导读：陶瓷基复合材料（CMCs）凭借其独特的材料特性，在研究领域和工业界备受瞩目。这类材料应用于工程系统，尤其是航空发动机时，能有效减轻重量、提升耐高温性能并降低冷却需求，进而提高系统效率。在高温陶瓷发展进程中，CMCs 处于前沿位置，它主要分为非氧化物基和氧化物基两类，在高温推进应用方面展现出巨大潜力。这些陶瓷基复合材料常用于燃气涡轮发动机的燃烧衬套、排气喷嘴等部件。然而，目前针对此类应用中氧化物基和非氧化物基陶瓷基复合材料的全面研究仍较为匮乏。本文通过广泛的文献调研，对现有陶瓷基复合材料的机械性能、热性能进行深入评估，详细探讨其分类和制造方法，并对各类制造工艺展开回顾与比较。最后，提出了推动陶瓷基复合材料在航空发动机领域更广泛应用的研发路线图，以提升材料成熟度，满足航空发动机对高性能材料的需求 。
<1. 引言>
几十年来，陶瓷基复合材料（CMCs）这类材料一直是研究热点，并在各种条件下接受测试。它们属于复合材料和陶瓷的一个子类别。开发陶瓷复合材料旨在解决其他常用陶瓷（如碳化硅、氧化铝、氮化硅、氮化铝和氧化锆）存在的问题。这些陶瓷在承受机械和热机械载荷时容易断裂，出现划痕和裂纹。为提高硬度和断裂韧性，人们提出了多种方法。比如，在基体中添加单晶晶须或薄片，仅使用陶瓷切削工具时能实现一定程度的性能提升。近年来，多股纤维的固结技术取得了一些进展，这些纤维具备抗裂纹、抗伸长和抗热震性能，为航空航天和制造业开辟了新的应用领域。这种材料组合在航空航天工业中得到应用，使部件在极端条件下更具耐受性，增强了材料系统的断裂韧性，提高了基体的强度和杨氏模量。因此，陶瓷基复合材料比其他传统工业陶瓷更受青睐，并且相较于传统结构更轻便。据文献记载，具有弹性模量的连续陶瓷纤维是最常用的陶瓷基复合材料增强体或填料。这使得复合材料的总应力得以增加，在裂纹扩展过程中消耗的能量能够桥接裂纹，避免材料断裂，从而赋予材料最大拉伸强度。这也是陶瓷基复合材料比其他传统工业陶瓷更具优势的原因，而传统工业陶瓷往往表现出较低的断裂韧性、较差的热震抗性，且脆性更为明显。
在航空航天领域，优化热绝缘结构以及设计和制造无需冷却系统就能在高温结构和热化学燃烧环境中运行的非侵蚀性点火推进器是两大挑战。以排气喷嘴内表面为例，推进剂在该区域加速至超音速，这里承受着极高的剪切应力、压力和热通量，属于关键安全部件。这些条件会因热气体与固体壁面之间的异质反应导致烧蚀现象，进而降低发动机推力。因此，此类应用中最常用的材料为难熔金属碳化物、陶瓷、纤维增强塑料和石墨。而陶瓷基复合材料则是这类应用的潜在替代材料。
此外，文献显示，某些类型的陶瓷基复合材料在高温高压运行条件下表现出色，但整体性能仍有待提高。近年来，超高温陶瓷基复合材料（UHTCMC）的出现解决了这一问题，该材料在高温环境下同样具有良好性能。这类超高温陶瓷基复合材料由基本陶瓷基体中的碳或碳化硅连续纤维构成。
本研究聚焦于现有氧化物基和非氧化物基陶瓷基复合材料的分类。图展示了大致的分类情况。此外，本文对用于航空发动机应用的陶瓷基复合材料进行了文献综述，并将其与已在航空发动机中应用的陶瓷基复合材料在机械和热性能方面进行比较。本综述旨在对现有氧化物基和非氧化物基陶瓷基复合材料进行分类，并对其材料性能展开研究，从而对比氧化物基和非氧化物基陶瓷基复合材料的机械和热性能。这种对比将有助于为特定应用选择合适的材料。
图 ：氧化物和非氧化物陶瓷基复合材料类别
制定陶瓷基复合材料路线图，是为了解决一些工程问题。只有解决这些问题，才能提高陶瓷基复合材料的成熟度，使其在航空发动机领域得以应用。文中讨论了氧化物基和非氧化物基陶瓷基复合材料在高温工业和航空航天应用中的进展，同时开发的路线图也会涉及这类复合材料制造工艺的发展情况。通过对陶瓷基复合材料文献的广泛系统研究，揭示了现有氧化物基和非氧化物基陶瓷基复合材料在航空发动机应用中的使用情况。依据收集到的文献，对陶瓷基复合材料在高温应用中的技术成果进行了批判性讨论。
<2. 方法>
为探究现有氧化物基和非氧化物基陶瓷基复合材料在航空发动机应用中的使用情况，对相关文献展开了广泛的系统研究。研究关键词包括 “氧化物陶瓷基复合材料”“非氧化物陶瓷基复合材料”“材料分类”“氧化铝”“铝硅酸盐”“碳、碳化硅”“碳化钛”“碳化钨陶瓷” 等，检索范围限定在 1986 年至 2022 年间发表的实证研究文章。
通过检索在线文献数据库（如 Scopus、Web of Science 和谷歌学术）获取文章标题和 / 或摘要，并对其信息相关性进行审查和评估。根据研究需求，对相关文章进行筛选，符合条件的纳入研究，不符合的则排除。审查内容涵盖氧化铝、铝硅酸盐、碳、碳化硅、碳化钛和碳化钨的材料分类研究，以及它们在高温高压应用研究中的使用情况。未专门针对氧化物基和非氧化物基陶瓷基复合材料分类的文章不做进一步评估。最后，收集并整理支持陶瓷基复合材料在航空航天应用的数据，用于材料分类。
从图可以明显看出，研究人员的关注点已从非氧化物基陶瓷基复合材料逐渐转向氧化物基陶瓷基复合材料。总体而言，诸如提高工作温度、引入更简便且成本效益更高的制造工艺、改善陶瓷基复合材料热性能等成果，吸引了更多研究人员投身于该领域的研究。
图 ：氧化物基与非氧化物基陶瓷基复合材料研究论文数量对比
<3. 材料分类>
陶瓷基复合材料属于复合材料和工业陶瓷范畴。其成分包含嵌入陶瓷基体的陶瓷纤维，形成增强纤维材料。陶瓷材料通常具有脆性，而陶瓷基复合材料比其陶瓷成分更具韧性。这得益于纤维 - 基体界面的合理设计，该界面能够发现并偏转基体中的裂纹，保护纤维增强材料免受灾难性破坏。文献分析表明，陶瓷基复合材料可分为氧化物基陶瓷基复合材料和非氧化物基陶瓷基复合材料这两种基本类型。
氧化物基陶瓷基复合材料具有抗氧化性，适用于有氧化环境的应用场景，如涡轮发动机热端部件。研究发现，最常用的氧化物复合基础材料家族是氧化铝和铝硅酸盐。这两个家族的材料可与多种陶瓷和金属填料及增强材料结合，用于制造氧化物基陶瓷基复合材料。当基础材料和填料增强材料均为氧化物陶瓷时，会形成氧化物 - 氧化物陶瓷基复合材料基体。例如，铝硅酸盐与氧化铝 / 莫来石纤维的组合。此外，氧化铝还能与碳化硼、氮化硅、碳化钛和二氧化钛等填料增强材料成功复合，制备出氧化物基陶瓷基复合材料。本文后续章节将详细讨论这些材料组合。另外，氧化物基陶瓷基复合材料的抗蠕变和耐腐蚀性能优于非氧化物基陶瓷基复合材料。过去十年，这些特性促使人们对这类复合材料展开了更多研究。第 4 节将详细介绍各类氧化物基陶瓷基复合材料。
非氧化物基陶瓷基复合材料因良好的机械和热性能成为研究热点。它们由非氧化物基陶瓷基体材料和填料 / 增强材料（陶瓷、金属、塑料、聚合物等）组成。文献指出，碳、碳化硅、碳化钛和碳化钨常被用作基体材料。针对每种基体材料，可通过与多种填料 / 增强材料组合制备非氧化物基陶瓷基复合材料。非氧化物基陶瓷基复合材料在高温下的氧化和耐腐蚀性较差，而氧化物基陶瓷基复合材料在高温下的抗氧化和抗蠕变性能更优，后续章节将对此进行讨论。第 5 节将详细介绍各类非氧化物基陶瓷基复合材料。
<4. 氧化物基陶瓷基复合材料>
与其他工业陶瓷相比，使用氧化物基陶瓷基复合材料（O-CMCs）的主要原因是，在高机械或热负荷作用下，由微小缺陷或划痕产生的裂纹会导致其较低的断裂点。这是因为氧化物基陶瓷基复合材料含有金属或类金属元素与氧形成的无机氧化物化合物，如氧化铝、氧化铍、氧化铈和氧化锆。不过，据相关研究报道，在改善裂纹扩展方面尚未取得重大突破，仅多股纤维使材料在裂纹、热震和伸长抗性方面有少量提升，从而使其能够应用于一些新领域。此外，氧化物基陶瓷基复合材料的应用温度上限为 1200°C，这是由于在此温度下氧化物增强纤维的机械性能会下降，导致复合材料的拉伸强度降低。为解决这一问题，文献建议采用弱纤维 - 基体界面，这样在材料承受载荷时，裂纹会在该界面产生，使复合材料能够承受更大的机械载荷。
20 世纪 90 年代，高强度氧化物纤维开始商业化生产，当时首批氧化铝 - 莫来石陶瓷基复合材料问世。含几乎纯氧化铝纤维的氧化铝 - 莫来石复合材料在氧化物纤维中强度最高，且具有良好的抗蠕变和抗氧化性能。如今，新型材料基体已被应用于构建氧化物基陶瓷基复合材料基体，这类陶瓷基复合材料可用于结构和超高温应用。具体来说，氧化物基础材料基体主要有氧化铝和铝硅酸盐两种，它们既可用作基础材料，也可作为填料 / 增强材料。氧化铝基体可分别与硼和碳化钛、氮化硅、二氧化钛结合。而铝硅酸盐基体与氧化铝 / 莫来石纤维结合，可制备出氧化物基陶瓷基复合材料。以下将详细讨论这些类别。
4.1 氧化铝基陶瓷基复合材料
氧化铝是铝和氧的混合物，具有高导热性，常用作电绝缘体。它硬度高、抗压强度大，化学和热稳定性良好。然而，由于其裂纹容易扩展，在使用过程中可能会意外失效，导致其作为结构材料的应用受到限制。
文献显示，与氧化铝基体复合的陶瓷氧化物界面相研究较少，多数研究为实验性质，使用金属氧化物（如钒酸镧、钨酸钙等）进行，但这些研究在加工过程中面临挑战。氧化铝基体因具有高机械和热性能以及低密度，主要用于氧化物基陶瓷基复合材料应用。其化学稳定性使其能够与其他氧化物纤维结合，提升复合材料的整体耐高温能力。一些常见的基于氧化铝的陶瓷基复合材料，将碳化硼、氮化硅、碳化钛和二氧化钛作为二次复合材料（见图 4）。下面将详细讨论这些复合系统。
氧化铝和碳化硼
碳化硼强度和硬度高，是仅次于金刚石和氮化硼的第三硬材料。它还具有低密度、中子吸收能力和良好的化学稳定性，这些特性使其能够电离辐射。氧化铝基体与碳化硼复合，可制备出耐高温高压的陶瓷基复合材料，用于高结构应用。文献表明，对 10-40% 体积分数的碳化硼晶须进行测试时，得到了更高密度的结果。5-15% 体积分数的碳化硼可通过抑制晶粒生长以外的方法辅助氧化铝的烧结致密化。含有 10-20% 体积分数碳化硼晶须的复合材料，断裂韧性可提高至 6.2MPa・m。由于氧化铝和碳化硼复合材料具有高硬度和断裂韧性，被建议用于高温应用和制作切削工具。采用空气等离子喷涂技术制备了氧化铝和碳化硼涂层。在普通碳钢基体上，用等离子喷涂三种不同重量比（90:10、80:20 和 70:30）的氧化铝：碳化硼成分。通过扫描电子显微镜（SEM）、显微硬度测试、X 射线衍射（XRD）和闪光扩散法，研究了碳化硼含量对涂层微观结构、硬度、孔隙率和热扩散率的影响。优化等离子喷涂工艺后，涂层理论密度可达约 90%。烧结是碳化硼常用的制造技术之一，但实现高密度烧结颇具挑战。不过，文献表明，若烧结方法得当，可提升材料的整体热性能。近年来，热压烧结添加剂的方法也取得了成功，尽管需要高温来维持完全致密的碳化硼体。实验研究尝试将各种金属相添加到碳化硼基体中，但在所需温度下，材料易断裂，难以得到理想结果。而使用氧化物基体材料作为烧结助剂（非反应性烧结）测试碳化硼时，因其高化学稳定性取得了更好的效果。氧化铝能够显著提高碳化硼的烧结性，同时提升材料的密度、硬度、弯曲强度和断裂韧性，使其成为制备高性能陶瓷基复合材料的合适基础材料。
氧化铝和氮化硅
氮化硅以颗粒形式应用于陶瓷基复合材料，具有高机械强度和耐磨性。它介电性能良好，是优秀的能量绝缘体。此外，氮化硅已被用于阀门、燃气轮机部件和涡轮增压器转子等结构应用中。尽管氮化硅耐高温且强度高，但在高机械和热条件下容易断裂，这是其在工程应用中的主要难题。在氧化铝基体中加入氮化硅（氧化铝 / 氮化硅），可大幅提升整体机械性能。而且，这类陶瓷基复合材料的制造成本相对较低。文献指出，氮化硅和氧化铝的组合用于固结。不同研究人员分别独立首次报道了一种扩大的 β- 氮化硅结构，即 β 相。近期研究发现，该 β 相是氮化铝 - 氧化铝在 β- 氮化硅中的固溶体，并非之前认为的氧化铝在 β- 氮化硅中的固溶体。当氮化硅和氧化铝进行热压或无压烧结时，会形成主要由 β 相和一种或多种次要相组成的致密固体，如今这类材料被称为赛隆（SiAlON）。赛隆、氮化硅和碳化硅是高温结构应用的候选材料。进一步研究发现，通过强烈搅拌球磨起始粉末，可确保氮化硅和氧化铝粉末充分混合和接触。对不同氧化铝 / 氮化硅摩尔比的粉末混合物在 1100-1700°C（2010-3090°F）的真空中进行压力烧结，研究反应动力学和致密化过程。在加热和平衡温度阶段，记录因施加恒定压力而产生的压头移动（用于衡量粉末压实程度）。结合 X 射线衍射和金相研究，解释赛隆的生成和致密化与温度、氮化硅：氧化铝摩尔比之间的关系。目前，正在研究材料系统的进一步发展（热稳定性、非氧化界面和基体）、低成本制造工艺以及无损评估技术。文献报道了相关实验研究，提出氧化铝 / 氮化硅用于混合轴承应用，其中内外圈由钢制成，滚珠由这种陶瓷基复合材料制造，部件抗压强度提高了 12.5%。通过使用多面体功能梯度，开发了氮化硅 - 氧化铝功能梯度材料，并采用粉末堆叠法成功制备，实现了两种材料的无裂纹连接。为确保粉末堆叠法成功，该过程需堆叠 20 层厚度为 500μm 的多面体，以降低热残余应力，形成平滑的梯度。
氧化铝和碳化钛
碳化钛是一种非常坚硬的难熔陶瓷材料。经测试，它具有高比强度和模量、高熔点，且导电和导热性能良好。因其优异的机械和物理性能，碳化钛被用作钛基复合材料的增强材料。部分研究人员发现，碳化钛颗粒能够修复氧化铝基体表面的裂纹。氧化铝和碳化钛是一种新型组合，相关实验研究较少。目前已开展在陶瓷基复合材料中使用 15-30% 碳化钛的实验。具体而言，以 1wt% 的铝为添加剂，对含有 16-30 体积分数碳化钛的氧化铝 - 碳化钛复合材料进行无压烧结。随着碳化钛体积分数的增加，材料的硬度和韧性逐渐提高。当碳化钛体积分数从 0.20 增加到 0.23 时，电导率随之增加，提高了约 10 个数量级。碳化钛体积分数为 0.23 的样品耐磨性最佳，接近其饱和点。一些新开发的制造技术，如渗碳工艺，将氧化铝、钛颗粒和活性碳细前驱体在烧结过程中反应，形成功能梯度渗碳层。该技术在不降低最终复合材料机械和热强度的前提下，降低了合成成本。这类陶瓷基复合材料由于化学惰性好、导热性强，常作为浆料混合物用于制造耐磨工具、防护涂层和切削工具，被视为重要的增强材料。针对这类陶瓷基复合材料在航空发动机应用方面的进一步实验研究表明，当复合材料在 1000°C 的高温和低氧分压环境下，暴露于高速气体混合物中时，材料的裂纹能够愈合。研究人员通过烧结方法证明，原位合成的碳化钛可制备出高密度复合材料，与氧化铝陶瓷相比，其韧性得到显著提升。目前，针对这类陶瓷基复合材料的可制造性，围绕机械研磨、渗碳工艺和无压烧结展开了进一步研究，但结果差异较大，尚未取得一致的成功成果。此外，原位合成碳化钛颗粒的另一个重要应用是修复氧化铝基体表面的裂纹。文献建议在 400 至 800°C 的温度范围内，在一定时间内使用体积百分比为 15 - 30% 的碳化钛。结果表明，当复合材料中碳化钛的体积百分比达到 30% 时，其获得最大强度。此外，当复合材料暴露在温度为 1000°C、低氧分压的高速废气混合物的燃烧室中时，表面裂纹得到了修复。
氧化铝和二氧化钛
二氧化钛颗粒主要以白色粉末颜料的形式生产，这是因为其具有高亮度和极高的折射率。这意味着只需使用少量颜料就能实现白色不透明涂层。二氧化钛的一大优势是在紫外线照射下不易变色，主要用于涂料、塑料、纤维和制药领域。在弱还原气氛中，二氧化钛会失去氧并转变为半导体。
氧化铝与二氧化钛颗粒增强体的组合，可制备出具有高反应活性的粉末，这种粉末具有低的热膨胀系数、热导率以及高的热震抗性。此类陶瓷基复合材料的机械性能与氧化铝和碳化钛的陶瓷基复合材料相似，且相对高于其他所有氧化物陶瓷基复合材料。
这类陶瓷基复合材料的典型应用包括坩埚、喷嘴、管子、热电偶以及涂层（用于热腐蚀和磨损防护）。研究人员对添加二氧化钛的氧化铝涂层进行了表征，并研究了二氧化钛对氧化铝基等离子喷涂涂层的影响，得出二氧化钛降低了氧化铝涂层的显微硬度的结论。这导致二氧化钛涂层的硬度降低，而氧化铝涂层的韧性值增加。文献还表明，将氧化铝和二氧化钛组合成陶瓷，与单独添加这两种材料相比，样品的显微硬度值更高。
4.2 铝硅酸盐基体陶瓷基复合材料
文献综述表明，铝硅酸盐（氧化铝 / 二氧化硅）陶瓷可提高氧化物陶瓷基复合材料的结合强度，其主要由氧化铝、二氧化硅和莫来石组成。二氧化硅基体因具有低且稳定的介电常数、高化学稳定性、良好的机械稳定性以及出色的热震抗性，是高温陶瓷应用的潜在材料。文献还显示，铝硅酸盐陶瓷基复合材料应用于天线罩和航空航天工程领域。
莫来石陶瓷具有较高的抗蠕变和热震性能，但在高温下强度较低。此外，在室温应用中，莫来石陶瓷的机械性能低于其他陶瓷。为了充分利用其抗蠕变和抗氧化性能，研究人员通过添加颗粒、纤维和晶须等第二相增强剂，以获得更好的综合性能。一些常用的复合材料填料增强剂是氧化锆和氧化铝，它们由莫来石基基体通过电泳沉积或烧结制成。通过这种方式，莫来石基基体的机械性能比使用纯莫来石时提高了一倍以上。
铝硅酸盐基体和氧化铝 / 莫来石纤维陶瓷基复合材料
研究表明，铝硅酸盐和莫来石复合材料已用于复杂形状的部件，如燃烧室的隔热瓦，这已通过模拟测试得到验证。文献研究展示了氧化铝 / 二氧化硅的热震抗性，利用方镁石 - 铁尖晶石耐火材料的残余应力场理论，其能够承受与镍和金属合金在航空发动机应用中类似的恶劣条件。铝硅酸盐陶瓷基复合材料的残余强度高于大多数其他氧化物陶瓷基复合材料。研究还发现，氧化铝 / 二氧化硅复合材料在高温下具有高强度、优异的抗氧化性和环境稳定性。在铝硅酸盐陶瓷基复合材料中，氧化铝基基体的常见体积分数范围为 50 - 90%（Vf），而填料增强材料的成分则取决于制备铝硅酸盐复合材料所使用的合成方法。研究人员还深入研究了多孔氧化物陶瓷基复合材料，通过浸渗缠绕（SI - W）工艺成功合成了 Nextel 720 纤维增强多孔莫来石 - 氧化铝复合材料，使铝硅酸盐复合材料的拉伸强度高达 149MPa。这些成果使得这类氧化物陶瓷基复合材料可应用于航空发动机燃烧室的内外衬以及航天器鼻锥的热部件。文献建议在航空航天应用中使用铝硅酸盐基体陶瓷基复合材料。目前，铝硅酸盐陶瓷基复合材料已在燃气涡轮发动机的热端部分用作环境障涂层（EBCs）和热障涂层（TBCs）。研究证明，铝硅酸盐陶瓷基复合材料可替代镍基高温合金，因为在氧化环境中，其具有更好的耐高温和耐腐蚀性能。美国国家航空航天局（NASA）也在超高效发动机技术中应用这类陶瓷基复合材料，采用铝硅酸盐陶瓷基复合材料作为三层障涂层系统，以避免裂纹形成。一种常用于制备多孔氧化物 / 氧化物陶瓷基复合材料的方法，同时也可用于制备 Nextel 720 纤维增强多孔莫来石 - 氧化铝复合材料的是浆料浸渗缠绕（SI - W）工艺。进一步的研究实例表明，溶胶 - 凝胶浸渗工艺也用于制造铝硅酸盐复合材料，更具体地说，用于制造商业上可获得的 Nextel/A 和 Nextel/AS 陶瓷基复合材料。一些典型的工艺特点是，通过真空袋技术在低压和低温下干燥层压板，最后进行无压烧结，从而无需使用涂层。
<5. 非氧化物陶瓷基复合材料>
非氧化物陶瓷基复合材料属于工业陶瓷，其显示出共价键，主要包括导电碳化物和不导电氮化物。尽管非氧化物陶瓷基复合材料的组成成分非常脆，但通过纤维 / 基体界面的设计，使其具有高韧性。具体而言，在纤维表面添加一层具有低剪切强度的柔顺材料，形成一个界面相，其作用类似于机械保险丝，当脆性基体承受大量载荷时，能够偏转形成的裂纹，避免纤维增强材料过早失效，这与氧化物陶瓷基复合材料类似。
非氧化物陶瓷基复合材料的不同组合具有不同的材料特性，需要不同的制造工艺，这决定了它们在不同工业领域的各种应用。文献强调，非氧化物陶瓷基复合材料是高温应用中最常用的陶瓷基复合材料。它们可分为多种复合材料类别，包括含有碳、硅、钛和碳化钨颗粒的材料。其机械和热性能使其可用于制造切削工具、超硬磨料、火箭喷嘴、金属熔体电极以及加热元件。
最常用的结构非氧化物材料是碳化硅，也称为赛隆，它是一种基于氮化物的陶瓷，含有多种氧化物成分。通常在高温惰性气体环境中对其进行加工，以减少氧化。非氧化物陶瓷基复合材料的成分包括不同的基体（可用作基础材料）以及不同的填料和增强材料，如图 所示。四种主要的材料基体为碳、碳化硅、碳化钛和碳化钨。
图 ：非氧化物陶瓷基复合材料材料类别
5.1 碳基体陶瓷基复合材料
碳作为一种固体，其机械和热性能各不相同。有些碳具有高孔隙率，而有些则对液体和气体具有不可渗透性。这些差异源于碳相的几何结构和数量对晶体有序度的关键影响。
文献综述指出，常见的碳基材料类别有三种：碳 / 碳、碳 / 金属和碳 / 树脂复合材料。碳基复合材料在航空航天工业中得到广泛应用。然而，纯碳及碳复合材料存在氧化问题，需要额外的抗氧化增强材料或涂层。以碳融合陶瓷为基础材料，可提高复合材料的抗氧化性和使用寿命。这类碳基陶瓷包括碳化硅，因其具有高抗氧化性、耐高温性、热震稳定性以及高抗蠕变性能。
此外，碳基基体与用作填料 / 增强材料的碳纤维（C/C）相结合。碳纤维必须与碳基体的外部载荷方向平行排列，且应尽可能长，这样才能在碳 / 碳陶瓷基复合材料基体中施加最大应力。
碳 / 碳复合材料已应用于弹道导弹弹头、鼻锥以及航天飞机的前缘。尽管这种烧蚀复合材料技术已取得显著进展，但仍有许多应用场景无法使用，如燃气轮机、涡轮喷气发动机、内燃机、核反应堆等。由于这些系统在极其恶劣的工作环境下运行，烧蚀系统的重大进展将为这些结构的发展带来巨大成功。
碳 / 碳基体陶瓷基复合材料
从历史上看，制造基于陶瓷和碳纤维的复合材料主要是为了避免陶瓷部件在增加载荷时失效。生产碳基体陶瓷基复合材料需要碳和陶瓷颗粒之间具有物理和化学相容性。碳 / 碳陶瓷基复合材料既可用作填料，也可用作基体，后者是填料的连接源，使复合材料具有不同的结构和纹理。例如，碳纤维可用作填料或增强材料，通过选择所需的前驱体和形状（股、纱或短切纤维），可制备出具有各种性能的复合材料。此外，制造碳 - 陶瓷陶瓷基复合材料时，复合材料的使用温度必须达到 1600 - 1800°C，因为大多数陶瓷在此温度下结晶。碳 / 碳复合材料，也称为碳纤维增强碳（CFRC）或增强碳 / 碳（RCC），是一种陶瓷基复合材料基体，由石墨基体中的碳纤维增强材料组成。在过去三十年中，碳纤维已成为航空航天应用中先进复合材料最常用的增强材料之一。它们是几微米厚的轻质、高强度且坚硬的黑色合成纤维，主要由长链芳香族分子组成，其主要成分是碳。碳纤维的主要优势在于可提高材料的韧性。研究表明，碳纤维可将机械和热性能提高十倍，同时不会增加复合材料的最终重量。碳复合材料已在高温高压条件下进行测试，使其可用于不同类型的陶瓷、聚合物和金属基体。尽管如此，碳纤维增强碳陶瓷基复合材料具有高断裂韧性和伪塑性。它们具有耐热性，但在氧化气氛中，由于碳的氧化生成一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO₂），材料会大量消耗。这类陶瓷基复合材料具有高刚度和强度。在一定程度上，这些性能的实现得益于对碳基体和纤维基体界面间微裂纹的控制，以及在高温下这些微裂纹实际上会闭合的特性。它们可在温度接近 3000°C 的环境中使用。除了良好的强度和刚度外，它们还具有低热膨胀系数、良好的热震抗性以及抗蠕变和耐腐蚀性能。其机械强度会随温度升高而增加。研究表明，先进的碳 / 碳陶瓷基复合材料的强度在温度接近 2000°C 时会增加。此外，其性能会因纤维含量、碳纤维的类型和结构以及制造复合材料所使用的加工周期而异。因此，它们在纤维轴向上具有更高的刚度、强度和热导率，而在纤维方向上的机械和热性能较低。大多数碳 / 碳复合材料采用预制纱线法（PY）制造，该方法是将一束碳纤维置于焦炭和沥青粘结剂粉末的基体中。与其他传统方法（化学气相沉积法的浸渍）相比，这种方法生产速度更快。通过这种方法制造的标准成分中，碳纤维的体积分数在 40 - 50% 之间，在 2000°C 石墨化后，碳含量可达 100%。其他研究人员通过将不同的基础碳纤维编织在一起，并使用化学气相渗透（CVI）进行致密化，制备出碳 / 碳陶瓷基复合材料，这是制造这类复合材料最常用的工艺之一。碳 / 碳复合材料的机械性能表明，这类复合材料的密度低于其他陶瓷部件，且热性能高于铜和银，使其适用于航空飞行器。美国航天飞机的机翼和机身鼻部采用了碳 / 碳陶瓷基复合材料，能够在极端的再入条件下经受 100 次飞行任务。航空航天工业对可靠性和降低系统成本有要求，因此碳纤维正逐渐取代以前使用的多个部件，采用一体成型的方式，其密度通常仅为以前钢部件的十分之一，但强度和耐热性相当。其他使用碳 / 碳复合材料的商业应用包括熔炉固定装置、热屏蔽、加热元件和负载板。
碳 / 树脂基体陶瓷基复合材料
树脂是一种用于航空航天应用的结构材料，因其在发动机环境中具有耐高温性。这种纤维增强材料用于陶瓷复合基体中，通过在基体界面处使裂纹钝化和脱粘来桥接裂纹并增韧基体。当树脂填料 / 增强材料与碳结合时，复合材料的强度重量比会显著提高。此外，研究表明，添加碳后，树脂填料 / 增强材料的耐热性、强度和刚度都得到了改善。另一方面，树脂可使复合材料将力传递到纤维上，并在高压下固定纤维。碳 / 树脂复合材料的机械性能得到了显著改善。具体而言，根据制造工艺的类型和复合材料添加的界面不同，其最大剪切强度提高了 10 - 75%。表面粗糙度也有所增加，这类陶瓷基复合材料的弯曲模量得到了改善。碳 / 树脂复合材料在室温下的热导率得到提高，并且能够承受更高的温度而不失效。制造陶瓷基复合材料时，经常会产生微裂纹。然而，碳纤维增强陶瓷基复合材料产生的微裂纹较少，且具有更高的机械强度和更低的密度。制造碳 / 树脂复合材料的工艺成本高昂且耗时。尽管如此，由于其在需要高比强度和刚度的应用中具有优势，因此仍常被选用。人们进行了许多尝试以缩短加工时间和降低成本，开发出了多种制造方法，这些方法能够制造复杂的几何形状，同时保护纤维不受损伤，并防止碳纤维在低至 500°C 的温度下与氧反应而氧化。一些常用的制造工艺包括前驱体聚合物浸渍和热解（PIP），该工艺与碳 / 碳陶瓷基复合材料的形成过程相似，具有加工温度低、陶瓷成分易于控制、近净成形技术以及可使用多种复杂增强材料等优点。碳 / 树脂复合材料主要用于汽车应用，如用作燃料电池，其高功率、高强度和高模量使电池双极板具有更好的耐磨性和更长的使用寿命，同时减轻了车辆的重量。碳 / 树脂复合材料在航空航天主要结构中的应用也是其特点之一，如用于热压罐，进一步的研究表明它们可用于制造旋翼叶片。
碳 / 金属基体陶瓷基复合材料
根据文献综述，由碳纤维 / 金属基体组成的复合材料将成为航空航天材料领域的突破点。它们是基于难熔金属、高熵合金以及金属间化合物的高温复合材料。碳陶瓷材料大多被用作金属基基体中的纤维和填料，以制造金属基复合材料。最近，金属浸渍碳陶瓷基复合材料也成为研究对象。该复合材料的基体以碳为基础材料，以金属浸渍碳纤维为填料增强材料。人们对制造陶瓷基复合材料和金属基复合材料的多种方法进行了测试。金属颗粒可从一系列具有磁性的金属中选择，这些金属包括镍、镍合金、铁、铁 / 钢合金、钴以及钴合金。颗粒也可以是导热性更好的复合材料，其由表面有金属层的无机颗粒组成，从而减少机械和热性能方面的限制。此外，金属颗粒经过精细加工，便于渗透到层间的纤维间隙中。一个具体的例子是由碳纤维制成的层，金属颗粒可以是尺寸在 1 纳米至 100 微米之间的镍。
5.2 碳化硅基体陶瓷基复合材料
碳化硅纤维具有高拉伸强度、高弹性模量和良好的热稳定性，是理想的增强材料之一。碳化硅陶瓷基复合材料由碳化硅基体相和纤维相组成，通过多种制造工艺制备而成。将碳化硅纤维预制件用碳化硅基体进行渗透和致密化处理，可提高最终复合材料的机械和热性能。单相碳化硅陶瓷的断裂韧性很低，无法承受很高的温度，而碳化硅 / 碳化硅陶瓷基复合材料解决了这些问题。
碳化硅陶瓷基复合材料是高性能应用中最受欢迎的复合材料之一。与其他碳纤维、氧化物 / 氧化物陶瓷基复合材料或单相陶瓷相比，它具有更低的密度、更高的韧性、更高的损伤容限以及更好的抗蠕变和耐磨性能。碳化硅 / 碳化硅陶瓷基复合材料比大多数金属高温合金、陶瓷基复合材料以及单相陶瓷具有更高的耐高温能力、更低的热膨胀系数和更好的热导率。
研究发现，通过聚合物热解制备的碳化硅纤维比通过化学气相沉积（CVD）或烧结工艺制备的纤维更细、更柔软。另一方面，碳化硅 / 碳化硅陶瓷基复合材料用于飞机应用，如涡轮发动机热端部件。近年来，由于基体中存在硅，碳化硅 / 碳化硅陶瓷基复合材料的熔体渗透（MI）工艺在 1316°C 的温度限制下取得了成功。熔体渗透工艺会增加最大孔隙率，导致热导率降低和热震抗性下降。正确制备纤维 / 基体界面可使基体裂纹发生偏转，防止纤维增强材料过早失效。
研究还表明，由体积分数高达 45% 的编织和准各向同性层压碳化硅纤维制成的碳化硅 / 碳化硅陶瓷基复合材料系统，能够承受高达 1300°C 的温度，远高于任何金属合金的耐热能力。使用这种陶瓷基复合材料，可省去填充碳化硅基体孔隙的熔体渗透步骤。对碳化硅 / 碳化硅陶瓷基复合材料的机械和热性能进行测试后发现，通过化学气相渗透工艺制备的这类陶瓷基复合材料具有更高的拉伸强度和应变，以及更好的热震抗性。此外，研究证明，通过化学气相渗透工艺制备的碳化硅基体，用低模量碳化硅纤维（如 Hi - Nicalon）增强，在 1000 - 1300°C 的温度范围内，其蠕变和疲劳性能可得到提高。结果显示，编织层压板能够在高温下不产生微裂纹，但在较低温度下，复合材料在数小时后会出现蠕变和疲劳现象。这使得它们可用于燃气轮机、推进器喷嘴和热交换器等部件。
5.3 碳化钛陶瓷基复合材料
碳化钛是多种不同基体复合材料中常用的增强材料。碳化钛具有优良的物理性能，如高熔点、低密度、高硬度、高机械刚度以及良好的热导率和电导率。碳化钛由二氧化钛在高于 1800°C 的温度下与碳反应制得。它是一种非常坚硬的难熔材料，性能与碳化钨相似，但为了开发更高效、更耐用的基体，碳化钛与镍基金属陶瓷（陶瓷金属）结合，以提高最终材料的精度、切削速度和光滑度。这是因为碳化钛 - 镍 - 钼（TiC - Ni - Mo）之间的化学反应在金属陶瓷内形成了良好结合的相，并且碳化物发生溶解。这种组合使材料具有更高的硬度、更低的密度和更好的弹性模量。另一方面，碳化钛和陶瓷基复合材料的热导率较高，热膨胀系数也较高，这使得该复合材料成为良好的热导体。
随着时间的推移，人们在广泛的温度和成分范围内对多种不同成分的镍基粘结碳化钛进行了测试。研究发现，镍含量较低的成分可提高界面结合强度，减少作为应力集中源、导致裂纹形核和扩展并最终使材料脱落的微观结构缺陷数量。
研究表明，液相烧结是制备碳化钛陶瓷基复合材料的一种技术。通过改变材料重量成分，制备并测试了各种碳化钛 / 镍钼金属陶瓷样品，结果显示，镍粘结含量的增加会降低碳化钛 / 镍钼复合材料的整体硬度，并提高其磨损率。除了液相烧结，由于碳化钛基体的维氏硬度较高，还采用了熔融合金化和粉末冶金（常规压制和烧结）技术来制造这类陶瓷基复合材料。然而，由于碳化钛的低密度，难以实现硬质相的均匀分布。在凝固过程中，碳化钛颗粒在基体中会出现尺寸和体积分数的梯度分布。
5.4 碳化钨陶瓷基复合材料
碳化钨是一种由等量钨原子和碳原子组成的化合物，其最基本的形态是细灰色粉末。它的机械和热性能与碳化钛相当，这使得它非常适合用于极端高温和高应力的应用场景，不过加工难度较大，因此主要用于制造切削工具。碳化钨与四个不同的材料家族组合，形成了不同的陶瓷基复合材料。这些材料家族包括碳、钴、镍以及镍 / 铬粘结基体。
碳化钨 - 碳陶瓷基复合材料
碳化钨包含以碳化钨 - 钴为基础的硬质合金成分，除了具有高硬度外，在高温下还能保持良好的耐磨性和硬度。然而，研究表明，由于钴粘结剂的存在，碳化钨及一般的硬质合金在腐蚀性环境中的耐腐蚀性较差。因此，人们进行了许多测试，尝试减少粘结剂材料的用量，用其他填料替代，甚至完全去除粘结剂材料。除了钴之外，用于增强碳化钨的粘结剂主要是碳和镍。研究最多的碳化钨粘结材料是碳化钨 - 钴体系。这是因为钴与碳化钨具有良好的润湿性和粘附性，能够提高材料的强度和韧性。此外，研究人员证明，由于基体中碳化物的成分、化学纯度和微观结构，耐磨性和硬度与添加的钴百分比成反比。研究还表明，钴增强体的体积分数越高，断裂韧性越高，但硬度和耐磨性越低。这种复合材料的制造始于 1957 年，当时其他研究人员试图使用传统烧结技术制造纯碳化钨，但发现碳化钨 - 钴粉末的纳米晶纤维只能在固态下进行致密化处理，无法进一步加工。研究人员通过真空或加压气体烧结成功地使纯碳化钨完全致密化，制备出超细的碳化钨起始粉末，经过进一步加工，可获得高硬度和耐磨性，同时避免大量添加晶粒生长抑制剂。此外，文献表明，在碳化钨 - 钴硬质合金中降低碳化钨晶粒尺寸，可使钴在液态或固态时溶解碳化钨，从而提高材料的强度和耐磨性。进一步的研究表明，这种纳米结构陶瓷基复合材料的耐磨性大约是其他类型陶瓷复合填料 / 增强材料（如氧化锆和碳化硅）的两倍。在碳化钨基体中添加游离碳可以改善碳化钨的致密化过程，并减少甚至消除在温度超过 1800°C 时形成的脆性相成分。研究还证明，在碳化钨烧结体中添加碳会在晶界形成石墨纳米层，使多晶体的热导率提高近一倍。然而，研究表明，在碳化钨基体中添加大量碳会导致碳化钨晶粒异常生长，在烧结产品中产生空洞和孔隙。
镍和镍 / 铬粘结碳化钨陶瓷基复合材料
镍是一种比钴更便宜且容易获得的材料，具有良好的增韧性能，且延展性比碳化钨 - 钴低。此外，它被用作碳化钨复合材料的粘结剂，以提高其耐腐蚀性和抗氧化性。镍具有高温强度、耐高温性和高耐磨性。近年来，越来越多的研究论文聚焦于镍基硬质合金。钴和镍都与碳化钨具有良好的润湿性，能够生产出无高孔隙率的完全致密硬质合金。它们之间的主要区别在于镍的堆垛层错能较高，这使得其加工硬化率较低。这就是为什么碳化钨 - 钴等级的硬度和强度往往高于碳化钨 - 镍等级。不过，通过添加其他元素（如铬或硅），可以提高镍粘结剂的加工硬化率。此外，添加铬会显著提高碳化钨 - 镍硬质合金的耐腐蚀性。研究方法已证明，通过激光熔覆可以制备出碳化钨含量高达 60 wt% 的镍基碳化钨，且不会出现裂纹。从这项研究中还发现，除了激光熔覆参数外，少量的碳化钨颗粒会发生溶解，从而形成细小分散的混合碳化物，并在初生碳化物周围形成金属相。此外，通过激光熔覆在低碳钢上测试了碳化钨 - 镍铬预混合粉末。结果表明，所选的无孔层稀释率极低，具有良好的冶金结合且无裂纹，铬的成分约为 8 wt%。此外，各种碳化钨 - 镍粘结基体的铬和镍成分较低，大多数百分比接近 10 wt%，以实现更高的韧性和更好的耐磨性。
<6. 陶瓷基复合材料的机械和热性能>
陶瓷基复合材料在许多不同领域都有广泛的应用。选择适用于某一应用的材料时，主要考虑的是材料的机械和热性能。复合材料，尤其是陶瓷基复合材料，由于其基础材料基体和增强材料的组合特性，能够承受极高的温度和机械载荷。因此，在过去几年里，航空发动机行业开始在航空发动机的热端和冷端部件中使用陶瓷基复合材料部件，如图 6 所示。
图 ：燃气涡轮发动机中陶瓷基复合材料部件示意图
目前，用于航空发动机应用的陶瓷基复合材料仅限于氧化物陶瓷基复合材料中的铝硅酸盐或氧化铝 / 莫来石陶瓷基复合材料，以及非氧化物陶瓷基复合材料中的碳化硅 / 碳化硅、碳 / 碳和碳 / 碳化硅。陶瓷基复合材料使用受限的原因包括陶瓷基体开发成本高、规模扩大和材料性能存在不确定性带来的风险，以及陶瓷填料和增强材料的坚固性风险，这导致材料鉴定和材料供应成本高昂。此外，航空航天行业对材料设定了严格的要求和规范，包括材料的机械、物理、热和化学性能。这意味着，一种材料若要被使用，就需要具备高强度、高刚度、高疲劳耐久性、高损伤容限、低密度、高热稳定性、高耐腐蚀性和高抗氧化性。更具体地说，机械和热性能结果中最重要的方面是材料的弹性极限和刚度（属于机械性能）以及热膨胀系数和热导率。
以下图表分别展示了第 4 和第 5 节中已分类的氧化物和非氧化物陶瓷基复合材料，根据航空航天对机械和热性能的要求进行的比较。通过这次比较得出的结果，有助于对航空航天应用中使用的陶瓷基复合材料的性能差异得出结论。本次分析中包含的机械和热性能有抗压强度、比刚度、抗疲劳性、断裂韧性、最高使用温度、热导率和热膨胀系数。所有这些属性在航空发动机材料选择中都起着重要作用。为作对比，也列出了航空航天应用中使用的传统高温合金的性能。这些性能的值均来源于所回顾的文献。
图 7 和图 8 比较了不同陶瓷基复合材料的抗压强度和比刚度。抗压强度用于评估固体材料在断裂前能够承受的载荷，而比刚度则用于比较固体材料的重量与刚度之比。尽管这些机械性能对航空发动机的重要性不如对航空结构的重要性，但将陶瓷基复合材料与竞争对手进行比较定位仍是很重要的。这两个属性都能评估材料在最低密度下能够承受最大载荷的水平。图 8 显示，碳化硅基体复合材料的性能优于其他陶瓷基复合材料，与传统航空发动机高温合金处于同一水平。在比刚度方面，所有陶瓷基复合材料的性能都优于传统高温合金，碳化钛基体陶瓷基复合材料的性能几乎是传统高温合金的八倍。
图 7：抗压强度与比刚度的比较
图 8：现有陶瓷基复合材料的抗压强度和比刚度与高温合金的比较
图 9 和图 10 比较了现有氧化物和非氧化物材料的抗疲劳性和断裂韧性。抗疲劳性表示材料在特定工作循环次数下能够承受的最高应力而不发生断裂，断裂韧性则用于评估裂纹扩展并变得危险的速度。氧化铝基体氧化物陶瓷基复合材料的性能优于其他陶瓷基复合材料，与航空发动机中使用的传统高温合金处于同一水平。另一方面，陶瓷基复合材料的断裂韧性明显低于传统高温合金，不过这对于任何复合材料来说都是预料之中的。然而，如果能够密切监测最终部件的质量以避免裂纹的产生，那么这对于航空发动机部件来说就不是一个关键参数。
图 9：现有陶瓷基复合材料的疲劳强度与断裂韧性的比较
图 10：现有陶瓷基复合材料的疲劳强度（10^7 次循环）和断裂韧性与高温合金的比较
正如博耶等人所指出的，用于航空发动机的材料需要控制热机械加工条件，以尽量减少材料缺陷。图 11 和图 12 比较了现有氧化物和非氧化物陶瓷基复合材料以及航空发动机中使用的传统高温合金的热膨胀系数和热导率。这两个热性能在选择用于高温应用（如航空发动机）的材料时都受到高度重视。热膨胀系数用于评估材料在高温和恒定压力下的尺寸变化，而热导率则表示材料传导和传递热量的能力。热膨胀系数和热导率的结果越低，材料在高温应用中的吸引力就越大。从图 12 中可以看出，在热膨胀系数方面，所有陶瓷基复合材料的性能都优于高温合金，这表明由陶瓷基复合材料构成的结构将提供更高的热稳定性和刚性。在热导率方面，大多数陶瓷基复合材料的性能与传统高温合金相似。铝硅酸盐基体复合材料的热导率系数最低，而碳化钨基体陶瓷基复合材料则处于另一个极端。这意味着在为部件选择碳化钨基体陶瓷基复合材料时，可能需要额外考虑对部件进行冷却的问题（例如，可以通过使用内部冷却通道来实现）。文献综述表明，铝硅酸盐陶瓷基复合材料，尤其是 Nextel 720 机织织物，具有最低的热导率和热膨胀系数。
图 11：现有陶瓷基复合材料的热膨胀系数与热导率的比较
图 12：陶瓷基复合材料的热膨胀系数和热导率与高温合金的比较
图 13 和图 14 比较了现有氧化物和非氧化物陶瓷基复合材料与传统高温合金的最高使用温度和热震抗性。最高使用温度用于评估材料在不失效的情况下能够使用的最高工作温度，热震抗性则表示材料能够承受的温度变化幅度，而不会造成任何界面损伤甚至灾难性失效。根据研究，由于航空发动机应用中存在瞬间温度变化，因此需要材料具有较高的热震抗性。铝硅酸盐氧化物基体，尤其是 Nextel 720 机织织物，具有更好的综合性能，它们能够承受高于 1000°C 的温度和超过 700°C 的热震抗性。另一方面，碳纤维增强碳基体复合材料具有最高的使用温度和最高的热震抗性，超过了航空发动机中使用的高温合金的性能。
图 13：现有陶瓷基复合材料的最高使用温度与热震抗性的比较
图 14：陶瓷基复合材料的最高使用温度和热震抗性的比较
<7. 陶瓷基复合材料的制造工艺>
如第 6 节所述，陶瓷基复合材料的机械和热性能与航空发动机中使用的传统高温合金相当，在某些情况下甚至更优。然而，它们的应用还取决于其他因素，如开发成本、工业化程度、制造成本以及制造技术和系统的可用性。在本节中，将讨论与陶瓷基复合材料制造相关的制造能力和技术。
直到最近，制造的陶瓷基复合材料数量仍然较少，主要包括通过化学气相渗透法制备的嵌入碳化硅基体中的碳纤维，以及一些通过烧结和溶胶 - 凝胶浸渗工艺制备的氧化物 - 氧化物铝硅酸盐基体。因此，人们对通过高效工艺制造各种陶瓷基复合材料部件有着很高的需求，这些工艺应能缩短加工时间、降低成本，并提高机械和热性能。这可以通过使用除碳 / 碳化硅或碳 / 碳复合材料之外的更广泛的陶瓷材料来实现，这些材料还可以用碳 / 碳材料和陶瓷前体聚合物进行预浸渍，并通过现有的制造工艺进行加工。研究还表明，在不需要单独的纤维 / 基体界面相时，制造低成本陶瓷基复合材料结构或采用预浸料时，不需要特殊的界面。这些材料组合可以包括硅 - 氧 - 氮 - 碳、碳化铪、碳化硅、碳化铪等非晶变体。陶瓷部件主要通过聚合物浸渍热解（PIP）、熔体渗透（MI）、烧结工艺和化学气相渗透（CVI）来制造。图 15 总结了陶瓷基复合材料制造中常用的典型方法。
图 15：陶瓷基复合材料的制造工艺步骤
陶瓷基复合材料的加工过程可分为三个步骤，每种陶瓷基复合材料都需要经过这些步骤，以获得所需的机械、热和物理性能。第一步是根据所需部件的几何形状铺设和固定纤维。第二步是基体材料的浸渗，这一步包括五种不同的工艺，用于填充纤维和预成型件之间的陶瓷基体。这些浸渗工艺包括在较低温度（1000 - 1200°C）下烧结、陶瓷前体聚合物的热解、元素的化学反应、从气体混合物中沉积以及最后陶瓷粉末的电泳沉积。非氧化物陶瓷基复合材料通过从气体混合物中沉积、陶瓷前体聚合物的热解或元素的化学反应来制造。氧化物陶瓷基复合材料则通过烧结或陶瓷粉末的电泳沉积来制造。第三步也是最后一步是加工，如果需要的话，还包括对内部孔隙进行涂层或浸渍。在以下段落中，将回顾最常用的制造工艺。
7.1 陶瓷粉末的电泳沉积
在电泳沉积（EPD）过程中，通过使液体介质中的带电粒子向带相反电荷的电极移动并凝聚，从而形成稳定的沉积物。这个过程主要用于制造氧化物陶瓷基复合材料的基体和纤维，因为它可以缩短加工时间，并更好地控制生坯的微观结构。用于这种制造工艺的基础材料基体是陶瓷颗粒的水性或非水性悬浮液，以及不导电的 NextelTM 纤维或导电纤维，如碳化硅 - 尼卡隆纤维和碳增强材料。对于制造不导电纤维，纤维编织物放置在沉积电极的前面，而陶瓷沉积物则在电极上形成，并围绕和穿过纤维生长。
已经开发并评估了两种基于电泳沉积的替代工艺，使用了氧化铝颗粒和 NextelTM 720 纤维。第一种加工方法是对单纤维毡进行浸渗，然后进行层压，这会得到高密度的复合材料，但在烧结过程中会产生少量微观结构损伤。另一方面，第二种方法是同时浸渗多种纤维毡，呈现出均匀的生坯微观结构和高颗粒堆积密度，能够制造厚度超过 10 毫米的厚部件。电泳沉积技术在过去几十年中已被用于多种陶瓷复合系统，如层压复合材料、复合涂层、晶须增强复合材料和功能梯度材料。
7.2 气相基体沉积 / 浸渗
化学气相渗透（CVI）被认为是制造纤维增强陶瓷基复合材料最具吸引力的制造工艺之一。在这个过程中，将多孔预成型件置于反应性气体混合物的环境中，当混合物被热激活时，会分解并在预成型件的孔隙中产生固体沉积物。这个过程能够在低温下制造出复杂形状的预成型件，且不会对纺织结构造成任何损坏，从而可以控制和修改最终基体的微观结构。诸如碳化硅 / 碳化硅和碳 / 碳复合材料等陶瓷基复合材料就是使用这种工艺制造的，与其他未增强的碳化硅复合材料相比，它们具有出色的高温、强度、弹性模量、抗蠕变和耐腐蚀性能。
已经为不同的复合材料开发了几种不同的化学气相渗透技术，其中最著名的是等温化学气相渗透（I - CVI），最初用于耐火复合材料的致密化，从碳 / 碳复合材料开始，后来应用于碳化硅纤维 / 碳化硅复合材料。在最近几十年里，它被用于飞机刹车用碳 / 碳复合材料和航空航天部件用碳化硅纤维 / 碳化硅复合材料的致密化。通过化学气相渗透法制造的一些最常见的基体有碳化硅、碳、氮化硅、氮化硼、氧化铝、碳化硼、碳化钛和氧化锆。
等温化学气相渗透法发展出了热梯度化学气相渗透（改进型 CVI），用于制造大型单个部件，如火箭喷嘴。在这种方法中，由于浸渗预成型件的热导率增加，预成型件被更均匀地加热。热梯度强制流动化学气相渗透（F - CVI）沉积法作为等温化学气相渗透法的替代方法，用于处理不同多孔预成型件的碳化硅和氮化硅基体，在这个过程中，质量传递是由压力梯度引起的强制对流实现的。布斯曼等人研究了使用 F - CVI 工艺制造碳化硅 / 碳化硅部件的可行性。此外，有研究报告了 F - CVI 工艺的浸渗时间，发现即使预成型件厚度为 2.5 毫米，碳化硅基体的制造时间也有所缩短。
另一种替代技术是微波加热化学气相渗透（MW - CVI），用于在加热过程中控制陶瓷纤维预成型件的反向温度分布。它可以在预成型件内部产生可控的温度分布，使陶瓷基体的沉积从预成型件的内部向外部进行，而不会与预成型件外部孔隙的密封问题相关联，从而避免可能导致的任何结构问题。最近已经发表了关于扩大这个过程规模和设计中试规模反应器的研究。
进一步的研究展示了改进的膜沸腾化学气相渗透工艺的发展，用于使用煤油作为前驱体制造大型碳 / 碳陶瓷基复合材料。这个过程的结果是生产出具有均匀微观结构和密度的复合材料，证明了膜沸腾化学气相渗透工艺对于大型部件的良好可行性。快速化学气相渗透特别适用于碳 / 碳复合材料，被认为有两种不同的制造方法。第一种方法是沸腾膜法，其中多孔纤维预成型件被浸入液态前驱体中。
第二种方法是快速气相致密化法，其中多孔预成型件被放入熔炉中，由石墨工具等温加热，并向前驱体气体提供强制流动，该气体存在于预成型件和石墨工具旁边。
7.3 熔体渗透
熔体渗透工艺已成功用于制造用于超高温应用的反应结合陶瓷。碳 / 碳化硅和碳化硅 / 碳化硅陶瓷基复合材料主要采用这种工艺制造，即硅熔体渗透到多孔碳基预成型件中以形成碳化硅。熔体渗透在比其他渗透应用更短的周期内产生致密的基体，尽管所需温度相对较高（高达 1414°C）。碳化硅纤维束涂有氮化硼纤维界面和氮化硅涂层。单向纤维和基体类型均通过长丝缠绕工艺制造，并使用聚合物粘合剂以及商业碳化硅和碳粉。在完成胶带铺设后，对部件预成型件进行层压，然后进行热解。聚合物转化为碳后，通过碳化硅和熔体渗透对热解后的预成型件进行致密化处理。
研究表明，可以制造具有碳化硅 - 碳化锆基体的碳纤维增强陶瓷基复合材料。这导致形成了碳化硅 - 碳化锆基体，其中碳化硅基体与涂覆纤维的碳膜相适应，使得该材料具有高弯曲强度、抗氧化性，并且在氧乙炔火焰中的抗烧蚀性优于碳化锆陶瓷基复合材料。
7.4 通过含碳和硅聚合物的热解形成基体
聚合物浸渍热解是一种用于制备碳化硅（由硅衍生的聚合物前体）增强材料和纳米颗粒陶瓷基复合材料的低成本制造工艺，并且在所得复合材料的抗氧化性方面起着关键作用。为了制造出高效的复合材料，增强纤维和基础陶瓷材料必须经过几个步骤。第一步是用树脂浸渍增强纤维并进行部分固化。接着，将制备物成型为模具。模具与柔性上模结合，通过大气压力（真空袋）或高气压（气压袋）压在预浸料上，然后放入热压罐中。然后在预成型件加入的情况下进行陶瓷前体聚合物的浸渍，可采用真空或压力辅助。随后，在氩气气氛中高温下对陶瓷前体聚合物进行热解分解，制造出最终的材料组合物。在热解过程中引入不同的气氛会产生不同的基体。在制造出最终基体后，重复浸渍热解过程多达十次，以最小化陶瓷基体的孔隙率。
陶瓷前体聚合物领域已经得到发展，产生了硅 - 碳 - 氮 - 氧体系，专门用于非氧化物陶瓷纤维。已经有关于使用聚合物浸渍热解工艺制造 Grade Niclon 碳化硅纤维和 HI - Nicalon 碳化硅纤维陶瓷基复合材料的进一步研究报告，表明这些纤维增强的陶瓷基复合材料可有效地用于高达 1200°C 的高温结构应用，且可长期使用。此外，研究表明热解可在氮气流下于 1000 - 1200°C 进行。已经对使用碳化硅 / 碳化硅陶瓷基复合材料在较低热解温度和较高升温速率下的效果进行了研究。这使得工业生产成本更低，但由于相对密度和弯曲强度较低，会出现高残留孔隙率和微裂纹。结论是，为了获得更高的密度，在添加聚合物溶液之前必须对所用的预成型件进行抽真空处理，但这对于制造大型部件来说并不可行。
7.5 通过溶胶 - 凝胶法形成基体
溶胶 - 凝胶浸渗是一种有价值的陶瓷基复合材料制造方法，使用纤维预成型件作为前驱体材料，具有更好的均匀性、近净成型制造和较低的加工温度（低于 600°C ）等优点。然而，溶胶 - 凝胶法需要多次重复浸渗过程，并进行中间热处理，以克服在烧结和干燥过程中基体的过度收缩问题。
在溶胶 - 凝胶浸渗过程中，化学前驱体水解成凝胶，然后干燥并烧制以形成陶瓷组合物。前驱体材料以水、醇和金属氧化物的形式存在，用于商业稳定包含离散陶瓷颗粒的胶体。水解反应产生一种有机金属溶液，其中包含带有金属离子和氧的聚合物链。从溶液中形成无定形颗粒，产生刚性凝胶，然后持续干燥和烧制，以使最终的陶瓷部件烧结和致密化。为了使溶胶 - 凝胶浸渗过程成功，溶胶应包含高陶瓷含量、低粘度和小粒径，这使得它可以在低温（室温）下处理数小时。
已经进行了许多尝试，通过使用不同类型的氧化物纤维预成型件（如莫来石、铝硅酸盐和氧化锆）来研究溶胶 - 凝胶加工参数的影响。结果表明，溶胶 - 凝胶法对于使用不连续莫来石纤维预成型件制造近净成型陶瓷基复合材料最为有效，但也可用于对其他氧化物填料进行多次浸渗，以开发具有伪延性特征的陶瓷基复合材料。
7.6 通过烧结形成基体
烧结和热解过程用于填充纤维之间的陶瓷基体。更具体地说，烧结可以在氧气气氛中进行，但加热和冷却过程中炉内的温度控制和温度均匀性会带来更好的效果。粉末材料的烧结根据应用和所使用的气氛（氧化 / 非氧化）在高温下进行。粉末材料的烧结过程在高温下、氧化环境中进行。自动化粉末金属烧结炉可提高可靠性并降低运营成本。这些自动化系统包括预热段、加热段和冷却段。
根据所使用的前驱体，有多种烧结技术可实现类似的结果。这些不同类型包括各种热压、热等静压、无压烧结、微波烧结和放电等离子烧结（SPS）。此外，研究表明，长时间的高温烧结会使晶粒尺寸增大，导致材料中产生的微孔数量减少，从而降低机械性能。
与传统烧结相比，放电等离子烧结是陶瓷复合材料致密化最常用的烧结技术。这是因为其致密化时间缩短（少于 15 分钟），并且能够保持相对较小的晶粒尺寸，有助于抑制不受控制的晶粒生长并消除孔隙。这使得材料具有更好的机械性能。
7.7 通过化学反应形成基体
液硅浸渗（LSI）工艺是通过将加工后的碳 / 碳材料与熔化的碳化硅纤维相结合，用于制造薄壁轻质的陶瓷基复合材料部件。它的特点是分为三个步骤，首先是制造碳纤维增强聚合物，然后进行碳化，最后进行液硅浸渗。更具体地说，第一步是制造具有高碳产率聚合物基体的碳纤维增强聚合物复合材料，这使得生坯能够一次完成热解。第二步是在惰性气氛 / 真空中对碳纤维增强聚合物复合材料进行处理，温度范围为 900 至 1650°C。然后，基体的热解使体积构建达到原始聚合物的 50 - 60%，如果受到阻碍，这会导致宏观复合材料的收缩率几乎为零。此外，双向增强复合材料和平面内增强纤维（如机织织物）可在不与层压板平面相互作用的情况下阻碍收缩。此外，生坯中纤维体积百分比越低、纤维 / 基体结合越强，复合材料的横向收缩就越大。这导致碳 / 碳复合材料具有相互连接的孔隙结构，形成跨层裂纹系统，其中裂纹展示了复合材料的开放孔隙率。在这一步完成后，第三步也是最后一步是利用碳 / 碳层压板之间开放孔隙的毛细管效应以及 1420°C 下熔化硅的低粘度，实现复合材料的快速填充。碳 / 碳材料与液态硅的持续放热反应导致碳化硅包裹纤维束，使二维增强材料的质量增加 30 - 50%。最终的复合材料由三相组成，其中包括三分之二的碳、三分之一的碳化硅和少量未反应的硅。
液硅浸渗工艺可使短碳纤维的紧密束在液硅浸渗过程中保持完整。这是通过制造包含短纤维束和酚醛树脂基体的生坯来实现的。此外，使用具有高碳产率的聚合物前驱体可在热解过程后形成多孔碳 / 碳预成型件的特征微观结构，导致形成离散的跨层毛细管通道，由于液体浸渗，预成型件可实现良好的渗透。这有助于在基体和纤维之间形成更强的结合，并提高最终复合材料的整体性能。
7.8 选择最合适的制造系统
根据本节中引用的文献，用于陶瓷基复合材料的主要制造工艺包括化学气相渗透、聚合物浸渍、热解和热压烧结技术。聚合物浸渍和热解是最常用的方法。主要目标是能够控制所制造陶瓷基复合材料的热和机械性能，但几个因素非常重要，例如最终形成相的分布以及从复合材料合成开始所应用的加工路线。这些方面可以通过正确选择复合材料制造工艺来进行调整。每个工艺都有不同的优缺点，如图 16 所示。
一个重要的标准是所使用的陶瓷基体和纤维的单位体积价格，以及材料对环境的影响（这涉及到从构成材料的提取、加工到交付到陶瓷基复合材料制造工厂的整个过程）。这种环境影响可以通过体现能来量化，体现能考虑了所有制造过程所消耗的能量。如图 17 所示，铝硅酸盐陶瓷基复合材料具有最高的体现能，因为它们具有一些更复杂的材料成分。这表明用于制造这类陶瓷基复合材料的工艺（溶胶 - 凝胶浸渗、烧结）需要大量的能量和时间，从而增加了基于铝硅酸盐应用的最终生产成本。另一方面，碳基体、氧化铝和碳化硅陶瓷基复合材料的体现能较低，这意味着这些材料更容易以更高的生产率、更低的总成本和更短的时间尺度进行生产。这是因为它们的工艺材料成分较简单，包含较少的纤维和基体材料。
图 16：陶瓷基复合材料的制造工艺步骤
图 17：陶瓷基复合材料的体现能和单位体积价格
制造工艺在加工时间和最终完成材料前的加工阶段方面存在差异。因此，某些工艺的运行成本更高，所需时间比其他工艺更长。例如，具有更复杂工艺技术和复杂复合材料制备过程的制造工艺（如化学气相渗透和电泳沉积）运行成本更高。然而，如前所述，材料成分越复杂，消耗的体现能和产生的电阻率就越高。因此，已经发现浸渗工艺，尤其是聚合物浸渍热解、化学气相渗透和熔体渗透，成本效益较低且耗时较长，尽管它们最终的复合材料产品具有非常好的机械和热性能。这也可以通过比较单位体积价格与可用的氧化物和非氧化物陶瓷基复合材料的价格来证明，这其中包括材料生产成本和制造成本，从而可以估计最终制造工艺的成本结果。在氧化物和非氧化物陶瓷基复合材料中，铝硅酸盐是生产成本最高的复合材料。另一方面，在氧化物陶瓷基复合材料中，氧化铝复合材料的生产成本要低得多，这使得在最终基体中可以融入更广泛的材料，而不会导致制造成本大幅增加。最后，碳基体陶瓷基复合材料的生产和制造成本最低，因为它们在提取和采购时所需的能量最少，且成本效益高。
<8. 陶瓷基复合材料的未来>
对现有陶瓷基复合材料及其制造工艺的文献综述，有助于更深入地了解这类材料在航空发动机应用中的未来发展。基于此文献综述，本节提供了一个技术路线图。陶瓷基复合材料的材料特性使其能够解决当今过程工业、航空航天、发电、交通运输和军事应用中的各种材料挑战。这些应用对于获得全球竞争力、减少环境污染和降低整体能源消耗至关重要。陶瓷基复合材料的原型和试验产品为创建测试方法、分类系统和统一术语以及航空发动机应用的参考材料提供了可能，但缺乏设计规范及其相关数据库，这一直是在旋转和固定航空发动机应用中更广泛使用陶瓷基复合材料的限制因素。
图 18 中的每一步都需要大量的努力和时间，以达成充分的共识，使所开发的陶瓷基复合材料达到成熟，并对其进行表征。需要创建持续更新的数据库，按照可接受的标准生成材料性能和性能数据。在数据库中必须分配各种不同的信息级别，以便为独特的设计要求和应用创建设计规范和寿命预测模型。在确定设计规范和预期寿命模型后，获得监管部门的批准，从而可将其应用于航空发动机领域。
图 18：陶瓷基复合材料的标准、数据库、预期寿命模型和设计规范之间的相互关系
根据研究，为了使陶瓷基复合材料满足最终用户的期望，开发出适用于特定应用的陶瓷部件，需要采取几个步骤。这可以通过创建一个研发与发展（RD&D）方法来实现，该方法考虑了图 19 中的开发过程步骤。除了研发方法外，这些步骤相互关联，与材料数据库共同为材料选择提供数据，并为设计和寿命预测模型提供分析支持。此外，设计和寿命预测模型改进了方法和分析工具，有助于实现更高效的部件设计。在设计和寿命预测模型之后，无损评估是一种改进方法，可实现低成本的部件检测和质量保证。当部件通过无损评估后，进行制造优化方法，以提高材料可靠性、扩大制造规模并降低成本。最后，进行演示阶段，在产品的最终工作环境中通过长期寿命测试来验证陶瓷基复合材料部件的可行性。
图 19：陶瓷基复合材料的开发过程步骤
8.1 陶瓷基复合材料的应用路线图
图 20 展示了为提高材料成熟度并最终使其能够应用于航空发动机领域而必须解决的工程挑战。建议的时间框架基于从 2022 年之前的文献综述中获得的历史数据，预测则基于已报道的研究进展速度。解决这些要求的方案可以是在制造陶瓷基体时引入含有增强相（晶须 / 长纤维）的陶瓷材料，从而制造出具有卓越性能的陶瓷基复合材料。一些常见的例子是碳化硅纤维与碳化硅基体的组合，以及氧化铝纤维与氧化铝基体的组合。解决这些要求（图 20）将有助于理解复合材料成分之间以及它们与应用环境之间的相互作用。为了评估最终性能，需要重复进行成分选择、制造、测试和测试后评估等操作。此外，从表中可以看出，提高陶瓷基复合材料的使用寿命是一个非常重要的优先事项。几十年来，研究主要集中在逐步提高现有陶瓷基复合材料的温度承受能力、寿命和设计极限，但到目前为止，解决方案主要依赖于优先研究纤维、纤维涂层、基体化学和环境障涂层，而没有优先考虑用于模拟环境和加速测试的制造设施，而这可能使最终用户能够增加现场和实验测试，从而获得更成功的结果。
陶瓷基复合材料的发展旨在通过实现更好的机械和热性能来取代单相陶瓷。这将使得能够制造出更可靠的部件，使用时可以像使用金属部件一样具有更高的信心。另一方面，陶瓷基复合材料仍处于早期发展阶段，在广泛应用之前还需要进一步研究。
先进陶瓷，尤其是复合材料，在全球范围内的增长率有所提高。专注于下一代陶瓷基复合材料在未来航空航天应用中的商业化，水基聚合物、低密度陶瓷以及转化为碳化硅增强纤维以提高韧性的纳米纤维等正在研究中。如果能够实现这一目标，预计到 2026 年，陶瓷基复合材料（包括氧化物 / 氧化物、碳化硅 / 碳化硅、碳 / 碳和碳 / 碳化硅）的价值将以 9.65% 的速度增长，这是根据国际市场研究结果得出的。
图 20：为更广泛应用需满足的陶瓷基复合材料要求
图 21：航空发动机应用中陶瓷基复合材料、涂层和制造工艺的路线图（与图 20 的关键相同）
图 21 展示了航空发动机应用中陶瓷基复合材料、涂层和制造工艺的路线图。与图 20 类似，建议的时间框架基于从 2022 年之前的文献综述中获得的历史数据，预测基于已报道的研究进展速度。
对于高热效率的航空发动机而言，一个关键参数是高总压比，它能提高涡轮流道温度。开发和应用先进材料技术以提高耐高温性能的需求十分迫切。在这类应用中引入陶瓷基复合材料，可实现少量的燃油消耗，并使涡轮部件重量额外减轻 50%。陶瓷基复合材料的研发已持续了三十多年，像通用电气航空和罗尔斯・罗伊斯等航空航天企业，在工艺技术、制造规模扩大和供应链方面对这些材料进行了投资和应用。一些著名的陶瓷基复合材料应用实例包括为波音、空客和中国商飞飞机制造的商用 LEAP 发动机中护罩的建造。此外，在 2016 年至 2020 年期间，陶瓷基复合材料还用于燃气涡轮发动机热端部分的燃烧室内外衬、高压涡轮第一和第二级护罩以及喷嘴等部件。这些应用中最常用的陶瓷基复合材料是通过熔体渗透、化学气相渗透和热解工艺制造的碳化硅 / 碳化硅、碳 / 碳化硅和碳 / 碳部件。这些制造工艺能够制造出更致密的基体，使单独涂层的长丝纤维分布相对均匀。此外，自 2019 年以来，建立了新的陶瓷基复合材料生产设施，用于生产用于喷气发动机的碳化硅纤维陶瓷基复合材料部件和由氧化物层制成的先进陶瓷涂层。
连续纤维复合陶瓷材料是由高强度陶瓷纤维在陶瓷基体中制成的陶瓷基复合材料，纤维与基体之间的界面涂层可保护复合材料表面不被降解。由于对纤维、基体和涂层之间的关系以及这些材料的性能和应用环境缺乏了解，制造这类陶瓷基复合材料的组成方法和可用材料非常有限。因此，必须创建和探索更多的失效模型和机制，以优化陶瓷基复合材料。然而，在开发预期寿命模型之前，必须进行大量的陶瓷基复合材料制造和测试，以便更好地了解在高应力和高温应用环境中陶瓷基复合材料的微观力学。对于复合材料组合的测试，需要使用无损评估技术进行在线过程控制和后处理测试，以检查潜在的失效和复合材料的剩余寿命。
为了使复合材料通过无损评估技术的检测，必须优化制造工艺。连续纤维增强陶瓷复合材料（CFFC）材料高度可靠，由于其制造工艺的可重复性以及纤维和复合基体材料的低成本，能够避免灾难性失效。应该测试和加工更多的材料，以制造出满足航空航天应用需求的连续纤维增强陶瓷复合材料，这也有助于扩大制造规模并降低成本。
图 22 表明，陶瓷基复合材料的性能优于传统航空发动机材料，如金属和聚合物基复合材料（MMC、PMC）。与金属、聚合物和天然基复合材料相比，陶瓷基复合材料的整体机械和热性能也更好，其最高使用温度值明显更高（≤500°C ）。在航空发动机应用中，能够在 1000 - 1500°C 温度范围内运行的陶瓷基复合材料用于氧化保护层。这些材料主要属于氧化铝和铝硅酸盐陶瓷基复合材料家族。另一方面，使用温度超过 1500°C 的材料主要用作隔热层，保护涡轮发动机热端部分的部件。这些陶瓷基复合材料主要是碳化硅 / 碳化硅、碳 / 碳、碳 / 碳化硅复合材料以及氧化铝基体（氧化铝 / 碳化硼、钛酸铝、氧化铝 / 碳化钛）。此外，在排气喷嘴应用中使用氧化物陶瓷基复合材料，与钛合金相比，部件的耐用性有所提高，同时实现了轻量化且保持同等的耐用性。
图 22：陶瓷基复合材料与其他复合基体的材料性能对比
在复合材料的制造和设计过程方面已经做出了巨大努力，许多制造步骤（如铺层、真空袋成型等）已通过不同的制造方法（化学气相渗透、聚合物浸渍热解、熔体渗透、溶胶 - 凝胶法等）进行了更新，避免了人工成本，进一步实现了成本节约。复合材料部件的制造和设计旨在实现经济实惠且坚固耐用的制造。化学气相渗透技术是最常用的工艺，但运行起来非常耗时且成本高昂，尽管其对于陶瓷基复合材料的制造过程至关重要。
8.2 技术考量
从 20 世纪 90 年代初开始，人们发现开发成本更低的陶瓷基复合材料以实现更好的使用温度是值得的，其多属性效用比用于排气管道的高温合金更好。主要原因是需要改进高温合金的制造技术，与定向凝固和单晶铸造等其他技术相比，能实现更大的成本降低效果。最初开发的一些用于制造更具成本效益材料的制造技术是浆料浸渗和化学气相渗透。
根据文献，航空航天技术贡献的三分之一用于提高涡轮进口温度（TIT）材料性能，更具体地说，用于通过定向凝固和单晶技术制造的镍基高温合金。航空航天技术贡献的其余部分用于引入涡轮叶片、叶片的内部冷却通道以及冷却技术的进步。近年来的研究表明，陶瓷基复合材料在涡轮进口温度方面的热效率和功率输出超过了要求，使其适用于旋转（喷嘴、叶片、涡轮叶片）和固定的涡轮发动机部件。因此，航空航天公司开始使用这些制造技术在燃气涡轮发动机的冷端和热端部件中制造陶瓷基复合材料部件。不过必须指出，陶瓷基复合材料的商业化需要更多努力，因为一些最常见的制造工艺比其他类型的高温合金成分技术成本高得多，如化学气相渗透（CVI）和聚合物浸渍热解工艺。
陶瓷基复合材料的商业化正在进行中。航空航天行业需要这类材料，它们将提高涡轮发动机及其他航空发动机部件的使用寿命，同时降低制造成本和环境影响。为了实现这些目标，文献建议利用研发方法，这对于理解复合材料成分之间的相互作用以及复合材料应用的环境是必要的。为了实现这一点，必须对复合材料的选择、制造过程、测试和测试后评估措施进行迭代，以评估更好的材料性能。研发方法还需要与材料表征工作相联系，改进设计和寿命预测工具，以建立标准和材料数据库（图 23 和图 24）。
图 23：技术指标（箭头表示趋势）
图 24：技术阶梯
<9. 结论>
陶瓷基复合材料可分为两类基础材料。这些类别包括氧化物和非氧化物陶瓷基复合材料。氧化物陶瓷基复合材料包括氧化铝和铝硅酸盐基基体，而非氧化物陶瓷基复合材料包括碳、碳化硅、碳化钛和碳化钨基基体。这些陶瓷基复合材料各自具有不同的机械和热性能，这是为所需应用选择合适材料的关键因素。
氧化物和非氧化物陶瓷基复合材料的主要区别在于，氧化物陶瓷基复合材料在超高温下具有更好的抗蠕变和抗氧化性能。这是因为氧化物陶瓷基复合材料即使在机械性能能够承受高温下的压力时，也容易发生氧化和蠕变。此外，氧化物陶瓷基复合材料主要用于高温结构应用，最常见的基础基体是氧化铝。根据文献，氧化铝陶瓷基复合材料经常在航空发动机应用中使用和测试，其中二氧化硅和莫来石的组合也可用作填料或增强材料，从而提高整体复合材料的性能。非氧化物陶瓷基复合材料在氧化物陶瓷基复合材料应用之前就已在类似的航空发动机应用中使用，碳化硅和碳是最常用的增强或基础基体材料。
开发陶瓷基复合材料部件的一个非常重要的方面是选择正确的制造工艺和加工步骤，这将确保制造出的部件没有微裂纹，不会导致材料在一定时间内发生蠕变和氧化，以及避免灾难性失效。制造工艺也根据材料的成分类型来选择；例如，烧结和溶胶 - 凝胶工艺主要用于制造氧化物陶瓷基复合材料，因为陶瓷颗粒在氧化气氛中使用。接着，关于高温陶瓷基复合材料，一些最著名的制造技术是化学气相渗透和热解工艺。在这类工艺中，碳化硅 / 碳化硅和碳 / 碳主要用于航空发动机应用，因为它们已被证明是制造无微裂纹部件的最安全选择，能够承受高压和高温而不会破裂，并且具有更长的使用寿命。
正确的制造工艺与合适的基础基体和填料 / 增强材料的组合，产生了具有良好机械和热性能的陶瓷基复合材料，使其能够根据各个行业的需求和要求广泛应用。例如，航空航天应用需要低热膨胀系数和热导率，以及高硬度、应力和应变值。
本研究专注于现有氧化物和非氧化物陶瓷基复合材料的分类、它们的制造工艺以及可用的应用。随后，对已分类的陶瓷基复合材料的机械和热性能进行比较，从而更准确地估计这些材料的机械和热性能值。
路线图提出了关于陶瓷基复合材料在航空航天和涡轮发动机应用中使用的几个重要发展目标。它们可以分为不同的研究小组，这些小组有助于陶瓷基复合材料在航空航天工业中的可持续发展和增长。这些小组包括具有更优异和创新性能的新型陶瓷、先进的加工技术以及用于航空航天应用的高性能旋转和静态部件。此外，根据文献，这些发展目标自 20 世纪 90 年代初就已开始研究和推进，预计到 2030 年完成。
为了实现这些目标，需要多学科的方法和技术来增强陶瓷基复合材料的界面，并需要行业的引领。这些技术包括为降低陶瓷基复合材料制造过程成本而进行的大大小小的改进，以及对环境影响和使用寿命的改善。目前，由于原材料供应、制造和检测方法的高成本，陶瓷基复合材料仅用于少数高成本应用。通过降低陶瓷基复合材料的成本，可以实现比金属和单相陶瓷更长的使用寿命和更高的可靠性，从而获得更大的收益。这可以通过更多地研究逐步提高陶瓷基础材料和增强纤维的温度承受能力、设计极限和寿命来实现。为了满足这些要求，将需要环境障涂层以及升级的制造和测试技术。实现这些目标的一个关键部分将是由利益相关者 / 合作伙伴建立用于模拟和快速测试的设施。尽管这种发展风险较高，但在短期内可能会为航空航天应用带来高回报。
尽管陶瓷基复合材料已经有了广泛的应用，但它们尚未充分发挥其潜力。在中长期内，特别是在航空和航天应用中，面临的障碍使得定制材料的使用需要大量的研发投资。通过使用合适的界面以满足一系列要求，将使用各种基体和纤维。一般来说，陶瓷基复合材料是异质复合系统，其中异质性由尺寸、形状、地理分布和各种组成特性定义。它可能存在于多种固相，包括纤维、聚集体和硬夹杂物中。
从一开始就必须获得可靠的建模和仿真工具，以准确预测多尺度（纳米 / 微观 / 介观和宏观）和多时间尺度（短期、中期和长期）的结构行为，并控制先进结构中感兴趣的有效性（机械、热、化学、物理和防火）特性。这将加速新型陶瓷基复合材料和金属基复合材料的开发。为了进行更现实的过程模拟，还需要更复杂的多物理和数学理论模型。在定义要求之后，有必要为产品和过程开发新的数值方法，以确定合适的复合系统性能、合适的材料生产路线图以及实现所需 “结构” 行为的加工研究方法。
链接：https://doi.org/10.3390/app13053017
来源：航空材料科学
