纖維複合型陶瓷 彌補陶瓷弱點

脆性是陶瓷的最大弱點，它大大限制了陶瓷的應用範圍。但是，這並非是陶瓷材料的"不治之症"，經過各國科學家和工程師多年的艱苦研究，終天大大地改善了陶瓷的脆性，研製出纖維補強陶瓷複合材料。

這種材料不象傳統陶瓷"性格脆弱"，一打就破，陶瓷複合材料比一般陶瓷"剛強"多了，摔不爛，打不碎，甚至能夠"刀槍不入"。請看這樣一個鏡頭：在硝煙彌漫，炮聲轟鳴的戰場上，幾輛現代化坦克奮力猛進，一發發炮彈在裝甲上爆炸，然而，坦克卻安全無恙，繼續前進。難道這些坦克有什麼魔法？原來，這種坦克有新型的複合裝甲。複合裝甲就象餡餅一樣，分為三層。外層是八十毫米厚的鋼板，最裡層是二十毫米厚的鋼板，兩層鋼板之間夾著複合材料陶瓷層，這種複合裝甲能把炮彈大部分能量吸收掉，降低其穿透能力，複合裝甲的抗彈能力普通裝甲提高三倍，可見這種現代陶瓷複合材料的巨大威力了。

現代陶瓷複合材料的這種"打不碎"的性能，目前已開始顯露出它的鋒芒。這一類材料的發展，在很大程度上要受到可使用纖維品種的影響。在六十年代初期開始從事這類材料研究工作的時候，可供使用的纖維品種只是金屬絲，而且適合於使用的只有鉬絲和鎢絲。當時用鉬絲或鎢絲來補強氧化鋁、氧化鋯等氧化物陶瓷以及某些矽酸鹽陶瓷。所獲得的複合材料，有些增加了強度，有些提高了抗機械衝擊的性能，有些則在抗熱震性方面有顯著的改進，有些則不然，強度反而下降。這說明纖維與陶瓷既然組成的是一個複合系統，兩者就有一個相互匹配的問題。首先，陶瓷要做成可用的製品，都必須經過一千幾百攝氏度的高溫燒成，選用的纖維就必須能耐受這樣的高溫及其環境，而且在這個溫度下不能發生什麼化學反應，不然的話，纖維不是大大地被損害了它本身的性能，就是有被"吃掉"的危險。其原理是用一種強度和彈性模量比較高的纖維（也就是既要強度高，又要在比較高的應力下才能使它變形）均勻地分佈於陶瓷體之中，這樣就可以做到使外加的負荷的大部分傳遞到纖維上，而減輕陶瓷本身的負擔。因此，加有纖維的陶瓷受到外力後，比較不容易從裂紋源產生裂紋。且纖維具有極高的強度，將可使陶瓷材料的強度有大幅度的增強。更重要的一點是，纖維在陶瓷基體中將可使材料的脆性變得很小。當然，它的抗熱震性能也將同時有極大的提高 。只要纖維選用得當，就有可能使這種複合材料既可保持陶瓷所固有的特性，又可彌補人們對陶瓷最為擔心的弱點，即脆性。

這種材料使用的耐高溫纖維，除了金屬絲外，近十餘年來新發展了一些非金屬纖維，其中最有成效的是碳纖維。它經過石墨化處理後卻成為石墨纖維，它比碳纖維具有更高的彈性模量，這正是製造複合材料希望具備的性能。

對於基體材料的選擇，比較多的考慮是用金屬絲來補強，如用鎢絲補強氮化矽，可以使它在1300℃下的抗機械衝擊強度增加九倍，如果改用鉭絲補強氮化矽，在性能改進上的效果就比較突出。它的室溫抗機械衝擊強度增加了30倍。此外還有用熱解沉積的辦法，製成纖維增強陶瓷材料，在25微米的鎢絲上沉積碳化矽，做成直徑為80-100微米、帶有鎢芯的碳化矽絲，以它來補強氮化矽，所得到陶瓷複合材料的斷裂功居然可以提高到未補強的氮化矽的幾百倍，強度也比未補強的氮化矽增加60％。有人甚至用莫來石的晶須來補強氮化硼，可得到較高的強度，抗機械衝擊強度可提高十倍以上，抗熱震性亦有顯著的改善。

當然，纖維補強陶瓷複合材料雖然在製作上有種種限制和困難，但是一旦製成複合材料，無論在強度的提高上，特別是抗機械衝擊或者抗熱衝擊的性能上，都比不用纖維補強的陶瓷有極為顯著的提高。

纖維補強陶瓷複合材料在陶瓷家族的現代子孫中可以說是最年輕的不弟弟，但它的用途很廣，無論是軍事、宇宙飛行、高溫材料、化學工業等方面都要用上纖維補強材料，有人估計到本世紀末，陶瓷複合材料將在材料世界中佔有相當的比重。