什麼是陶瓷基複合材料

以SiC等陶瓷為基材，以陶瓷纖維強化的複合材料（CMC）。藉由弱界面使纖維被拉出，得到不會突然破壞的性質。

日文名稱: セラミックス基複合材料

「陶瓷基複合材料」出現在1領域的1道練習題中（複合材料等）。

這個名詞所屬的領域: 複合材料

彌補脆性的構想

陶瓷的耐熱性優異，但從小裂縫一口氣破裂的脆性是其最大弱點。CMC是以陶瓷纖維強化，使基材產生裂縫時也不會馬上破壞的材料。以高分子或金屬為基材的複合材料，加入纖維主要是為了提高強度或剛性，而CMC的主要目的則是改變破壞方式以提高韌性。纖維橋接基材的裂縫，並在界面剝離、被拉出時吸收能量，因此應力-應變曲線不會中途斷掉，而是平緩地延續。

代表性的種類與製造方法

CMC有碳化矽纖維與基材構成的SiC/SiC、以碳纖維強化的C/SiC、碳纖維與碳基材構成的C/C，以及氧化鋁系纖維與氧化物基材構成的氧化物/氧化物等。SiC纖維源自1975年東北大學矢島聖使等人發表的方法，將有機矽聚合物紡絲後燒成，並在日本工業化。C/C能耐非常高的溫度，但容易氧化，需保護表面後使用。基材以由氣體析出的化學氣相滲透（CVI）、含浸高分子後燒成的PIP、滲入熔融矽的熔融滲透等方法製作。

設計的想法與對環境的對策

對CMC施加負荷時，在某個應力（比例限）下基材開始產生許多細小裂縫，之後主要由纖維承受負荷。產生裂縫後，氧與水蒸氣會經由裂縫進入纖維與界面而加速劣化，因此設計上多半在不超過比例限的範圍內使用。此外，SiC在高溫的氧中會形成SiO₂ 保護膜，但在燃燒氣體這類水蒸氣多的環境中，SiO₂ 會揮發而逐漸減少。因此要以環境障壁塗層（EBC）覆蓋表面使用。

在噴射引擎中的實用

SiC/SiC的CMC密度約為Ni基超合金的3分之1而輕，又能耐更高的溫度，因此在噴射引擎高溫部的應用逐漸進展。自2010年代中期起，民航機引擎開始在包圍渦輪外側的護罩等零件上使用CMC。由於能減少冷卻零件所用的空氣，有助於改善油耗。製造費時而昂貴，以及內部損傷難以檢查是其課題，需要與金屬零件不同的設計與檢查思維。在煞車方面，C/SiC碟盤用於高性能汽車。

練習陶瓷基複合材料的題目

在以SiC纖維強化的陶瓷基複合材料（CMC）中，於纖維與基材的界面設置氮化硼（BN）或熱解碳薄塗層的主要目的為下列何者？

A使界面黏著達到最強，將從基材到纖維的負荷傳遞提高到最大，以纖維阻止裂縫
B被覆作為燒結助劑，降低基材陶瓷的熔點，使其能在較低的溫度下燒結
C使界面適度變弱，讓裂縫偏轉，藉由纖維的剝離與拉出吸收能量

查看答案與解析

正確答案：C. 使界面適度變弱，讓裂縫偏轉，藉由纖維的剝離與拉出吸收能量

陶瓷基材很脆，因此受負荷時首先在基材中產生裂縫。界面太強時，這個裂縫會直接貫穿纖維前進，材料像陶瓷單體一樣一口氣破裂。設置 BN 或熱解碳這類層狀而容易滑動的塗層使界面適度變弱時，裂縫會沿界面偏轉，纖維一邊橋接裂縫兩側，一邊藉由剝離與拉出吸收大量能量。結果成為不會突然破壞的破壞方式，表觀韌性大幅提高。使界面黏著最強，是以樹脂為基材時想提高負荷傳遞的想法，在 CMC 中會造成反效果。塗層並不是為了降低燒結溫度。

常見問題

CMC與一般的陶瓷有什麼不同？

一般的陶瓷產生裂縫時會一口氣破裂。CMC中纖維橋接裂縫，並一邊被拉出一邊吸收能量，因此產生裂縫也不會突然破壞，能容許某種程度的損傷。

CMC為什麼要讓纖維與基材的界面變弱？

因為界面太強時，基材的裂縫會直接貫穿纖維前進，像單體陶瓷一樣破裂。以BN等塗層使界面適度變弱，讓裂縫偏轉，使纖維被拉出。

CMC大約能使用到幾度？

依種類與環境而定，SiC/SiC以1200〜1300℃左右的使用為目標，一般認為能在比Ni基超合金更高的溫度下使用。C/C在沒有氧的環境中，能耐超過2000℃的溫度。

出現「陶瓷基複合材料」的題目（1題）

在以SiC纖維強化的陶瓷基複合材料（CMC）中，於纖維與基材的界面設置氮化硼（BN）或熱解碳薄塗層的主要目的為下列何者？