揭开“摔不碎的陶瓷”的神秘面纱

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揭开“摔不碎的陶瓷”的神秘面纱

张立同，航空航天材料专家，中国工程院院士。国家科技

重大专项基础研究论证专家组材料组组长、国家自然科学基金

委工程与材料学部专家评审组成员。她从事航空航天高温材料

技术及其应用研究，解决了国家急需的一系列重大关键技术，

取得多项开创性成果，使我国高温陶瓷基复合材料的研究与应

用水平进入国际前列，带领团队获得国家技术发明奖一等奖 1

项、二等奖 2项。她注重引导团队的创新意识与精诚合作，领

导的超高温结构复合材料团队是首批教育部创新团队和首批国

防科技工业优秀科技创新团队，2018 年获国防科技创新团队

奖。

材料创新是产业革命的一大基石，卫星上天、太空探索，

一次次成功的背后都有一种特殊的材料在默默支撑，它就是陶

瓷基复合材料，也被称为“摔不碎的陶瓷”。传统陶瓷是以黏

土等为主要原料烧结而成，主要成分是硅酸盐化合物，像我们

生活中常见的碗、盘、卫生洁具、瓷砖等等，都属于传统陶瓷。

但是，传统陶瓷有一个致命的缺点，那就是脆，很容易破碎。

而“摔不碎的陶瓷”则是以陶瓷为基体，用相关高性能陶瓷纤

维作为增强体复合而成，具有耐高温、寿命长、重量轻、强韧

性和抗氧化等优异性能，是航空航天、核电等前沿科技领域的

明星材料。20 世纪七八十年代，这种特殊陶瓷材料只有法国、

美国等少数国家有能力制备，其核心技术更是严格保密。为了

迎头赶上，满足国家重大战略产业需求，我国科学家经过多年

呕心沥血，使我国的陶瓷基复合材料技术从无到有，不断突破。

陶瓷基复合材料领域不能没有中国

20 世纪以来，航空发动机上使用的叶片是以镍为主的高温

合金，这种材料不仅价格昂贵，而且温度到了 1100 摄氏度就

达到极限值了，寻找更合适的替代材料就成为促进航空发动机

行业进一步发展的必然选择。“推重比”是衡量发动机性能的

一个重要指标，通俗地讲，就是飞机发动机推力与发动机重力

的比值，“推重比”越大，飞机动力就越强劲。而提高涡轮前

进口温度，则可以提升航空发动机的“推重比”并降低燃料消

耗。20 世纪 70 年代，法国波尔多大学的纳兰教授首先研究出

来一种连续纤维增强的碳化硅陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材

料因其耐高温、强度高、密度低、具有良好的抗氧化和耐腐蚀

性能，从而成为接替航空发动机中高温合金的重要材料之一。

陶瓷基复合材料，它跟金属材料相比有什么特点呢？它比

金属更耐高温。比如说航空发动机用的叶片，它是用镍基高温

合金，这种材料很贵，但是它最多只能用到 1100 摄氏度，如

果说推重比再增加，它就没有优势了。这种材料又重，耐温又

低，而陶瓷基复合材料最高可以用到 1450 摄氏度，还有一些

可以用到 1650 摄氏度，至少能比镍基高温合金提高300 摄氏

度以上。陶瓷基复合材料又轻又耐高温，和金属相比它就更有

发展潜力。所以，在航空发动机上就是要发展连续纤维增强的

碳化硅陶瓷基复合材料。发动机轻了，而且可以承受更高的温

度，它的推重比就提升了，发动机的性能随之提高了。

陶瓷基复合材料的“骨头”是什么呢？就是陶瓷纤维。这

样的纤维研究难度极大，美国用的还是日本的纤维，而我国是

完全独立自主研制核心材料，只有这样才能支撑我国陶瓷基复

合材料的发展。研究硅陶瓷基复合材料的特性，比如做一个复

杂的构件，怎么做呢？如果是金属就把它焊起来或者是铆接起

来，我国陶瓷复合材料目前可以焊接、铆接，还可以和金属连

接。铆焊是我们团队发明的，这种技术可以用很简单的材料做

出很复杂的构件。我们研究的硅陶瓷基复合材料，也被称为

“摔不碎的陶瓷”。2004 年获得国家技术发明奖一等奖。陶

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摘要：

揭开“摔不碎的陶瓷”的神秘面纱张立同，航空航天材料专家，中国工程院院士。国家科技重大专项基础研究论证专家组材料组组长、国家自然科学基金委工程与材料学部专家评审组成员。她从事航空航天高温材料技术及其应用研究，解决了国家急需的一系列重大关键技术，取得多项开创性成果，使我国高温陶瓷基复合材料的研究与应用水平进入国际前列，带领团队获得国家技术发明奖一等奖1项、二等奖2项。她注重引导团队的创新意识与精诚合作，领导的超高温结构复合材料团队是首批教育部创新团队和首批国防科技工业优秀科技创新团队，2018年获国防科技创新团队奖。材料创新是产业革命的一大基石，卫星上天、太空探索，一次次成功的背后都有一种特殊的材...

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