【正文】 尖端處的纖維并未斷裂，而是在裂紋兩岸搭起小橋（圖1033），使兩岸連在一起。這會在裂紋表面產(chǎn)生一個壓應(yīng)力，以抵消外加應(yīng)力的作用，從而使裂紋難以進一步擴展，起到增韌作用。隨著裂紋的擴展，裂紋生長的阻力增加，直到在裂紋尖端形成一定數(shù)量的纖維搭橋區(qū)。這時達到一穩(wěn)態(tài)韌化（圖 1034）。 圖 1033 纖維搭橋 （ 4）纖維橋接（ Fiber Bridge） ?橋接機制適用于可阻止裂紋尖端、裂紋表面相對運動的任何顯微結(jié)構(gòu)特征（顆粒、晶須等）。 圖 1034 韌性與裂紋擴展的關(guān)系 日本開發(fā)出耐 1600℃ 以上高溫的高強度復(fù)合陶瓷材料 ?日本宇都產(chǎn)業(yè)公司最近開發(fā)出一種能在 1600℃ 以上高溫使用的高強度 復(fù)合陶瓷 材料。此種新材料是先將 氧化鋁、氧化釔 混合在一起，然后將之放入特殊的容器里，待其 熔化 后，再精確地控制溫度使其 冷卻凝固 。在此過程中兩種原料結(jié)合，組成具有新結(jié)構(gòu)的材料，其 熔點 可達 1800℃ 。 ?將這種新材料置于 1700℃ 有 氧 環(huán)境下，放置 1000℃進行 耐氧 試驗，結(jié)果是其重量、結(jié)構(gòu)、強度均保持不變。 ?該陶瓷材料可用于制造噴氣發(fā)動機或汽輪發(fā)電機用葉片 。因葉片耐熱性提高，故可制造不需冷卻的高效發(fā)動機和發(fā)電機。 第十一章 碳 /碳復(fù)合材料（ C/C） 碳 /碳復(fù)合材料概述 ? 碳 /碳 (C/C) 復(fù)合材料是由碳纖維及其（碳?xì)只蛱疾迹┰鰪姷奶蓟鶑?fù)合材料，其組成元素只有一個，即碳元素。 表 11 – 1 典型三維正交增強 C/C 復(fù)合材料性能 碳 /碳復(fù)合材料概述 ?如表 1所示， C/C具有許多優(yōu)異的性能。如密度低、高熱導(dǎo)性、低熱膨脹系數(shù)以及對熱沖擊不敏感等。特別是高溫下的高強度和模量，其強度隨著溫度的升高而升高以及高斷裂韌性、低蠕變等性能，使 C/C成為目前唯一可用于高溫達 2800 ?C的高溫復(fù)合材料（圖 11 – 1）。 圖 11 – 1 不同材料比強度與溫度的關(guān)系對比 碳 /碳復(fù)合材料概述 圖 11 – 2 不同界面的碳碳復(fù)合材料應(yīng)力 應(yīng)變曲線 碳 /碳復(fù)合材料概述 ?碳 /碳復(fù)合材料中的碳纖維和基體碳的界面匹配影響其力學(xué)行為（圖 11 – 2）。碳纖維的類型、基體的預(yù)固化以及后步工序的類型等決定了界面的結(jié)合強度。當(dāng)纖維與碳基體的化學(xué)與機械鍵合形成界面結(jié)合時，在較低的斷裂應(yīng)變時，基體中形成的裂紋擴展越過界面，引起纖維的斷裂，此時材料屬于脆性斷裂，而復(fù)合材料的強度是由基體斷裂應(yīng)變決定的。當(dāng)界面結(jié)合相對較弱時，材料受載一旦超過基體斷裂應(yīng)變時，基體裂紋在界面會引起基體與纖維脫粘，而不會裝穿過纖維。這時纖維仍可能繼續(xù)承受載荷，從而呈現(xiàn)出非脆性斷裂方式，通常稱為假塑性斷裂。 碳 /碳復(fù)合材料概述 ?碳 /碳復(fù)合材料具有碳元素所特有的耐燒蝕、抗熱震、高導(dǎo)熱率和低膨脹系數(shù)等性能。其導(dǎo)熱性在常溫下可與鋁合金比擬；熱膨脹系數(shù)遠比金屬低；同時具有最好的生物相容性。 ?碳 /碳復(fù)合材料另一重要性能是其優(yōu)異的摩擦磨損性能。碳 /碳復(fù)合材料中的碳纖維微觀結(jié)構(gòu)為亂層石墨結(jié)構(gòu)，其摩擦系數(shù)比石墨高，因而提高了復(fù)合材料的摩擦系數(shù)。石墨因其層狀結(jié)構(gòu)而具有固體潤滑能力，可降低摩擦副的摩擦系數(shù)。通過改變基體碳的石墨化程度就可以獲得摩擦系數(shù)適中而又有足夠強度和剛度的碳 /碳復(fù)合材料。 二、碳 /碳復(fù)合材料的制備工藝 碳 /碳復(fù)合材料的預(yù)成型體和基體碳 1 1 預(yù)成型體 預(yù)成型體是一個多孔體系，含有大量空隙。如三維碳 /碳復(fù)合材料中常用的 223結(jié)構(gòu)的預(yù)成型體中的纖維含量僅有 40%，也就是說其中空隙就占60% 。 碳 /碳復(fù)合材料的預(yù)成型體可分為單向、二維和三維，甚至可以是多維方式（圖 11 – 3），大多采用編織方法制備。在制備圓桶、圓錐或圓柱等預(yù)成型體時需要采用計算機控制來進行編織。 1 1 預(yù)成型體 圖 11 3 多維編織的碳碳復(fù)合材料預(yù)成型體結(jié)構(gòu) 1 1 預(yù)成型體 ?碳 /碳復(fù)合材料預(yù)成型體所用碳纖維、碳纖維織物或碳?xì)值鹊倪x擇是根據(jù)復(fù)合材料所制成構(gòu)件的使用要求來確定的，同時要考慮到預(yù)成型體與基體碳的界面配合。如選擇剎車片材料，一般多采用非連續(xù)的短纖維或碳?xì)謥碜髟鰪娤?，以提高剎車片的抗震性；而一些受力構(gòu)件則多采用連續(xù)纖維；在三維編織預(yù)成型體時，一般要求選擇適于編織、便于緊實并能提供復(fù)合材料所需的物理和力學(xué)性能的連續(xù)纖維。 1 – 2 基體碳 典型的基體碳有熱解碳（ CVD碳）和浸漬碳化碳。前者是由烴類氣體的氣相沉積而成；后者是合成樹脂或瀝青經(jīng)碳化和石墨化而得。 1） CVD碳： 主要以來原料有甲烷、丙烷、丙烯、乙炔、天然氣等碳?xì)浠衔铩? CH4（ g） ? C （ s） + 2H2（ g） 沉積根據(jù)不同的沉積溫度可獲得不同形態(tài)的碳，在 950 ~ 1100?C為熱解碳； 1750 ~ 2700?C 為熱解石墨。 2）樹脂或瀝青碳： 碳纖維預(yù)制成型體經(jīng)過浸漬樹脂或瀝青等浸漬劑后，經(jīng)預(yù)固化，再經(jīng)碳化后獲得的基體碳。浸漬劑選擇原則如下； （ 1）碳化率（焦化率）：碳化率高的浸漬劑可提高效率，減少浸漬次數(shù)。 （ 2）粘度：要求粘度適當(dāng)，易于浸漬劑浸漬到預(yù)制成型體中。 （ 3）熱解碳化時能形成張開型的裂縫和空隙，以利于多次浸漬，形成致密的碳 /碳復(fù)合材料。 （ 4）碳化后收縮不會破壞預(yù)制成型體的結(jié)構(gòu)和形狀。 （ 5）形成的顯微結(jié)構(gòu)有利于碳 /碳復(fù)合材料的性能。 2）樹脂或瀝青碳： 瀝青是一種多環(huán)芳香碳?xì)浠衔锏幕旌衔?，?00 ~ 500?C溫度以上可經(jīng)歷以下碳化過程： （ 1）低分子量物質(zhì)的揮發(fā)氣化、脫氫、縮合、裂化和分子結(jié)構(gòu)的重排，形成平面型芳環(huán)結(jié)構(gòu)。 （ 2）各向同性液態(tài)瀝青在 400?C溫度以上可形成中間（ Mesophase）。 （ 3）中間相又畸變變形，聚結(jié)并固化成層狀排列的分子結(jié)構(gòu)。 （ 4）這種層狀排列的分子結(jié)構(gòu)在 2022 ~ 2500?C以上時有利于形成各向異性的碳 – 石墨結(jié)構(gòu)。 碳 /碳復(fù)合材料的制備工藝 1） CVD（ CVI）工藝原理 一般認(rèn)為， CVD（ CVI）經(jīng)歷以下過程： 1）反應(yīng)氣體通過層流向沉積基體的邊界層擴散； 2）沉積基體表面吸附反應(yīng)氣體，反應(yīng)氣體產(chǎn)生反應(yīng)并形成固態(tài)和氣體產(chǎn)物； 3）所產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物解吸附，并沿邊界層區(qū)域擴散； 4）產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物排除。 CVD（ CVI）過程受反應(yīng)溫度及壓力影響較大。一般低溫低壓下受反應(yīng)動力學(xué)控制；而在高溫高壓下則是擴散為主。工藝參量溫度、壓力、反應(yīng)氣體流量及載氣的流量、分壓都會影響到 CVD過程的擴散 /沉積平衡，從而影響碳 /碳復(fù)合材料的致密度和性能。 1） CVD（ CVI）工藝原理 ? 在 CVD（ CVI）過程中為防止預(yù)成型體中孔隙入口處因沉積速度太快而造成孔的封閉，應(yīng) 控制反應(yīng)氣體和產(chǎn)物氣體的擴散速率大于沉積速率（圖 11 – 4）。 ? 在 CVD（ CVI）過程中往往要同時導(dǎo)入載流氣體，如氫、氬或氮等，起稀釋反應(yīng)氣體的作用，目的是改善反應(yīng)氣體的擴散條件。 圖 11– 4 擴散與沉積速度對空隙封閉影響 2） CVD（ CVI）工藝 ? 控制好 CVD（ CVI）過程沉積和擴散達到合理平衡是保證碳 /碳復(fù)合材料密度和性能的關(guān)鍵。影響主要因素是溫度和壓力（圖 115）。 圖 11 – 5 反應(yīng)溫度、壓力及氣體流量對沿空隙沉積速度的影響 根據(jù)溫度和壓力因素的控制，可分為等溫、壓力梯度和溫度梯度工藝等三種基本工藝方法（圖 11 – 6）： 圖 11 – 6 碳碳復(fù)合材料的 CVD（ CVI）工藝示意圖 2） – 1 等溫工藝 將預(yù)成型體置于均溫 CVD（ CVI）爐中，導(dǎo)入碳?xì)浠衔餁怏w，控制爐溫和氣體的流量和分壓以控制反應(yīng)氣體和生成氣體在孔隙中的擴散，以便得到均勻的 沉積。為了防止孔隙的過早封閉，應(yīng)使反應(yīng)沉積速率低于擴散速率。這樣沉積速率將非常緩慢。為了提高制品的致密度，需要在沉積一定時間后，對制品機加工，除去已封閉的外表面，然后再進行沉積。如此循環(huán)，整個工藝需要長達數(shù)百上千小時的時間。 等溫工藝的優(yōu)點是可以生產(chǎn)大型構(gòu)件，并同時可在一爐中裝入若干件預(yù)成型體進行沉積。 2） – 2 壓力梯度工藝 利用反應(yīng)氣體通過預(yù)先臺