SiC復(fù)合材料的研究進(jìn)展與展望

鄒芹，周鑫，李艷國(guó)，王明智

(1.燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島，066004；2.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北秦皇島，066004)

SiC復(fù)合材料因?yàn)榫哂懈邷貜?qiáng)度大、耐磨損性能好、熱穩(wěn)定性強(qiáng)、硬度高以及耐化學(xué)腐蝕能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用[1-3]。然而，由于SiC 具有共價(jià)鍵性強(qiáng)、熔點(diǎn)高、自擴(kuò)散系數(shù)小、燒結(jié)性差等局限性，需要借助高溫(2 000～2 300 ℃)或助燒劑才能形成致密的器件。同時(shí)，SiC的脆性進(jìn)一步限制了其應(yīng)用。如何發(fā)揮SiC 復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)，克服復(fù)合材料的缺陷，成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。本文作者按照組成對(duì)SiC復(fù)合材料進(jìn)行分類，系統(tǒng)介紹SiC 復(fù)合材料的種類、制備、性能和應(yīng)用等，并對(duì)目前國(guó)內(nèi)外增強(qiáng)增韌SiC復(fù)合材料的研究進(jìn)展進(jìn)行重點(diǎn)討論，以便為SiC復(fù)合材料的研究提供參考。

1 種類

按照組成不同，將SiC 復(fù)合材料分為金屬/SiC、陶瓷/SiC、C/SiC 和復(fù)合增強(qiáng)SiC，并對(duì)不同種類的SiC復(fù)合材料的機(jī)械性能進(jìn)行總結(jié)和對(duì)比。

1.1 金屬/SiC

金屬/SiC復(fù)合材料是以金屬作為添加劑的SiC復(fù)合材料，因?yàn)槠浣饘傧嗳埸c(diǎn)較低，故可大幅度提升復(fù)合材料燒結(jié)性能。BAZARNIK等[4]使用放電等離子燒結(jié)(SPS)制備了Cu/SiC復(fù)合材料，維氏硬度(HV)達(dá)230，屈服應(yīng)力達(dá)420 MPa，極限應(yīng)力達(dá)385 MPa。王武杰等[5]采用SPS 制備Al/SiCp復(fù)合材料，其相對(duì)密度、熱導(dǎo)率、平均熱膨脹系數(shù)和抗彎強(qiáng)度分別為99.19%，227.5 W/(m·K)，9.77×10-6K-1和364.7 MPa。

金屬/SiC復(fù)合材料具有密度低、模量高、膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱性強(qiáng)及諧振頻率高等優(yōu)異性能，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的SiC 復(fù)合材料[6]，但金屬相的存在導(dǎo)致其高溫耐受性較差。金屬/SiC復(fù)合材料常采用的制備方法為粉末冶金法和反應(yīng)熔體浸滲法(RMI)。

1.2 陶瓷/SiC

陶瓷/SiC復(fù)合材料是以SiC為主晶相、陶瓷作為增強(qiáng)相的復(fù)合材料。陶瓷增強(qiáng)相可以提升材料的性能，也會(huì)在一定程度上促進(jìn)材料燒結(jié)。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)陶瓷/SiC 復(fù)合材料進(jìn)行了研究，如：ZHU 等[7]制備了B4C/SiC 復(fù)合材料，在2 150 ℃燒結(jié)的材料其相對(duì)密度、維氏硬度、彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性分別為95.3%，25.5 GPa，296 MPa 和2.81 MPa·m1/2。WOZNIAK等[8]研究了二維Ti2C/SiC材料，發(fā)現(xiàn)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的Ti2C 時(shí)，材料的性能明顯提高。LIANG 等[9]制備了CeAlO3/SiC，其斷口形貌如圖1所示。從圖1可見(jiàn)在SiC 界面上存在少量Ce，Al 和O，表明界面被增強(qiáng)相潤(rùn)濕，增強(qiáng)相的存在進(jìn)一步增強(qiáng)了材料的力學(xué)性能。該材料相對(duì)密度為99.1%，斷裂韌性為(4.6±0.2)MPa·m1/2，彎曲強(qiáng)度為(437±33)MPa，維氏硬度為(23.04±1.67)GPa。

陶瓷/SiC復(fù)合材料具有高溫強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)高、荷重軟化溫度高、抗熱震性好、抗氧化性好、熱膨脹系數(shù)低、抗蠕變和抗酸性強(qiáng)、不被有色金屬潤(rùn)濕等特點(diǎn)，且在各種氣氛下耐受溫度高達(dá)1 500 ℃，應(yīng)用前景十分廣闊[10]。

1.3 C/SiC

在SiC復(fù)合材料中，C族材料作為增強(qiáng)相，人們對(duì)其進(jìn)行了廣泛研究。其中，石墨烯由于其具有優(yōu)異的性能，成為制備SiC復(fù)合材料的優(yōu)良添加劑[11]，有望進(jìn)一步得到推廣和應(yīng)用。碳纖維(Cf)表面原位生長(zhǎng)SiC，制得的樣品抗彎強(qiáng)度提高182%，抗壓強(qiáng)度提高71%。圖2所示為BóDIS等[12]制備的多層石墨烯(MLG)增強(qiáng)SiC 復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)MLG與SiC 結(jié)合良好，其斷裂韌性提高了20%。C/SiC復(fù)合材料的制備方法有化學(xué)氣相滲透法(CVI)和前驅(qū)體浸漬裂解法(PIP)等[13]。

1.4 復(fù)合增強(qiáng)SiC

復(fù)合增強(qiáng)與單一增強(qiáng)相比具有巨大優(yōu)勢(shì)。不同的增強(qiáng)相可以對(duì)復(fù)合材料的強(qiáng)度、韌性等產(chǎn)生影響。XIONG 等[14]制備了Cf增強(qiáng)C/SiC 復(fù)合材料，其彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度分別可達(dá)120 MPa 和153 MPa。BARICK 等[15]研究了B4C 和C 作為添加劑的SiC復(fù)合材料，致密度達(dá)97%。ZHU等[16]制備了CeO2增強(qiáng)B4C/SiC 復(fù)合材料，其密度、維氏硬度、彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性的最佳值分別為96.42%，32.21 GPa，380 MPa和4.32 MPa·m1/2。

復(fù)合增強(qiáng)的材料不同物相可互相交叉滲透、連續(xù)分布，這有利于提高界面結(jié)合強(qiáng)度，也有利于增強(qiáng)復(fù)合材料綜合性能。這種復(fù)合材料兼具硬度高、耐磨性好與延展性好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。

圖1 陶瓷/SiC復(fù)合材料性能[9]Fig.1 Composite properties of ceramic/SiC[9]

綜合來(lái)說(shuō)，增強(qiáng)增韌相的引入是為了提升性能或降低成本。金屬相的引入可以增強(qiáng)SiC的燒結(jié)性能，促使材料成型，增強(qiáng)塑性，但會(huì)影響復(fù)合材料高溫性能。陶瓷相和C相的引入可以提高材料的耐磨性和硬度，但對(duì)復(fù)合材料燒結(jié)性能提升不太明顯。

2 制備方法

SiC 復(fù)合材料制備方法包括CVI，PIP 以及粉末冶金法、RMI和復(fù)合方法。

2.1 CVI

CVI適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)溫度要求低，成為最早進(jìn)行工業(yè)化制備SiC復(fù)合材料的方法。

1964年，JENKINS 等[17]利用CVI 制備了Cr3C2增強(qiáng)Al2O3復(fù)合材料，并申請(qǐng)了專利。目前，CVI已經(jīng)成為制備SiC復(fù)合材料的常用方法之一。

CVI的優(yōu)點(diǎn)是制備過(guò)程中反應(yīng)溫度不高，對(duì)纖維損傷較小，成品純度高，晶型完整，力學(xué)性能較高；但CVI 制造周期過(guò)長(zhǎng)，生產(chǎn)成本高，滲透工藝難以控制，污染嚴(yán)重并且成品孔隙率高[18]。

2.2 PIP

PIP 也稱作前驅(qū)體轉(zhuǎn)化法，以預(yù)制件為骨架，該方法是通過(guò)高分子聚合物前驅(qū)體漿料浸漬碳纖維或SiC纖維預(yù)制件骨架，在惰性氣氛下反復(fù)交聯(lián)固化裂解，得到成形的復(fù)合材料[19]。

KOTANI等[20]發(fā)現(xiàn)通過(guò)添加致孔劑可提高材料致密度并借此改良PIP工藝，材料密度由2.2 g/cm3提高到3.2 g/cm3，拉伸強(qiáng)度提高12%，可達(dá)到300 MPa。ZUNJARRAO等[21]通過(guò)PIP制備了SiC/SiC復(fù)合材料，硬度為30 GPa，提高了52%；彈性模量為218 GPa，提高了37%。

PIP的優(yōu)勢(shì)在于：可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，與需要在2 000 ℃左右進(jìn)行燒結(jié)的粉末冶金法相比，對(duì)溫度需求低(僅為850～1 200 ℃)，纖維損傷小，設(shè)備簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)大尺寸復(fù)雜工件合成等。該方法的不足之處在于：基體收縮較大，材料孔隙率較高，制備周期較長(zhǎng)等。

圖2 MLG/SiC的性能[12]Fig.2 Composite properties of MLG/SiC[12]

2.3 粉末冶金法

粉末冶金法是最常用的制備陶瓷基復(fù)合材料的方法，一般是指粉體原料經(jīng)過(guò)成形和燒結(jié)，制造金屬材料、復(fù)合材料以及各種類型制品的工藝技術(shù)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)有多種粉末冶金法實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。粉末冶金法主要包括無(wú)壓燒結(jié)(PS)、熱等靜壓燒結(jié)(HIP)、熱壓燒結(jié)(HP)、反應(yīng)燒結(jié)(RS)、SPS、高溫高壓燒結(jié)(HTHP)。

2.3.1 PS

PS 是燒結(jié)成型中較傳統(tǒng)的方法，又稱常壓燒結(jié)，即通過(guò)燒結(jié)添加有少量B和C的SiC粉體得到致密的復(fù)合材料。常壓燒結(jié)最重要的是燒結(jié)助劑的選擇與引入，在加入合適燒結(jié)助劑時(shí)可制備出性能優(yōu)良的材料。目前比較常見(jiàn)的燒結(jié)助劑有硼系助劑、碳系助劑、鋁系助劑和稀土系助劑。該方法的不足之處在于燒結(jié)溫度較高，氣孔率高，強(qiáng)度低，體積收縮率高(15%左右)。

2.3.2 HIP

HIP燒結(jié)壓力很大，能在較低溫度下對(duì)常壓下無(wú)法處理的SiC復(fù)合材料進(jìn)行燒結(jié)。

HIP的產(chǎn)品密度均勻，機(jī)械性能優(yōu)異，且各向同性，是燒結(jié)高性能陶瓷制品的常用方法。采用無(wú)包套HIP工藝，坯體不受形狀影響，特別適合制備復(fù)雜形狀零件，且單爐處理量大，平均成本低。但是HIP 設(shè)備價(jià)格昂貴，一次性投資較大。由于HIP技術(shù)對(duì)包套材料及技術(shù)要求較高，因此，通常用于制造形狀簡(jiǎn)單的產(chǎn)品且生產(chǎn)效率低。

2.3.3 HP

HP 指同時(shí)加熱加壓的燒結(jié)方法。因?yàn)榉哿咸幱跓崴苄?，加熱加壓有助于顆粒的接觸擴(kuò)散和流動(dòng)傳質(zhì)，所以，成型壓力僅為冷壓的1/10。HP 還能降低燒結(jié)溫度，縮短燒結(jié)時(shí)間，從而抑制晶粒長(zhǎng)大，得到晶粒細(xì)小、致密度高和機(jī)械性能良好的產(chǎn)品。因?yàn)椴恍枰砑又鸁Y(jié)劑，所以，適用于生產(chǎn)高純度功能性SiC復(fù)合材料。

HP是制備SiC材料的有效途徑，但HP過(guò)程效率低，成本高，設(shè)備復(fù)雜，體積收縮大(15%左右)，對(duì)模具要求高，所以不適合生產(chǎn)復(fù)雜大零件，且產(chǎn)品具有各向異性且難以加工，這些缺點(diǎn)限制了HP的應(yīng)用和發(fā)展。

2.3.4 RS

1893年ACHESON[22]提出RS，該方法在當(dāng)時(shí)成為制備SiC材料的主要方法之一。但該方法所需能耗大，污染嚴(yán)重，目前已很少采用。

RS 的優(yōu)點(diǎn)是不需要額外添加劑，工藝簡(jiǎn)單，適合大批量生產(chǎn)。樣品強(qiáng)度在高溫下不會(huì)明顯降低，外形和尺寸基本不變，所以，采用RS可以制備形狀復(fù)雜尺寸精確的制品。其缺點(diǎn)是材料韌性較差，同時(shí)污染十分嚴(yán)重。

2.3.5 SPS

SPS是一種快速燒結(jié)新工藝，它通過(guò)通入脈沖電流進(jìn)行加熱，利用脈沖能、放電脈沖壓力和焦耳熱產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)燒結(jié)過(guò)程。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多大學(xué)和機(jī)構(gòu)都利用SPS對(duì)材料進(jìn)行研究，如HAYUN 等[23]使用SPS 得到了致密SiC 體，韌性達(dá)6.8 MPa·m1/2，彎曲強(qiáng)度達(dá)490 MPa，硬度達(dá)32 GPa。ZHANG 等[24]采用SPS制備了SiC 陶瓷，相對(duì)密度為98.5%，維氏硬度為28.5 GPa，抗彎強(qiáng)度為395 MPa，斷裂韌性為4.5 MPa·m1/2。

SPS 具有加熱均勻、升溫速度快、所需溫度低、效率高、產(chǎn)品組織細(xì)小均勻等優(yōu)點(diǎn)，可以得到高度致密材料或復(fù)雜器件。與HP 和HIP 相比，SPS 裝置操作簡(jiǎn)單，不需要專門的熟練技術(shù)。與HP相比，SPS的燒結(jié)溫度可降低100～200 ℃[25]。

2.3.6 HTHP

HTHP與常壓燒結(jié)相比可以增大密度，提高晶體對(duì)稱性、陽(yáng)離子配位數(shù)并縮短鍵長(zhǎng)。較高的燒結(jié)壓力可以加快燒結(jié)速度，提高燒結(jié)致密度，降低燒結(jié)溫度，縮短燒結(jié)時(shí)間。HTHP 產(chǎn)品結(jié)晶度高，相單一。HTHP在高壓燒結(jié)體化學(xué)、超硬材料合成、高性能陶瓷制備等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.4 RMI

RMI 是指在一定的氣氛下，熔體通過(guò)毛細(xì)管作用浸入預(yù)制體中，與氣體反應(yīng)生成基體材料。HUANG 等[26]使用RMI 制備SiC 材料，抗彎強(qiáng)度為245 MPa，彈性模量為220 MPa，轉(zhuǎn)化率為98.77%。

RMI 具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、致密度高、有利于近尺寸成型等優(yōu)點(diǎn)[27]。但在浸滲過(guò)程中，熔體與氧反應(yīng)形成的氧化物膜會(huì)阻礙熔體進(jìn)一步氧化，導(dǎo)致材料的高溫力學(xué)性能一般。

2.5 復(fù)合方法

復(fù)合方法制備的材料單一性能較強(qiáng)，但因?yàn)橹苽淞鞒涕L(zhǎng)，成本提高。優(yōu)化材料單一性能也可能會(huì)導(dǎo)致材料其他性能下降。復(fù)合方法一般適用于制備特質(zhì)的SiC復(fù)合材料。

JIN 等[28]通過(guò)選擇性激光燒結(jié)、冷等靜壓和PIP，提高了SiC 陶瓷的力學(xué)性能。左亞卓等[29]采用料漿噴涂法結(jié)合CVI 和PIP 工藝制備了抗燒蝕C/SiC復(fù)合材料。周渭良等[30]利用CVD與熔融滲硅法制備了Cf/SiC 復(fù)合材料，其密度為2.64 g/cm3，彎曲強(qiáng)度為143.7 MPa。

綜上可見(jiàn)，CVI 和PIP 適合制備含纖維相的SiC復(fù)合材料。粉末冶金普適性較強(qiáng)，主要用于制備顆粒彌散增強(qiáng)的復(fù)合材料。RMI 需要熔體浸入基體中，適合制備金屬/SiC復(fù)合材料。

3 增強(qiáng)增韌

增強(qiáng)增韌的方法一般分為2類：一是外來(lái)引入增韌相進(jìn)行增強(qiáng)增韌；二是通過(guò)工藝來(lái)改變SiC復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)增韌效果。

3.1 增韌相增強(qiáng)增韌

3.1.1 顆粒彌散增強(qiáng)增韌

顆粒彌散增強(qiáng)增韌機(jī)制包括殘余應(yīng)力場(chǎng)增韌、微裂紋增韌、裂紋偏轉(zhuǎn)、裂納米粉體增韌等。裂納米粉體增韌效果最明顯，其增韌的具體原因是形成了內(nèi)晶型結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)使晶粒在細(xì)化的同時(shí)產(chǎn)生了次晶界，致使晶界數(shù)量大幅度增加，材料的強(qiáng)度和韌性也大幅度提高，某些陶瓷還具有超塑性[31]。內(nèi)晶型結(jié)構(gòu)增韌機(jī)制如下：1)抑制基質(zhì)晶粒的生長(zhǎng)和異常長(zhǎng)大；2)彌散相因?yàn)闊崤蛎浭洚a(chǎn)生局部應(yīng)力，并在冷卻階段產(chǎn)生位錯(cuò)，納米粒子釘扎或進(jìn)入位錯(cuò)區(qū)產(chǎn)生潛晶界，進(jìn)一步使晶粒細(xì)化；3)納米粒子周圍的局部應(yīng)力場(chǎng)誘發(fā)穿晶斷裂，使硬粒子對(duì)裂紋的阻礙增強(qiáng)；4)納米粒子牽制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使高溫力學(xué)性能得到改善。

該方法常用的增強(qiáng)增韌相一般有以下幾類。

1)碳化物。SONG等[32]通過(guò)使用B4C細(xì)化了晶粒，強(qiáng)度和斷裂韌性分別達(dá)到(526±21)MPa 和(6.2±0.4)MPa·m1/2。其中，RBa2015 配料為53%SiC-20%C-15%B4C-12%酚醛樹(shù)脂(53%等為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，同理，RBa2045 配料為18%SiC-25%C-45%B4C-12%酚醛樹(shù)脂，如圖3所示[32]。從圖3發(fā)現(xiàn)材料晶粒小而均勻，晶粒結(jié)合十分緊密。

2)氧化物。20世紀(jì)80年代，NIIHARK等[33]首先用納米Al2O3和SiC合成復(fù)合材料，在1 100 ℃時(shí)抗彎強(qiáng)度達(dá)1 500 MPa，這為顆粒增強(qiáng)提供了全新思路。不同增韌相的效果不同，如Al2O3，Al2O3-MgO和Al2O3-Y2O3的樣品促進(jìn)基體致密化，Y2O3傾向于促進(jìn)顆粒細(xì)化。含F(xiàn)e2O3和Fe2O3-Y2O3的樣品具有多孔結(jié)構(gòu)，且晶粒顯著生長(zhǎng)[34]。

3)氮化物。LIM 等[35]制備了AlN-Lu2O3/β-SiC陶瓷，在室溫和1 600 ℃時(shí)的抗彎強(qiáng)度分別為630 MPa 和633 MPa。BESISA 等[36]使用PS 制備SiC/AlN復(fù)合材料的強(qiáng)度達(dá)2 600 MPa。

4)其他。雷乃旭等[37]以直接熔滲法制備了MoSi2/SiC 復(fù)合材料，材料熱導(dǎo)率得到較大幅度提升。

3.1.2 纖維增強(qiáng)增韌

纖維進(jìn)入基體后增大裂紋擴(kuò)展能耗有3 種機(jī)制：1)纖維拔出；2)纖維解離，這可以分散裂紋尖端的應(yīng)力，終止裂紋前進(jìn)或改變裂紋走向；3)纖維斷裂。纖維增韌的關(guān)鍵問(wèn)題是纖維與基體的結(jié)合，如經(jīng)處理后，SiC纖維(SiCf)增強(qiáng)SiC復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度由85 MPa 提高到420 MPa。合適的界面相可以保護(hù)纖維，避免纖維損傷，還可以促進(jìn)增韌機(jī)制的發(fā)揮，增韌相與纖維界面的狀態(tài)對(duì)增韌效果影響顯著[38]。當(dāng)纖維界面與SiC基體界面結(jié)合力較弱時(shí)，裂紋會(huì)沿界面?zhèn)鞑?，增韌效果不理想。若對(duì)界面進(jìn)行特殊處理，則會(huì)得到層狀界面或多孔界面，裂紋會(huì)在界面偏轉(zhuǎn)或產(chǎn)生分支，增韌效果較明顯。界面結(jié)合強(qiáng)度過(guò)強(qiáng)導(dǎo)致裂紋無(wú)法在界面內(nèi)部和次界面相之間發(fā)生偏轉(zhuǎn)，纖維會(huì)失效，幾乎不會(huì)提升材料的性能。纖維雖然增韌效果十分明顯，但在制備過(guò)程中，纖維的損傷與交纏會(huì)對(duì)增韌效果產(chǎn)生影響[39]。

常用的增韌纖維包括以下幾種。

1)SiCf。SiCf的性能優(yōu)異，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化。MILLER 等[40]制備的SiCf/SiC 彎曲強(qiáng)度提高到420 MPa。

2)Cf。Cf具有硬度和強(qiáng)度高、密度低、耐化學(xué)性強(qiáng)、耐高溫的優(yōu)異特性，是新一代增強(qiáng)纖維。XIONG等[14]制備了密度為2.3 g/cm3的C-C/SiC，彎曲強(qiáng)度達(dá)120 MPa，抗壓強(qiáng)度達(dá)153 MPa，材料性能如圖4所示[38]。ZHANG等[41]發(fā)現(xiàn)Al2O3和La2O3體系可促進(jìn)Cf/SiC 復(fù)合材料的致密化，為纖維增韌SiC復(fù)合材料界面控制提供了思路。

3.1.3 晶須增強(qiáng)增韌

晶須是指具有規(guī)整截面、完整結(jié)構(gòu)的絲狀單晶。晶須的結(jié)構(gòu)完整，缺陷較少，所以，其強(qiáng)度模量接近于理論值。晶須增韌復(fù)合材料機(jī)制一般有3 種：裂紋橋聯(lián)、裂紋偏轉(zhuǎn)和拔出效應(yīng)。目前，常用的增韌晶須主要包括氧化物晶須(Al2O3和K2TiO3)和SiC 晶須，SiC 晶須因?yàn)榫哂辛己玫男阅埽粡V泛應(yīng)用于增強(qiáng)金Al，Si3N4和SiC等。

李雙[42]制備了SiC 晶須增強(qiáng)SiC 復(fù)合材料。與Cf相比，SiC晶須克服了反應(yīng)過(guò)程的高溫腐蝕，當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，斷裂韌性達(dá)4.2 MPa·m1/2。在增韌過(guò)程中應(yīng)注意避免制團(tuán)聚、糾纏等現(xiàn)象，因?yàn)閾p傷會(huì)影響增強(qiáng)增韌效果。

圖3 RBa2015性能的SEM圖[32]Fig.3 SEM images of RBa2015[32]

3.2 通過(guò)工藝方法增強(qiáng)增韌

3.2.1 晶粒細(xì)化

由霍爾佩奇效應(yīng)知，在一定范圍內(nèi)，多晶材料晶粒粒徑越小，材料力學(xué)性能較好。ZHU 等[43]研究了SiC顆粒尺寸對(duì)熱壓ZrB2/SiC陶瓷組織和力學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)減小原料粒徑可使相對(duì)密度由97.4%增加到99.8%，從形貌發(fā)現(xiàn)，在致密化期間，精細(xì)的SiC顆?？梢杂行У蒯斣ЯＩL(zhǎng)。晶粒經(jīng)細(xì)化后，裂紋擴(kuò)展更傾向于沿晶斷裂，晶界岔路的增多也會(huì)使裂紋擴(kuò)展時(shí)多次轉(zhuǎn)向，大大加劇裂紋能量消耗。

3.2.2 熱處理

UDAYAKUMAR 等[44]在Ar 氣氛下對(duì)SiCf/SiC層壓板進(jìn)行了5 h熱處理，其性能得到提升。入滲430 h 后，拉伸強(qiáng)度提高3 倍，斷裂韌性提高2 倍。中間熱處理機(jī)制在于提高界面質(zhì)量，熱處理可以將增強(qiáng)相與基體之間的界面強(qiáng)度提高到弱鍵時(shí)的強(qiáng)度，所以，纖維增韌后對(duì)材料進(jìn)行熱處理，材料韌性與強(qiáng)度明顯提高。

3.3 其他方法

3.3.1 微裂紋增韌

微裂紋增韌現(xiàn)象在20世紀(jì)70年代便已發(fā)現(xiàn)，其韌化形式有2種：一是相變產(chǎn)生的自發(fā)微裂紋增韌，二是增韌相與基體熱性能失配形成的微裂紋增韌。自發(fā)微裂紋增韌是通過(guò)外力驅(qū)動(dòng)主微裂紋擴(kuò)展并與原存在微裂紋的接合所致。這種增韌機(jī)制需控制自發(fā)微裂紋長(zhǎng)度小于臨界尺寸，否則，其增韌效果要受到材料性能退化的影響。由應(yīng)力誘導(dǎo)在裂紋尖端區(qū)域形成微裂紋的韌化機(jī)制類同于相變?cè)鲰g的韌化機(jī)制。臧建兵等[45]發(fā)現(xiàn)SiC-金剛石聚晶燒結(jié)體的增韌來(lái)源于相變?cè)鲰g和微裂紋增韌的疊加。

3.3.2 層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)增韌

層狀復(fù)合是一種陶瓷增韌的新工藝，該方法增韌的原因是弱界面結(jié)合效應(yīng)。陶瓷材料裂紋一旦達(dá)到臨界尺寸就會(huì)發(fā)生擴(kuò)展，材料會(huì)由于裂紋尖端應(yīng)力集中而失效。但在層狀結(jié)構(gòu)中，裂紋只會(huì)在層間發(fā)生偏轉(zhuǎn)，不會(huì)對(duì)下層產(chǎn)生影響[46]。在外力作用下，下一層的薄弱點(diǎn)會(huì)不斷產(chǎn)生新的裂紋，抑制裂紋擴(kuò)展的影響以達(dá)到增韌效果。以片層SiC替代粒狀SiC，可達(dá)到復(fù)合增韌效果。解玉鵬等[47]采用流延法結(jié)合CVI 法制備SiC-SiC 層狀結(jié)構(gòu)陶瓷，該陶瓷具有良好的線性變形行為。

圖4 M1和M2的性能[38]Fig.4 Properties of M1 and M2[38]

4 性能

4.1 抗氧化性

常溫下大部分SiC復(fù)合材料并不會(huì)存在氧化失效問(wèn)題。但部分材料如Si3N4/SiC 在長(zhǎng)期使用過(guò)程中易被氧化性氣體氧化，生成熔融石英和方石英，導(dǎo)致體積膨脹，出現(xiàn)裂紋、掉渣甚至開(kāi)裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響SiC 材料的使用壽命。SiC 復(fù)合材料氧化失效一般有2種：一是增強(qiáng)相發(fā)生氧化，導(dǎo)致體積變化，擠壓SiC基體，基體開(kāi)裂；二是溫度變化導(dǎo)致SiC形變失效。

4.2 硬度

材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力稱為硬度。硬度也是表征材料抵抗變形或斷裂的能力，與材料的強(qiáng)度、韌性、延展性和耐磨性都有聯(lián)系，其中，硬度與致密度之間呈正相關(guān)關(guān)系，如圖5(b)和圖6(c)所示。硬度分為洛氏硬度、維氏硬度、肖氏硬度和布氏硬度，不同的硬度計(jì)量方法不同，不能直接換算，但可通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比。

SiC 復(fù)合材料的硬度為20 GPa 左右，一般在35 GPa以下，如圖6(c)所示。影響SiC復(fù)合材料硬度的因素很多，其中決定性因素有基體的硬度、燒結(jié)方法、彌散相和致密度等。

4.3 韌性

韌性表示材料在塑性變形和斷裂過(guò)程中吸收能量的能力，與強(qiáng)度密切相關(guān)。SiC復(fù)合材料的韌性較低且波動(dòng)較大，在經(jīng)過(guò)復(fù)合增強(qiáng)后，韌性為2～20 MPa·m1/2。復(fù)合材料的韌性由裂紋擴(kuò)展方式?jīng)Q定，通過(guò)抑制裂紋擴(kuò)展可以有效地增韌[48]。

一般來(lái)說(shuō)，陶瓷/SiC復(fù)合材料的韌性較低，陶瓷相抑制裂紋的擴(kuò)展能力較弱，金屬相和C 相(尤其是纖維材料)可以有效地抑制裂紋擴(kuò)展。

圖5 SiC復(fù)合材料性能[49]Fig.5 Properties of composite material SiC

4.4 強(qiáng)度

強(qiáng)度是指材料抵抗外力而不失效的能力，是機(jī)械零部件首先應(yīng)滿足的基本要求。機(jī)械零件強(qiáng)度一般可以分為靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度(彎曲疲勞和接觸疲勞等)、斷裂強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度等。SiC 復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度大多為300～600 MPa，部分材料的彎曲強(qiáng)度會(huì)有所差別(見(jiàn)圖6(b))，如MAHDI等[49]制備的SiC復(fù)合材料。陶瓷/SiC復(fù)合材料的強(qiáng)度與其他種類的SiC 復(fù)合材料強(qiáng)度相比較高，陶瓷相與SiC相結(jié)合緊密，有利于強(qiáng)度提升。

一般地，陶瓷相強(qiáng)度和硬度較高，韌性較低。復(fù)合材料性能波動(dòng)較大，C增強(qiáng)材料性能最穩(wěn)定。

5 應(yīng)用

5.1 石油工業(yè)

Al2O3，SiC和B4C陶瓷都可用作噴槍噴嘴，氧化鋁陶瓷噴嘴的價(jià)格低，但由于硬度低，致使其耐磨性較差，多用于噴砂工作量不大的場(chǎng)合。但SiC陶瓷使用壽命是Al2O3陶瓷的3～5倍，性能也優(yōu)于其他材料的性能[50]，是最常用的噴槍噴嘴材料，也作為硬質(zhì)合金的替代品在其他工況下使用。

5.2 化學(xué)工業(yè)

陶瓷/SiC是制造密封環(huán)的理想材料，它與石墨材料組合配對(duì)時(shí)，摩擦因數(shù)小，使用壽命長(zhǎng)，可靠性高，特別適合在輸送強(qiáng)酸、強(qiáng)堿工況中使用。Si3N4/SiC材料已被廣泛應(yīng)用于鋁電解工業(yè)。SiC不與鋁液發(fā)生反應(yīng)，耐電解質(zhì)腐蝕和抗空氣氧化，電阻率高，熱導(dǎo)率高，可以增加槽側(cè)壁散熱和降低槽溫，提高電流效率。選用SiC質(zhì)側(cè)壁可以使側(cè)壁厚度降低，有利于擴(kuò)大槽膛容量，增大鋁的產(chǎn)量。

5.3 航空航天

SiC復(fù)合材料因?yàn)榫哂忻芏鹊汀⒛透邷?、氚滲透率低和輻照穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。SiC/SiC 復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)襯、燃燒室筒、噴口導(dǎo)流葉片、機(jī)翼前緣、反射鏡、渦輪葉片和渦輪殼環(huán)等部位[51]。

5.4 核工業(yè)

以SiC/SiC 為代表的陶瓷/SiC 復(fù)合材料在核能系統(tǒng)中被認(rèn)為是很有應(yīng)用前景的結(jié)構(gòu)材料，由于其具有優(yōu)異的高溫性能、高抗熱流和較高輻射破壞容限，可保證系統(tǒng)的安全性。在核聚變反應(yīng)堆中，SiC復(fù)合材料在包層結(jié)構(gòu)、包層流道內(nèi)襯、轉(zhuǎn)換器等諸多方面都得到應(yīng)用。

圖6 不同增強(qiáng)相SiC復(fù)合材料性能關(guān)系Fig.6 Performance relationship of SiC composites with different reinforcement phases

5.5 機(jī)械工業(yè)

C/SiC材料具有制備周期短、成本低以及抗腐蝕、抗熱震和抗沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為成本較低、使用壽命較長(zhǎng)的優(yōu)質(zhì)剎車片材料。磁力泵的泵軸、止推盤、軸套等必須耐磨損、耐腐蝕，而目前可用材料只有SiC復(fù)合陶瓷。

6 展望

1)SiC基復(fù)合材料是一種可裁剪的材料，可以在1 400 ℃下應(yīng)用，具有較高的電阻率和熱導(dǎo)率、低密度、較強(qiáng)的耐腐蝕性、耐輻照性、耐磨性和抗氧化性、抗熱震、抗沖擊和易于制備等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研究，材料的制備方法不斷優(yōu)化，其性能顯著提高。但SiC 的相變復(fù)雜，燒結(jié)性差，脆性強(qiáng)，以目前的燒結(jié)方法仍不能有效地解決這些問(wèn)題，因此，必須采取更加適合的制備手段和增強(qiáng)增韌工藝，以進(jìn)一步提升SiC 復(fù)合材料的性能。

2)SiC復(fù)合材料因?yàn)榫哂袃?yōu)良的性能，已經(jīng)在越來(lái)越多的領(lǐng)域中得到應(yīng)用，必須深入研究制備工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料性能三者之間的相互關(guān)系，為設(shè)計(jì)SiC復(fù)合材料結(jié)構(gòu)以及提高材料特殊環(huán)境下的可靠性、性能可重復(fù)性提供理論支撐，進(jìn)一步促進(jìn)陶瓷基復(fù)合材料向結(jié)構(gòu)、功能一體化方向發(fā)展，最大限度發(fā)揮其應(yīng)用價(jià)值。

3)SiC的未來(lái)研究方向在于開(kāi)發(fā)新的更加有優(yōu)勢(shì)的制備技術(shù)與工藝，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料低耗、高效、綠色制備；對(duì)現(xiàn)有制備工藝進(jìn)行改進(jìn)，發(fā)揮不同工藝之間的協(xié)同優(yōu)勢(shì)；進(jìn)一步對(duì)增韌相與基體之間的界面行為、材料增韌機(jī)制以及失效機(jī)制等結(jié)構(gòu)材料核心問(wèn)題進(jìn)行研究。