陶瓷基复合材料

在材料科学中，陶瓷基复合材料 (CMC) 是复合材料的一个子组，也是陶瓷的一个子组。 它们由嵌入陶瓷基体中的陶瓷纤维组成。 纤维和基体均可由任何陶瓷材料组成，其中碳和碳纤维也可被视为陶瓷材料。

开发 CMC 的动机是为了克服与氧化铝、碳化硅、氮化铝、氮化硅或氧化锆等传统技术陶瓷相关的问题——由于小缺陷或划痕引发的裂纹，它们在机械或热机械载荷下容易破裂。 与玻璃一样，抗裂性非常低。 为了增加抗裂性或断裂韧性，将颗粒（所谓的单晶晶须或片晶）嵌入基质中。 但改进有限，仅在部分陶瓷刀具上得到应用。 到目前为止，只有长的多股纤维的整合才显着提高了抗裂性、伸长率和抗热震性，并产生了一些新的应用。 陶瓷基复合材料 (CMC) 中使用的增强材料用于增强组合材料系统的断裂韧性，同时仍然利用陶瓷基体固有的高强度和杨氏模量。 最常见的增强材料是连续长度的陶瓷纤维，其弹性模量通常略低于基体。 这种纤维的功能作用是 (1) 增加微裂纹在基体中扩展的 CMC 应力，从而增加裂纹扩展过程中消耗的能量； 然后 (2) 当在较高应力（比例极限应力，PLS）下开始在 CMC 上形成贯穿厚度的裂纹时，在不破裂的情况下桥接这些裂纹，从而为 CMC 提供高极限抗拉强度（UTS）。 这样，陶瓷纤维增强材料不仅增加了复合结构对裂纹扩展的初始抵抗力，而且还使 CMC 避免了整体陶瓷特有的突然脆性破坏。 这种行为不同于聚合物基复合材料 (PMC) 和金属基复合材料 (MMC) 中陶瓷纤维的行为，后者由于这些基体具有更高的失效应变能力，因此纤维通常会先于基体断裂。

碳（C）、特种碳化硅（SiC）、氧化铝（Al_{2O3）和莫来石（Al2O3−SiO2) 纤维最常用于 CMC。 基体材料通常是相同的，即C、SiC、氧化铝和莫来石。 在某些陶瓷系统中，包括 SiC 和氮化硅，异常晶粒生长的过程可能会导致微观结构在更细的圆形晶粒矩阵中表现出细长的大晶粒。 AGG 衍生的微观结构由于细长晶粒的裂纹桥接和裂纹偏转而表现出增韧，这可以被认为是原位生产的纤维增强。 最近，研究人员研究了超高温陶瓷 (UHTC) 作为新型 CMC 中的陶瓷基体，即所谓的超高温陶瓷基复合材料 (UHTCMC) 或超高温陶瓷复合材料 (UHTCC)。< /sub>}

通常，CMC 名称包括纤维类型/基质类型的组合。 例如，C/C 代表碳纤维增强碳（碳/碳），或 C/SiC 代表碳纤维增强碳化硅。 有时包括制造工艺，采用液体聚合物渗透 (LPI) 工艺（见下文）制造的 C/SiC 复合材料缩写为 LPI-C/SiC。

重要的商用 CMC 是 C/C、C/SiC、SiC/SiC 和 Al_{2O3/Al2O3。 它们与传统陶瓷的不同之处在于以下特性，详情如下：}

• 断裂伸长率高达 1%
• 断裂韧性显着提高
• 极端的抗热震性
• 提高动态负载能力
• 遵循纤维方向的各向异性特性

制造过程通常包括以下三个步骤：

• 纤维的铺设和固定，形状像所需的组件
• 基质材料的渗透
• 最终机加工，如果需要，还可以进行进一步处理，例如对固有孔隙率进行涂层或浸渍。

所有 CMC 的xxx步和最后一步几乎相同：在xxx步中，纤维（通常称为粗纱）使用纤维增强塑料材料中使用的技术进行排列和固定。