随着现代航空发动机继续朝着高推重比的方向发展，为了得到更高的热效率，涡轮前燃气进口温度不断提升。然而，现有高温合金材料的承温温度远低于燃气进口温度，因此需要改善叶片的内部冷却结构，提升叶片承温能力成为当前航空领域研究的方向之一^[1-3]。高温合金空心叶片内部冷却结构变得越来越复杂，对形成叶片冷却结构的陶瓷型芯提出了更高的质量和性能要求^[4-5]。根据材料分类，当前硅基和铝基两种类型的陶瓷型芯，广泛应用于航空。其中，氧化硅陶瓷型芯具有优异的抗热震性和溶出性，但当浇注温度超过1550 ℃时，型芯的蠕变变形加剧，叶片的内腔结构会受到严重的影响，因此不适用于高温定向凝固叶片的生产^[5-6]。氧化铝陶瓷型芯具有稳定的化学性质，在高温下具有良好的抗蠕变性，并且与陶瓷型壳有着相匹配的膨胀系数，它可以确保空心叶片的尺寸精度和产量，降低成本，在大型涡轮空心叶片中具有广阔的应用前景^[7-8]。然而，氧化铝是中性氧化物，其难与酸性脱芯液发生反应，而且其与碱溶液发生腐蚀反应时产生的铝酸盐会附着在未反应的型芯基体表面，并留在叶片空腔内，影响腐蚀反应的连续性，造成氧化铝陶瓷型芯不易从叶片中脱除^[9]。铝基型芯的去除性问题阻碍了铝基型芯在航空、航天等领域中的发展。

陶瓷型芯气孔率是反映型芯去除性能良好的重要指标之一。为了增加氧化铝陶瓷型芯内部的气孔率，可以将一定量的高温不稳定物质作为成孔材料添加到陶瓷原料中。在型芯烧结或烧结成形前，这些成孔材料升华并蒸发或烧失，这可以有效地提高型芯内部的气孔率，由此增加内部界面的化学反应面积，并且通常通过添加常用的成孔材料含量来控制气孔率。成孔材料有石墨、淀粉、有机纤维、聚合物微珠等^[10-13]。日本学者Isobe等^[14-15]在研究中向氧化铝陶瓷浆料中添加了灼烧性良好的碳纤维和尼龙纤维，通过挤压成形制备定向多孔氧化铝陶瓷。李风光等^[16]添加淀粉作为成孔材料制备氧化铝陶瓷型芯，结果表明，随着淀粉添加量的增加，型芯的气孔率和损失量增加，但室温抗弯强度明显降低。戚建强等^[17]通过淀粉原位固化工艺制备氧化铝多孔陶瓷，并研究了淀粉含量对煅烧样品强度和样品气孔率的影响。结果发现，随着淀粉添加量的增加，胚体强度先增加后减小；焙烧后试样的气孔率直线上升，并且气孔率的提升量大于淀粉的添加量。曹小刚等^[18]在研究中选用石墨粉作为成孔材料，采用球磨机将石墨粉与氧化铝陶瓷型芯浆料混合均匀后，注模成型，烧制样品以获得15~30 μm大小孔径分布均匀的多孔氧化铝陶瓷。PA66纤维弹性模量低，质量轻，透气性好，物化稳定性好，延展性好。它具有良好的耐腐蚀性，是一种性能优良的有机纤维材料^[19-20]。本研究采用PA66纤维作为成孔材料。将PA66纤维浸入陶瓷浆料以制备多孔氧化铝基陶瓷型芯，研究PA66纤维含量对陶瓷型芯整体性能的影响，揭示PA66纤维含量对铝基陶瓷型芯气孔率的影响机理，为制备性能更加优良的多孔铝基陶瓷型芯奠定理论基础。

1 实验材料及方法

制备氧化铝陶瓷型芯的基体粉料白刚玉，粒径分别为200，320目和800目，质量比为5:3:2；矿化剂选用淄博卓越耐火材料有限公司生产的320目电熔莫来石和辽宁锦州宏泰石英玻璃厂出产的400目石英粉；增塑剂为石蜡和蜂蜡(质量比为95:5)。PA66纤维的长度为4 mm，直径为9~13 μm，由北京融信通科技有限公司生产。氧化铝陶瓷型芯的各组分的组成如表 1所示。

用硅烷偶联剂乙醇溶液对PA66纤维进行表面处理，过滤溶液后使用丙酮水溶液洗涤，置于干燥箱中干燥后。用机械搅拌和加入羟丙基甲基纤维素(HPMC)的方法在无水乙醇中对纤维进行分散，分散均匀后，再添加到陶瓷型芯浆料中搅拌。浆料经干燥后与含粉料18%(质量分数，下同)的增塑剂在保温容器内搅拌混合均匀用热压注法制得陶芯试样。实验共制备6组试样，PA66纤维加入量分别为0%，0.3%，0.6%，0.9%，1.2%，1.5%。将陶瓷型芯样品在焙烧炉中加热至1450 ℃进行烧结，保温1 h后，将炉冷却至室温，得到所需试样。根据HB5353-2004的规定，每组试样中分别选用5个标准试样，测试气孔率、室温抗弯强度、线收缩率。用Quanta 200扫描电镜对试样断口形貌进行SEM分析。

2 结果与分析 2.1 PA66纤维含量对氧化铝陶瓷型芯气孔率和室温抗弯强度的影响

PA66纤维含量对氧化铝陶瓷型芯的气孔率和室温抗弯强度变化关系如图 1所示。

从图 1可以看出，采用PA66纤维的铝基陶瓷型芯的气孔率得到了显著改善，随着PA66纤维含量的增加，型芯气孔率呈线性上升，室温抗弯强度呈线性下降。当PA66纤维含量超过0.9%时，纤维对陶瓷型芯气孔率的提升效果开始变缓，而对强度的削弱效果急剧增大。当PA66纤维含量为1.5%时，型芯气孔率达到最大值为43.97%，而室温抗弯强度仅为11.69 MPa。陶瓷型芯高温烧结过程中，分布在型芯基体中耐火度很低的PA66纤维氧化烧失，在型芯内部原PA66纤维处留下微观孔隙，有效提升了型芯的气孔率。在陶瓷型芯受到外加应力作用时，微孔隙很容易扩展开来，产生微观裂纹并不断扩大，最后导致型芯断裂，型芯基体的承载能力因此大幅度降低。PA66纤维含量越高，陶瓷型芯内部的微孔隙越多，型芯断裂面单位面积上的断裂奇点也随之增大，型芯的抗弯强度越小。

在纤维增强复合材料界面中，裂纹扩展阻力为K_r。结合纤维在复合材料中的桥联和拔出两种增韧机理，得出裂纹扩展阻力为：

(1)

式中：Γ_i为材料断裂韧度；ΔK_b为纤维桥联增韧；ΔK_p为纤维拔出增韧。当外加作用载荷P达到最大值P_max时，可得到复合材料断裂韧度Γ_IC。裂尖断裂混合度J_tip和材料断裂韧度Γ_i决定了界面裂纹扩展路线。材料组分为1和2，其断裂韧度为Γ_IC1和Γ_IC2。当Γ_i < Γ_IC1，Γ_i < Γ_IC2，J_tip为任意值时，裂纹沿界面方向扩大。当Γ_i≈Γ_IC2，Γ_IC2 < Γ_IC1，0 < J_tip≤J_max时，裂纹保持在界面处不变；当J_tip>J_max时，裂纹延展至组分材料2中。当0 < J_tip≤J_max时，纤维在陶瓷型芯中结合力较小，基体界面易于纤维发生界面分离，纤维克服界面能垒从而呈拔出状态，此时裂纹沿界面方向扩大；当J_tip>J_max时，纤维在陶瓷型芯中结合力较大，裂纹沿裂纹扩展路径扩展到陶瓷型芯基体中。纤维承受陶瓷型芯基体传递的外加载荷，在不断增大的外界应力继续作用下，纤维失效，在断裂拔出的同时克服裂纹扩展阻力，起到增强陶瓷型芯的作用。

通过在氧化铝陶瓷型芯中加入PA66纤维，陶瓷型芯断裂面上单位面积的断裂点数总面积随着型芯气孔率的增加而增加，型芯的室温抗弯强度不断下降。因此，为了改善铝基陶瓷型芯的溶出性能，是不可以单方面地大量增添PA66纤维来提升型芯气孔率，还需要综合考虑PA66纤维含量对室温下型芯抗弯强度的影响，得到PA66纤维含量对铝基陶瓷型芯气孔率和室温下抗弯强度综合作用规律，获得两者平衡点。当PA66纤维含量超过0.9%后，气孔率上升幅度变小，抗弯强度下降幅度变大，故PA66纤维含量为0.9%最佳。此时，陶瓷型芯的气孔率为41.14%，抗弯强度为15.33 MPa，为最佳综合性能。

根据不同含量PA66纤维氧化铝陶瓷型芯的气孔率P和抗弯强度S，得到下列公式：

(2)

从式(2)中可以看出，随着气孔率的增加，多孔铝基陶瓷型芯的室温抗弯强度根据自然指数关系而降低。

2.2 PA66纤维含量对铝基陶瓷型芯烧结收缩的影响

在陶瓷型芯的烧结过程中，型芯胚体内会发生一系列复杂的物理化学变化，例如有机物燃烧、无机盐分解、物质传递、界面移动、颗粒黏结、颗粒重新排列、晶粒长大、孔隙消除，同时伴随着一定程度的烧结收缩。减小陶瓷型芯的烧结收缩对于保证陶瓷型芯的尺寸精度具有重要的意义。不同PA66纤维含量的氧化铝陶瓷型芯线收缩率如图 2所示。

从图 2可知，将PA66纤维加入陶瓷型芯后，线收缩率大幅度降低，最后稳定在0.3%~0.4%左右。图 3为陶瓷型芯加入PA66纤维前后烧结扩散示意图。如图 3所示，PA66纤维的加入，增大了氧化铝陶瓷型芯中Al₂O₃颗粒间的初始中心距，在型芯烧结过程中PA66纤维会被烧失，还未来得及烧失的纤维有效地阻滞了Al₂O₃颗粒的迁移扩散；而且烧失后的纤维产生的气体增大了型芯内部的压强也会在一定程度上阻碍Al₂O₃颗粒的迁移扩散；因此，陶瓷型芯的致密化受到了影响，进而减少了型芯线收缩率。而在Al₂O₃颗粒和PA66纤维的三维堆积中，纤维含量超过一定程度时，对颗粒中心距的增大效果变得微乎其微，最后烧结驱动力和内斥力达到平衡，陶瓷型芯的宏观尺寸基本不变，陶瓷型芯的收缩率也趋于稳定。

2.3 铝基陶瓷型芯的断口形貌分析

通过扫描电子显微镜观察陶瓷型芯样品的断裂表面。图 4为不同PA66纤维含量的陶瓷型芯样品的显微断面形貌。

从图 4可以看出，加入PA66纤维制备的陶瓷型芯，焙烧后型芯基体中出现了大量的微观孔洞，随着纤维含量的增加，微孔数量明显增加。当PA66纤维含量在0%~0.6%变化时，见图 4(a)~(c)，陶瓷型芯基体中的微观孔洞为孔径较小的封闭性孔洞；当PA66纤维含量在0.6%~1.2%变化时，见图 4(d)~(e)，型芯基体中独立的封闭性孔洞开始相互连通形成孔径较大的气孔；当PA66纤维含量增大至1.5%时，见图 4(f)，连通的细小微观孔洞形成开气孔，某些气孔相互连通甚至在陶瓷型芯内部形成微孔隙，型芯的致密化程度大幅度降低，抗弯强度迅速下降。陶瓷型芯高温烧结时，均匀分布在型芯基体中耐火度很低的PA66纤维氧化烧失，内部形成的微孔隙有效改善了型芯的气孔率。从微观上来说，陶瓷型芯的烧结实质上是通过氧化铝颗粒质点间的相互迁移扩散来实现的。在相对较低的温度时，颗粒表面发生面扩散，颗粒界面相互黏结，形成脖颈，颗粒间由点接触变为线接触。随着温度的升高和焙烧时间的延长，面扩散增加，连接颈变大，气孔变小，气孔从连通气孔变成孤立气孔，并被排除到胚体外。颗粒中心间距不断缩小，胚体体积不断收缩，最后形成具有一定强度的陶瓷型芯胚体。加入PA66纤维后，纤维充斥在Al₂O₃颗粒之间，增大了颗粒间的初始中心距，PA66纤维烧失后，间距较大的Al₂O₃颗粒进行迁移扩散需要消耗更多的能量，Al₂O₃颗粒接触不充分，使型芯的气孔率变大，胚体变得疏松多孔。加入的PA66纤维在陶瓷型芯焙烧时烧失，在型芯内部形成微孔隙，在陶瓷型芯承受外加应力时，微孔隙很容易扩展开来，在陶瓷基体中产生微观裂纹并不断扩大，最后导致型芯断裂，型芯基体的承载能力因此大幅度降低。PA66纤维含量越高，陶瓷型芯内部形成的微孔隙越多，型芯单位面积断裂面上的断裂奇点也越多，型芯的抗弯强度随之降低。

3 结论

(1) PA66纤维的加入对氧化铝陶瓷型芯的气孔率和室温抗弯强度有着显著影响。随着添加PA66纤维含量的增加，陶瓷型芯气孔率明显提升，但室温抗弯强度却在下降。当PA66纤维含量为0.9%时，陶瓷型芯的气孔率为41.14%，抗弯强度为15.33 MPa，综合性能优异。

(2) PA66纤维对于铝基陶瓷型芯的烧结收缩有着明显的阻滞作用。随着PA66纤维含量的增大，陶瓷型芯的线收缩率大幅度降低，最后稳定在0.3%~0.4%左右，可以提高陶瓷型芯的尺寸精度。

(3) 陶瓷型芯SEM断口形貌表明，随着PA66纤维含量的增加，陶瓷型芯断面的微孔隙数量增多，细小的闭孔相互连通形成开孔，甚至在型芯内部形成微孔，组织变得松散多孔。