陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。
陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。
这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。
而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。
纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。
陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品。
其最高使用温度主要取决于基体特征。
陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。
法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意的使用效果。
工制备艺浆体浸渍-热压法适用于长纤维。
首先把纤维编织成所需形状，然后用陶瓷泥浆浸渍，干燥后进行烧结。
优点是加热温度较晶体陶瓷低，层板的堆垛次序可任意排列，纤维分布均匀，气孔率低，获得的强度较高。
缺点则是不能制造大尺寸的制品，所得制品的致密度较低，此外零件的形状不宜太复杂，基体材料必须是低熔点或低软化点陶瓷。
晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工与制备晶须与颗粒的尺寸均很小，只是几何形状上有些区别，用它们进行增韧的陶瓷基复合材料的制造工艺是基本相同的。
基本上是采用粉末冶金方法。
制备工艺比长纤维复合材料简便很多。
所用设备也不复杂设备。
过程简单。
混合均匀，热压烧结即可制得高性能的复合材料制造工艺也可大致分为配料-成型-烧结-精加工等步骤。
直接氧化沉积法方法：将纤维预制体置于熔融金属上面，添加有镁、硅添加剂的熔融金属铝，在氧化气氛中，不断地浸渍预制体，在浸渍过程中，熔融金属或其蒸汽与气相氧化剂反应生成氧化物。
随着时间的延长，边浸渍边氧化，最终可制得纤维增强CMC。
优点：纤维几乎无损伤、纤维分布均匀、CMC性能优异，工艺简单、效率高成本低先驱体热解法方法：将单独合成的先驱体，通过加温调节其粘度，在高压-真空联合作用下使其浸入并充满多向纤维编织坯件的空隙，在高温下使先驱体热解。
陶瓷基复合材料
CVI工艺的优点在于：工艺温度低；适用范围广， 可制备碳化物、氮化物、氧化物、硼化物及C/C等复合 材料，材料纯度高，工艺过程构件不收缩，适于制备大 尺寸、形状复杂构件。
第6章 陶瓷基复合材料
• 6.1 陶瓷基复合材料的种类和性能 • 6.2 陶瓷基复合材料的制备工艺 • 6.3 氧化物基陶瓷复合材料 • 6.4 非氧化物基陶瓷复合材料 • 6.5 碳/碳复合材料 • 6.6 微晶玻璃基复合材料
6.1 陶瓷基复合材料的种类和性能
现代陶瓷材料具有耐高温、硬度高、耐 磨损及相对密度优良的性能轻等许多优良 的性能。
• 此外，利用反应放热合成陶瓷粉体也较多， 如自蔓延高温燃烧合成等。
2. 成型 • 陶瓷成型方法主要有：模压成型、等静压成型、
热压铸成型、挤压成型、轧膜成型、流延法成 型、注射成型和直接凝固成型等。 a) 模压成型：将粉料填充到模具内部后，通过单 向或双向加压，将粉料压成所需形状。 b) 等静压成型：一般等静压指的是湿袋式等静压 （也叫湿法等静压），就是将粉料装入橡胶或 塑料等可变形的容器中，密封后放入液压油后 水等流体介质中，加压获得所需的坯体。 c) 热压铸成型：将粉料与蜡（或其他有机高分子 粘结剂）混合后，加热使蜡（或其他有机高分 子粘结剂）熔化，使混合料具有一定的流动性， 然后将混合料加压注入模具，冷却后即可得到 致密的较硬实的坯体。
a) Cr/Al2O3复合材料 Cr与Al2O3之间的润湿性 不好，但铬粉表面易形成致密的Cr2O3，因此可 通过形成Cr2O3-Al2O3固溶体来降低它们之间的 界面能，改善润湿性。为是金属铬部分氧化，工 艺上常采取的措施有：①在烧结气氛中引人微量 的水汽或氧气；②在配料是用一部分氢氧化铝代 替氧化铝，以便在高温下分解产生出水蒸气使铬 氧化；③在配料中用少量的氧化铬代替金属铬。
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料是一种由陶瓷基体和其他增强材料组成的复合材料。
陶瓷基体
通常具有优异的耐高温、耐腐蚀和硬度等特性，而增强材料则可以进一步提升复合材料的力学性能。
由于其独特的性能和广泛的应用领域，陶瓷基复合材料受到了广泛的关注和研究。
首先，陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能。
由于陶瓷基体本身具有高熔点
和良好的热稳定性，因此陶瓷基复合材料可以在高温环境下保持稳定的性能，这使得它在航空航天、能源和化工等领域有着重要的应用。
例如，碳纤维增强碳化硅复合材料可以在高温高压下保持优异的力学性能，因此被广泛应用于航空发动机零部件的制造。
其次，陶瓷基复合材料具有良好的耐腐蚀性能。
陶瓷基体通常具有优异的化学
稳定性，能够抵抗酸碱腐蚀和氧化腐蚀，而增强材料的加入可以进一步提升复合材料的抗腐蚀性能。
因此，陶瓷基复合材料在化工、海洋工程和环保设备等领域有着广泛的应用前景。
例如，氧化锆纤维增强氧化锆复合材料具有优异的耐腐蚀性能，被广泛应用于化工设备的制造。
此外，陶瓷基复合材料还具有优异的硬度和耐磨损性能。
陶瓷基体通常具有高
硬度和良好的耐磨损性，而增强材料的加入可以进一步提升复合材料的耐磨损性能。
因此，陶瓷基复合材料在汽车制造、机械加工和精密仪器等领域有着重要的应用。
例如，碳化硅纤维增强碳化硅复合材料具有优异的硬度和耐磨损性能，被广泛应用于机械零部件的制造。
综上所述，陶瓷基复合材料具有优异的耐高温、耐腐蚀和硬度等特性，具有广
泛的应用前景。
随着材料科学和工程技术的不断发展，相信陶瓷基复合材料将会在更多领域得到应用，并为人类社会的发展做出更大的贡献。
陶瓷基复合材料介绍
陶瓷基复合材料介绍一、材料定义与特性陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites，简称CMC）是一种以陶瓷为基体，复合增强体材料的高性能复合材料。
它具有高强度、高硬度、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等优异性能，被广泛应用于航空航天、汽车、能源、化工等领域。
二、基体与增强体材料陶瓷基体的主要类型包括氧化铝、氮化硅、碳化硅、氮化硼等，它们具有高熔点、高硬度、耐腐蚀等特性。
增强体材料主要包括纤维、晶须、颗粒等，它们可以显著提高陶瓷基体的强度和韧性。
三、制备工艺与技术陶瓷基复合材料的制备工艺主要包括：热压烧结法、液相浸渍法、化学气相沉积法、粉末冶金法等。
其中，热压烧结法和液相浸渍法是最常用的制备工艺。
四、增强纤维与基体的界面增强纤维与基体的界面是影响陶瓷基复合材料性能的关键因素之一。
为了提高材料的性能，需要优化纤维与基体的界面特性，包括润湿性、粘结性、化学稳定性等。
五、材料的应用领域陶瓷基复合材料具有广泛的应用领域，主要包括：航空航天领域的发动机部件、机载设备；能源领域的燃气轮机叶片、核反应堆部件；汽车领域的刹车片、发动机部件；化工领域的耐腐蚀设备、管道等。
六、发展现状与趋势随着科技的不断进步，陶瓷基复合材料的研究和应用不断深入。
目前，国内外研究者正在致力于开发低成本、高性能的陶瓷基复合材料，并探索其在更多领域的应用。
同时，研究者还在研究如何更好地控制材料的微观结构和性能，以提高材料的综合性能。
七、挑战与机遇尽管陶瓷基复合材料具有许多优异的性能，但它们的制备工艺复杂、成本高，且存在易脆性等挑战。
然而，随着科技的不断进步和新材料的发展，陶瓷基复合材料的成本逐渐降低，应用领域也在不断扩大。
同时，随着环保意识的提高和能源需求的增加，陶瓷基复合材料在能源和环保领域的应用前景广阔。
因此，陶瓷基复合材料在未来仍具有巨大的发展潜力。
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料引言。
陶瓷基复合材料是一种由陶瓷基体和其他增强材料组成的复合材料。
它具有优异的耐磨、耐腐蚀、高强度和高温稳定性等特点，因此被广泛应用于航空航天、汽车制造、化工等领域。
本文将介绍陶瓷基复合材料的组成、性能和应用，并对其未来发展进行展望。
一、陶瓷基复合材料的组成。
陶瓷基复合材料通常由陶瓷基体和增强材料组成。
陶瓷基体可以是氧化铝、碳化硅、氮化硅等陶瓷材料，而增强材料则可以是碳纤维、玻璃纤维、陶瓷颗粒等。
这些材料通过复合加工技术，如热压、注射成型等，将陶瓷基体与增强材料紧密结合，形成具有优异性能的复合材料。
二、陶瓷基复合材料的性能。
1. 耐磨性，陶瓷基复合材料具有优异的耐磨性，可以在高速、高负荷条件下保持较长的使用寿命，因此被广泛应用于机械设备的零部件制造。
2. 耐腐蚀性，由于陶瓷基复合材料具有优异的化学稳定性，可以在酸、碱等腐蚀性介质中长期稳定运行，因此在化工领域得到广泛应用。
3. 高强度，陶瓷基复合材料在高温、高压条件下依然保持优异的强度和刚性，因此被广泛应用于航空航天领域。
4. 高温稳定性，陶瓷基复合材料在高温条件下依然保持稳定的性能，因此被广泛应用于发动机、燃气轮机等高温设备的制造。
三、陶瓷基复合材料的应用。
1. 航空航天领域，陶瓷基复合材料被广泛应用于航空发动机、航天器外壳等高温、高压零部件的制造。
2. 汽车制造领域，陶瓷基复合材料被应用于汽车刹车片、离合器片等零部件的制造，以提高其耐磨性和耐高温性能。
3. 化工领域，陶瓷基复合材料被应用于化工设备的制造，以提高其耐腐蚀性和耐高温性能。
四、陶瓷基复合材料的发展展望。
随着科学技术的不断进步，陶瓷基复合材料将会在性能和应用范围上得到进一步提升。
未来，我们可以期待陶瓷基复合材料在新能源领域、生物医药领域等新兴领域的广泛应用，为人类社会的发展做出更大的贡献。
结论。
陶瓷基复合材料具有优异的耐磨、耐腐蚀、高强度和高温稳定性等特点，因此在航空航天、汽车制造、化工等领域得到广泛应用。
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料是一种由陶瓷基体和增强相组成的新型材料。
陶瓷基复合材料具有优异的耐高温、耐磨损、耐腐蚀性能，因此在航空航天、汽车制造、机械制造等领域有着广泛的应用。
本文将从材料特性、制备工艺、应用领域等方面对陶瓷基复合材料进行介绍。
首先，陶瓷基复合材料的材料特性是其具有的重要特点之一。
陶瓷基复合材料具有高温强度高、热震稳定性好、耐磨损、耐腐蚀等优异性能。
这些特性使得陶瓷基复合材料在高温、高压、腐蚀等恶劣环境下能够发挥出色的性能，因此在航空航天领域得到了广泛的应用。
其次，陶瓷基复合材料的制备工艺是影响其性能的重要因素之一。
陶瓷基复合材料的制备工艺包括原料的选择、配比、成型、烧结等多个环节。
其中，原料的选择和配比直接影响着复合材料的成分和性能，而成型和烧结工艺则决定了复合材料的内部结构和组织。
因此，制备工艺的优化对于提高陶瓷基复合材料的性能具有重要意义。
最后，陶瓷基复合材料在航空航天、汽车制造、机械制造等领域有着广泛的应用。
在航空航天领域，陶瓷基复合材料被用于制造发动机涡轮叶片、导向器、复合材料轴承等部件，以提高其耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能。
在汽车制造领域，陶瓷基复合材料被用于制造发动机零部件、刹车盘、离合器等，以提高汽车的性能和安全性。
在机械制造领域，陶瓷基复合材料被用于制造轴承、密封件、刀具等，以提高机械设备的使用寿命和性能。
总之，陶瓷基复合材料具有优异的性能和广泛的应用前景。
随着科学技术的不断进步，陶瓷基复合材料将在更多领域得到应用，并为人类社会的发展做出更大的贡献。
陶瓷基复合材料及其应用
界面相设计
优化界面相的组成和结构，提高 陶瓷基复合材料的力学性能和热 稳定性。
发展历程
起步阶段
20世纪50年代，陶瓷基复合材料开始研究和发 展。
突破阶段
20世纪70年代，随着碳纤维的发展，陶瓷基复 合材料在力学性能方面取得了重大突破。
应用阶段
20世纪80年代以后，陶瓷基复合材料在航空航天、汽车等领域得到广泛应用。
陶瓷基复合材料及其 应用
• 陶瓷基复合材料简介 • 陶瓷基复合材料的种类 • 陶瓷基复合材料的应用领域 • 陶瓷基复合材料的挑战与前景 • 案例分析
目录
01
陶瓷基复合材料简介
定义与特性
定义
陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体，与 各种增强材料复合而成的一种力学性 能优异、具有特殊功能的新型复合材 料。
02
陶瓷基复合材料的种类
氧化铝基复合材料
总结词
氧化铝基复合材料是以氧化铝为基体 ，与其他陶瓷或金属材料复合而成的 一种高性能复合材料。
详细描述
氧化铝基复合材料具有高强度、高硬 度、耐磨、耐高温和抗氧化等优异性 能，广泛应用于航空航天、汽车、能 源和化工等领域。
碳化硅基复合材料
总结词
碳化硅基复合材料是以碳化硅为基体，与其他陶瓷或金属材料复合而成的一种 高性能复合材料。
其他陶瓷基复合材料
总结词
除了上述几种常见的陶瓷基复合材料外，还有许多其他种类的陶瓷基复合材料， 如氮化硼基复合材料、碳化钛基复合材料等。
详细描述
这些陶瓷基复合材料也具有优异的力学性能和化学稳定性，在各种领域都有广泛 的应用前景。
03
陶瓷基复合材料的应用领域
航空航天
航空发动机部件
陶航空发动机的燃烧室、涡轮叶片等 关键部件。
陶瓷基复合材料综述
陶瓷基复合材料综述陶瓷基复合材料是指以陶瓷材料为基体，通过添加其他材料或者通过热处理等方式形成的一种具有复合结构的新型材料。
陶瓷基复合材料具有许多优异的性能，包括高温稳定性、高硬度、高抗磨损性和良好的化学稳定性等。
本文将对陶瓷基复合材料的制备方法、性能以及应用方面进行综述。
一、陶瓷基复合材料的制备方法陶瓷基复合材料的制备方法可以分为两大类：一种是在陶瓷基体中添加其他材料，如纳米颗粒、纤维、碳纳米管等；另一种是通过热处理等方式改变陶瓷基体的结构和性能。
其中，添加其他材料的方法主要包括浸渍法、溶胶凝胶法、等离子熔融法等；热处理方法主要包括烧结、热压、热等静压等。
二、陶瓷基复合材料的性能陶瓷基复合材料具有许多独特的性能，其主要包括高温稳定性、高硬度、高抗磨损性和良好的化学稳定性。
其中，高温稳定性是指材料在高温下仍然能够保持物理和化学性能的稳定性。
高硬度则是指材料的硬度较高，能够抵抗外界的划痕和磨损。
高抗磨损性则是指材料能够在摩擦和磨损等条件下保持其表面的完整性和光洁度。
化学稳定性则是指材料对酸、碱、盐等化学介质的稳定性较好，不易发生腐蚀和溶解。
三、陶瓷基复合材料的应用方面由于陶瓷基复合材料具有优异的性能，因此在许多领域都得到了广泛的应用。
其中，陶瓷基复合材料在航空航天领域中被广泛应用于火箭发动机喷管、刹车盘等高温部件中。
此外，在能源领域，陶瓷基复合材料可以用于制备高效的催化剂、光催化剂和固态电解质等。
在汽车制造领域，陶瓷基复合材料可以应用于汽车刹车系统、传动系统和发动机部件等。
此外，陶瓷基复合材料还可以用于制备耐磨、耐蚀和高温结构件，如轴承、密封件和切割工具等。
综上所述，陶瓷基复合材料具有许多优异的性能，包括高温稳定性、高硬度、高抗磨损性和良好的化学稳定性等。
通过添加其他材料或者通过热处理等方式改变陶瓷基体的结构和性能，可以制备出具有不同功能和应用的陶瓷基复合材料。
由于其广泛的应用前景，陶瓷基复合材料在材料科学领域中受到了广泛的研究和开发。
《陶瓷基复合材》课件
2
陶瓷基复合材料的问题及挑战
陶瓷基复合材料在制备过程中存在工艺复杂、成本高等问题，需要进一步解决和 改进。
结论
陶瓷基复合材料的综合性能评价
综合考虑陶瓷基复合材料的力学性能、热学性能、耐久性等方面，可以评价其综合性能水平。
陶瓷基复合材料的发展前景
陶瓷基复合材料在高科技领域有着广阔的应用前景，将为科学技术的发展提供重要支持。
参考文献
1. 文献1 2. 文献2 3. 文献3
陶瓷基复合材料的组成包括陶瓷基体和增强材料，其结构形式可以是颗粒增强、 纤维增强等。
性能测试
1 陶瓷基复合材料的力学性能测试
力学性能测试包括强度、硬度、韧性等方面的评估，以确保陶瓷基复合材料的可靠性和 耐久性。
2 陶瓷基复合材料的热学性能测试
热学性能测试包括热导率、热膨胀系数等方面的评估，以确保陶瓷基复合材料在高温环 境下的稳定性。
应用案例
陶瓷基复合材料在航天领域的应用
陶瓷基复合材料在航天器结构、导航系统和热保护 层等方面发挥重要作用。
陶瓷基复合材料在医疗领域的应用
陶瓷基复合材料应用于仿生器官、骨修复、人工关 节等方面，为医疗技术的发展带来新的突破。
进一步研究
1
陶瓷基复合材料的未来发展趋势
随着科学技术的不断进步，陶瓷基复合材料将会在性能、制备技术等方面取得更 大突破。
陶瓷基复合材 PPT课件
研究陶瓷基复合材料是为了探索新型材料的结构与性能，本PPT课件将介绍陶 瓷基复合材料的概述、制备方法、性能测试、应用案例、未来发展趋势以及 参考文献。Leabharlann 概述什么是陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料是一种由陶瓷基体和其他增强物质组成的复合材料，具有优异的力学和热学 性能。
陶瓷基复合材料资料
其他影响因素
• 气孔率：气孔率越大，韧性越差； • 增强材料的强度、刚度及含量：增强物的强度和刚度、含量越高，
CMC的性能越好； • 增强材料与基体的热膨胀系数的匹配：匹配性越好，CMC的性能好； • 纤维的损伤程度：成型时纤维损伤程度越低，CMC的性能越好。
3.44 0
473 247 19.3 3.7 4.62
2.7 30 454 188 4770 15.6 2.51
纤维与基体的结合强度的影响
• 纤维与基体的结合强度过大将使CMC的韧性降低，若其结合强度过 低，将使材料的强度降低。
纤维排布的影响
• 无规则排列短纤维增强CMC的拉伸和弯曲性能有时低于基体材料， 这是因为无规则排列纤维的应力集中的影响和热膨胀不匹配造成的， 将短纤维定向可以提高该方向的性能；
• 烧结方法：常压烧结工艺和反应烧结。
纳米CMC的成型工艺
纳米CMC（亦称纳米复相陶瓷）可分为三类 • 在陶瓷基体的晶粒内弥散纳米粒子第二相 • 在陶瓷基体晶粒间弥散纳米粒子第二相； • 纳米粒子同时弥散在陶瓷基体的晶粒内和晶界上。 • 工艺流程：
制粉 混合 制坯 烧结
陶瓷基复合材料的应用
• CMC的使用温度：主要取决于基体特性，其工作温度按下 列基体材料依次提高： 玻璃 玻璃陶瓷 氧化物陶瓷 非氧化物陶瓷 其最高使用温度可达1900℃。
• 主要应用领域：刀具、滑动器件、航空航天构件、发动机 构件、能源构件等。
应用例
• 制动件：法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于 制作 超高速列 车的制动件，取得了传统 制动件所 无法比拟的优异的磨擦磨损特性；
• 航空航天领域：CMC制作的导弹的头锥、火箭的喷管、航天飞机的 结构件等也都收到了满意的效果；
陶瓷基复合材料(CMC)
CMC制备工艺
• 制造工艺也可大 致分为配料-成型 -烧结-精加工等 步骤。
• 改进的浆体法
陶瓷基复合材料的制备还有溶胶凝胶法、液态浸渍法、 直接氧化法等，新近发展起来的制备陶瓷基复合材料的 方法还有聚合物先驱体热解工艺、原位复合工艺等。
CMC界面
• 陶瓷基复合材料界面可分为两大类：无 反应界面和有反应界面。 • 无反应界面
概 述
• 陶瓷基复合材料的基体为陶瓷。
• 碳化硅、氮化硅、氧化铝等，具有耐高温、耐腐蚀、高强度、 重量轻和价格低等优点。化学键往往是介于离子键与共价键之 间的混合键。
• 陶瓷基复合材料中的增强体通常也 称为增韧体。
• 从几何尺寸上可分为纤维(长、短纤维)、晶须和颗粒三类。 • 碳纤维主要用在把强度、刚度、重量和抗化学性作为设计参数 的构件；其它常用纤维是玻璃纤维和硼纤维。 • 纤维增强陶瓷基复合材料，是改善陶瓷材料韧性的重要手段。
CMC制备工艺
CMC制备工艺
• 晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工 与制备
• 晶须与颗粒的尺寸均很小，只是几何形状上有些区别， 用它们进行增韧的陶瓷基复合材料的制造工艺是基本 相同的。 • 基本上是采用粉末冶金方法。
制备工艺比长纤维复合材料简便很多。 所用设备也不复杂设备。 过程简单。混合均匀，热压烧结即可制得高性能的复合材料。
CMC性能
• 室温力学性能
• 拉伸强度
• 与金属基和聚合物基复合材料不同，对于陶瓷基复合 材料来说陶瓷基体的失效应变低于纤维的失效应变； 因此最初的失效往往是陶瓷基体的开裂，这种开裂是 由晶体中存在的缺陷引起的。
CMC性能与应用
单向连续纤维强化 陶瓷基复合材料的 拉伸失效有两种形 式：
(1)突然失效。纤维强度较 低，界面结合强度较高， 基体裂纹穿过纤维扩展， 导致突然失效。 (2)如果纤维较强，界面结 合相对较弱，基体裂纹沿 着纤维扩展，纤维失效前， 纤维-基体界面脱粘、因此 基体开裂并不导致突然失 效，复合材料的最终失效 应变大于基体的失效应变。
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料是一种将陶瓷作为基体，同时添加其他材料形成的复合材料。
它具有优异的高温性能、耐磨性、耐腐蚀性和机械性能，广泛应用于航空航天、汽车、电子、能源和化工等领域。
本文将重点介绍陶瓷基复合材料的特点、制备方法和应用。
陶瓷基复合材料的特点有以下几个方面。
首先，它具有很高的耐高温性能。
陶瓷基复合材料可以在高温下长时间工作，不会烧结或软化，因此在航空航天和汽车引擎等高温环境中得到广泛应用。
其次，它具有优异的耐磨性。
陶瓷基复合材料的硬度和抗磨损性能远远超过金属材料，可以用于制造耐磨件，如轴承、机械密封件等。
此外，它还具有较高的抗腐蚀性能和较低的摩擦系数，可以用于制造化学装置和摩擦副。
陶瓷基复合材料的制备方法主要包括烧结法和浸渍法。
烧结法是将陶瓷粉末和其他材料混合后，通过高温加热使其熔结成型。
这种方法适用于制备纯陶瓷基复合材料，如氧化铝基陶瓷复合材料。
浸渍法是将陶瓷基体浸渍于其他材料溶液中，然后通过热处理使其形成复合材料。
这种方法可以制备各种类型的陶瓷基复合材料，如碳纤维增强陶瓷基复合材料和碳化硅增强陶瓷基复合材料。
陶瓷基复合材料在各个领域中都有广泛的应用。
在航空航天领域，它可用于制造发动机组件、航空轴承、导弹和卫星零部件等。
在汽车领域，它可用于制造发动机缸套、刹车片、活塞环等。
在电子领域，它可用于制造电子散热器、半导体器件等。
在能源领域，它可用于制造核燃料颗粒、核电站部件等。
在化工领域，它可用于制造化学反应器、蒸馏柱等。
综上所述，陶瓷基复合材料具有优异的高温性能、耐磨性、耐腐蚀性和机械性能，广泛应用于航空航天、汽车、电子、能源和化工等领域。
随着科技的进步和材料制备技术的发展，陶瓷基复合材料的应用前景将更加广阔。
陶瓷基复合材料
碳/碳化硅陶瓷基复合材料一、简介陶瓷基复合材料(Ceramic matr ix composite ,CMC)是在陶瓷基体中引入第二相材料, 使之增强、增韧的多相材料, 又称为多相复合陶瓷(Multiphase composite ceramic)或复相陶瓷(Diphase ceramic)。
陶瓷基复合材料是20 世纪80 年代逐渐发展起来的新型陶瓷材料, 包括纤维(或晶须)增韧(或增强)陶瓷基复合材料、异相颗粒弥散强化复相陶瓷、原位生长陶瓷复合材料、梯度功能复合陶瓷及纳米陶瓷复合材料。
其因具有耐高温、耐磨、抗高温蠕变、热导率低、热膨胀系数低、耐化学腐蚀、强度高、硬度大及介电、透波等特点,在有机材料基和金属材料基不能满足性能要求的工况下可以得到广泛应用, 成为理想的高温结构材料。
报道,陶瓷基复合材料正是人们预计在21 世纪中可替代金属及其合金的发动机热端结构的首选材料。
鉴于此, 许多国家都在积极开展陶瓷基复合材料的研究, 大大拓宽了其应用领域, 并相继研究出各种制备新技术。
其中,C/SiC 陶瓷基复合材料是其中一个非常重要的体系。
C/SiC 陶瓷基复合材料主要有两种类型, 即碳纤维/碳化硅(Cf /SiC)和碳颗粒/碳化硅(Cp/SiC)陶瓷基复合材料。
Cf /SiC 陶瓷基复合材料是利用Cf 来增强增韧SiC 陶瓷, 从而改善陶瓷的脆性, 实现高温结构材料所必需的性能, 如抗氧化、耐高温、耐腐蚀等;Cp/SiC 陶瓷基复合材料是利用Cp 来降低SiC 陶瓷的硬度, 实现结构陶瓷的可加工性能,同时具有良好的抗氧化性、耐腐蚀、自润滑等。
本文主要综述了Cf /SiC 陶瓷基复合材料的制备及应用研究现状,并且从结构和功能一体化的角度, 提出了采用软机械力化学法制备Cp 与SiC 复合粉体, 通过无压烧结得到强度、抗氧化性、耐腐蚀等性能以满足普通民用工业用的Cp/SiC 陶瓷基复合材料的制备技术及应用前景。
陶瓷基复合材料概述
陶瓷基复合材料概述陶瓷基复合材料的基本构成包括陶瓷基体和增强相。
陶瓷基体是复合材料的主要组成部分，其主要作用是提供材料的整体力学性能和化学稳定性。
常见的陶瓷基体材料包括氧化铝、碳化硅、氮化硼等。
增强相通常由纤维、微颗粒或涂层等形式存在，其主要作用是增强材料的力学性能。
常用的增强相材料包括碳纤维、硅碳纤维、碳化硅颗粒等。
陶瓷基复合材料的制备方法主要包括增强相预浸料注浆成型、陶瓷基体浸渍和化学气相沉积等。
增强相预浸料注浆成型是指将增强相（如碳纤维布或纱线）经过预处理后，浸渍在浆料中，制备成具有一定形状和大小的增强相预浸料；陶瓷基体浸渍是将陶瓷基体浸泡在含有滞留剂的浆料中，使其吸附一定量的浆料，然后经过干燥和烧结等工艺得到复合材料；化学气相沉积是利用化学反应在陶瓷基体表面生成陶瓷薄膜，然后在其表面沉积增强相。
陶瓷基复合材料具有许多优越的性能，例如高温强度、高刚度、低热膨胀系数、优良的耐腐蚀性和较高的抗摩擦性能等。
这些性能使得陶瓷基复合材料在高温、高压、强腐蚀等恶劣条件下能够更好地发挥作用。
此外，陶瓷基复合材料还具有良好的抗热冲击性能和较低的密度，使其具备轻量化设计的优势。
陶瓷基复合材料在航空航天领域有广泛的应用。
例如，在航空发动机的制造中，使用陶瓷基复合材料可以减轻发动机重量、提高燃烧效率和减少燃料消耗。
此外，在航空航天器的外壳、导向系统和推进系统中也常使用陶瓷基复合材料，以提高材料的耐高温性能和抗氧化性能。
在汽车制造领域，陶瓷基复合材料可以用于发动机部件、制动系统和排气系统等关键部位，以提高汽车的安全性能、降低能源消耗和减少尾气排放。
陶瓷基复合材料的高温性能和耐腐蚀性能使其成为替代传统金属材料的理想选择。
在能源领域，陶瓷基复合材料可以用于核能装置、燃料电池和太阳能电池等设备，以提高能量转化效率和延长设备寿命。
陶瓷基复合材料的高温稳定性和化学稳定性使其在能源应用中具有重要的地位。
此外，陶瓷基复合材料还可用于电子器件、石油化工、医疗器械和船舶制造等领域。
陶瓷基复合材料（CMC）
陶瓷基复合材料（CMC）第四节陶瓷基复合材料（CMC）1.1概述⼯程中陶瓷以特种陶瓷应⽤为主，特种陶瓷由于具有优良的综合机械性能、耐磨性好、硬度⾼以及耐腐蚀件好等特点，已⼴泛⽤于制做剪⼑、⽹球拍及⼯业上的切削⼑具、耐磨件、发动机部件、热交换器、轴承等。
陶瓷最⼤的缺点是脆性⼤、抗热震性能差。
与⾦属基和聚合物基复合材料有有所不同的，是制备陶瓷基复合材料的主要⽬的之⼀就是提⾼陶瓷的韧性。
特别是纤维增强陶瓷复合材料在断裂前吸收了⼤量的断裂能量，使韧性得以⼤幅度提⾼。
表6—1列出了由颗粒、纤维及晶须增强陶瓷复合材料的断裂韧性和临界裂纹尺⼨⼤⼩的⽐较。
很明显连续纤维的增韧效果最佳，其次为品须、相变增韧和颗粒增韧。
⽆论是纤维、晶须还是颗粒增韧均使断裂韧性较整体陶瓷的有较⼤提⾼，⽽且也使临界裂纹尺⼨增⼤。
陶瓷基复合材料的基体为陶瓷，这是⼀种包括范围很⼴的材料，属于⽆机化合物纳构远⽐⾦属与合⾦复杂得多。
使⽤最多的是碳化硅、氮化硅、氧化铝等，它们普遍具有耐⾼温、耐腐蚀、⾼强度、重量轻和价格低等优点。
陶瓷材料中的化学键往注是介于离⼦键与共价键之间的混合键。
陶瓷基复合材料中的增强体通常也称为增韧体。
从⼏何尺⼨上可分为纤维(长、短纤维)、晶须和颗粒三类。
碳纤维是⽤来制造陶瓷基复合材料最常⽤的纤维之⼀。
碳纤维主要⽤在把强度、刚度、重量和抗化学性作为设计参数的构件，在1500霓的温度下，碳纤维仍能保持其性能不变，但对碳纤维必须进⾏有效的保护以防⽌它在空⽓中或氧化性⽓氛中被腐蚀，只有这样才能充分发挥它的优良性能。
其它常⽤纤维是玻璃纤维和硼纤维。
陶瓷材料中另⼀种增强体为晶须。
晶须为具有⼀定长径⽐(直径o 3。
1ym，长30—lMy”)的⼩单晶体。
从结构上看，晶须的特点是没有微裂纹、位偌、孔洞和表⾯损伤等⼀类缺陷，⽽这些缺陷正是⼤块晶体中⼤量存在且促使强度下降的主要原因。
在某些情况下，晶须的拉伸强度可达o．1Z(Z为杨⽒模量)，这已⾮常接近⼗理论上的理想拉伸强度o．2Z。
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第十章陶瓷基复合材料10.1 陶瓷基复合材料概述特种陶瓷具有优秀的力学性能、耐磨性好、硬度高及耐腐蚀性好等特点，但其脆性大，耐热震性能差，而且陶瓷材料对裂纹、气孔和夹杂等细微的缺陷很敏感。
陶瓷基复合材料使材料的韧性大大改善，同时其强度、模量有了提高。
陶瓷基复合材料的力–位移曲线10.2 陶瓷基复合材料的制备工艺10.2.1 粉末冶金法工艺流程：原料（陶瓷粉末、增强剂、粘结剂和助烧剂）→均匀混合（球磨、超声等）→冷压成形→（热压）烧结适用于颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料。
10.2.2浆体法（湿态法）为了克服粉末冶金法中各组元混合不均的问题，可采用浆体（湿态）法制备颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料。
其混合体为浆体形式。
混合体中各组元保持散凝状。
即在浆体中呈弥散分布。
采用浆体浸渍法也可制备连续纤维增韧陶瓷基复合材料。
浆体法制备陶瓷基复合材料示意图10.2.3反应烧结法用此方法制备陶瓷基复合材料，除基体材料几乎无收缩外，还具有以下优点：（1）增强剂的体积比可以相当大；（2）可用多种连续纤维预制体；（3）大多数陶瓷基复合材料的反应烧结温度低于陶瓷的烧结温度，因此可避免纤维的损伤。
此方法最大的缺点是高气孔率难以避免。
反应烧结法N4制备SiC/Si3基复合材料工艺流程图10.2.4液态浸渍法用此方法制备陶瓷基复合材料，化学反应、熔体粘度、熔体对增强材料的浸润性是首要考虑的问题，这些因素直接影响着材料的性能。
陶瓷熔体可通过毛细作用渗入增强剂预制体的孔隙。
施加压力或抽真空将有利于浸渍过程。
液态浸渍法制备陶瓷基复合材料示意图10.2.5直接氧化法按部件形状制备增强体预制体，将隔板放在其表面上以阻止基体材料的生长。
熔化的金属在氧气的作用下发生直接氧化反应形成所需的反应产物。
由于在氧化产物中的空隙管道的液吸作用，熔化金属会连续不断地供给到生长前沿。
Al + 空气→Al2O3Al + 氮气→AlN直接氧化法制备陶瓷基复合材料示意图10.2.6 溶胶–凝胶（Sol –Gel）法溶胶（Sol）是由于化学反应沉积而产生的微小颗粒（直径<100nm）的悬浮液；凝胶（Gel ）是水分减少的溶胶，即比溶胶粘度大的胶体。
Sol –Gel法是指金属有机或无机化合物经溶液、溶胶、凝胶等过程而固化，再经热处理生成氧化物或其它化合物固体的方法。
该方法可控制材料的微观结构，使均匀性达到微米、纳米甚至分子量级水平。
（1）Sol –Gel法制备SiO陶瓷原理如下：2Si(OR)4+ 4 H2O →Si(OH)4+ 4 ROHSi(OH)4→SiO2 + 2 H2O使用这种方法，可将各种增强剂加入基体溶胶中搅拌均匀，当基体溶胶形成凝胶后，这些增强组元稳定、均匀分布在基体中，经过干燥或一定温度热处理，然后压制烧结形成相应的复合材料。
(2)溶胶–凝胶法也可以采用浆体浸渍法制备增强相预制体10.2.7化学气相沉积法（CVD ）是以气态物质为原料，在高温下发生热分解或化学反应合成材料的一种方法。
A (g) →B (s)+C (g)例如：CH 3SiCl 3(g) →SiO 2(s)+3HCl (g)或：A (g) +B (g)→C (s)＋D (g)例如：SiCl 4(g) ＋O 2 (g)→SiO 2(s)+Cl 2(g)能够制备碳化物、氧化物、氮化物和硼化物等.生产效率降低，需14~21天。
CVD法制备纤维陶瓷基复合材料示意图10.2.8 化学气相浸渍（CVI）法与CVD法类似，不同点是气源不仅热分解或化学反应，而且还与坯体表面的元素发生反应，并在孔隙中沉积反应产物。
10.2.9 其它方法（1）聚合物先驱体热解法以高分子聚合物为先驱体成型后使高分子先驱体发生热解反应转化为无机物质，然后再经高温烧结制备成陶瓷基复合材料。
此方法可精确控制产品的化学组成、纯度以及形状。
最常用的高聚物是有机硅（聚碳硅烷、酚醛树酯、沥青等）。
制备工艺流程：a.制备增强剂预制体→浸渍聚合物先驱体→热解→再浸渍→再热解……b. 陶瓷粉+聚合物先驱体→均匀混合→模压成型→热解(2)原位复合法利用化学反应生成增强组元—晶须或高长径比晶体来增强陶瓷基体的工艺称为原位复合法。
其关键是在陶瓷基体中均匀加入可生成晶须的元素或化合物，控制其生长条件使在基体致密化过程中在原位同时生长出晶须；或控制烧结工艺，在陶瓷液相烧结时生长高长径比的晶相，最终形成陶瓷基复合材料。
例如：复合材料Β-SiN4(w)/ Si3N4(p)的制备，3Si3N4在Y2O3、La2O3、CeO2等稀土氧化物N4(存在。
作为添加剂时能够以晶须状Β-Si3/ Β-SiC(p)的制备，例如：复合材料Α-SiC(w)Β-SiC(p)在Α-SiC晶种（0.5%）及Y2O3和Al2O3存在的条件下，常压1900℃×0.5h烧结后2000℃×5h热处理，部分Β-SiC(p) →Α-SiC(w)。
例如：高压电瓷中二次莫来石晶须的生成。
10.3 陶瓷基复合材料的界面和界面设计10.3.1 界面的粘结形式（1）机械结合（2）化学结合陶瓷基复合材料往往在高温下制备，由于增强体与基体的原子扩散，在界面上更易形成固溶体和化合物。
此时其界面是具有一定厚度的反应区，它与基体和增强体都能较好的结合，但通常是脆性的。
10.3.2 界面的作用陶瓷基复合材料的界面一方面应强到足以传递轴向载荷并具有高的横向强度；另一方面要弱到足以沿界面发生横向裂纹及裂纹偏转直到纤维的拔出。
10.3.3 界面性能的改善为了获得最佳界面结合强度，希望避免界面化学反应或尽量降低界面的化学反应程度和范围。
实际当中除选择增强剂和基体在制备和材料服役期间能形成热动力学稳定的界面外，就是纤维表面涂层处理。
包括C、SiC、BN、ZrO2和SnO2等。
纤维表面涂层处理对纤维还可起到保护作用。
纤维表面双层涂层处理是最常用的方法。
其中里面的涂层以达到键接及滑移的要求，而外部涂层在较高温度下防止纤维机械性能降解。
10.4 增韧机理10.4.1颗粒增韧（1）非相变第二相颗粒增韧假设第二相颗粒与基体不存在化学反应，热膨胀系数失配在第二相颗粒及周围基体内部产生残余应力场是陶瓷得到增韧的主要根源之一。
当αp >αm 时，当颗粒处于拉应力状态，而基体径向处于拉伸状态、切向处于压缩状态时，可能产生具有收敛性的环向微裂；裂纹在基体中发展，增加了裂纹扩展路径，因而增加了裂纹扩展的阻力当αp <αm 时，若颗粒在某一裂纹面内，则裂纹向颗粒扩展时将首先直接达到颗粒与基体的界面。
此时如果外力不再增加，则裂纹就在此钉扎，这就是裂纹钉扎增韧机理的本质。
若外加应力进一步增大，裂纹继续扩展，或穿颗粒发生穿晶断裂，或绕过颗粒，沿颗粒与基体的界面扩展，裂纹发生偏转。
即使发生偏转，因偏转程度较小，界面断裂能低于基体断裂能，增韧的幅度也较小。
（2）延性颗粒增韧在脆性陶瓷基体中加入第二相延性颗粒能明显提高材料的断裂韧性。
其增韧机理包括由于裂纹尖端形成的塑性变形区导致裂纹尖端屏蔽以及由延性颗粒形成的延性裂纹桥。
当基体与延性颗粒的α和E 值相等时，利用延性裂纹桥可达最佳增韧效果。
但当α和E值相差足够大时，裂纹发生偏转绕过金属颗粒，增韧效果较差。
（3）纳米颗粒增强增韧将纳米颗粒加入到陶瓷中时，材料的强度和韧性大大改善。
增强颗粒与基体颗粒的尺寸匹配与残余应力是纳米复合材料中的重要增强、增韧机理。
（4）相变增韧当将氧化锆颗粒加入其它陶瓷基体中时，氧化锆的相变使陶瓷的韧性增加。
单斜相(m) ZrO2→四方相(t ) ZrO2→立方相ZrO21170°C2370°Ct →m转变具有马氏体的特征，伴随有3～5%的体积膨胀。
这一相变温度正处在室温与烧结温度之间，对材料的韧性和强度有很大影响。
如果在ZTA （ZrO 2 / Al 2O 3）中加入某些稳定氧化物（如Y 2O 3等），则会拟制ZrO 2的t →m 相变。
当从制备温度冷却下来时，通过控制晶粒尺寸(小于室温相变临界尺寸)，可以制备出全部或部分为四方相(t) ZrO 2组成的氧化锆多晶陶瓷。
此时四方ZrO 2处于亚稳态，当材料受外力作用时，在应力的诱导下，发生t →m 相变。
相变吸收能量而阻碍裂纹的继续扩展，同时相变颗粒发生体积膨胀，并在其周围产生大量的微裂纹，阻碍了主裂纹的扩展。
因而不但提高了材料的强度而且提高了韧性。
相变增韧示意图ZTA 中应力诱变韧化导致性能随ZrO 2体积含量的变化关系图10.4.2 纤维、晶须增韧（1）裂纹偏转由于纤维周围的应力场，基体中的裂纹一般难以穿过纤维，相对而言它更易绕过纤维并尽量贴近纤维表面扩展，即裂纹偏转。
裂纹偏转可绕着增强体倾斜发生偏转或扭转偏转。
偏转后裂纹受的拉应力往往低于偏转前的裂纹，而且裂纹的扩展路径增长，裂纹扩展中需消耗更多的能量因而起到增韧作用。
裂纹偏转增韧原理a：裂纹倾斜偏转；b：裂纹扭转偏转；c：增强剂长径比对裂纹扭转偏转的影响。
（2）脱粘（Debonding）复合材料在纤维脱粘后产生了新的表面，因此需要能量。
尽管单位面积的表面能很小，但所有脱粘纤维总的表面能则很大。
（3）纤维拔出（Pull –out）纤维拔出是指靠近裂纹尖端的纤维在外应力作用下沿着它和基体的界面滑出的现象。
纤维首先脱粘才能拔出。
纤维拔出会使裂纹尖端应力松弛，从而减缓了裂纹的扩展。
纤维拔出需外力做功，因此起到增韧作用。
纤维拔出能总大于纤维脱粘能，纤维拔出的增韧效果要比纤维脱粘更强。
因此，纤维拔出是更重要的增韧机理。
（4）纤维桥接（Fiber Bridge）对于特定位向和分布的纤维，裂纹很难偏转，只能沿着原来的扩展方向继续扩展。
这时紧靠裂纹尖端处的纤维并未断裂，而是在裂纹两岸搭起小桥，使两岸连在一起。
这会在裂纹表面产生一个压应力，以抵消外加应力的作用，从而使裂纹难以进一步扩展，起到增韧作用。
另外：桥接机制适用于可阻止裂纹尖端、裂纹表面相对运动的任何显微结构特征（颗粒、晶须等）。