中國粉體網訊 伴隨高性能纖維如碳纖維、碳化硅纖維和氧化鋁纖維的不斷出現，纖維增強復合材料日益受到人們的關注，尤其是擁有高性價比的氧化鋁纖維增強氧化鋁基復合材料，成為航空航天領域的新興候選材料。
一、為何高性價比
氧化鋁纖維是目前超輕質高溫絕熱材料之一，其長期使用溫度可以達到1300~1400℃，具有極高的化學穩定性和熱穩定性。氧化鋁纖維增強氧化鋁復合材料（簡稱Al2O3/Al2O3復合材料）相較于傳統金屬材料，具有低密度、高強度、高模量、耐高溫、抗磨損等特點，力學性能更強，可靠性更高。與非氧化物陶瓷基復合材料相比，具有較好的抗水蒸氣氧化性能，在高溫富氧、富含水汽的載荷工況下，不會因為氧化而形成災難性斷裂，可以在嚴苛的環境中長時間應用。此外，Al2O3/Al2O3復合材料的粉體原料成本較低，生產工藝相對簡單，使得大批量生產成為可能。因此，Al2O3/Al2O3復合材料極大地拓寬了陶瓷基復合材料在航空航天等領域的應用。
圖1 Passport20發動機采用的Al2O3/Al2O3復合材料整流罩、排氣混合器和中心錐（圖源：航空動力）
二、為何堅韌
在Al2O3/Al2O3復合材料中，基體材料將復合材料所受載荷通過一定的方式傳遞給氧化鋁增強纖維并為復合材料提供韌性和塑性，而氧化鋁增強纖維承受絕大部分外力，是復合材料的主要承載單元。其增強原理如下：
典型的氧化物陶瓷基復合材料斷裂過程可明顯地分為基體斷裂、界面解離、纖維斷裂以及纖維拔出等4個階段，每個階段都會消耗較多能量，其中以纖維拔出所消耗的能量最多。在Al2O3/Al2O3復合材料中，氧化鋁纖維均勻分布在氧化鋁陶瓷材料中，當外力作用于復合材料時，氧化鋁陶瓷基體會將一部分負荷傳遞到氧化鋁纖維上，從而減少本身的負荷。當氧化鋁纖維承受應力大于其本身強度時，就會發生纖維斷裂，斷裂的氧化鋁纖維會從陶瓷基體材料中拔出，消耗了裂紋的擴散能。
圖2 纖維增強陶瓷基復合材料斷裂過程（圖源：氧化鋁纖維增強氧化鋯/氧化鋁復合材料制備工藝研究）
當裂紋擴展到纖維時，在不均勻的內應力和界面相的共同影響下，裂紋會沿氧化鋁纖維周圍表面發生偏轉，從而消耗裂紋的擴展能。由于裂紋偏轉，裂紋擴展路徑呈現鋸齒狀，增加了裂紋的表面能，從而起到了增強效果。
圖3 纖維的裂紋偏轉（圖源：中國耐火材料行業協會）
裂紋在復合材料基體中形成并發生擴展后，在其尖端尾部會形成一個由氧化鋁纖維構成的橋聯區，橋聯區的出現將使裂紋在擴展中消耗更多的能量。同時，氧化鋁纖維對裂紋也起到了釘扎作用，阻礙了裂紋的擴展。
圖4 裂紋橋聯機理（圖源：中國耐火材料行業協會）
三、如何制備
Al2O3/Al2O3復合材料制備工藝的核心是將Al2O3基體引入Al2O3纖維編織件中，目前常用的制備方法分為固相法和液相法兩種。
固相法需將Al2O3漿料浸入Al2O3纖維編織件后進行加壓燒結，最終形成復合材料。固相法最常用的制備工藝為漿料浸滲-燒結工藝，這種方法操作簡單、制備周期短，可以實現一次燒結成型，避免了多次燒結后出現纖維受損和復合材料的力學性能下降問題。此外，漿料-浸漬工藝能夠制備高性能的三維Al2O3/Al2O3復合材料，可以解決二維Al2O3/Al2O3復合材料層間剪切強度較低的問題。
液相法需制備Al2O3前驅體，使用前驅體浸漬Al2O3纖維編織件，經高溫處理將前驅體轉變為Al2O3基體，實現復合材料的制備。溶膠-凝膠工藝是液相法最常用的制備方法。該方法原料來源廣、成本低、操作簡單、技術要求低，是目前使用最廣泛的Al2O3/Al2O3復合材料制造工藝。Al2O3溶膠干燥溫度和燒結溫度都較低，避免了多次高溫導致復合材料性能下降的問題。
四、如何增強
纖維增強復合材料由增強相、基體相和界面相三部分組成，在Al2O3/Al2O3復合材料中，增強相是氧化鋁纖維。雖然陶瓷基體和纖維本身都是脆性材料，但通過對界面進行合理的選取與設計，復合材料也能夠表現出一定的韌性。因此，界面是改善陶瓷材料脆性的關鍵。
作為連接氧化鋁纖維與氧化鋁基體的橋梁，一方面，界面相要與纖維和基體有良好的物理和化學相容性，另一方面，界面相會對復合材料的性能存在影響，因此，界面相與纖維和基體之間要有一個適當的結合強度。若結合強度過大，復合材料可能會出現脆性斷裂以及力學性能下降等問題；若界面結合強度過小，載荷不能通過界面傳遞給纖維，那么氧化鋁纖維的增強作用就會減弱。目前，熱解碳(PyC)、氮化硼(BN)和獨居石(LaPO4)是Al2O3/Al2O3復合材料中常用的三種界面相。
圖5 Al2O3/Al2O3復合材料的三相
1.熱解碳(PyC)界面相
熱解碳是一種廣泛應用的界面相材料。熱解碳與氧化鋁纖維之間具有良好的相容性，能有效阻擋纖維和基體間的元素擴散。熱解碳具有特殊的層狀結構，層與層之間通過范德瓦爾斯力結合，非常有利于裂紋偏轉，阻止復合材料發生脆性斷裂，提高復合材料的力學性能。
圖6 熱解碳涂層（圖源：偉基碳科技）
2.氮化硼(BN)界面相
氮化硼具有與熱解碳相類似的層狀結構，在復合材料中引入氮化硼界面相后，在復合材料受到外力時，裂紋可沿界面層擴展，起到保護纖維和提高復合材料力學性能的作用。相較于熱解碳涂層，氮化硼的抗氧化性能較好。然而，其缺點在于，氮化硼在高于850℃的氧化環境下可與氧氣發生反應生成具有揮發性的B2O3，從而導致氮化硼界面相消失。
圖7 氮化硼纖維涂層（圖源：天元航材）
3.獨居石（LaPO4）界面相
獨居石類物質是最常見的滿足裂紋偏轉需求的弱氧化物界面層。獨居石具有熔點高（>2000℃）、硬度低的特點，與氧化鋁的結合力較弱，并且在高溫下能夠與氧化鋁穩定共存，因此應用最為廣泛。在受到外力作用時，獨居石可以通過滑移、解離和孿晶等機制有效偏轉裂紋，提升復合材料的力學性能。獨居石在高溫下會在表面形成一層連續致密的反應層，保護纖維不被高溫侵蝕，可以提高復合材料的穩定性。
圖8 獨居石（圖源：國家巖礦化石標本資源共享平臺）
氧化鋁纖維增強氧化鋁基復合材料已成為新一代備受國內外廣泛關注的航空航天熱結構復合材料，未來應用前景廣闊。
參考來源：
[1]孫敬偉等，氧化鋁纖維增強氧化鋁基復合材料研究進展
[2]王軍剛，氧化鋁纖維增強氧化鋯/氧化鋁復合材料制備工藝研究
[3]楊瑞，氧化物/氧化物陶瓷基復合材料及其制備工藝研究進展
（中國粉體網編輯整理/梧桐)
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