连续纤维增强陶瓷基复合材料具有低密度、高强度、高模量、耐高温和抗磨损等特点，已被应用于航空航天发动机热端等关键部件。在发动机实际工况下，高温燃气中的水蒸气会加速航空发动机热端复合材料部件的氧化，从而减弱复合材料的力学性能和可靠性。氧化铝纤维增强氧化铝复合材料（简称Al₂O₃/Al₂O₃复合材料）相较于其他陶瓷基复合材料具有较好的抗水蒸气氧化性能，有效解决了陶瓷基复合材料在特定环境下易氧化的问题，极大拓宽了陶瓷基复合材料在航空航天等领域的应用。

受限于高性能Al₂O₃纤维原材料，我国对Al₂O₃/Al₂O₃复合材料的研究起步较晚，目前对于氧化铝纤维产品极其复合材料的研究和应用还是国外做得较为成熟，那么有哪些值得关注的产品和研究方向呢？我们一起来看看。

氧化铝纤维的常用型号

氧化铝连续纤维的研究始于20世纪70年代，目前只有美国、日本、德国和中国等国家掌握了其制造技术。美国3M公司在1974年首次通过溶胶-凝胶法制备了氧化铝纤维，经过不断优化，推出了Nextel系列氧化铝纤维，其中Nextel 610纤维和Nextel 720纤维是目前应用最广泛的氧化铝纤维。

1.Nextel 610氧化铝纤维

Nextel 610氧化铝纤维的主要成分为α-Al₂O₃，含有低于1%的Fe₃O₄和SiO₂，为单相多晶氧化铝纤维。在纤维制备过程中，Fe₃O₄有效提高了α-Al₂O₃的形核率，降低了α-Al₂O₃的相变温度，SiO₂有效减小了α-Al₂O₃晶粒的生长速率。在Fe₃O₄和SiO₂的共同作用下，氧化铝纤维的烧结温度显著降低且致密度明显上升。

Nextel 610氧化铝纤维是目前室温拉伸强度和拉伸模量最高的氧化铝纤维，但高温处理后纤维中α-Al₂O₃晶粒迅速长大，纤维缺陷增多，力学性能明显下降。

Nextel 610氧化铝纤维的基础性能

经高温处理后，Nextel 610氧化铝纤维晶粒会显著长大，力学性能下降。

不同温度热处理后 Nextel 610 氧化铝纤维的表面形貌

根绝美国3M公司报道的Nextel 610氧化铝纤维的高温力学性能测试数据可知，Nextel 610氧化铝纤维在1200℃之前强度较高，强度保留率在95%以上；1300℃时强度下降明显，强度保留率降低至64%；1400℃时的强度保留率仅为30.2%。这主要是因为Nextel 610氧化铝纤维是单相纤维，在较高的温度下晶粒快速长大，导致强度迅速下降。

不同温度热处理后Nextel 610氧化铝纤维晶粒尺寸和拉伸强度关系

另外，Nextel 610氧化铝纤维的抗蠕变性能较差，在不同环境热处理后其蠕变性能有明显差异，相比与空气环境，水汽环境会显著增加Nextel 610纤维的蠕变速率。

2.Nextel 720氧化铝纤维

Nextel 720氧化铝纤维主要含α-Al₂O₃和SiO₂，其中SiO₂的含量约为15%。在纤维烧成过程中SiO₂与α-Al₂O₃反应生成莫来石，莫来石可在α-Al₂O₃晶界处聚集，形成莫来石包围α-Al₂O₃的结构，可有效抑制α-Al₂O₃晶粒的生长，明显提高了纤维的抗蠕变性能。

Nextel 720氧化铝纤维的基础性能

与 Nextel 610氧化铝纤维类似，高温热处理可使Nextel 720氧化铝纤维的晶粒长大，尤其在高于1600℃的温度下，Nextel 720氧化铝纤维晶粒长大明显。这是由于当热处理温度低于1600 ℃时，Nextel 720氧化铝纤维中的晶粒长大主要为α-Al₂O₃晶粒的生长，莫来石晶粒几乎不长大，并且由于莫来石的存在，α-Al₂O₃晶粒的生长受到抑制。当热处理温度高于1600 ℃时，Nextel 720氧化铝纤维中晶粒长大主要来源于莫来石晶粒的生长。

Nextel 720氧化铝纤维在1500～1700℃热处理时晶粒尺寸与保温时间的关系

基于以上原因，高温热处理也会对Nextel 720氧化铝纤维的力学性能产生显著影响。当测试温度低于1200℃时，Nextel 720氧化铝纤维高温拉伸性能低于 Nextel 610氧化铝纤维，这是因为在1200℃前，Nextel 610氧化铝纤维晶粒长大不明显，纤维拉伸强度保留率较高；当测试温度高于1200℃ 时，Nextel 610氧化铝纤维晶粒明显长大，拉伸强度明显下降，而Nextel 720氧化铝纤维晶粒长大不明显，导致Nextel 720氧化铝纤维在1200℃以上高温拉伸性能高于Nextel 610氧化铝纤维。

另外，Nextel 720氧化铝纤维的抗老化性能和的抗蠕变性能也较好，不过水汽的存在也会显著增加 Nextel 720纤维的蠕变速率。

综上所述，Nextel 610氧化铝纤维成分单一，主要为α-Al₂O₃相，其室温和高温拉伸强度较高，但纤维的单相组成导致其力学性能受温度影响较明显，纤维的高温稳定性和抗蠕变性能差。为提高纤维的稳定性和抗蠕变性能，3M公司在 Nextel 610氧化铝纤维的基础上开发了Nextel 720氧化铝纤维。Nextel 720氧化铝纤维中主要含有α-Al₂O₃和莫来石两相，相较于Nextel 610氧化铝纤维，Nextel 720 氧化铝纤维的室温和高温力学性能较差。但由于莫来石相的存在，Nextel 720氧化铝纤维在高温下的晶粒长大速率较小，稳定性和抗蠕变性能较好。

小结

通过以上两种迭代产品的性能对比可知，目前氧化铝纤维对于高温应用工况下的性能显著下降仍旧是需要解决的痛点，在通过优化成分、高温相组成、晶粒生长过程调控等手段可进一步提升其高温性能，同时对于抗老化和抗蠕变性也有一定的提升，但室温和高温性能的平衡、水分环境影响等仍旧有较大的提升空间。

另外，在在连续纤维增强陶瓷基复合材料的实际应用中，界面相要与纤维和基体间有良好的物理和化学相容性，同时界面相与纤维和基体间的结合强度要适中，这是因为一方面界面相能防止界面结合强度过大导致复合材料发生脆性断裂，降低力学性能；另一方面界面相能防止界面结合强度过小导致载荷不能通过界面传递给纤维，减弱纤维的增强作用。目前我国目前有Al₂O₃ /Al₂O₃复合材料的制备研究，主要制备工艺为浆料浸渍-烧结工艺和溶胶-凝胶工艺。但浆料浸渍-烧结工艺制备温度较高，溶胶-凝胶工艺制备周期过长，且所制备的Al₂O₃ /Al₂O₃复合材料性能较低，很难满足航空航天等领域的工程化应用。如何进一步优化复合材料性能，在低温、低成本的条件下实现高性能 Al₂O₃ /Al₂O₃复合材料的制备，也是该领域需要长期研究的难题。

参考来源：

1.氧化铝纤维增强氧化铝基复合材料研究进展，孙敬伟、王洪磊、周新贵（硅酸盐通报）；

2.氧化铝纤维增强陶瓷基复合材料的制备及力学性能研究，郑周（国防科技大学）；

3.无机酸铝体系氧化铝连续纤维的制备技术研究，贾玉娜、曹旭、焦秀玲等（无机材料学报）。

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