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什么是陶瓷基复合材料? (羧甲基纤维素钠)

作者:admin  来源:www.jmgoch.com   更新时间:2018-02-02  阅读数:354
在漫长的历史长河中,陶瓷是人类重要的出产生活材料,我国是陶瓷的故土,英语中china既指陶瓷又指我国,陶瓷之于我国的重要意义不言而喻。但是,陶瓷不只仅是国粹,不只仅是一件件巧夺天工的艺术品,不只仅是咱们平常所运用的瓶瓶罐罐、碗碗碟碟,在现代高新科技中依然有它的身影。2004年的国家科学技能奖颁出了现已接连空缺6年的国家技能创造一等奖,其间一项就是西北工业大学张立同院士项目组完结的“耐高温长寿数抗氧化陶瓷基复合材料运用技能”,陈旧的陶瓷材料在高精尖的航空航天范畴依然奉献着自己的才智。那么,什么是陶瓷基复合材料?它为什么本领高温、长寿数、抗氧化呢?它在航空航天范畴又发挥着怎么样的作用呢?今日咱们就介绍一下陶瓷基复合材料。 

1. 陶瓷与陶瓷基复合材料
陶瓷咱们在日常生活都常常触摸和运用,比如说碗,咱们用碗时的直接感觉有不怕烫、轻、健壮、不变色、耐磨经用、易碎等,这些直观感触恰好对应着陶瓷材料的优缺陷。陶瓷材料的长处有耐高温、低密度、高比强、高比模、高硬度、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损等,但陶瓷材料也有两个丧命缺陷,脆性大和可靠性差,用力学言语描绘就是强度和耐性都很低,陶瓷材料的实践强度不只远低于理论强度,并且改变规模很大。咱们既想运用陶瓷材料的长处,又想战胜陶瓷材料的缺陷,进步它的强度和耐性,怎么办?理论研讨和实践标明,开展陶瓷基复合材料是陶瓷强韧化的有效途径。
陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composite,CMC)浅显地说就是以陶瓷材料为基体,经过各种强韧化途径,进步陶瓷材料的强度和耐性。现在,强韧化途径归纳起来首要有四种:纳米晶粒增韧、原位自生增韧、仿生结构增韧、增强体增韧。前三种咱们暂时不谈,咱们假如感兴趣可以自己具体了解,只说最终一种增强体增韧,又分为三种:颗粒增韧、晶须增韧和接连纤维增韧。这其间,前两种咱们也暂时不谈,只说最终一种接连纤维增韧,为什么?由于接连纤维增韧是现在陶瓷基复合材料增韧补强作用最好的途径,正是它使得陶瓷基复合材料成为新式耐高温、低密度热结构材料,正是它使得陶瓷基复合材料在航空航天范畴拓荒出广阔的运用远景,咱们在下一节持续介绍。

2. 接连纤维增强韧陶瓷基复合材料
在介绍了什么是陶瓷基复合材料之后,咱们还要持续介绍其间强韧化作用最好的接连纤维增强韧陶瓷基复合材料(Continous Fibre-reinforced Ceramic Composite,CFCC),CFCC可以类比常见的复合材料,由基体和增强纤维组成,只不过基体为陶瓷材料,与之类似的复合材料还有接连纤维聚合物基复合材料(CFPC)和接连纤维金属基复合材料(CFMC)。
关于复合材料,在纤维与基体界面不发作滑移的条件下,混合规律告诉咱们,纤维与基体要满意模量匹配的条件,即模量比大于1,才干发挥纤维的增强作用。留意前提条件是纤维与基体界面不发作滑移,即纤维与基体应变相同,复合材料为界面强结合方法。一般来说,关于CFPC和CFMC,很容易满意模量匹配要求,但关于大部分CFCC来说,基体的模量较高,通常会呈现纤维与基体的模量失配,因而CFCC要到达增强增韧的作用就要抛弃界面强结合的方法,界面弱结合是CFCC完成增强增韧的前提条件,弱界面结合的方法如下图。

研讨还发现,复合材料的失效形式与纤维的临界长度有关。所谓的纤维临界长度,是指纤维在材料体系中被拉伸时,可以到达最大应力所需的最小长度。浅显地解说,同一体系中纤维越长,纤维内可能呈现的最大应力越大,但当纤维长度到达某一长度之后,可能呈现的最大应力值将不会添加,而只会扩展纤维内可能到达最大应力的区域规模,这一长度就称为纤维的临界长度。临界纤维长度太长,复合材料将发作非累积型损坏,强度低而耐性高;临界纤维长度适中,复合材料将发作混合型损坏,具有合理的强度和耐性匹配;临界纤维长度太短,复合材料将发作聚积型损坏,强度低耐性也低,咱们一般希望纤维发作混合型损坏。关于界面弱结合的CFCC,跟着纤维临界长度的添加,材料的耐性升高而强度下降,所以纤维的临界长度要控制在一定规模内才干使CFCC发作混合型损坏。而关于同一种纤维,纤维的临界长度又受界面结合强度的影响,因而不只要使CFCC以界面弱结合的方法存在,还要使CFCC的界面弱结合以适当的强度存在,才干完成CFCC强韧化的最佳作用。
CFCC具有巨大的材料体系,基体可分为玻璃陶瓷基、氧化物基和非氧化物基三种,增强纤维可分为碳纤维、氧化物纤维和非氧化物纤维。

(1)玻璃陶瓷基CFCC多运用SiC纤维,种类繁复,运用温度和功用可选择规模大,可加工性好,作为结构材料和功用材料都有着广泛的运用;
(2)氧化物陶瓷基CFCC首要运用氧化物纤维,首要问题是界面热物理相容性差,以及纤维容易损害导致力学功用不高,首要用于对载荷要求不高但是对耐热性要求较高的结构;
(3)非氧化物陶瓷基CFCC具有更高的强度、硬度、耐磨和耐高温功用,特别是具有更高的高温强度,一直是研讨的要点。
在所有的CFCC资猜中,接连纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料是现在研讨最多、运用最成功和最广泛的,张立同院士正是因而而取得2004年国家技能创造一等奖,下一节咱们将持续介绍。
 
3. 接连纤维增强韧碳化硅陶瓷基复合材料
接连纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(CFCC-SiC)首要包含碳纤维增韧和碳化硅纤维增韧两种(C/SiC、SiC/ SiC),CFCC-SiC是一种兼有金属材料、陶瓷材料和碳材料功用长处的热结构/功用一体化材料,战胜了金属材料耐温低和密度大、陶瓷材料脆性大和可靠性差、碳材料抗氧化性差和强度低一级缺陷,具有耐高温、低密度、高比强、高比模、抗氧化、抗烧蚀,对裂纹不灵敏,不发作灾难性损毁等特点。CFCC-SiC可顶替聚合物复合材料进步强度和运用温度,顶替金属材料可进步运用温度和减重,与C/C复合材料比较可进步抗氧化性和运用寿数,成为1650℃以下长寿数(数百上千小时)、1900℃以下有限寿数(数分到数十分钟)和2800℃以下瞬时寿数(数秒至数十秒)的热结构/功用材料,一起具有优秀的超低温功用和抗辐照功用。因而,CFCC-SiC掩盖的运用温度和寿数规模宽,运用范畴广,首要有八大运用范畴。

(1)空间技能范畴:C/SiC可用于超轻结构反射镜结构和镜面衬底,具有分量小、强度高、抗辐射和膨胀系数小等长处,有望处理大型太空反射镜结构轻量化和尺度稳定性的难题。
(2)航空发动机:CFCC-SiC可用于喷管、燃烧室、涡轮和叶片等部件,潜在的作业温度进步才能400~500℃,结构减重50%~70%,是开展高推重比航空发动机的关键热结构材料之一。CFCC-SiC现已开端运用在航空发动机的某些部件上,实践证明优于传统材料。

(3)刹车制动体系:C/SiC刹车盘与C/C比较,具有出产周期短、成本低、强度高、静摩擦系数高等长处,是继C/C之后新一代刹车材料。现在,C/SiC已运用在高档轿车上,飞机上的运用正在研讨和实验傍边。
(4)动力范畴:SiC/ SiC有望用于核聚变反应堆榜首面构件,习惯高温辐射环境,也可用于工业燃气涡轮机燃烧室内衬和榜首级覆环中,可进步作业温度,削减或取消冷却空气。
(5)液体火箭发动机:C/SiC可用于推力室和喷管,可明显减重,进步推力室压力和寿数。卫星用姿控、轨控液体火箭发动机上运用C/SiC代替铌合金燃烧室-喷管已进入实用阶段,远期还将完成在大型液体火箭发动机上的运用。
(6)冲压发动机:C/SiC可用于亚燃冲压发动机的燃烧室和喷管喉衬,进步抗氧化烧蚀功用和发动机作业寿数,确保飞行器长航程,并以进入运用阶段,往后还将运用在超燃冲压发动机的头罩前缘、燃料打针支撑件和主动冷却壁上。
(7)高明声速飞行器热防护体系:运用C/SiC作大面积热防护体系可完成防热/结构一体化,比传统的防热-结构别离体系减重50%,并可进步运用寿数,下降成本。现在,美国X-38地面返回舱的机翼前缘、头锥帽、头锥裙部及下颚板(如下图)、机体副翼和组合襟翼均运用C/SiC,欧洲Hermes航天飞机,英国Hotel航天飞机和法国Sanger航天飞机的热防护体系也采用了C/SiC材料。

(8)固体火箭发动机:CFCC-SiC首要用于气流通道的喉衬和喉阀,处理可控固体轨控发动机喉道零烧蚀的难题,进步动能拦截体系的变轨才能和机动性,现在各种战术导弹和运载火箭的上面级发动机喉衬现已取得运用。
综上所述,CFCC-SiC可顶替聚合物复合材料作为长寿数空间结构/功用材料,大起伏进步抗辐射和空间环境功用的稳定性;顶替高温合金作为长寿数高温热结构材料,可大起伏削减航空发动机分量,削减燃料和冷却空气量,进步推重比;顶替难熔金属作为有限寿数高温抗冲蚀结构材料,可大起伏节省液体火箭发动机燃料和冷却剂,进步推力和阻尼特性;顶替C/C复合材料作为有限寿数高温防热结构材料,可大起伏进步超高声速飞行器的安全性和机动性。因而, CFCC-SiC材料被认为是反映一个国家航空航天器制作才能,联系国家安全的新式战略性热结构材料。
 
4. 总结
 本文咱们依照由大到小,从高到低的顺序介绍了陶瓷基复合材料和接连纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料,如下图,它们之间的递进联系可以总结为:
(1)陶瓷材料脆性大,可靠性差,开展陶瓷基复合材料(CMC)是陶瓷强韧化的有效途径;
(2)接连纤维增韧陶瓷基复合材料(CFCC)是陶瓷基复合资猜中增韧补强作用最好的;
(3)在CFCC中,接连纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(CFCC-SiC)是现在研讨最多、运用最成功和最广泛的,是航空航天范畴中具有重要战略意义的热结构材料。

阅读来源:羧甲基纤维素钠  www.jmgoch.com
 


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