陶瓷基复合材料

复合材料的 基本理论
复合材料的 整体性能
原材料的性能 ﹡力学性能 ﹡物理性能 ﹡界面状态
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增强原理
分散相的形状可以由形数比（即形状尺 As：aspect ratio）来描述。 As→∞为连续 棒状，对应于连续纤维，1＜ As ＜ ∞为 棒状，对应于不连续的纤维， As≈1为球 状，对应于颗粒。
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举例1：对材料施加磁场而产生电流。如具有压电作结构 的钛酸钡BaTiO与磁滞伸缩铁氧体NiFe2O4的微细 粉末烧结而成的复合材料。对该材料施加磁场时, 会在铁氧体中产生压力，此压力传递到钛酸钡， 就会在复合材料中产生电场。
举例2：将X射线变换为可见光的材料。有机材料蒽 (C14H10）可以将X射线变换为可见光而发出荧光， 但是由于构成蒽的元素的原子序数小，对X射线的 吸收能力低，因此将X射线变换成可见光的效率也 低，为了提高其对X射线的吸收能力，将会含有原 子序数较大的原子的PbCl2与蒽混合而成的复合材 料。当X射线照射复合材料时其结果为，X射线首 先与PbCl2颗粒作用而产生二次电子，接着二次电 子再使蒽分子受激励产生可见光，达到复合效果。
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结构 氧 离 子 排 阳离子填充方式 结构名 举例
类型 列方式
称
A2O3 密排六方
ABO 密排六方
3
面心立方
2/3八面体间隙
刚玉
Al2O3, Fe2O3,Cr2O3,Ti2O3,V2O3,Ga2O3,Rh2 O3
2/3八面体间隙(A,B) 钛铁矿 FeTiO3,NiTiO3,CoTiO3
1/4八面体间隙(B) 钙钛矿 CaTiO3, SrTiO3,SrSnO3,SrZrO3,SrHfO3, BaTiO3
对信息技术提供服务：信息获得、处 理、储存、传输和执行
对提高人类生活质量作出贡献： 改善舒适性、提高安全性、提高人类 健康水平等。
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复合材料新的生长点和有待深入研究、开拓的问题
未来复合材料发展的新领域
发展功能、多功能、机敏、智能复合材料 纳米复合材料 仿生复合材料
基础理论、设计和制备方法的深化、开拓与创新
结构材料—力学型复合材料—结构用途 如纤维增强） 功能材料—功能型复合材料—力学 性能以外的性能（光、电、磁、热 等）
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基体材料 — 氧化物陶瓷
氧化物——大多数典型的陶瓷特别是特种陶瓷的 主要组成和晶体相。主要由离子键结合，也有一 定成分的共价键。其结构取决于结合键类型、各 种离子的大小以及在极小空间保持电中性的要求。 陶瓷最重要的氧化物是几种简单类型的氧化物AO， AO2，A2O3，ABO3和AB2O4等（A，B表示阳离 子）。 结构特点：氧离子（一般比阳离子大）进行紧密 排列、金属阳离子位于一定的间隙中，最重要的 是四面体和八面体间隙）
共价键结合能比较高—材料有高的耐火度、 高的硬度（有的接近金刚石）、高的耐磨 性，但脆性大，抗氧化能力低。
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氮化硅陶瓷(Si3N4)
—Si3N4粉体的制备方法
硅粉直接氮化法—3Si+2N→Si3N4 ，一 般采用多步氮化，时间70小时。
SiO2碳还原法— 3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO,
Em fm Er (1 fr ) Em Er
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由复合化理论计算的复合材料特性的上限与下限
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以弹性论为基础的复合法则
复合材料的两种解析模型 a—两相模型 b —三相模型
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物理性能的复合法则
-----加和特性
复合材料的加和特性主要由原材料的组合形 状和体积分数决定。相当于力学性能中的弹性 模量、线膨胀率等结构不敏感特性。
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纯氧化物陶瓷：
工程应用较大，熔点超过2000℃，不氧化，耐高温。 Al2O3（刚玉）—典型的纯氧化物陶瓷。有较高室温 和高温强度。
ZrO2—使用温度达2000～2200℃，主要用作耐火 坩锅，反应堆的绝缘材料，金属表面的防护涂层等。 有三种晶型：立方结构（C相）、四方结构（t相） 和单斜结构（m相），加入适量的稳定剂后，t相可 以亚稳定状态存在于室温，称部分稳定ZrO2(简称 pst).在压力作用下发生t-m马氏体转变，称应力诱 导相变。这种相变将吸收能量，使裂纹尖端的应力 场松弛，增加裂纹扩展阻力，从而实现增韧，常用 的稳定剂有MgO、Y2O3等。
复合材料基础理论问题：
界面问题、可靠性问题 复合材料新的设计和制备方法
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功能复合材料
电功能方面——有导电、超导、绝缘、半导电、压电等 磁功能方面——有永磁、软磁、磁屏蔽和磁致伸缩等 声功能方面——有吸声、声纳、抗声纳等 机械功能方面——有阻尼减振、自润滑、防弹装甲等 化学功能方面——有吸附与分离、抗腐蚀等
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结构 氧 离 子 排 列 阳离子填充方
类型 方式
式
AO 2 面心立方
全部八面体间 隙
面心立方 面心立方
1/2四面体间隙 1/2四面体间隙
简单立方 1/2立方体间隙
结构名 举例 称
续上表：
岩盐 MgO, CaO, SrO, BaO, CdO,VO, MnO, FeO, CoO, NiO
闪锌矿 BeO
复合材料新的设计和制备方法：
新型设计方法 新的制备方法
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第二章 复合材料的基本理论
力学性能的复合准则 增强原理：弥散增强和颗粒增强、连续增强 以弹性论为基础的复合法则 物理性能的复合法则 加和特性 传递特性 结构敏感特性
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复合材料组织与性能之间的关系
材料的微观组织 ﹡形状、分散程度 ﹡体积分数 ﹡几何学特征
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仿生复合材料
天然的生物材料——基本上都是复合材 料
竹子——以管式纤维构成 贝壳——无机质成分与有机质成分呈层
状交替叠层构成
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复合材料基础理论问题：
界面问题：表征方法、界面设计、界面改性、界 面残余应力等。
可靠性问题：制约复合材料发展的关键问题与其 组分、设计、加工工艺和环境等密 切相关。
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蒽复合材料中X射线变换为可见光的原理
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物理性能的复合法则
-----结构敏感特性
弹性模量—结构不敏感特性。主要受 第 二相体积分数支配，与分散状态 关系不大。物理性能中的传导率也属 于此类。
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100
50
光 透 射 率 ／ ％ 10
5
1 0
d=10nm Vp=0.001
d=5nm Vp=0.5
关键避免SiC的形成。 亚胺和胺化物热分解法
SiC(液)+6NH2→Si(NH)3+4NH4Cl 化学气相沉积法
3SiCl3+16NH3→Si3N4+12NH4Cl 或 3SiH4+4NH3→Si3N4+12H2
单向纤维强化复合材料
连续纤维复合材料
非编织纤维层 二维、三维编织纤维层
不连续纤维复合材料
短纤维
随机排列 定向排列
晶须
随机排列
定向排列 6
按性能分：
聚合物基复合材料 金属基复合材料 无机非金属基复合材料 功能基复合材料 纳米基复合材料 梯度基复合材料
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复合材料在21世纪中应起的作用
陶瓷基复合材料
1
陶瓷基复合材料
第一章 绪论 第二章 复合材料的基本理论 第三章 原材料及特性 第四章 陶瓷基复合材料的制备方法 第五章 界面与表面
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第一章 绪 论
复合材料的分类 复合材料在21世纪中应起的作用 复合材料新的生长点和有待深入
研究、开拓的问题
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复合材料的分类—定义
定义1：把两种以上不同的原材料组成，使原材 料的性能得到充分发挥，并通过复合化而得到单 一材料所不具备的性能 的材料。 定义2：把一些个体典型或基本的特性组合，而得 到的物质。 定义3：经过一定的操作，将复数个原材料合体， 或者是由复数个相生成，且具有比原材料优异的 性能的材料。 共同特点： （1）两种以上不同的化学相 （2）具有每个组分所不具备的优良性能
多功能复合材料
兼具功能与结构的复合材料。如美国的军用飞机即具有 自我保护的隐身功能又有好的结构性能。
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机敏复合材料
具有能感知外界作用而且作出适当反应的能力。将传感 功能材料和具有执行功能的材料通过某种基体复合在一 起，并且连接外部信息处理系统，把传感器给出的信息 传达给执行材料，使之产生相应的动作——构成机敏复 合材料及系统。
复合法则为：
N
Pc
( Pi )nVi
i 1
式中Pc为复合材料的特性，Pi为构成复合材料的原 材料特性，Vi为构成复合材料的原材料的体积分数， n由实验确定，其范围为-1 ﹤ n ﹤ 1
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物理性能的复合法则
-----传递特性（乘积特性）
构成复合材料的两种以上原材料的不同 性能。 假定X作为输入时产生输出（Y/X）； 而Y 又作为第二次的输入，产生输入出Z （Z/Y），这样就相当于产生了连销反应， 从而引出新的机能（Z/X）。
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四方多晶氧化锆(TZP)—PSZ的一个分支。在t相区 烧结。冷却过程中不发生相变，室温下保持全部或大 部分t相。烧成温度1350～1450℃，由于t相含量很高， 强度可达1000MPa，断裂韧性可达10MPa·m1/2以上。 TZP面临的问题主要是低温（300～500 ℃）长期时 效性能恶化即所谓的老化问题，这一现象的机理尚 不十分清楚，可能是表面受到某种化学腐蚀（如 H2O等），使基体应力松弛，导致t-m相变，使材料 性能恶化。一般加入Al2O3,CeO2等抑制这一恶化过 程。
d=1nm Vp=0.5
第二相的粒径的＝50nm 第二相体积分数Vp=0.001
2
4
6
8
10
光的传播距离／ｍｍ
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百度文库
第三章 原材料及特性
基体材料
氧化物陶瓷 非氧化物陶瓷：氮化硅陶瓷、氮化硼和氮化钛陶瓷、
碳化硅陶瓷、碳化硼和碳化钛陶瓷、二硅化钼陶瓷
增强体材料
颗粒增强体 纤维增强体
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按复合效果，复合材料分为：
智能复合功能
功能复合材料的最高形式，在机敏复合材料基础上向自 决策能力上的发展。依靠在外部信息中处理系统增加的 工人智能系统，对信息进行分析，给出决策，指挥执行 材料做出优化动作——对材料的传感部分和执行部分的 灵敏度、精确度和响应速度提出了更高的要求。
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纳米复合材料
纳米效应—表面及界面效应、量子尺寸效应、宏观 量子隧道效应等，这些效应使纳米复合材料不仅有 优良的力学性质而且会产生光学、排线性光学、光 化学和电学的功能作用。 （1）有机—无机纳米复合材料 将无机纳米粒子引入有机聚合物——电磁流变液 （2）无机——无机纳米复合材料
纤维 ZnO 锌矿
萤石
ThO2,CaO2,PrO2,UO2,ZrO2,HfO 2,
NpO2,PuO2,AmO2
面心立方
全部四面体 间隙
畸 形 面 心 立 1/2八面体间隙 方
反萤石 Li2O,Na2O,K2O,Rb2O
金红石 Al2O3,Fe2O3,Cr2O3,Ti2O3,V2O3,Ga 2O3,Rh2O3
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莫来石（3Al2O3·2SiO2~2Al2O3·SiO2), 一般1550～1600℃烧成，纯的莫来石 要在1750 ℃左右才能烧成。
尖晶石（AR2O4，A代表二价元素离子， R代表三价元素），典型的有镁铝尖晶 石。
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基体材料 — 非氧化物陶瓷
指不含氧的金属碳化物、氮化物、硼化物 和硅化物等。自然界比较少，需要人工合 成，是先进陶瓷特别是金属陶瓷的主要成 分和晶相，主要由共价键结合而成，也有 一定的金属键成分。
AB2O 面心立方 1/8四面体(A)
尖晶石 FeAl2O4, ZnAl2O4,MgAl2O4
4
1/2八面体间隙(B)
面心立方 1/8四面体(A)
反尖晶 FeMgFeO4, MgTiMgO4
1/8八面体间隙(A,B) 石
密排六方 1/2八面体(A)
橄榄石 Mg2SiO4, Fe2SiO4
1/8四面体间隙(B)
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连续纤维增强
对于As→∞的场合，最简单的是将其简化 为二维层板模型，有并联和串联两种考虑方 式。在忽略泊松比影响的情况下，复合材料 的弹性模量可以表示为：
并联： Ec Em fm Er fr Em (1 fr ) Er fr
串联： 1 Ec
fm fr Em Er
4
按基体分：
金属基复合材料MMC
复合材料
有机材料基复合材料
无机非金属基复合材料
木质基复合材料
聚合物基复合材料PMC
橡胶基 树脂基
水泥或混凝土基复合材料
热塑性树脂 热固性树脂
陶瓷基复合材料CMC
5
按增加体分：
复合材料
颗粒状分散复合材料 纤维状分散复合材料
分散强化复合材料
片晶增强复合材料
颗粒增强复合材料