1. 引言

       復(fù)合材料由顆粒、纖維分散狀的基體材料構(gòu)成，而構(gòu)成基體材料的物質(zhì)要能夠混合交融在一起；不受溶解、融化、化學(xué)反應(yīng)和機(jī)械作用的影響。通常，復(fù)合材料的耐熱抗腐蝕和抗氧化性能都是由基體材料的屬性所決定?；w是復(fù)合材料的塑性可變形部分，其機(jī)械強(qiáng)度要比補(bǔ)充材料的機(jī)械強(qiáng)度要低。用來(lái)增強(qiáng)基體材料或促使自潤(rùn)滑性能的補(bǔ)充材料的化學(xué)屬性和構(gòu)造也各有不同。

2. 復(fù)合耐熱結(jié)構(gòu)

基體

       陶瓷基體通常有Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、TiC、B4C、BN、Al2O3•Y2O3, 3Al2O3•SiO2, Al2O3•MgO等。

       SiC是一種類金剛石的晶體結(jié)構(gòu)材料，硬度高、抗拉強(qiáng)度大，是一種難加工材料，如圖一所示。Si3N4和SiC陶瓷要比傳統(tǒng)合金優(yōu)越；特別是高溫下所表現(xiàn)出來(lái)的化學(xué)惰性。例如SiC可以耐1400 ℃的高溫，Si3N4可以耐1600 ℃的高溫，而Al2O3可以耐1800 ℃以上的高溫。

增強(qiáng)材料

連續(xù)纖維：

       碳化硅纖維：SiC常用于增強(qiáng)陶瓷，有著優(yōu)越的物理和化學(xué)性能：高溫下熱穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高、硬度高達(dá)3000-3500HV，熱膨脹系數(shù)低、抗氧化性能好，如表二所示。在20-1400 ℃下SiC的抗折強(qiáng)度超過(guò)了950 N/mm2。SiC纖維的抗折強(qiáng)度則一直保持在初始值直至溫度上升至800-900 ℃。
       氧化鋁纖維：氧化鋁纖維最為優(yōu)越的特性就是在空氣中的穩(wěn)定性，在高達(dá)1300℃下仍能保持強(qiáng)度不變。氧化鋁纖維的彈性系數(shù)高、電氣隔離性能好，強(qiáng)度中等。表三為幾種類型的纖維性能。

       玻璃/石英纖維：玻璃纖維可用于700 ℃以上加工溫度，機(jī)械強(qiáng)度高、彈性系數(shù)高、熱導(dǎo)系數(shù)低、抗腐蝕強(qiáng)度高、吸濕度為0。玻璃纖維有多種類型：玻璃纖維A（不耐水型）、玻璃纖維C（抗酸腐蝕型）、玻璃纖維D（低密度、低介電常數(shù)型）、玻璃纖維E（抗腐蝕強(qiáng)度高、電阻率高）、玻璃纖維M（硬度高；摻入8%的BeO）、玻璃纖維S（機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫），如表四所示。

       用于纖維制造最常用的玻璃類型為E，這是一種堿含量（Na2O-K2O-Li2O）在2%以下的硼硅酸鋁鈣玻璃。較低的堿含量保證良好的抗腐蝕強(qiáng)度和電阻率。纖維性能受制造工藝和纖維尺寸的影響，當(dāng)纖維直徑增大時(shí)，楊氏模量和橫向彈性模量略有增加。

       石英纖維在1050 ℃以上時(shí)仍能保持較好的強(qiáng)度，在1050 ℃-1250℃之間時(shí)能保持一段較短時(shí)間的性能。軟化溫度為1650℃，升華溫度為1800 ℃。徑向方向和軸向方向上的熱膨脹系數(shù)一致且較低。石英纖維的抗拉強(qiáng)度與芳族聚酰胺纖維接近，但延伸率略比芳族聚酰胺纖維要高。表五是石英纖維的主要特性（抗拉強(qiáng)度和彈性模量由環(huán)氧樹(shù)脂單項(xiàng)復(fù)合材料求得）。

       除此之外，石英纖維還具有良好的抗化學(xué)試劑反應(yīng)性、抗輻射、硬度高、形穩(wěn)性好等特性。

非連續(xù)纖維：

       非連續(xù)纖維可以由多種材料制得，如Al2O3、AlN、α/β-SiC、Si3N4、MgO等。表六為非連續(xù)纖維的特性。
晶須纖維

       最常用的晶須纖維為SiC纖維，有α/β兩種晶體變量，如表七所示。SiC的立方晶體結(jié)構(gòu)也即β型SiC；六邊形和菱面形結(jié)構(gòu)即α型SiC。由于兩者結(jié)構(gòu)不同，β-SiC的機(jī)械性能要比α-SiC稍有優(yōu)越。制備方法不同會(huì)導(dǎo)致纖維直徑、長(zhǎng)度和晶體結(jié)構(gòu)也不同，從而使其物理特性也各不相同。晶須表面發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)也會(huì)影響其性能。


顆粒

       SiC、石墨、Al2O3、云母、SiO2、氧化鋯、氮化硼、玻璃、MgO、TiC、AlN、Si3N6、ZrO2, TiO2、Pb和Zn都可以用來(lái)制造顆粒材料，尺寸有1微米到500微米不等。這些顆粒常用于輕量、耐磨強(qiáng)度高的材料制造，形穩(wěn)性好、振動(dòng)阻尼高，如表八所示。


3. 耐熱復(fù)合材料性能

機(jī)械性能：

       SiC纖維增強(qiáng)型SiC基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度為30-50 N/mm2，剪切力為10-20 N/mm2，彈性模量為240 N/mm2，彈性較好。該材料在1200 ℃、1.0 Hz、疲勞應(yīng)力在80-200 N/mm2的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

       Al2O3纖維增強(qiáng)型Al2O3基復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度為55-153 N/mm2，這是由于材料中45°纖維方位的緣故；彈性模量為46-74.5。

       TiB2纖維增強(qiáng)型B4C基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和撓曲強(qiáng)度有所改善，材料的硬度和韌性也有所改善。

       ZrSiO4顆粒/膨潤(rùn)土粘結(jié)劑增強(qiáng)型Li2O-ZrO2-SiO2-Al2O3基復(fù)合材料的撓曲強(qiáng)度為190-220 N/mm2，耐磨強(qiáng)度為51 mm3。

       SiC纖維增強(qiáng)型硅氧烷基復(fù)合材料的彈性模量比氧化鋁纖維增強(qiáng)型硅氧烷基復(fù)合材料的彈性模量要低。

熱性能：

       SiC基復(fù)合材料在25 ℃下的熱導(dǎo)系數(shù)為25-30 W/m•K。

       ZrSiO4顆粒/膨潤(rùn)土粘結(jié)劑增強(qiáng)型Li2O-ZrO2-SiO2-Al2O3基復(fù)合材料出現(xiàn)了14%的直線式熱收縮。

化學(xué)性能：

       SiC纖維增強(qiáng)型SiC基復(fù)合材料在1500 ℃下由于材料表面形成了一層SiO2而表現(xiàn)出抗氧化性。