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

楊 瑞，齊 哲，楊金華，焦 健

(1 中國航發(fā)北京航空材料研究院 先進(jìn)復(fù)合材料國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；2 中國航發(fā)北京航空材料研究院航空材料先進(jìn)腐蝕與防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

航空航天科技的發(fā)展對(duì)于材料的耐熱能力提出了更高的要求。相比于高溫合金，陶瓷基復(fù)合材料具有更好的耐熱性能，是高溫?zé)岫瞬考睦硐胩娲牧蟍1]。常見的陶瓷基復(fù)合材料體系包括碳或碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅材料和氧化物增強(qiáng)氧化物材料。目前，SiCf/SiC復(fù)合材料是該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)材料[2-3]，但是，SiC基復(fù)合材料抗氧化性能較差，嚴(yán)重影響其使用壽命，在高溫燃?xì)猸h(huán)境長期工作時(shí)，必須配套有環(huán)境障涂層，成本高昂，于是人們開始關(guān)注抗氧化性能更好、成本更低的氧化物纖維增強(qiáng)氧化物陶瓷基復(fù)合材料。

氧化物/氧化物陶瓷基復(fù)合材料是指以氧化物陶瓷為基體，與氧化物纖維復(fù)合的一類材料，這類材料具有密度低、耐高溫、抗氧化等特點(diǎn)[4]。與SiC基復(fù)合材料相比，氧化物/氧化物陶瓷基復(fù)合材料具有更好的環(huán)境穩(wěn)定性[5-7]，該材料有可能在1000～1400℃的燃?xì)猸h(huán)境中長期服役[8-12]，是目前最有潛力應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域高溫部件的材料[13-17]。本文從氧化物纖維、陶瓷基體、復(fù)合材料設(shè)計(jì)、制備工藝以及考核應(yīng)用等方面對(duì)近年來氧化物/氧化物陶瓷基復(fù)合材料的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1 氧化物纖維

氧化物/氧化物陶瓷基復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維主要采用Al2O3或Al2O3-SiO2陶瓷纖維，大部分屬于多晶氧化物纖維，目前，商用的氧化物纖維中，由美國3M公司生產(chǎn)的Nextel系列纖維最為成熟，應(yīng)用也最為廣泛[18]，此外，主要還有Dupont公司的FP和PRD-166系列，日本Sumitomo公司的Altex系列、Nitivy公司的Nitivy ALF系列，以及英國ICI公司的Saffil系列纖維等。常用氧化物纖維的基本性能如表1所示[19]。

表1 常用氧化物纖維的性能[19]Table 1 Properties of oxide fibers[19]

下面以3M公司的Nextel系列纖維為例來說明氧化物纖維的發(fā)展歷程。3M公司的Nextel 312是世界上第一款連續(xù)氧化鋁纖維，其成分中含有Al2O3，SiO2和B2O3，由于纖維中玻璃相的出現(xiàn)，顯著影響其蠕變性能，進(jìn)而限制了其最高使用溫度。隨后，為提高纖維的高溫穩(wěn)定性，3M公司將Nextel 312中的B2O3含量進(jìn)一步降低，制備了Nextel 440，可應(yīng)用于<1000℃的工況，例如隔熱環(huán)境。Nextel 550纖維僅含有γ-Al2O3以及無定形SiO2，使用溫度進(jìn)一步提高，但受限于纖維的結(jié)晶溫度，一般用于<1200℃的工況。為滿足航空航天領(lǐng)域熱端部件對(duì)于陶瓷基復(fù)合材料高溫穩(wěn)定性的要求，3M公司又開發(fā)了Nextel 610纖維。Nextel 610幾乎完全由α-Al2O3組成，在室溫下，具有高達(dá)3100MPa的拉伸強(qiáng)度，Nextel 610中還添加有少量的SiO2，在高溫下可以與Al2O3反應(yīng)生成莫來石并包裹在Al2O3晶粒表面，防止Al2O3晶粒的長大，因此，Nextel 610在1200℃的高溫環(huán)境中仍有90%以上的強(qiáng)度保留率，但該纖維在1300℃以上容易發(fā)生蠕變斷裂。為提高纖維的抗蠕變性能，3M公司又開發(fā)了Nextel 720纖維。Nextel 720中含有45%的α-Al2O3和55%的莫來石兩種晶相，相對(duì)于氧化鋁而言，莫來石具有極其優(yōu)異的抗蠕變性能，因而纖維的抗蠕變性大幅提升，是目前該領(lǐng)域研究的首選纖維材料[8,20-22]。此外，3M公司還開發(fā)了Nextel 650 纖維，該纖維主要由α-Al2O3組成，添加有少量的ZrO2和Y2O3，可以起到抑制晶粒生長和降低蠕變速率的作用，Nextel 650 纖維具有比Nextel 720優(yōu)異的高溫拉伸強(qiáng)度，比Nextel 610 優(yōu)異的抗蠕變性。

整體來看，目前商業(yè)化的氧化物纖維以多晶氧化鋁纖維為主，高溫性能有一定局限性。通過合理的晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)纖維的高溫性能穩(wěn)定化，是未來氧化物纖維發(fā)展的趨勢(shì)。

2 基體

氧化物/氧化物陶瓷基復(fù)合材料的基體材料主要包括：氧化鋁(主要是α-Al2O3)、莫來石(3Al2O3-2SiO2)、釔鋁石榴石(Y3Al5O12，YAG)、鋰鋁硅(LAS)和鋇鋁硅(BAS)玻璃、堇青石(Mg2Al4Si5O18)等。

α-Al2O3是目前應(yīng)用較為廣泛的基體材料，其燒結(jié)溫度適中、熔點(diǎn)高、力學(xué)性能優(yōu)異、耐化學(xué)腐蝕，有優(yōu)良的高溫抗氧化性能，因此被廣泛用做氧化物/氧化物陶瓷基復(fù)合材料的基體材料[23]。Ruggles-Wrenn等[8,21,24-31]對(duì)ATK-COI陶瓷公司制備的氧化鋁基體復(fù)合材料進(jìn)行了大量的性能測(cè)試，結(jié)果顯示其整體力學(xué)性能較為優(yōu)異，但高溫抗蠕變性能較差，容易導(dǎo)致復(fù)合材料在高溫應(yīng)力作用下發(fā)生蠕變破壞。

莫來石(3Al2O3-2SiO2)是一系列由鋁硅酸鹽組成的礦物統(tǒng)稱，其熔點(diǎn)高、密度低、線膨脹系數(shù)小，高溫物理化學(xué)性能穩(wěn)定，具有共格晶界，可以有效地抑制高溫下位錯(cuò)的擴(kuò)展，因而具有優(yōu)良的抗蠕變和抗熱震性能。莫來石基體中，主要成分為氧化鋁，通過SiO2來黏結(jié)。王義等[32-33]利用sol-gel工藝以雙相Al2O3-SiO2溶膠為原料，制備了近化學(xué)計(jì)量比的斜方莫來石陶瓷粉。然后，利用漿料浸漬-燒結(jié)結(jié)合sol-gel工藝制備了三維Nextel 440纖維增強(qiáng)多孔莫來石(Nextel 440/p-M)陶瓷基復(fù)合材料。相比于致密基體復(fù)合材料而言，Nextel 440/p-M多孔基體復(fù)合材料表現(xiàn)出典型的韌性斷裂行為，且力學(xué)性能較優(yōu)。

釔鋁石榴石(Y3Al5O12，YAG)是人造化合物，均質(zhì)體，硬度高，線膨脹系數(shù)小，晶粒不易長大，高溫化學(xué)穩(wěn)定性好。Van Roode等[12]研究了Nextel 720/YAG復(fù)合材料的耐高溫性能，并與Nextel 720/Al2O3進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，將Al2O3基體更換為YAG基體后，復(fù)合材料的耐高溫性能提升了約100℃，抗水蒸氣降解性能也得到明顯改善,與Al2O3相比，YAG具有更好的環(huán)境穩(wěn)定性。

綜合來看，作為基體材料，莫來石和釔鋁石榴石性能較好，特別是莫來石，是目前研究較多的氧化物陶瓷基復(fù)合材料基體[32,34]。

3 復(fù)合材料設(shè)計(jì)

氧化物/氧化物陶瓷基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)主要采用了兩類基本原理，一是采用界面層，一般采用纖維涂層；二是采用足夠弱的基體，如多孔基體。復(fù)合材料的斷裂行為是在纖維，界面層以及基體間競爭斷裂的結(jié)果。因此，強(qiáng)韌的復(fù)合材料在設(shè)計(jì)時(shí)需要在纖維/基體界面或其附近實(shí)現(xiàn)裂紋偏轉(zhuǎn)。

3.1 界面層設(shè)計(jì)

CMC界面層的種類較多，分類方法各異。對(duì)于氧化物CMC，常用界面層可以分為以下三類：

(1)弱氧化物界面層

對(duì)于目前的氧化物纖維來說，LaPO4是最常見的滿足裂紋偏轉(zhuǎn)需求的弱氧化物界面層。LaPO4類物質(zhì)具有高熔點(diǎn)(>2000℃)，與氧化物特別是氧化鋁的結(jié)合力較弱，并且在高溫下能夠與氧化鋁等氧化物穩(wěn)定共存，因此應(yīng)用最為廣泛[35-39]。Morgan和Marshall[40]測(cè)試了Sapphire纖維/LaPO4/氧化鋁復(fù)合材料體系，發(fā)現(xiàn)基體產(chǎn)生的裂紋沒有滲入纖維，而是在LaPO4/纖維界面處發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。這一發(fā)現(xiàn)說明LaPO4是一有前景的弱界面層材料，明顯促進(jìn)了其后對(duì)于LaPO4界面層的研究。

Keller等[41]對(duì)于Nextel 610/氧化鋁復(fù)合材料體系的研究表明，含LaPO4界面層的復(fù)合材料具有更高的強(qiáng)度和使用溫度。在1200℃加熱100h后，含界面層的復(fù)合材料強(qiáng)度損失約28%，在1200℃加熱1000h后，復(fù)合材料仍有超過60%的強(qiáng)度保留率。而不含界面層的對(duì)照樣在1200℃加熱5h后的強(qiáng)度損失就達(dá)70%以上。Nextel 610/ LaPO4/氧化鋁復(fù)合材料試樣的斷裂面顯示纖維從氧化鋁基體中拔出，LaPO4涂層存在于拔出的纖維以及纖維槽表面。而不含界面層的對(duì)照樣呈現(xiàn)出脆性斷裂，并無纖維拔出。

(2)多孔涂層

多孔涂層界面層存在孔隙結(jié)構(gòu)，微孔可以有效偏轉(zhuǎn)基體裂紋，從而消耗復(fù)合材料的斷裂能。目前為止，已經(jīng)研究了大量的多孔涂層，包括鋯石(ZrSiO4)，ZrO2以及稀土鋁酸鹽等[42]。

作為開發(fā)高溫(≈1400℃)燃燒室應(yīng)用的氧化物-氧化物復(fù)合材料項(xiàng)目的一部分，Holmquist等[42]開展了Sapphire/多孔ZrO2/氧化鋁復(fù)合材料的研究。在制備多孔ZrO2界面層時(shí)，首先將碳與ZrO2的混合懸浮液沉積于Sapphire纖維表面，然后將含有界面層的纖維與氧化鋁基體復(fù)合，再通過加熱氧化去除碳得到多孔涂層界面層。Holmquist等還采用該復(fù)合材料體系制備了燃燒室瓦片，并放置于燃燒室中進(jìn)行了長達(dá)1.5h的測(cè)試。結(jié)果顯示，基體中存在微裂紋，而纖維保持完好，并維持了基體材料的完整性，這一結(jié)果證明了多孔ZrO2涂層作為弱界面層是有效的。

(3)逸散型涂層

逸散型涂層是指界面層在復(fù)合材料制備過程中可以被去除的一類涂層。多種材料具備這種功能，例如鉬，但考慮到原材料價(jià)格以及獲取的便捷性，碳是最佳的選擇。氧化物/氧化物復(fù)合材料中的碳界面層可以在使用前或使用中通過氧化去除，從而在纖維/基體界面留下間隙。

Keller等[44]的研究表明，逸散型碳界面層可以為Sapphire/YAG以及Nextel 720/CAS(鋁硅酸鈣)復(fù)合材料提供弱的界面層。Weaver等[45]進(jìn)一步證實(shí)了薄(≈10nm)的逸散型碳界面層的有效性，該界面層通過將PVA沉積于Nextel 720纖維布表面而制備。含界面層的纖維布用來增強(qiáng)莫來石-氧化鋁基體，與對(duì)照樣相比，經(jīng)過1200℃加熱1000h后，無論是刻痕還是無刻痕試樣，含逸散型碳界面層的復(fù)合材料都具有更高的強(qiáng)度保留率。在加熱前的初始狀態(tài)，可以觀察到毫米級(jí)的大量纖維拔出；加熱后，纖維拔出長度有所減少，但仍能觀察到纖維拔出，這一結(jié)果說明逸散型碳涂層作為弱界面層是有效的。

3.2 多孔基體

在氧化物/氧化物陶瓷基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)中，目前廣泛采用“相對(duì)弱的基體”來替代纖維/基體界面層。在上述界面層的介紹中，其中一種弱界面層采用了高度多孔的氧化物涂層。將此概念延伸，制備復(fù)合材料時(shí)將整個(gè)基體都設(shè)計(jì)成多孔，即“多孔基體”，也可以形成有效的裂紋偏轉(zhuǎn)和增強(qiáng)效果[23]。

在多孔基體復(fù)合材料中，基體的裂紋在纖維/基體界面的基體中發(fā)生偏轉(zhuǎn)。與密實(shí)基體相比，多孔基體中不會(huì)在纖維表面產(chǎn)生應(yīng)力集中來折斷纖維。雖然纖維和基體顆粒間的結(jié)合很強(qiáng)，但是，裂紋一般會(huì)朝著相鄰的孔隙發(fā)展并最終到達(dá)孔隙中的纖維表面從而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。當(dāng)不同的裂紋面最終合并形成貫穿樣品的裂紋時(shí)，基體發(fā)生粉碎性破壞。

為提高復(fù)合材料的長期熱穩(wěn)定性，在多孔基體材料的設(shè)計(jì)中，經(jīng)常采用氧化鋁-莫來石基體的組合。Fujita等[46-48]的研究表明，要形成多孔基體，關(guān)鍵點(diǎn)在于選用兩種不同顆粒尺寸、不同燒結(jié)動(dòng)力學(xué)的氧化物組分。在氧化鋁-莫來石基體中，混合了莫來石粉(≈1μm)和氧化鋁粉(≈0.2μm)，莫來石燒結(jié)較慢，能夠防止收縮，從而保持整體的孔隙結(jié)構(gòu)，氧化鋁較易燒結(jié)，能夠黏結(jié)莫來石顆粒，從而為多孔基體結(jié)構(gòu)提供強(qiáng)度。

4 制備工藝

氧化物陶瓷基復(fù)合材料的制備一般包括以下幾步：(1)纖維界面層制備；(2)纖維編織；(3)基體先驅(qū)體浸漬；(4)基體致密化；(5)最終加工。在一些工藝中，工序的先后順序可以交換，對(duì)于多孔基復(fù)合材料，不需要界面層制備工序。根據(jù)基體的浸漬工藝或致密化工藝的不同，可以將氧化物/氧化物陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝分為以下7種：

(1)預(yù)浸料工藝

預(yù)浸料工藝是制備氧化物/氧化物陶瓷基復(fù)合材料最普遍采用的工藝，該工藝類似于樹脂基復(fù)合材料的制備工藝。例如，ATK-COI陶瓷公司在制備Nextel 720/鋁硅酸鹽復(fù)合材料時(shí)[49]，首先，將纖維布浸漬于陶瓷漿料中制備預(yù)浸料；然后，將預(yù)浸料在模具上鋪層，熱壓得到預(yù)制體；最后，將預(yù)制體在空氣中無壓燒結(jié)，從而獲得多孔基體復(fù)合材料，工藝流程如圖1所示。

對(duì)這類多孔基復(fù)合材料而言，燒結(jié)步驟的目的并不是使基體完全致密化，而是加強(qiáng)顆粒之間的接觸從而增強(qiáng)基體強(qiáng)度[50]。表2所示為ATK-COI陶瓷公司制備的Nextel 720/Al2O3多孔基體復(fù)合材料的主要性能。

圖1 ATK-COI陶瓷公司的工藝流程圖[49]Fig.1 Processing steps of ATK-COI Ceramics, Inc.[49]

PropertyValueVolume fraction of fiber/%46Bulk density/(g·cm-3)2.77Composite porosity/%22Matrix porosity/%44Ultimate tensile strength(in plane)/MPa175-197Ultimate tensile strength(through thickness)/MPa6Tensile modulus(in plane)/GPa73CTE(RT)/℃-13.5×10-6CTE(1000℃)/℃-16.2×10-6Maximum use temperature(continuous)/℃1200Maximum use temperature(short-term)/℃1300

與ATK-COI陶瓷公司采用的纖維織物預(yù)浸料工藝不同，德國DLR采用了纖維浸漬-纏繞的預(yù)浸料工藝(WHIPOX工藝[51])，工藝流程如圖2所示。首先將纖維加熱除掉上漿劑，然后將纖維浸漬于陶瓷料漿中。浸漬后的纖維預(yù)干燥后，通過纏繞成型制備預(yù)制體，最后，在空氣中無壓燒結(jié)得到多孔基體復(fù)合材料。

圖2 德國DLR的工藝流程圖Fig.2 Processing steps of DLR

表3所示為德國DLR采用WHIPOX工藝制備的多孔基體復(fù)合材料的主要性能范圍。

預(yù)浸料工藝主要的優(yōu)點(diǎn)是可以制備近凈成型，相對(duì)復(fù)雜的構(gòu)件。圖3為ATK-COI陶瓷公司采用該工藝制備的直升機(jī)用排氣管[51]。

(2)壓力浸漬/真空輔助浸漬工藝

該工藝主要用于纖維布樣品[52-53]。加州大學(xué)(UCSB)對(duì)該工藝進(jìn)行了大量的研究[52, 54-56]，其工藝路線如圖4所示。

表3 DLR制備的復(fù)合材料性能Table 3 Properties of CMCs made by DLR

圖3 將預(yù)浸料在模具中鋪層(a)和制備的排氣管(b)[51]Fig.3 Laying of prepreg into a mold (a) and the produced exhaust duct (b)[51]

首先，將纖維布在模具中鋪層固定，然后，將陶瓷料漿倒入模具中。開始加壓，以促進(jìn)料漿浸漬纖維布，也可以通過真空來輔助浸漬。料漿浸漬完成后，將生坯從裝置中拿出。生坯經(jīng)干燥后得到固化后坯體，然后加熱裂解后得到坯體，可以通過先驅(qū)體的反復(fù)浸漬-裂解(PIP)來增加基體的密度。最后，將坯體在空氣中無壓燒結(jié)形成氧化物/氧化物多孔基體復(fù)合材料。

表4所示為UCSB采用壓力浸漬+PIP工藝制備的Nextel 720/M多孔基體復(fù)合材料的主要性能。

圖4 UCSB的工藝流程圖Fig.4 Processing steps of UCSB

Volume fraction of fiber/%Composite porosity/%Matrix porosity/%Ultimate tensile strength/MPaTensile modulus/GPaFlexural strength/MPaMaximum use temperature(continuous)/℃4617-2129-35150602151200

(3)先驅(qū)體浸滲熱解法(PIP)

將氧化物先驅(qū)體溶液浸滲至纖維預(yù)制體內(nèi)部，先驅(qū)體經(jīng)過固化、高溫裂解獲得氧化物基體[55]。制備復(fù)合材料時(shí)，可單獨(dú)采用該工藝，也可與其他工藝如預(yù)浸料工藝、壓力浸漬工藝等結(jié)合使用，詳細(xì)工藝過程在壓力浸漬工藝中已有提及，這里不再贅述。該工藝的優(yōu)點(diǎn)在于制備溫度較低、對(duì)于纖維損傷較小、基體結(jié)構(gòu)和組分均勻，可制備大尺寸異型構(gòu)件；缺點(diǎn)是單次循環(huán)陶瓷產(chǎn)率較低，制備周期較長，復(fù)合材料孔隙率較高。

(4)電泳沉積法(EPD)

該方法利用氧化物的帶電膠體粒子在電場的作用下，向纖維預(yù)制體內(nèi)部遷移形成基體。工藝流程如圖5所示，氧化物纖維布需要通過涂覆導(dǎo)電涂層或固定于導(dǎo)電材料表面實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電。該工藝對(duì)于制備復(fù)相氧化物基體材料有較大潛力，但缺點(diǎn)在于所制備材料的尺寸和厚度有所局限，因此該工藝可僅作為前期預(yù)浸漬工藝與其他工藝如壓力浸漬等結(jié)合起來應(yīng)用[57]。

圖5 EPD工藝流程圖Fig.5 Processing steps of EPD

(5)化學(xué)氣相沉積/滲透法(CVD/CVI)

將纖維預(yù)制體放置于沉積室，使氧化物先驅(qū)體分解產(chǎn)生氧化物基體并沉積于纖維表面。該工藝主要用于SiC基和C基復(fù)合材料的制備[51]，在氧化物復(fù)合材料制備方面并未廣泛應(yīng)用，但有潛力制備致密的氧化物基復(fù)合材料。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于纖維損傷小，主要缺點(diǎn)是制備周期長，成本高，并難以制備多組分的氧化物基體。

(6)冷凍成型/冷凍干燥/冷凍凝膠工藝

該工藝流程如圖6所示，首先將纖維或纖維布浸漬于陶瓷料漿中制備預(yù)浸料，將預(yù)浸料鋪層，然后冷卻至溶劑的凝固點(diǎn)以下，溶劑的固化使氧化物顆粒析出于纖維表面，再通過升華將溶劑去除。最后將復(fù)合材料生坯燒結(jié)成型。通過該工藝制備的復(fù)合材料為多孔基體結(jié)構(gòu)。由于采用升華的工藝來去除預(yù)浸料中的溶劑，基體中不會(huì)產(chǎn)生由于毛細(xì)管壓力而導(dǎo)致的裂紋，因此，該工藝的優(yōu)點(diǎn)是可以制備無裂紋的復(fù)合材料[50]。

圖6 冷凍成型工藝流程圖Fig.6 Processing steps of freeze forming

(7)金屬氧化工藝

包括直接金屬氧化(DIMOX)、熔滲(MI)及反應(yīng)粘合(RB)等工藝[58-59]，原理上較為相似，將熔融的金屬(一般采用Al)在毛細(xì)管力的作用下浸滲至纖維預(yù)制體內(nèi)部，同時(shí)發(fā)生氧化生成基體組分，利用金屬先驅(qū)體的氧化來填充基體中的孔隙。由于從金屬到氧化物狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)體積顯著增加，因此這類工藝的主要優(yōu)點(diǎn)是復(fù)合材料致密度較高，但這類工藝的制備溫度較高，纖維損傷較大，同時(shí)制備過程中會(huì)殘留一定體積的金屬，影響復(fù)合材料的性能。

5 考核應(yīng)用

2003年開始，由ATK-COI陶瓷公司制備的氧化物/氧化物陶瓷基復(fù)合材料燃燒室襯套(外襯套)在工業(yè)用燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)Centaur 50S (Solar Turbine公司)上進(jìn)行了外場考核[13]。該構(gòu)件尺寸為直徑76cm，寬20cm，厚度0.7cm，表面帶有一層氧化物的FGI熱防護(hù)涂層，承受燃燒室最大應(yīng)力76MPa，最高表面溫度1150℃。在試驗(yàn)12582h/63次點(diǎn)火后，該構(gòu)件結(jié)構(gòu)保持完好，僅有個(gè)別區(qū)域有輕度損傷，ATK-COI陶瓷公司對(duì)構(gòu)件修復(fù)后繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，構(gòu)件及修復(fù)后的形貌見圖7。最終完成了109次循環(huán)25404h的考核。

圖7 ATK-COI陶瓷公司制備的氧化物/氧化物燃燒室內(nèi)/外襯(a)和12582h考核、修復(fù)后形貌(b)[13]Fig.7 Oxide/oxide combustor inner and outer liners fabricated by ATK-COI Ceramics, Inc. (a) and repaired outer liner after 12582h field test (b)[13]

Rolls-Royce公司也在積極推進(jìn)陶瓷基復(fù)合材料在發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管中的應(yīng)用[10]。在NASA的環(huán)境責(zé)任航空項(xiàng)目(ERA)的支持下，他們?cè)O(shè)計(jì)和測(cè)試了一個(gè)混合型噴嘴，由ATK COI陶瓷公司提供的Nextel 610 氧化鋁纖維增強(qiáng)硅酸鋁基復(fù)合材料制成。制造的縮比件提供給NASA Glenn研究中心進(jìn)行性能測(cè)試，技術(shù)水平達(dá)到TRL-4。

在美國聯(lián)邦航空管理署發(fā)起的持續(xù)低能耗、低釋放和低噪音(CLEEN)技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新項(xiàng)目的支持下，Boeing公司研制了一個(gè)氧化物陶瓷基復(fù)合材料噴嘴及中心部件[60]，其中噴嘴與發(fā)動(dòng)機(jī)連接部分的直徑為1.6m，中心部件的長度為2.3m，它們?nèi)坑蒒extel 610氧化鋁纖維增強(qiáng)硅酸鋁基復(fù)合材料制成。這些組件針對(duì)Rolls-Royce的Trent 1000發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，并于2013年底在Boeing 787客機(jī)上進(jìn)行飛行測(cè)試。

德國航空中心Schneider等[34]對(duì)莫來石纖維增強(qiáng)莫來石復(fù)合材料進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，已能制備和加工異形復(fù)雜構(gòu)件，制備的燃燒室隔熱瓦已通過模擬試驗(yàn)。

氧化物陶瓷基復(fù)合材料引入航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫?zé)岫瞬考?，是該材料在航空?yīng)用的一個(gè)里程碑，該材料可減重達(dá)40%，提高燃燒效率，降低油耗，同時(shí)還有降低噪音的作用。

6 結(jié)束語

氧化物/氧化物陶瓷基復(fù)合材料具有優(yōu)異的高溫抗氧化性能，是應(yīng)用于高溫有氧環(huán)境的理想候選材料，在航空航天熱端部件如發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、尾噴管等部位有著巨大的應(yīng)用潛力。

(1)目前商業(yè)化的氧化物纖維以多晶氧化鋁纖維為主，高溫性能有一定局限性。通過合理的晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)纖維的高溫性能穩(wěn)定化，是未來氧化物纖維發(fā)展的趨勢(shì)。在3M的Nextel 720纖維的組成中，除α-Al2O3外，還含有莫來石相，在高溫下具有更為優(yōu)異的抗蠕變性能，是目前研究的首選纖維材料。

(2)理想的氧化物陶瓷基體需要燒結(jié)溫度低，并且高溫性能穩(wěn)定，α-Al2O3是目前應(yīng)用較為廣泛的基體材料。綜合來看，常用氧化物基體中，莫來石和釔鋁石榴石性能較好，特別是莫來石，是目前研究較多的氧化物陶瓷基復(fù)合材料基體。

(3)氧化物/氧化物陶瓷基復(fù)合材料在設(shè)計(jì)時(shí)需要在纖維/基體界面或其附近實(shí)現(xiàn)裂紋偏轉(zhuǎn)。界面層或多孔基體都可以達(dá)到這一目的，常用的界面層包括弱氧化物、多孔涂層以及逸散型界面層。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的氧化物/氧化物陶瓷基復(fù)合材料在設(shè)計(jì)時(shí)都采用了多孔基體的方案。

(4)目前氧化物/氧化物陶瓷基復(fù)合材料最普遍采用的制備工藝是預(yù)浸料工藝，該工藝類似于樹脂基復(fù)合材料的制備工藝。該工藝可以制備近凈成型，相對(duì)復(fù)雜的構(gòu)件。