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玄武岩纤维陶瓷复合材料的研究进展

作者:许维伟 来源:本站 浏览数:1615 发布时间:2015-12-8 15:42:54

0  前言

近年来,我国的航空航天事业取得了突飞猛进的发展。“嫦娥”奔月、“神七”升空,更大规模的载人航天计划正在紧张进行之中。航天科技的发展对航天材料的性能提出了更高的要求,减重、隔热、高强是未来航天材料的发展目标。连续纤维增强陶瓷基复合材料(Continuous Fiber Rein-forced Ceramic Matrix Composites,简称CFRCMC)具有隔热性能好、比强度高等优点,被美国国防部称为未来20年之内最有潜力的功能结构材料之一,在航空航天领域具有很强的应用潜力。

1  CFRCMC的国内外研究现状

20世纪80年代以来,世界各国尤其是美国、法国、德国、日本等国对CFRCMC的制备工艺和性能进行了大量的研究,取得了许多重要的成果。目前研究的CFRCMC主要有:SiCSiCNicalon/SiCSiC/SiO2CSiC等,其中最受重视的是C/SiCCFRCMC的制备技术已基本成熟,主要有CVI法和PIP法。

目前国内外关于CFRCMC的力学性能研究大致可以分为:宏观力学性能研究、细观力学模型研究以及纤雏类型对复合材料的性能影响研究等。文献在室温和高温下开展了两种不同密度的2D CSiC复合材料和准三维针刺CSiC复合材料的动静态压缩实验。结果表明无论是室温还是高温环境下,上述三种复合材料均具有皮变率效应,且高温应变率效应更为敏感。高温时两种密度的2D C/SiC复合材料的破坏强度在相同温度下都随应变率的增加而增加;在相同应变率下,高密度试样的强度随着温度的升高而下降,低密度试样的强度在低应变率下随温度的升高而下降,在高应变率下随温度的升高而增加。文献表明Nicalon增强SiNC陶瓷基复合材料的冲击破坏形式会随温度的提高而改变。文献模拟了航空发动机环境中复杂热物理化学因素与复杂应力因素藕合条件下连续纤维增强SiC陶瓷基复合的性能演变及失效律。文献开展了针对CSiC2D C/SiC2.5D3D CSiC的力学性能研究,发现荷载方向有效纤维率ECFL)对复合材料的性能影响很大。

我国在CFRCMC方面研究比较落后,但近年来在制备技术和应用研究方面取得了重大进展。跨大气层航天飞行器高温防热系统的C/SiC头锥帽和机翼前缘已经装机试飞成功,标志着我国CFRCMC的研究在高温大面积防热领域取得了重大突破。

2  玄武岩及其复合材料的研究及应用现状

连续玄武岩纤维Continuous Basalt Fiber简称CBF)是我国“863”计划重点支持的一种新兴的增强纤维,其技术性能指标如表1所示。

       由表1知,CBF与其他陶瓷增强纤维相比,具有高强度、耐高温、变形能力强的优点,因而是一种理想的陶瓷增强增韧纤维。另外,CBF还是我国具有自主知识产权、价格低廉的绿色纤维。

纤维增强陶瓷基复合材料是未来结构/功能一体化构件的主要功能材料,耐高温冲击性能是该材料非常重要的性能之一。

3  国内外研究现状及发展动态分析

连续玄武岩纤维(CBF)是一种高科技新型的无机纤维。它的主要原料是纯天然玄武岩矿石,经过1 4501 500 ℃的高温熔融,再采用拉丝漏板经过拉制而成。目前CBF的生产技术主要有火焰炉法和全电熔炉法,而全电熔炉法是中国独立创新的CBF生产工艺。CBF的优点如下:

1) 天然的绿色纤维:CBF的生产原料主要来自于火山的喷出岩,其天然生成,无任何化学工艺技术和新添化学掺加剂。且连续玄武岩纤维具有良好的热稳定性,这对于高温环境下的使用具有重要的意义,其较好的化学稳定性也保证了使用过程的安全,保证了人的健康;

2) 优越的综合性能:CBF具有较高的抗拉伸强度和模量见表1),既耐高温又耐低温(-260~700℃)、既耐酸又耐碱;

3) 天然的相容性:CBF是典型的硅酸盐纤维,它与很多硅化合物材料具有良好的相容性和和易性;

4) 超低的购置成本:其成本低廉主要表现在原料的价格,目前纯天然玄武岩矿石原料一吨仅仅几十元人民币,不到一百元。而通过最新研究成果技术加工后生成的CBF纤维,其每吨价格已经与E-玻璃纤维大致相当,可见其生产效率已经大幅提高。

CBF产业的特征:

1) 原料的充沛性:现在,国内有很多的CBF生产厂家,其生产的原料大多数是玄武岩石,玄武岩石料具有硬度大、强度高、耐磨性好、抗滑系数大,与沥青粘结力强等,符合高速公路沥青面层用粗集料质量要求,是高等级公路面层用的最佳石料。而CBF所需的玄武岩多是从这些铺路用的玄武石中筛选后进行生产的。

2) 工艺的简洁性:如前所述,连续玄武岩纤维具有良好的热稳定性和化学稳定性,且其在生产过程中,没有任何的化学反应与新添化学掺加剂,具有极高的环保性能。这与其他纤维相比,例如碳纤维或者玻璃纤维,有着明显的工艺特点,即生产工艺非常的简便。而且,随着工艺路线变短,其生产能耗也随着减少。有研究表明,在所有的高科技纤维中,生产能耗最低的便是玄武岩纤维。

   3) 性能的综合性:玄武岩既耐高温又耐低温,高温可达700℃,低温能达到-269℃,具有良好的热稳定性,其又耐酸又耐碱,具有良好的化学稳定性,抗蠕变性能高,表面呈极性等,而且其电绝缘性能要比玻璃高出一个数量级。

4) 环境的友好性:玄武岩产业是一项绿色产业。CBF的生产原料主要来自于火山的喷出岩,其天然生成,无任何新添化学掺加剂。且连续玄武岩纤维具有良好的热稳定性,较好的化学稳定性也保证了使用过程的安全。所以说其对环境具有友好性。    5)发展的持续性:玄武岩产业是绿色产业,也是一新兴产业,它的不断开发与应用代表着低碳、绿色、可持续发展这些与我国国家战略目标相称的思想。不仅符合国家的战略要求,而且反应世界技术的发展规律,适应人类的生活进程。

玄武岩纤维作为高科技材料的应用研究正在兴起。文献开展了玄武岩混杂纤维复合材料耐高温和耐磨损性能试验,结果表明玄武岩混杂纤维复合材料具有良好的耐高温和耐磨性能。4  玄武岩研究的技术难点

目前,玄武岩技术发展还不够成熟,还有许多困难没有被解决,问题的发现与解决是一个艰难的过程。以下几点问题仅供参考。

4.1  玄武岩的成分如何均匀受控难度大

   玄武岩是由火山爆发时岩浆冷凝而成的火成岩,其氧化物陶瓷中的各种元素是在自然条件下由大自然自由选择形成的,且不同地区、不同形成年代的玄式岩化学成分都不尽相同,尽管可以通过人为的选择,将不同化学成分配比筛选控制在一定的范围内,但是玄武岩矿石性能本身的差异是客观存在的,不会因为人工的选择而避免,也无法从本质上消除。且其差异值越大,纤维性能的不规律性也就越明显,离散度也越大。

4.2    CBF熔体固有的特性调控难度大

   我国虽然已经成为玻璃纤维的大国,但是国内生产玻璃纤维的厂家即使要开发玄武岩,也同样要面对这一些高难度问题。例如玄武岩熔体熔点高、其熔化温度高达1 5001 600℃,成纤温度约为1 360℃,如此高的温度且其融化温度与成纤温度非常接近,若熔体温度控制不好一旦进入析晶区域,则容易析晶,且析晶的速率是玻璃熔体的几十倍。玄武岩的导热性差、黏度窄也是需要解决的问题。这些问题的解决都需要配套的专用设施与其配合。

4.3  玄武岩产业待解决问题多

由于玄武岩属于新型绿色产业,其发展历程时间较短,国内外的技术都不够成熟,没有可靠的技术与经验。所以,不论是基础方面的研究还是应用方面的研究,不论是规模化的大型工业化生产,还是微观技术方面的不同材料整合,都有很多复杂的技术问题等待着我们去发现与解决。从这个方面来说,对于玄武岩产业而言,还有更为广阔的前景需要我们去开拓。5  玄武岩的发展方向与未来

    纤维增强陶瓷基复合材料正朝着结构/功能一体化、自愈性等方向发展。未来研究重点将是新型增强纤维的选择、材料抗高温氧化性能研究、自愈性研究以及结构/功能一体化设计理论研究等。针对航空航天材料的发展趋势,并结合其他连续纤维增强陶瓷基复合材料的性能不足,开展CBF/SiC陶瓷基复合材料在高温和强冲击耦合作用下的力学响应和失效机理研究,为其在航空航天等高科技领域的深入应用具有重要的推动和促进作用。