[科普中國]-碳纖維陶瓷復(fù)合材料

陶瓷一類的無機材料在耐熱、抗氧化、耐磨、耐腐蝕、電性能等方面有很多突出的優(yōu)點，但是抗機械沖擊、抗熱震性能較差，“脆性”是致命的弱點。用碳纖維與陶瓷組成復(fù)合材料能大幅度地提高斷裂功和抗熱震性能，改善陶瓷的脆性。而陶瓷又保護(hù)了碳纖維，使它在高溫下不受氧化，因而具有很高的高溫強度和彈性模量。如碳纖維增強的氮化硅陶瓷可在1400℃的溫度下長期使用，可用作噴氣飛機的渦輪葉片。又如我國研制的碳纖維增強石英陶瓷復(fù)合材料，抗沖擊強度比純燒結(jié)石英陶瓷大40倍，抗彎強度大5-12倍，比強度、比模量有成倍的提高，能承受1200-1500℃的高溫氣流的沖擊，是一種很有前途的新型復(fù)合材料。

簡介碳纖維陶瓷復(fù)合材料是由石墨纖維和陶瓷復(fù)合而成的，其密度低，高溫強度和彈性模量很高，耐磨性、耐蝕性和韌性良好。例如，碳纖維增強氮化硅陶瓷可在1 400℃長期工作；碳纖維增強石英陶瓷的韌性比純燒結(jié)石英陶瓷大40倍，抗彎強度大5～12倍，能承受1200-1500℃氣流的沖擊等。

碳纖維陶瓷復(fù)合材料主要作為高溫材料和耐磨、耐蝕材料，如噴氣飛機的渦輪葉片等。1

研究情況2005年8月，德國《世界報》報道，德國航空航天中心一個研究小組，發(fā)明一種碳纖維耐熱陶瓷瓦，有望解決美國航天飛機耐熱陶瓷瓦脫落的難題。

碳纖維增強耐高溫陶瓷瓦，是確保航天飛機飛行安全的重要部件，近日升空的美國發(fā)現(xiàn)者號航天飛機上，就有2.5萬多塊耐熱陶瓷瓦。陶瓷瓦在進(jìn)入大氣層時經(jīng)歷高溫摩擦，會出現(xiàn)大片脫落，是造成航天飛機事故甚至機毀人亡悲劇的重要原因。美國宇航局一直在致力改善耐熱陶瓷瓦的性能，但至今仍未取得突破性進(jìn)展。

德國研究小組采用一種新的制造工藝，使生產(chǎn)的碳纖維增強碳化硅陶瓷瓦，可以反復(fù)經(jīng)受1700℃的高溫，并具有很強的抗沖擊性和耐化學(xué)性。新型陶瓷瓦的另一突出優(yōu)點是，在大尺寸下性能穩(wěn)定，沒有裂紋。新型陶瓷瓦，在2005年6月中旬，俄羅斯發(fā)射的聯(lián)盟號飛船火箭上首次使用，取得理想的效果。 目前，美國宇航局對這種新型陶瓷瓦很感興趣，已在美國新研制的“X-38”空天飛機上進(jìn)行過試驗。這種新型碳纖維增強陶瓷，還被一些汽車制造商看好，可用于制造剎車系統(tǒng)中的耐高溫陶瓷剎車片。2

其他用途碳纖維用于纖維增強復(fù)合材料中的增強材料，復(fù)合材料中的基體可以用高聚物樹脂、金屬、陶瓷、無定形碳等!碳纖維與高聚物樹脂的復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強度高、耐高溫等特性，是飛機、艦艇、宇宙飛船、火箭、導(dǎo)彈等殼體的重要材料。碳纖維與陶瓷的復(fù)合材料具有強度高、耐磨損的特點。碳纖維與無定形碳的復(fù)合材料具有耐高溫、耐燒蝕，是導(dǎo)彈、火箭、噴火喉管及飛機等剎車盤的重要制造原料。同時，利用其導(dǎo)電性能而制成的導(dǎo)體材料和防電磁輻射材料也有許多用途。另外，碳纖維在建筑、交通、運輸工程中也有應(yīng)用。目前，全世界碳纖維的總生產(chǎn)能力已達(dá)到5萬噸/年。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

楊曉紅 - 副教授 - 西南大學(xué)