“國防屏障”——陶瓷基復合材料
隨著科技的發展，氮化硅、碳化硅等高溫結構陶瓷發揮著越來越重要的作用，它們具有耐高溫、高強度和剛度、低密度、抗腐蝕等優異性能，但普通陶瓷材料更多的是一種脆性材料，在制備、機械加工以及使用過程中，容易產生一些內在和外在缺陷，從而導致陶瓷材料災難性破壞，嚴重限制了陶瓷材料應用的廣度和深度，因此提高陶瓷材料的韌性成為影響陶瓷材料在高技術領域中應用的關鍵。除了上述開發先進陶瓷這種途徑，采用高強度、高彈性的纖維與陶瓷基體復合同樣是一種行之有效且節約資源的手段，提高材料韌性從而得到有優良韌性的纖維增強陶瓷基復合材料（Ceramic Matrix Composite，簡稱CMC）。因此CMC隨之產生，CMC是以陶瓷為基體與各種纖維復合的一類復合材料。
科學技術的發展對材料提出了越來越高的要求，CMC由于在破壞過程中表現出非脆性斷裂特性，具有高可靠性，在新能源、國防軍工、航空航天、交通運輸等領域具有廣闊的應用前景。CMC也成為人們預計在21世紀中可替代金屬及其合金的發動機熱端結構的選材料。鑒于此，許多都在積極開展陶瓷基復合材料的研究，大大拓寬了其應用領域，并相繼研究出各種制備新技術。
幾類纖維增強相簡介
雖然用于纖維增強陶瓷基復合材料的纖維種類較多。但迄今為止，能夠真正實用的聯系纖維種類并不多，現簡要介紹如下：
類為氧化鋁系列(包括莫來石)纖維。這類纖維的高溫抗氧化性能優良，有可能用于1400度以上的高溫環境。但目前作為CMC的增強材料主要存在以下兩個問題：一是高溫下晶體相變、晶粒粗化以及玻璃相的蠕變導致纖維的高溫強度下降；二是在高溫成型和使用過程中，氧化物纖維易與陶瓷基體(尤其足氧化物陶瓷)形成強結合的界面，導致CMC的脆性破壞，喪失了纖維的補強增韌作用。
第二類為碳化硅系列纖維。目前制備碳化硅纖維的方法主要有兩種：一是化學氣相沉積法(CVD)：用這種方法制備的碳化硅纖維，其高溫性能好，但由于直徑太大(大于100um)，不利于制備形狀復雜的CMC構件，且價格昂貴，因而其應用受到很大限制；二是有機聚合物先驅體轉化法。典型的例子是日本碳公司生產的Nicalon和Tyranno等纖維，這種纖維的共同特點是，纖維中不同程度地含有氧和游離碳雜質，從而影響纖維的高溫性能。近，日本碳公司生產的低含氧量碳化硅纖維具有較好的高溫穩定性，其強度在1500-1600溫度下變化不大。
第三類為氮化硅系列纖維。它們實際上是由Si、N、C和O等組成的復相陶瓷纖維，現已有商品出售。這類纖維也是通過有機聚合物先驅體轉化法制備的，目前也存著與碳化硅纖維同樣的問題，因而其性能與先驅體轉化法制備的碳化硅纖維相近。
第四類為碳纖維。碳纖維已有三十余年的發展歷史，它是目前開發得成熟，性能好的纖維之一，已被廣泛用作復合材料的增強材料。其高溫性能非常好，在惰性氣氛中，2000度溫度范圍內其強度基本不下降，是目前增強纖維中高溫性能佳的一類纖維。然而，高溫抗氧化性能差是其大的弱點?？諝庵校瑴囟雀哂?60℃后即出現明顯的氧化失重和強度下降，如能解決這個問題(如采用纖維表面涂層等方法)，碳纖維仍不失為CMC的佳侯選材料。
高端領域應用簡介
迄今為止，研究得多的是Cf/SiC和SiCf/SiC體系的陶瓷基復合材料，這些復合材料主要用于航空航天發動機結構件、抗燒蝕表面隔熱板和原子反應堆壁等。用Cf /SiC復合材料制造渦輪發動機的一些構件可以提高發動機的燃燒溫度從而提高了渦輪機的效率，同時，由于Cf/SiC復合材料的密度遠低于高溫合金的密度，可以大大減輕發動機的重量，提高發動機的工作效率與可靠性；在航天領域，當飛行器進入大氣層后，由于摩擦產生的大量熱量，將導致飛行器受到嚴重的燒蝕，為了減小飛行器的這種燒蝕，需要一個有效的防熱體系，重量較輕的Cf /SiC復合材料可以起到很好的防護作用。
國際上在20世紀90年代，CMC-SiC開始步入應用研究階段．作為高推重比航空發動機用高溫熱結構材料，以推重比10航空發動機為演示驗證平臺，對噴管、燃燒室和渦輪三大部分進行了大量考核。其中法國Snecma公司生產的CMC-SiC調節片、密封片已裝機使用十幾年，在700℃工作l00h，減重50％，疲勞壽命優于高溫合金，而且SiCf/SiC和Cf/SiC復合材料制成的噴嘴和尾氣調節片已用于Mirage 2000戰斗機的M53發動機和Rafale戰斗機的M88航空發動機上。 目前正向其他發動機上拓展．中期(2015~2020年)，發展燃燒室和內襯、低壓渦輪和導向葉片；遠期(2020年以后)， 發展高壓渦輪和導向葉片，高壓壓氣機渦輪和導向葉片。
在纖維用于制備航空發動機構件的選型上，美國也做了較為廣泛的研究。1994年，NASA的EPM項目 (Enabling Propulsion Materials)選擇SiCf/SiC作為HSCT (High Speed Civil Transport)發展的佳材料系統，并開始進行纖維、纖維涂層和基體組成的選擇和研究。作為高比沖液體火箭發動機用材料，多種衛星姿控軌控發動機噴管和大型運載火箭發動機噴管擴張段通過了試車考核。美國Hyper-Therm MTC，Inc．公司和空軍實驗室采用CVI技術制備的C/SiC復合材料液體火箭發動機推力室，目前已通過燃氣溫度2050度、燃燒室壓力4.1 MPa，推力1735.2 N的熱試車考核。美國空軍超音速技術計劃在模擬Mach8巡航導彈工作環境中測試了多種用于超燃沖壓發動機尾噴管， 燃燒室側壁和進氣道唇口，側壁復合材料的性能 結果表明， 帶有抗氧化涂層的C/SiC復合材料能經受住l0 min的模擬環境考核，可用作一次性使用巡航導彈超燃沖壓發動機中的進氣道材料，并有希望用于溫度高于1940 度的燃燒室和噴管。針對大于Mach8飛行和長期工作，美法共同發起一項為期4年的研究計劃，設計了帶有冷卻結構的Cf/SiC復合材料夾層結構，分為3層：面向高溫氣流的內層為Cf/SiC復合材料，中問層為鎳合金冷卻管，外層也為C、SiC復合材料。這種結構的縮比件通過模擬超燃沖壓發動機燃燒室工作環境的考核。
從高端步向民用
Cf/SiC復合材料由于其低密度、高強度以及良好的耐磨性等性能也被逐漸用于高速飛行器和高速汽車、火車上的剎車系統。國外一些航天中心和設計研究機構采用液態硅浸滲的方法制備的Cf/SiC復合材料正考慮用于制造汽車的剎車片。在這種剎車盤中，剎車片表面之間具有冷卻通道，這種結構可以改善剎車盤的散熱性，大幅度提高剎車系統的壽命。此外德國 SGL CARBON GRO UP公司生產的 Cf/SiC復合材料也被應用于剎車片系統。通過應用Cf/SiC復合材料剎車片，剎車片的質量小于以前使用的鋼剎車片質量的50%，剎車系統中其他組件的質量同樣能夠減輕50%左右，這樣不但能夠大幅度減少費用 ,同時也能明顯提高剎車系統的功能，因此 Cf/SiC復合材料應用在剎車系統是一個潛在的大市場。
陶瓷基復合材料的發展速度遠不如聚合物和金屬基那么快。陶瓷基復合材料的制備涉及到高溫，制備工藝復雜，其成本昂貴，同時由于其基體和增強材料的熱膨脹系數差異，在制備過程和使用過程中易產生熱應力。雖然C/SiC、SiC/SiC等已應用于航天飛機的熱結構件，但目前陶瓷基復合材料主要還處于研制和試用階段，任重而道遠。
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科學技術的發展對材料提出了越來越高的要求，CMC由于在破壞過程中表現出非脆性斷裂特性，具有高可靠性，在新能源、國防軍工、航空航天、交通運輸等領域具有廣闊的應用前景。CMC也成為人們預計在21世紀中可替代金屬及其合金的發動機熱端結構的選材料。鑒于此，許多都在積極開展陶瓷基復合材料的研究，大大拓寬了其應用領域，并相繼研究出各種制備新技術。
幾類纖維增強相簡介
雖然用于纖維增強陶瓷基復合材料的纖維種類較多。但迄今為止，能夠真正實用的聯系纖維種類并不多，現簡要介紹如下：
類為氧化鋁系列(包括莫來石)纖維。這類纖維的高溫抗氧化性能優良，有可能用于1400度以上的高溫環境。但目前作為CMC的增強材料主要存在以下兩個問題：一是高溫下晶體相變、晶粒粗化以及玻璃相的蠕變導致纖維的高溫強度下降；二是在高溫成型和使用過程中，氧化物纖維易與陶瓷基體(尤其足氧化物陶瓷)形成強結合的界面，導致CMC的脆性破壞，喪失了纖維的補強增韌作用。
第二類為碳化硅系列纖維。目前制備碳化硅纖維的方法主要有兩種：一是化學氣相沉積法(CVD)：用這種方法制備的碳化硅纖維，其高溫性能好，但由于直徑太大(大于100um)，不利于制備形狀復雜的CMC構件，且價格昂貴，因而其應用受到很大限制；二是有機聚合物先驅體轉化法。典型的例子是日本碳公司生產的Nicalon和Tyranno等纖維，這種纖維的共同特點是，纖維中不同程度地含有氧和游離碳雜質，從而影響纖維的高溫性能。近，日本碳公司生產的低含氧量碳化硅纖維具有較好的高溫穩定性，其強度在1500-1600溫度下變化不大。
第三類為氮化硅系列纖維。它們實際上是由Si、N、C和O等組成的復相陶瓷纖維，現已有商品出售。這類纖維也是通過有機聚合物先驅體轉化法制備的，目前也存著與碳化硅纖維同樣的問題，因而其性能與先驅體轉化法制備的碳化硅纖維相近。
第四類為碳纖維。碳纖維已有三十余年的發展歷史，它是目前開發得成熟，性能好的纖維之一，已被廣泛用作復合材料的增強材料。其高溫性能非常好，在惰性氣氛中，2000度溫度范圍內其強度基本不下降，是目前增強纖維中高溫性能佳的一類纖維。然而，高溫抗氧化性能差是其大的弱點?？諝庵校瑴囟雀哂?60℃后即出現明顯的氧化失重和強度下降，如能解決這個問題(如采用纖維表面涂層等方法)，碳纖維仍不失為CMC的佳侯選材料。
高端領域應用簡介
迄今為止，研究得多的是Cf/SiC和SiCf/SiC體系的陶瓷基復合材料，這些復合材料主要用于航空航天發動機結構件、抗燒蝕表面隔熱板和原子反應堆壁等。用Cf /SiC復合材料制造渦輪發動機的一些構件可以提高發動機的燃燒溫度從而提高了渦輪機的效率，同時，由于Cf/SiC復合材料的密度遠低于高溫合金的密度，可以大大減輕發動機的重量，提高發動機的工作效率與可靠性；在航天領域，當飛行器進入大氣層后，由于摩擦產生的大量熱量，將導致飛行器受到嚴重的燒蝕，為了減小飛行器的這種燒蝕，需要一個有效的防熱體系，重量較輕的Cf /SiC復合材料可以起到很好的防護作用。
國際上在20世紀90年代，CMC-SiC開始步入應用研究階段．作為高推重比航空發動機用高溫熱結構材料，以推重比10航空發動機為演示驗證平臺，對噴管、燃燒室和渦輪三大部分進行了大量考核。其中法國Snecma公司生產的CMC-SiC調節片、密封片已裝機使用十幾年，在700℃工作l00h，減重50％，疲勞壽命優于高溫合金，而且SiCf/SiC和Cf/SiC復合材料制成的噴嘴和尾氣調節片已用于Mirage 2000戰斗機的M53發動機和Rafale戰斗機的M88航空發動機上。 目前正向其他發動機上拓展．中期(2015~2020年)，發展燃燒室和內襯、低壓渦輪和導向葉片；遠期(2020年以后)， 發展高壓渦輪和導向葉片，高壓壓氣機渦輪和導向葉片。
在纖維用于制備航空發動機構件的選型上，美國也做了較為廣泛的研究。1994年，NASA的EPM項目 (Enabling Propulsion Materials)選擇SiCf/SiC作為HSCT (High Speed Civil Transport)發展的佳材料系統，并開始進行纖維、纖維涂層和基體組成的選擇和研究。作為高比沖液體火箭發動機用材料，多種衛星姿控軌控發動機噴管和大型運載火箭發動機噴管擴張段通過了試車考核。美國Hyper-Therm MTC，Inc．公司和空軍實驗室采用CVI技術制備的C/SiC復合材料液體火箭發動機推力室，目前已通過燃氣溫度2050度、燃燒室壓力4.1 MPa，推力1735.2 N的熱試車考核。美國空軍超音速技術計劃在模擬Mach8巡航導彈工作環境中測試了多種用于超燃沖壓發動機尾噴管， 燃燒室側壁和進氣道唇口，側壁復合材料的性能 結果表明， 帶有抗氧化涂層的C/SiC復合材料能經受住l0 min的模擬環境考核，可用作一次性使用巡航導彈超燃沖壓發動機中的進氣道材料，并有希望用于溫度高于1940 度的燃燒室和噴管。針對大于Mach8飛行和長期工作，美法共同發起一項為期4年的研究計劃，設計了帶有冷卻結構的Cf/SiC復合材料夾層結構，分為3層：面向高溫氣流的內層為Cf/SiC復合材料，中問層為鎳合金冷卻管，外層也為C、SiC復合材料。這種結構的縮比件通過模擬超燃沖壓發動機燃燒室工作環境的考核。
從高端步向民用
Cf/SiC復合材料由于其低密度、高強度以及良好的耐磨性等性能也被逐漸用于高速飛行器和高速汽車、火車上的剎車系統。國外一些航天中心和設計研究機構采用液態硅浸滲的方法制備的Cf/SiC復合材料正考慮用于制造汽車的剎車片。在這種剎車盤中，剎車片表面之間具有冷卻通道，這種結構可以改善剎車盤的散熱性，大幅度提高剎車系統的壽命。此外德國 SGL CARBON GRO UP公司生產的 Cf/SiC復合材料也被應用于剎車片系統。通過應用Cf/SiC復合材料剎車片，剎車片的質量小于以前使用的鋼剎車片質量的50%，剎車系統中其他組件的質量同樣能夠減輕50%左右，這樣不但能夠大幅度減少費用 ,同時也能明顯提高剎車系統的功能，因此 Cf/SiC復合材料應用在剎車系統是一個潛在的大市場。
陶瓷基復合材料的發展速度遠不如聚合物和金屬基那么快。陶瓷基復合材料的制備涉及到高溫，制備工藝復雜，其成本昂貴，同時由于其基體和增強材料的熱膨脹系數差異，在制備過程和使用過程中易產生熱應力。雖然C/SiC、SiC/SiC等已應用于航天飛機的熱結構件，但目前陶瓷基復合材料主要還處于研制和試用階段，任重而道遠。
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