以下是中國工程院院士董紹明在一次材料大會上的主題發(fā)言(節(jié)選)
眾所周知，材料有三大支柱:金屬材料、有機材料、無機材料，其中無機材料又分多個門類:水泥、陶瓷、玻璃等，其中先進陶瓷和陶瓷基復合材料是一種全新的結構材料，以陶瓷為基體與各種纖維復合而成，具有類金屬斷裂韌性，對裂紋不敏感、沒有災難性損毀，能夠在保持傳統(tǒng)陶瓷材料耐高溫、高強度、低密度、耐腐蝕、性能可設計強等優(yōu)良性能的同時，克服其脆性大的致命弱點。
在一些極端服役環(huán)境下，纖維增強陶瓷基復合材料有著金屬材料不可比擬的優(yōu)勢，因此備受關注。與其他復合材料不同，陶瓷基復合材料的成型工藝相對復雜，制備周期長、成本高，對設備的要求高，成品率也難以保證。因此，陶瓷基復合材料通常應用于航空航天、新能源、交通運輸等高技術領域高精尖領域。
為什么要研究陶瓷基復合材料?
陶瓷最大的問題是脆性，如何改善脆性是材料研究尤其是無機非金屬材料研究工作者長期攻關的主題。連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料(以下簡稱陶瓷基復合材料)發(fā)明于20世紀70年代在法國波爾多大學熱結構復合材料實驗室發(fā)明了一種化學氣相沉積的裝置用來制備陶瓷基復合材料；
20世紀80年代這一裝置在工業(yè)上得以使用從而進入規(guī)?；瘧?2016年，陶瓷基復合材料被 應用于民用航空發(fā)動機，大大改進了飛機發(fā)動機性能。歷經40多年的發(fā)展，陶瓷基復合材料已成為戰(zhàn)略性尖端材料，許多國外機構已具備了陶瓷基復合材料及構件的批量生產能力，并形成了一定的產業(yè)規(guī)模。
陶瓷基復合材料制備技術
一、是化學氣相沉積技術。從20世紀70年代發(fā)明到20世紀80年代實現工業(yè)化，到20世紀90年代開始在工業(yè)上實現應用?；瘜W氣相沉積系統(tǒng)通常是一種化學過程，它制備周期較長，在陶瓷生產里有定的局限性。
二、是化學反應熔滲技術。由于化學氣相沉積技術具有一定局限性，因此科學家們又發(fā)明了RMI技術，這一技術始于20世紀60年代，通過硅和碳的反應制備碳化硅陶瓷。到了20世紀80年代，這種技術也被引入到陶瓷基復合材料的制備當中，由于它成本低、可快速制備，得以快速發(fā)展。
三、是有機前驅體浸漬裂解技術。如果化學里有耐高溫組分，經過高溫熱解會轉變成陶瓷，它主要依賴于先進的有機前軀體。
有了這些制備技術以后，陶瓷基復合材料快速向應用推進。在航空發(fā)動機領域，一系列美國軍用發(fā)動機、民用發(fā)動機大量使用陶瓷基復合材料作為高溫熱結構件。自1986年獲得第一個陶瓷基復合材料專利以來，美國GE公司在30余年里投入近10億美元，研究在航空發(fā)動機中使用陶瓷基復合材料制作導向葉片、整流罩、轉子葉片、尾噴口葉片等零件，并在可控成本范圍內批量生產。
到2020年，以美國GE公司為代表的企業(yè)通過研制陶瓷基復合材料形成了36000個渦輪置環(huán)，滿足了1200臺大飛機C919的LEAP發(fā)動機需求;2019年7月，波音777X研發(fā)的GE9X發(fā)動機以134300磅的推力成為世界上推力最大的商用噴氣發(fā)動機(發(fā)動機測試數據)，打破了吉尼斯世界紀錄，GE9X就是陶瓷發(fā)動機，從此陶瓷基復合材料在航空發(fā)動機領域大展身手。
陶瓷基復合材料種類
陶瓷基復合材料主要由纖維增強體、陶瓷基體和界面三部分組成。按照基體類型，陶瓷基復合材料主要有碳化硅陶瓷基復合材料超高溫陶瓷基復合材料，以及氧化物陶瓷基復合材料，不同基體的陶瓷基復合材料特性不同，適用于不同的服役環(huán)境。中國科學院上海硅酸鹽研究所自20世紀70年代發(fā)明碳石英復合材料后，又開展了纖維增強陶瓷基復合材料研究，到目前為止已經形成完整的陶瓷基復合材料研發(fā)體系。
碳化硅陶瓷基復合材料(以下簡稱Cf/SiC復合材料)是最早發(fā)展起來的陶瓷基復合材料，發(fā)達國家在航空航天、新能源、制動等領域相繼投入巨資展開研究。我國對Cf/SiC復合材料的研究雖起步較晚，但在西北工業(yè)大學、國防科技大學和中國科學院上海硅酸鹽研究所等單位的努力下，Cf/SiC復合材料的研究和應用均取得長足進步，已作為熱結構和空間相機支撐結構等應用于飛行器和高分辨率空間遙感衛(wèi)星。
在研究和應用過程中，Cf/SiC復合材料的氧化問題受到高度關注，中國科學院上海硅酸鹽研究所針對Cf/SiC復合材料中低溫抗氧化性能差的缺點，采用含硼前驅體(PBN)向基體中引入含硼相制備了具有自愈合功能的Cf/SiC-BN復合材料。
碳化硅纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料(以下簡稱Sicf/Sic復合材料)是將SiC纖維增強體引入至SiC陶瓷基體中形成的復合材料。研究表明，在水蒸氣環(huán)境下，SiC的氧化速率比在氧氣環(huán)境下高一個數量級，導致材料內部產生更多的孔隙，這些孔隙會進一步加速水氧介質的侵入。中國科學院上海硅酸鹽研究所針對長時間服役Sicf/siC復合材料開展了大量的研究工作，有效提升SiCf/SiC材料的致密程度和抗氧化能力，制備的Sicf/SiC在高溫空氣環(huán)境下具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。
超高溫陶瓷基復合材料。隨著飛行器技術的不斷發(fā)展，固體火箭發(fā)動機、火箭燃燒室以及高超聲速飛行器等對熱結構、熱防護材料提出了更高的要求。因此，研發(fā)具有良好抗熱震性、抗氧化、耐燒蝕的超高溫陶瓷基復合材料成為陶瓷基復合材料發(fā)展的重要方向近年來，中國科學院上海硅酸鹽研究所圍繞超高溫陶瓷基復合材料開展了持續(xù)深入的研究工作，其針對常規(guī)RMI方法制備超高溫陶瓷基復合材料組分難以調控、纖維/界面損傷等問題，開發(fā)了基于溶膠一凝膠結構調控的超高溫陶瓷基復合材料反應熔滲新路線，制備了Cf/Sic-ZrC-ZrB2多組元超高溫陶瓷基復合材料。
氧化物/氧化物陶瓷基復合材料。氧化物/氧化物陶瓷基復合材料是指以高強度氧化物纖維為增強體、氧化物陶瓷為基體的先進復合材料。有別于常規(guī)纖維一基體一界面相三元結構陶瓷基復合材料，氧化物/氧化物陶瓷基復合材料不存在弱界面相，而是主要利用基體和纖維之間的弱結合特性實現纖維的增強效果。
由于我國此類材料研究起步較晚，相關研究仍以基礎研究為主在材料綜合性能和工程應用技術水平方面與國外先進水平仍存在較大差距，與工程化應用尚有很大距離。
近期，中國科學院上海硅酸鹽研究所以美國3M公司的Nextel720纖維為增強體，通過調控AI203溶膠的性質，結合真空袋膜法成型，制備出力學性能良好的AI203f/AI203陶瓷基復合材料，其抗彎強度和拉伸強度已達到國際同類材料的先進水平。隨著我國高性能AI203纖維技術的不斷進步，實現高性能低成本AI203f/AI203陶瓷基復合材料的研發(fā)和國產化指日可待。
陶瓷基復合材料展望
隨著航空航天、新能源等領域的不斷發(fā)展，人們對高溫熱結構材料的性能提出了更高要求，作為極具應用前景的高溫熱結構材料陶瓷基復合材料的研究備受關注，但其發(fā)展及應用仍有很多困難需要攻克。通過材料設計、創(chuàng)新制備方法，我們實現了從1800度到2600度的攻克，支撐了國家重大裝備的發(fā)展，目前我們的需求是更高的溫度(3000度)、更長的時間以及更多次的使用，我們通過在纖維表面的一個氣相沉積的技術，獲得了良好的耐3000度的陶瓷基復合材料;
在航空發(fā)動機里，我們研制的材料疲勞性的性能也達到了世界先進水平，國外文獻的最高水平大概在16萬次左右，我們的材料可以實現100萬次不斷裂。
第一，陶瓷基復合材料結構多元且制備工藝復雜。目前的研究大多針對某一參數對工藝進行改進研究，這種方法周期長且效果不佳。而基于材料的制備原理，借助模擬計算技術實現陶瓷基復合材料的可控制備是今后改進材料工藝的重要途徑；
第二，陶瓷基復合材料作為熱端結構部件需要承受極短高溫應力、水氧、腐蝕等多方作用，在這種復雜耦合作用下，材料的物相組成、微觀結構均發(fā)生顯著變化，影響材料的損傷行為以及服役壽命。而目前的研究主要還是分析二元耦合場，與真實服役環(huán)境相差較大，因此構建高溫多場聯用測試平臺，研究多場耦合條件下料的服役行為是推動材料向實際應用加速發(fā)展的關鍵手段，目前還缺乏足夠的研究報道;
第三，由于陶瓷基復合材料的測試環(huán)境復雜且惡劣，目前通常采用離位表征技術，表征結果與材料在測試中真實狀態(tài)相差較遠無法準確獲得材料的結構演化規(guī)律及機理。因此，發(fā)展陶瓷基復合材料多場耦合作用下的原位表征技術，在線獲得材料在模擬服役環(huán)境下的微結構行為，為研究材料失效行為提供可靠依據，這一方面還有待深入研究。
一代材料一代技術，同時會帶來一場工程的變革，材料技術非常關鍵，沒有過硬的材料、沒有高性能材料，再好的設計理念都無法實現盡管我國在高性能陶瓷纖維方面實現了工程化技術突破和產業(yè)化，陶瓷基復合材料的制備技術、加工技術、連接技術、可靠性評價技術應用技術等均取得了很大提高，并進行了航空發(fā)動機的多種構件設計研制與考核，但與歐美及日本等先進國家相比尚存在較大差距。在構件考核驗證和應用方面，我國尚處于起步階段，應用范圍和累計考核時間等均非常有限，與國外工程化應用研究相比也存在巨大差距。未來，加快陶瓷復合材料的研究有利于推動我國重大裝備的創(chuàng)新與發(fā)展。
