備大尺寸復(fù)雜形狀的構(gòu)件，而且對(duì)于厚壁復(fù)合材料部件，也更容易形成致密的基體。在PIP工藝中，纖維預(yù)制體被滲入含Si-C的先驅(qū)體。為了能夠獲得較高的陶瓷產(chǎn)額，先驅(qū)體要與纖維有較好的潤濕性，并且粘度要足夠低，以保證能夠充分滲入纖維預(yù)制體內(nèi)的孔隙中，然后通過氧化、γ-射線或電子束輻照進(jìn)行交聯(lián)固化，最后在1000～1200℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行高溫裂解，以獲得陶瓷基體[1-2,34]，圖9為典型的PIP工藝流程圖[2]。

在PIP工藝中，對(duì)于SiC陶瓷基體的形成，可以選用不同的先驅(qū)物，例如聚碳硅烷（Polycarbosilane，PCS）和聚乙烯基硅烷（Poly-vinylsilane，PVS）等[1,34-35]。采用PVS作為基體先驅(qū)體具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）在室溫下呈液態(tài)，在大約377℃可以固化，因此在室溫很容易浸滲到預(yù)制體的孔隙中；（2）在升溫過程中，能發(fā)生連續(xù)相變，利于清除裂解氣體產(chǎn)物，通過輔助以熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing，HIP）或熱壓工藝（Hot Pressing，HP）可以最大限度地減小孔隙率。缺點(diǎn)是由于高分子先驅(qū)體裂解后陶瓷產(chǎn)額比較低，往往需要對(duì)預(yù)制體進(jìn)行多次循環(huán)浸滲（典型的是6～10次，甚至更多），從而獲得較高的基體致密度。如采用PCS作為基體先驅(qū)體，根據(jù)裂解氛圍可以發(fā)生如下反應(yīng)：

從反應(yīng)式（4）和（5）中可以發(fā)現(xiàn)PCS先驅(qū)體的裂解產(chǎn)物可以是SiC+C基體，也可以是純SiC基體。由于裂解溫度相對(duì)較低，該工藝可以顯著減少纖維受到的機(jī)械和熱損傷，但實(shí)際上，即使在惰性氣體環(huán)境，裂解產(chǎn)物中的部分C也會(huì)作為氣體逃逸掉，因此基體會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的收縮，從而形成大量裂紋，破壞材料的結(jié)構(gòu)完整性，影響最終復(fù)合材料的性能。另外，多次的循環(huán)浸滲會(huì)增加復(fù)合材料的制造成本和周期，降低經(jīng)濟(jì)性。通過在浸滲過程中添加細(xì)小的SiC陶瓷顆粒，與其他助劑的混合物作為填充物可以減少浸滲次數(shù)。但總體而言，低成本高性能陶瓷先前軀體是目前PIP工藝要解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。

3 LPS工藝

在LPS工藝中，首先采用CVD或CVI工藝對(duì)纖維預(yù)制體沉積界面層，然后將預(yù)制體放置在成型模具中，將調(diào)制好的含有分散劑和燒結(jié)助劑的細(xì)陶瓷料漿注入纖維預(yù)制體中，然后干燥、加壓，在真空條件下高溫?zé)Y(jié)[1,36]，其制備工藝原理如圖10所示。但是對(duì)高熔點(diǎn)SiC陶瓷基體燒結(jié)而言，要獲得較高的基體致密度，一般要求溫度非常高（往往要高達(dá)2000℃）。由于在燒結(jié)過程中陶瓷顆粒粘性流動(dòng)差，為獲得致密的復(fù)合材料，就必須提高制備溫度和增強(qiáng)壓力，而這勢必影響到纖維及界面的性能。在該工藝中，纖維增韌體的選取受到比較大的限制，往往二代以下SiC纖維難以經(jīng)受這么高的工藝溫度，只能是選用第三代高結(jié)晶度、高純度的SiC纖維。

由于這種燒結(jié)往往只能在模具中加壓燒結(jié)，使得材料制品的尺寸和形狀受限。之后發(fā)展的基于LPS工藝改進(jìn)的NITE工藝（Nano-Powder Infiltration and Transient Eutectoid Process）[37]，采用第三代SiC纖維（TySA）和SiC納米粉并輔以Y2O3、Al2O3作為燒結(jié)助劑，可以在1800℃左右的溫度、20MPa左右的壓力下獲得幾乎完全致密的SiC基體材料。這是由于Y2O3和Al2O3以及納米SiC粉體表面的SiO2在高溫下會(huì)形成共晶液相，促進(jìn)SiC納米粒子在纖維束內(nèi)的浸滲。采用NITE工藝獲得的SiCf/SiC復(fù)合材料的殘余孔隙率非常低，纖維幾乎沒有損傷，SiC基體的晶粒尺寸仍保持在納米級(jí)，材料展現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能和抗氧化性能。NITE工藝再輔助以準(zhǔn)熱等靜壓，比較容易制備復(fù)雜形狀的復(fù)合材料構(gòu)件。目前，日本在這方面的研究處于領(lǐng)先地位，制備的復(fù)合材料在噴管、燃燒室里襯、核燃料包殼管等方面體現(xiàn)了優(yōu)異的服役性能[37-40]，圖11為采用NITE工藝制備的SiCf/SiC復(fù)合材料部件。

圖9 PIP法制備SiC基陶瓷復(fù)合材料的工藝流程Fig.9 Schematic flowchart of the PIP process

圖10 LPS工藝的制備原理Fig.10 Schematic flowchart of the LPS process

4 RMI工藝

RMI工藝又稱液硅滲透法（Liquid Silicon Infiltration，LSI），是一種比較有特色，完全不同于上述工藝路線的技術(shù)。該工藝路線主要包括如圖12所示的3個(gè)子過程：（1）采用樹脂注入或熱壓罐制備碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）素坯體；（2）將CFRP素坯體在高溫下熱解，由于樹脂基體在熱解過程中的物理和化學(xué)變化，同時(shí)伴隨有大量熱解氣體的釋放，形成了基體遍布微裂紋的Cf/C多孔體；（3）最后在高于Si熔點(diǎn)（1410℃）的溫度下，采用液相Si對(duì)Cf/C多孔體進(jìn)行熔滲，液相Si在毛細(xì)力的作用下，通過孔隙進(jìn)入到多孔碳基體中并快速與碳基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而生成SiC基體。為提高熔滲效率，通常需要采用真空或者加壓處理[1-2,6,41]。

此外，Cf/C多孔體的構(gòu)筑可以通過CVI工藝獲得。不論是通過樹脂注入熱解，還是通過CVI工藝，其目的主要是在纖維預(yù)制體孔隙中形成一定量的炭質(zhì)材料，作為與熔融Si反應(yīng)的碳源。圖12為采用樹脂注入并熱解形成碳源的制備工藝。在CFRP坯體熱解過程中，樹脂熱解使得坯體顯著收縮。同時(shí)在熱解初期，大量的氣體被封閉在基體空腔里。隨著熱解溫度的逐步升高，基體不斷劣化并伴隨著封閉空腔內(nèi)氣壓逐步升高，最終導(dǎo)致基體破裂并遍布微裂紋和微孔。這些微裂紋和微孔充當(dāng)著液相Si熔滲的主要通道。而在實(shí)際工藝過程中，基體中的孔隙形態(tài)、孔隙率和孔隙尺寸直接決定著SiC基復(fù)合材料的微觀組織結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵性能。

RMI工藝的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)時(shí)間短、工藝簡單、成本低、可以實(shí)現(xiàn)凈尺寸成型，所得產(chǎn)品只需很少機(jī)械加工，是一個(gè)快速致密化工藝，所得復(fù)合材料氣孔率低（2%～5%）、致密度和熱導(dǎo)高，有很好的耐磨蝕和抗氧化性能。因此該工藝被認(rèn)為是極具市場競爭力的工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)。此外，與其他工藝相比，盡管RMI工藝具有明顯的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，但也面臨著一些問題。首先，不論采用CVI工藝，還是樹脂注入裂解工藝，在纖維預(yù)制體內(nèi)形成多孔炭的時(shí)候，都需要控制好孔隙的尺寸并且形成開孔結(jié)構(gòu)。如果孔隙尺寸太小或有閉孔形成，液相硅則不能完全進(jìn)入到纖維預(yù)制體結(jié)構(gòu)中，造成基體組織不夠致密；如果孔隙尺寸過大，液相硅進(jìn)入到纖維預(yù)制體的大孔隙當(dāng)中，容易在孔隙中間形成“硅池”，最終在復(fù)合材料中存在較多殘留硅[2,6,41-42]。為減少殘留硅的含量，在后期可以采用不同的處理手段去消除殘留硅[42-46]。比如在高溫高真空環(huán)境下，可將殘留硅蒸發(fā)掉；采用其他材料，在高溫環(huán)境下將殘留硅吸出；或者在基體中添加其他金屬元素，與殘留硅形成難熔金屬硅化物。RMI工藝中液硅的熔滲溫度相對(duì)較高（1450～1650℃），對(duì)設(shè)備要求具有一定的特殊性，要防止液硅蒸發(fā)和泄漏對(duì)設(shè)備的損壞。對(duì)于SiC纖維預(yù)制體，要想得到比較高的力學(xué)性能，只有熱穩(wěn)定性良好的SiC纖維才可以使用，比如以第三代纖維為代表的Hi-Nicalon Type S和Tyranno SA3等纖維將是理想的增韌材料。其次，液相硅對(duì)于PyC或BN界面層而言，是具有腐蝕性的，將在一定程度上破壞纖維-基體的界面層，從而影響最終復(fù)合材料的性能；如果采用碳纖維預(yù)制體，液相硅的進(jìn)入將會(huì)對(duì)碳纖維造成一定損傷。當(dāng)有殘留硅存在時(shí)，如果作為高溫長壽命復(fù)合材料部件使用時(shí)，殘留Si會(huì)影響復(fù)合材料的抗蠕變性能，同時(shí)殘留Si會(huì)腐蝕C纖維并降低其力學(xué)性能，導(dǎo)致纖維增韌補(bǔ)強(qiáng)效果降低[47]。對(duì)于Cf/SiC復(fù)合材料，由于生成的SiC基體往往與碳纖維存在熱膨脹系數(shù)失配（CET mismatch）的問題，這個(gè)問題直接影響材料的抗氧化能力和服役壽命。因此，為了改善其性能，往往需要對(duì)基體成分和纖維預(yù)制體微結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[2,6,43-45]。

圖11 采用NITE工藝制備SiCf/SiC復(fù)合材料部件Fig.11 SiCf/SiC components fabricated by NITE process

圖12 RMI工藝制備SiC陶瓷基復(fù)合材料的工藝流程Fig.12 Flow chart for the fabrication of SiC-based composites via RMI process

以上所談及的每一種工藝有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，表4對(duì)幾種典型工藝制備SiC陶瓷基復(fù)合材料的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。在實(shí)際的工藝中，也可以考慮結(jié)合各個(gè)工藝的優(yōu)點(diǎn)，采用復(fù)合工藝技術(shù)（Hybrid process）來提高材料的綜合性能[1-2,48]。目前就有CVI與PIP聯(lián)合工藝，該工藝首先利用CVI制備一定密度的Cf/C多孔體，然后再滲入有機(jī)先驅(qū)體（如聚碳硅烷）并裂解獲得陶瓷基體，工藝過程較為復(fù)雜；還有CVI與液相硅滲入聯(lián)合工藝，與上一種方法類似，只不過是CVI工藝階段完成后，再滲入液相硅，液相硅與C基體反應(yīng)生成SiC基體，可得到較為致密的SiC陶瓷基復(fù)合材料。

影響性能的主要因素

一般來說，纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)度和彈性模量主要受以下因素影響：纖維類型和纖維預(yù)制體的結(jié)構(gòu)、基體的致密度及形成工藝、纖維-基體界面結(jié)合強(qiáng)度、纖維預(yù)制體的編織方式及在特定方向上纖維的體積分?jǐn)?shù)、纖維和基體之間熱膨脹系數(shù)不匹配所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。特別是在Cf/SiC復(fù)合材料中，由于碳纖維熱膨脹系數(shù)的各向異性（沿纖維軸向0.1×10-6/K，而沿纖維徑向較高）以及與SiC基體熱膨脹系數(shù)的差異，往往導(dǎo)致SiC基體中產(chǎn)生微裂紋，降低其力學(xué)性能和抗氧化性。所以，殘余熱應(yīng)力的大小往往和纖維類型及預(yù)制體結(jié)構(gòu)有關(guān)。

除了制造工藝對(duì)SiC陶瓷基復(fù)合材料的性能影響之外，服役環(huán)境也會(huì)對(duì)SiC材料性能產(chǎn)生影響。作為熱結(jié)構(gòu)材料，在高溫環(huán)境下，氧化、燒蝕和腐蝕等是主要的性能降低因素。在燃燒環(huán)境下，SiC材料要經(jīng)受氧化和金屬鹽類的熱腐蝕，特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)的工況條件下，對(duì)于SiC材料的長期耐久性評(píng)價(jià)是非常重要的[49-52]。

單純從抗氧化性來看，SiC材料的氧化可分為鈍化氧化（Passive oxidation）和活性氧化（Active oxidation）。這兩種氧化方式發(fā)生的優(yōu)先性主要取決于溫度和環(huán)境中的氧分壓，如圖13所示[53]。

圖14概括了SiC材料在不同高溫環(huán)境氛圍下的氧化和腐蝕機(jī)理。可以看到SiC材料在N2、H2、H2S等氣氛環(huán)境下保持惰性；在高氧分壓、酸性或中性鹽環(huán)境中，SiC材料被氧化形成SiO2保護(hù)膜，材料處于鈍化狀態(tài)，這樣的環(huán)境不會(huì)對(duì)SiC材料產(chǎn)生明顯的影響；當(dāng)氧分壓低于一定的臨界值時(shí)，氧與碳化硅發(fā)生活性氧化反應(yīng)，不會(huì)形成SiO2，此時(shí)在SiC表面沒有SiO2保護(hù)膜的形成，只有氣態(tài)的SiO和CO形成，從而加速SiC材料的氧化消耗。然而，即使在高氧分壓環(huán)境里，如果有堿性熔鹽的出現(xiàn)，堿性熔鹽將與SiO2反應(yīng)，并消耗SiO2，導(dǎo)致熱腐蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)，加速SiC的氧化與腐蝕。如果在強(qiáng)氧化條件下，將伴隨有酸性氣體的出現(xiàn)，在SiC表面形成的SiO2膜則可以有效抑制堿金屬鹽的腐蝕性。

圖15為高純多晶SiC在大氣環(huán)境下，且有Na2SO4熔鹽出現(xiàn)的氧化腐蝕情況。從圖15（a）中可以看到，大量的SiO2玻璃泡形成在SiC材料的表面上。SiO2玻璃泡的形成是由于不同的氧化腐蝕產(chǎn)物（COx和SOx）形成和釋放的結(jié)果。從圖15（b）（氧化腐蝕表面下層）可以看到，晶界被優(yōu)先腐蝕。晶界優(yōu)先腐蝕是由于堿性熔鹽離子更容易沿著晶界擴(kuò)散。其氧化腐蝕機(jī)理可歸納如下：

表4 不同工藝技術(shù)路線之間的優(yōu)缺點(diǎn)比較

圖13 溫度和氧分壓對(duì)SiC材料的氧化方式影響Fig.13 Schematic illustration of influence of temperature and oxygen partial pressure on the oxidation mode of SiC

在實(shí)際應(yīng)用中，復(fù)合材料與服役環(huán)境的相互作用導(dǎo)致材料性能和微觀結(jié)構(gòu)降級(jí)。因此，最終材料的性能降級(jí)通常不是由單一的因素引起的，往往是力、熱、環(huán)境介質(zhì)等多場耦合作用的結(jié)果。在多場耦合條件下，氧化腐蝕往往會(huì)加劇[49-55]。

應(yīng)用前景和面臨的問題

1 先進(jìn)核能材料

考慮到公眾的可接受性和對(duì)環(huán)境的影響，在核環(huán)境下，材料選用主要考慮的是反應(yīng)堆安全維護(hù)、能量轉(zhuǎn)換效率和廢物后處理。核環(huán)境與其他非核服役環(huán)境區(qū)別很大，材料不僅暴露于高溫，而且還要經(jīng)受高通量的高能中子輻照，因此在材料的選用上，材料必須要抗輻照、低活性以及具有優(yōu)異的高溫?zé)崃W(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性。SiCf/SiC復(fù)合材料由于具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能、耐中子輻照和低放射活性等，被認(rèn)為是很有前景的核聚變能源和第四代裂變能源材料[56-59]。作為先進(jìn)能源，首先考慮的是輻照環(huán)境下材料的低活性，這直接關(guān)系到后處理對(duì)環(huán)境的影響。在金屬材料中，主要是通過成分元素的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)，如低活性的鐵素體鋼、馬氏體鋼和釩合金等，但面臨的問題是輻照后屈服強(qiáng)度的下降和塑脆轉(zhuǎn)變溫度（Ductile to Brittle Transition Temperature，DBTT）的升高。而對(duì)于SiCf/SiC復(fù)合材料，在輻照環(huán)境下，即使在高溫環(huán)境下仍能保持其強(qiáng)度，如圖16所示[60]。對(duì)于純SiCf/SiC復(fù)合材料，與其他材料相比，其輻照后活性衰變很快。

圖14 SiC材料在不同高溫環(huán)境氛圍下的氧化和腐蝕機(jī)理Fig.14 Corrosion mechanism of SiC materials under different conditions at high temperature

圖15 CVD-SiC在Na2SO4熔鹽出現(xiàn)的高溫氧化腐蝕情況Fig.15 Oxidation of high-purity polycrystalline SiC under the condition of atmospheric environment and the presence of Na2SO4 molten salt

圖16 不同材料在輻照后的活性衰變Fig.16 Active decay of different materials after irradiation

在核聚變能源系統(tǒng)中，SiCf/SiC復(fù)合材料主要考慮用作面向等離子體材料（Plasma Facing Materials，PFM）或第一壁（First Wall，F(xiàn)W）材料、包層材料（Blanket）和流道插件（Flow Channel Insert，F(xiàn)CI）[56-64]。日本和美國做過較多研究[57-59,62-64]。SiCf/SiC復(fù)合材料作為第一壁材料，其主要功能是形成一個(gè)容納高溫等離子體的腔體（正常狀態(tài)下，高溫等離子體是通過磁約束或激光慣性約束在腔體中間，并不直接與第一壁接觸），同時(shí)要具有耐14MeV中子輻照損傷的特性，優(yōu)異的高溫?zé)醾鲗?dǎo)性能、良好的高溫力學(xué)性能和抗熱沖擊性能，能承受高表面熱負(fù)荷；另一方面，作為第一壁材料，往往會(huì)經(jīng)歷等離子體的濺射，濺射下來的材料在等離子腔體中會(huì)影響等離子體點(diǎn)火和穩(wěn)定性，SiC由低原子序數(shù)原子組成，對(duì)等離子點(diǎn)火和穩(wěn)定性影響弱。作為包層材料，SiCf/SiC復(fù)合材料主要承擔(dān)熱能交換、中子倍增以及輻射屏蔽的結(jié)構(gòu)材料。流道插件是主要針對(duì)液態(tài)包層的概念設(shè)計(jì)，用以絕緣液態(tài)金屬與結(jié)構(gòu)材料的功能性部件。在強(qiáng)磁場下，由于顯著的磁流體效應(yīng)（Magneto Hydro Dynamics，MHD）會(huì)影響液態(tài)金屬的流動(dòng)和傳熱性能，采用SiCf/SiC復(fù)合材料作為流道插件，可以降低MHD效應(yīng)并提高液態(tài)金屬傳熱效率和出口溫度，從而提高包層的換熱效率。與其他材料相比，采用SiCf/SiC復(fù)合材料，其能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)50%以上（圖17[65]）。

2 高性能制動(dòng)系統(tǒng)

Cf/SiC陶瓷基復(fù)合材料作為一種高性能的新型制動(dòng)材料，特別是在地面運(yùn)載工具上的運(yùn)用，與傳統(tǒng)制動(dòng)材料（主要是以金屬和半金屬制動(dòng)材料為主）相比，可顯著降低簧下質(zhì)量，干/濕和動(dòng)/靜摩擦性能穩(wěn)定，耐磨損/磨蝕、制動(dòng)性能高以及相對(duì)高的性價(jià)比[1-2,6,8,66-72]。歐美國家在20世紀(jì)90年代就已經(jīng)開展了Cf/SiC復(fù)合材料制動(dòng)系統(tǒng)的研究，并且在F1賽車和一些高檔轎車中得到了工程應(yīng)用[66-68]。日本和韓國近些年也加大了Cf/SiC制動(dòng)材料的研究力度，并且已逐步推廣應(yīng)用。國內(nèi)近些年對(duì)Cf/SiC剎車材料的報(bào)道也較多[69-71]?？傊?，Cf/SiC復(fù)合材料可顯著提高剎車部件的耐高溫性能，從而克服了高速剎車時(shí)由于材料軟化而導(dǎo)致的“剎車失靈”現(xiàn)象，大大提高了剎車時(shí)的安全性和可靠性；另一方面，采用Cf/SiC復(fù)合材料作為制動(dòng)材料能減少剎車系統(tǒng)的體積并顯著降低制動(dòng)噪音，提高了制動(dòng)的舒適性。目前對(duì)于陶瓷基復(fù)合材料在各種運(yùn)載工具中的應(yīng)用，比較典型的有飛機(jī)剎車盤、磁懸浮列車軌道滑移片、汽車剎車盤和摩擦副、載重電梯和大型起重機(jī)的制動(dòng)系統(tǒng)。

3 空間光學(xué)系統(tǒng)反射鏡材料

空間光學(xué)系統(tǒng)作為信息采集的“眼睛”，其不受地域限制，可進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)信息搜索。目前空間光學(xué)系統(tǒng)通常采用反射式結(jié)構(gòu)，因此反射鏡對(duì)于探測的精度和分辨率至關(guān)重要。隨著航天技術(shù)的迅猛發(fā)展，為了滿足更高的性能和精度需求，要求光學(xué)系統(tǒng)輕量化和穩(wěn)固化，但為了獲得足夠高的分辨率，光學(xué)系統(tǒng)反射鏡口徑就必須足夠大，反射鏡口徑增大必然會(huì)增加光學(xué)系統(tǒng)重量。因此要從選材、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化、結(jié)構(gòu)高剛度和反射鏡面高精度。特別是結(jié)構(gòu)輕量化、支撐系統(tǒng)高剛度、高固有頻率、低熱膨脹系數(shù)、高熱傳導(dǎo)和熱擴(kuò)散性能成為光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造的關(guān)鍵因素。反射鏡由基座和反射膜構(gòu)成，是空間光學(xué)系統(tǒng)的主要組成部件。隨著激光和紅外等光電技術(shù)的應(yīng)用和成像技術(shù)的發(fā)展，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)材料/結(jié)構(gòu)的剛度、熱物理性能和部件之間連接等提出了更高的技術(shù)要求，這在整個(gè)系統(tǒng)輕量化上起著至關(guān)重要的作用。

對(duì)于輕量化大型反射鏡，采用玻璃/金屬反射鏡，在加工方面具有一定的局限性。高性能空間反射鏡必須滿足以下特點(diǎn)：高比剛度、低熱膨脹系數(shù)、低密度、高導(dǎo)熱性、適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度及良好的機(jī)械加工性能。低密度有利于實(shí)現(xiàn)輕量化，降低發(fā)射成本和提高發(fā)射安全性，有利于提高系統(tǒng)的有效載荷；高比剛度能保持反射鏡在力學(xué)載荷下不易變形；低熱膨脹系數(shù)和高熱導(dǎo)率，可以減小反射鏡的熱變形，特別是在向陽面和背陽面情況下，溫差變化大容易導(dǎo)致聚焦性變差。Cf/SiC復(fù)合材料高比剛度、低熱膨脹系數(shù)和良好的熱傳導(dǎo)和熱擴(kuò)散性能，而且熱物理性能和力學(xué)性能不僅理想而且穩(wěn)定，是比較合適的反射鏡材料，容易加工而且可以得到極好的表面拋光，是非常理想的空間光學(xué)系統(tǒng)反射鏡基座材料[73-77]。美國、俄羅斯、德國、加拿大等對(duì)Cf/SiC陶瓷基復(fù)合材料反射鏡的研究已經(jīng)進(jìn)行了大約20年，研發(fā)技術(shù)相對(duì)比較成熟，并且已成功制造了Cf/SiC高性能反射鏡[1-2,8,72,77]。其中德國采用液硅熔滲法制造的Cf/SiC反射鏡，其最大直徑可達(dá)3m，對(duì)于直徑630mm的反射鏡，其質(zhì)量約為4kg。圖18所示為Cf/SiC復(fù)合材料在空間光學(xué)系統(tǒng)上的應(yīng)用部件實(shí)例。

4 航空航天熱結(jié)構(gòu)材料

圖17 不同材料的能量轉(zhuǎn)換效率Fig.17 Energy conversion efficiency of different materials

圖18 Cf/SiC復(fù)合材料在空間光學(xué)系統(tǒng)上的應(yīng)用Fig.18 Application of Cf/SiC composites in space optical system

早先陶瓷基復(fù)合材料的發(fā)展主要是針對(duì)航天領(lǐng)域的特定技術(shù)需求。法國和德國的一些研究機(jī)構(gòu)和美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室等早在20世紀(jì)70年代便率先開展了相關(guān)材料的研究[1-8,25,33-34,41,49,72,78-81]。主要是針對(duì)高溫、高壓氣流的沖刷腐蝕和高應(yīng)力振動(dòng)載荷等極端環(huán)境下面臨的熱結(jié)構(gòu)材料問題。針對(duì)承載和防熱結(jié)構(gòu)一體化需求，SiC基復(fù)合材料作為輕質(zhì)高強(qiáng)耐熱材料，被認(rèn)為是較為理想的熱結(jié)構(gòu)材料之一。在再入飛行器的頭錐、熱防護(hù)系統(tǒng)、熱密封系統(tǒng)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、戰(zhàn)略導(dǎo)彈和多用途導(dǎo)彈的噴管、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)上具有重要的應(yīng)用前景。近年來，國內(nèi)許多單位對(duì)SiC陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行了大量的研究[3-6,33,82-83]。在陶瓷基復(fù)合材料的原料生產(chǎn)、工藝制備技術(shù)改進(jìn)、涂層技術(shù)開發(fā)、性能提升、工程轉(zhuǎn)化及實(shí)際應(yīng)用等方面都取得了顯著的進(jìn)步。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)被看作是飛機(jī)制造業(yè)“皇冠”上的明珠，隨著大涵道比高性能渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能如燃燒效率、氣體排放、安全可靠性以及服役壽命的延長等提出了更新的要求。當(dāng)前是在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)總體布局的前提下，高熱端部件材料（如渦輪靜子的導(dǎo)向葉片、渦輪轉(zhuǎn)子葉片、燃燒室和尾噴部件等）的研發(fā)和升級(jí)換代成為先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)目標(biāo)。隨著燃燒室溫度的不斷提高，可以提高燃料燃燒效率和降低有害氣體排放。比如推重比為15～20的發(fā)動(dòng)機(jī)，其渦輪前溫度可高達(dá)1900℃以上，這對(duì)高熱端部件材料的耐熱性、高溫微觀組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、高溫力學(xué)性能、抗熱沖擊能力、抗氧化、抗燒蝕和腐蝕性能要求越來越高。傳統(tǒng)鈦合金、鎳基高溫合金是典型代表材料，但服役溫度已基本達(dá)到極限，難以滿足高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高效減排需求。陶瓷基復(fù)合材料是最有希望取代高溫合金的候選材料，其可在現(xiàn)有材料耐熱基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升工作溫度400℃以上，結(jié)構(gòu)減重50%以上，能實(shí)現(xiàn)更長的使用壽命。采用纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料具有諸多優(yōu)勢：（1）輕質(zhì)，其密度為2.0～3.0g/cm3之間，約為高溫合金的1/3，可顯著降低結(jié)構(gòu)重量；（2）高溫力學(xué)性能優(yōu)異，可承受更高的工作溫度，省去冷卻氣體減少附加結(jié)構(gòu)，提高轉(zhuǎn)速，從而提升發(fā)動(dòng)機(jī)效率，減少COx和NOx等有害氣體的排放；（3）高溫抗氧化、抗燒蝕/腐蝕性能突出，可延長發(fā)動(dòng)機(jī)壽命和減少發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)成本。在陶瓷基復(fù)合材料部件的制造上，采用CVI、PIP工藝等可獲得高純SiC基體的復(fù)合材料，但由于其部件級(jí)材料致密度低（致密度需達(dá)98%以上），不適合高溫氧化/腐蝕長時(shí)間服役環(huán)境。因此，要與其他工藝結(jié)合，比如RMI工藝，提高復(fù)合材料的基體致密度，提高材料的抗氧化和抗蠕變能力，降低工程化制造成本。作為發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件，進(jìn)一步提高燃燒環(huán)境里的耐高溫氧化和抗腐蝕性能是陶瓷基復(fù)合材料研發(fā)的一個(gè)重要內(nèi)容。

從20世紀(jì)80年代中期開始，NASA就已展開了用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的陶瓷基復(fù)合材料高溫部件的重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃。比如美國空軍推進(jìn)了10多年的“IHPTET計(jì)劃”（Integrated High Performance Turbine Engine Technology Program），其主旨就是研發(fā)高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合技術(shù)，在這個(gè)計(jì)劃中，相繼研發(fā)了高溫?zé)崦芊饧?、渦輪靜子葉片、尾噴管調(diào)節(jié)片等陶瓷基復(fù)合材料部件，并且在一些發(fā)動(dòng)機(jī)測試平臺(tái)上得到了成功驗(yàn)證。與采用常規(guī)的鎳基高溫合金靜子葉片相比，實(shí)現(xiàn)減重50%，冷卻氣流量降低20%。GE公司和羅羅公司聯(lián)合研制的陶瓷基復(fù)合材料低壓渦輪導(dǎo)向葉片，其使用溫度可達(dá)1200℃，而相應(yīng)的冷卻氣流量減少了50%；在歐洲，以法國和德國為代表，采用先進(jìn)的陶瓷基復(fù)合材料制造技術(shù)，設(shè)計(jì)制造了陶瓷基復(fù)合材料密封調(diào)節(jié)片和燃燒室里襯，對(duì)比驗(yàn)證測試結(jié)果也達(dá)到了很好的效果。這些陶瓷基復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的一系列成功驗(yàn)證，大大促進(jìn)了陶瓷基復(fù)合材料工程技術(shù)轉(zhuǎn)化和應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)步。日本政府從20世紀(jì)80年代起，制定了一些大型陶瓷基復(fù)合材料研發(fā)計(jì)劃，針對(duì)航空航天、先進(jìn)核能等極端環(huán)境材料需求，大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)進(jìn)行了一系列產(chǎn)學(xué)研連攜研究，開展了不同制造工藝技術(shù)和特定環(huán)境下的服役性能評(píng)價(jià)，為陶瓷復(fù)合材料的研發(fā)和應(yīng)用建立了相關(guān)的數(shù)據(jù)庫。通過一系列的產(chǎn)學(xué)研連攜研究，極大地推動(dòng)了高性能SiC纖維和復(fù)合材料制造工藝的發(fā)展，一躍成為當(dāng)今世界上高性能SiC纖維的最大制造國和出口國，歐美國家所使用的高性能SiC纖維基本都依靠日本供應(yīng)。此外，類似于發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境，燃?xì)廨啓C(jī)也面臨著類似的需求，面臨的是高溫、高應(yīng)力和腐蝕環(huán)境以及長壽命要求，如果采用輕質(zhì)強(qiáng)韌和抗蠕變性能好的陶瓷基復(fù)合材料，將顯著提高燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的工作溫度（Turbine Inlet Temperature，TIT）、效率和壽命，而且可大幅降低噪音和廢氣（NOx/COx/SOx）排放，陶瓷基復(fù)合材料在該領(lǐng)域的應(yīng)用主要是靜態(tài)部件，包括大型燃?xì)鉁u輪機(jī)的燃燒室里襯（Combustor liner）[78-85]。早期相關(guān)的研究主要在美國和日本開展，圖19展示了一個(gè)SiCf/SiC燃燒室里襯和一個(gè)靜態(tài)的燃?xì)廨啓C(jī)的工作示意圖。

我國從20世紀(jì)90年代開始，就已開始跟蹤國際前沿技術(shù)研究動(dòng)態(tài)，以西北工業(yè)大學(xué)、國防科大等為代表的單位啟動(dòng)研發(fā)工作[3-7,34,47,82-83]。近些年來，在高性能纖維研發(fā)和制備工藝等方面取得了明顯進(jìn)展，具備了工程化構(gòu)件研制和小批量生產(chǎn)能力，產(chǎn)業(yè)化和工程應(yīng)用水平得到顯著提升。纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料作為一種新型熱結(jié)構(gòu)材料，受目前制造工藝技術(shù)（包括纖維預(yù)制體編織和基體形成）和加工條件限制，容易在工藝過程中形成結(jié)構(gòu)缺陷和加工缺陷，這些缺陷的存在導(dǎo)致陶瓷基復(fù)合材料強(qiáng)度具有一定的離散性。特別是作為商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件材料，首要考慮的就是其安全性和可靠性。目前，材料性能考核數(shù)據(jù)短缺，需要進(jìn)行大量基于環(huán)境的考核驗(yàn)證試驗(yàn)和性能評(píng)估。尤其是作為部件級(jí)材料，這將涉及材料精密加工以及與其他部件的連接等系統(tǒng)性的裝備設(shè)計(jì)和制造能力等問題。

結(jié)束語

圖19 SiCf/SiC復(fù)合材料應(yīng)用于靜態(tài)的燃?xì)廨啓C(jī)Fig.19 SiCf/SiC composites used for static gas turbine

根據(jù)目前的研究結(jié)果來看，纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料已經(jīng)取得了明顯的進(jìn)展。主要應(yīng)用對(duì)象是新型飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)、熱結(jié)構(gòu)部件、先進(jìn)空間推進(jìn)系統(tǒng)、空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、高性能制動(dòng)系統(tǒng)和先進(jìn)核能系統(tǒng)。針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，各個(gè)單位都開展了各有技術(shù)特色的研發(fā)，并且在實(shí)際的工程應(yīng)用中有所體現(xiàn)。特別是在商用發(fā)動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的高熱端部件應(yīng)用需求中，陶瓷基復(fù)合材料的特色日益突出且具有明顯的性能優(yōu)勢。針對(duì)不同的服役環(huán)境，對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能需求差異較大。特別是在一些特殊極端環(huán)境下的應(yīng)用，不僅強(qiáng)調(diào)單一功能，開發(fā)集結(jié)構(gòu)和功能一體化的高性能陶瓷基復(fù)合材料是一個(gè)重要發(fā)展方向。同時(shí)高性能纖維的研發(fā)和工程化應(yīng)用顯得比較迫切，包括新型界面涂層的研發(fā)。就目前而言，可以充分考慮原料的可利用性，并結(jié)合不同工藝技術(shù)路線的特色和優(yōu)勢，加強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、新工藝、新技術(shù)和新裝備的研發(fā)，以提高極端環(huán)境下陶瓷基復(fù)合材料的綜合性能。

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