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(CMC
(70-350MPa)
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第三节 陶瓷粉末的烧结
粉末状物料在压制成型后，含有大量气孔，颗粒 之间接触面积较小，强度也比较低。经过高温作 用后，坯体中颗粒相互烧结，界面逐渐扩大成为 晶界，最后数个晶粒结合在一起，产生再结晶与 聚集再结晶，使晶粒长大。气孔体积缩小，大部 分甚至全部从体坯中排出，体收缩而致密，强度 增加，成坚固整体。上述整个过程叫烧结过程。
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烧结作用力分析
表面张力产生的作用于ABCD表面上切线方向的力， 可由表面张力定义求出
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由表可以看出，曲面压力随颗粒半径之降低而 增加，随曲面圆内角θ之减小而降低，亦即随 烧结之进行而降低。所以颗粒越细，曲面压力 越大，颈部成长越快。颈部长大表面积减小， 表面能也降低。
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三、烧结机理
(一)颗粒的粘附作用
（7）氮化硅的电绝缘性也很好
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三、碳化硅陶瓷
由反应烧结法（α-SiC+C粉 烧结）和 热压烧结（SiC+促进剂）法制备 特点： 较高的高温强度 较高的热导率 较好的热稳定性、耐磨性、耐腐蚀性和 抗蠕变性
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四、玻璃陶瓷
含有大量微晶体的玻璃称为微晶玻璃或 玻璃陶瓷。常用的玻璃陶瓷有锂铝硅 （Al2LOi23O-S-iAOl22O，3M-SAiOS)2两，L个AS体）系和。镁铝硅(MgO-
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模量
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断裂韧性
没有增强时，断裂韧性随温度升高而降低，有晶须 增强后，因纤维拔出，在高温随温度升高而增大 41
2.蠕变
在高温或高应力的作用下，玻璃发生粘性流动， 应变急剧增大 42
3．热冲击性（热震性)
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。
第7章陶瓷基复合材料
利用t-ZrO2m-ZrO2的马氏体相变，可以用来增韧陶瓷材料，即 氧化锆增韧陶瓷材料（ZTC）。
ZrO2陶瓷的特点是呈弱酸性或惰性，导热系数小（在100~1000℃ 范围内，导热系数=1.7~2.0W/(mK)，其推荐使用温度为2000~2200℃， 主要用于耐火坩埚、炉子和反应堆的绝热材料、金属表面的热障涂层等。
20~40 － －
5、碳化硅陶瓷（SiC, Silicon Carbide）
以SiC为主要成分的陶瓷材料。
碳化硅（SiC）变体很多，但作为陶瓷材料的主要有两种晶体结构， 一种是-SiC，属六方晶系；一种是-SiC，属立方晶系，具有半导体特 性。多数碳化硅陶瓷是以-SiC为主晶相。
1、氧化铝陶瓷（Al2O3, alumina）
以氧化铝为主成分的陶瓷材料。氧化铝含量越高，性能越好。按 氧化铝含量可分为75瓷、85瓷、95瓷、99瓷和高纯氧化铝瓷等。
主晶相为-Al2O3，属六方晶系，体积密度为3.9 g/cm3左右，熔点 达2050℃。
氧化铝有多种变体，其中主要有、型。除-Al2O3外，其它均 为不稳定晶型。-Al2O3为低温型，具有FCC结构，在950~1200℃范围 内可转化为-Al2O3，体积收缩约13%。在氧化铝陶瓷制备过程中， 一般先将原料预烧， 使-Al2O3转化为-Al2O3。
基复合材料
❖ 晶片补强增韧陶瓷基复合材料——包括人工晶片和天然片状
材料
❖ 长纤维补强增韧陶瓷基复合材料 ❖ 叠层式陶瓷基复合材料——包括层状复合材料和梯度陶瓷基复
合材料。
陶瓷基复合材料类型汇总表
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。
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。
浅谈陶瓷基复合材料的分类及性能特点
浅谈陶瓷基复合材料的分类及性能特点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，有效解决了陶瓷的脆性问题，开始在航空、航天、国防等领域得到广泛应用，例如连续纤维补强陶瓷基复合材料，具有高强度和高韧性，特别是具有与普通陶瓷不同的非失效性断裂方式，使其受到世界各国的工业生产领域的极大关注。
文章对陶瓷复合材料的分类、主要性能、机械加工特点进行介绍。
标签：陶瓷基复合材料；分类；力学特性；加工特点1陶瓷基复合材料分类陶瓷基复合材料，根据增强体分成两大类：连续增强的复合材料和不连续增强的复合材料，如表1所示。
其中，连续增强的复合材料包括一方向，二方向和三方向纤维增强的复合材料，也包括多层陶瓷复合材料；不连续增强的复合材料包括晶须、晶片和颗粒的第二组元增强体和自身增强体，如Si3N4中等轴晶的基体中分布一些晶须状β-Si3N4晶粒起到增韧效果。
纳米陶瓷既可以是添加纳米尺寸的增强体复合材料，也可以是自身晶粒尺寸纳米化及增强。
陶瓷基符合材料也可以根据基体分成氧化物基和非氧化物基符合材料。
氧化物基复合材料包括玻璃、玻璃陶瓷、氧化物、复合氧化物等，弱增强纤维也是氧化物，常称为全氧化物复合材料。
非氧化物基复合材料以SiC，Si3N4，MoS2基为主。
2陶瓷基复合材料的力学特性陶瓷本体具有耐高温、抗氧化、高温强度高、抗高温蠕变性好、高硬度、高耐磨损性、线膨胀系数小、耐化学腐蚀等优点，但也存在致命的弱点（脆性），它不能承受激烈的机械冲击和热冲击，这限制了它的应用。
可通过控制晶粒、相变韧化、纤维增强等手段制成复合材料，陶瓷基復合材料具有了更高的熔点、刚度、硬度和高温强度，并具有抗蠕变、疲劳极限好、高抗磨性，在高温和化学侵蚀的场合下能承受大的载荷等优点，使其在航空、航天等众多领域有着广泛的应用前景。
2.1陶瓷基复合材料的主要物理和化学性能（1）热膨胀。
复合材料有纤维、界面和基体构成，因此热膨胀的相容性是非常重要的。
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。
陶瓷基复合材料的性质及其应用前景
陶瓷基复合材料的性质及其应用前景陶瓷基复合材料是一种新型的复合材料，它由陶瓷基体和增强材料组成。
其特点是硬度高、强度大、耐高温、耐腐蚀、绝缘性能好等。
由于其独特的性质，陶瓷基复合材料在航空航天、汽车制造、电子和电力工业等领域都有广泛的应用。
一、陶瓷基复合材料的组成陶瓷基复合材料由陶瓷基体和增强材料组成。
其中，陶瓷基体通常采用氧化物陶瓷或碳化物陶瓷，而增强材料则可以选择纤维材料、颗粒材料、层板材料等。
陶瓷基复合材料的制备方法很多，主要包括热压、热等静压、拉伸成型等。
二、陶瓷基复合材料的性质1. 高硬度由于陶瓷基复合材料的基体是陶瓷，因此具有非常高的硬度。
事实上，某些陶瓷基复合材料的硬度可以接近金刚石，达到20GPa以上。
这一优异的性能意味着它们可以耐受高度的磨损和冲击，适用于大多数需要高耐久性的应用领域。
2. 高强度在增强材料的加入下，陶瓷基复合材料具有很高的强度和刚性。
因此，它们可以承受非常大的载荷，并在极端条件下工作。
这种性质使它们成为航空航天、汽车制造和电力工业等相关领域中理想的结构材料。
3. 耐高温陶瓷基复合材料具有非常好的耐高温性能。
在高温环境下，它们保持不失效、不变形等特性。
因此，它们被广泛应用于航空航天、汽车制造等需要高温稳定性能的领域。
4. 耐腐蚀陶瓷基复合材料还具有良好的耐腐蚀性能。
在强酸、强碱、高浓度的腐蚀性环境下，它们仍然可以保持稳定。
这一性质使它们成为化工、电力工业领域中的理想材料。
5. 绝缘性能好陶瓷基复合材料具有很好的绝缘性能，因此广泛运用于电子和电力工业中。
它们可以承受高电压、高电流的特性，同时在工作过程中不会导电或产生电磁干扰。
三、陶瓷基复合材料的应用前景由于其优异的性能和多功能性，陶瓷基复合材料在多个领域都有很广泛的应用前景。
以下是一些典型应用案例：1. 航空航天陶瓷基复合材料可以用于制作飞机、火箭、导弹的部件，如机身、引擎、导向器等。
因为它们的低重量、高强度和耐高温性质可以降低飞行设备的质量和提高操作效率。
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。
复合材料学(第七章 陶瓷基复合材料)
并导致性能的下降。为了克服这一弱点，可 采用颗粒来代替晶须制成复合材料，这种复 合材料在原料的混合均匀化及烧结致密化方 面均比晶须增强陶瓷基复合材料要容易。
当所用的颗粒为SiC，TiC时，基体材料 采用最多的是A12O3，Si3N4。目前，这些复 合材料已广泛用来制造刀具。
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 0.3-lμm ， 长 30100μm)的小单晶体。从结构上看，晶须的特 点是没有微裂纹、位错、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0.1E(E为杨氏模 量)，这已非常接近于理论上的理想拉伸强度
0.2E。而相比之下，多晶的金属纤维和块状
金属的拉伸强度只有0.02E和0.001E。
自发现百余种不同材料构成的晶须以来， 人们对其已给予了特别的关注。因为它们具 有最佳的热性能、低密度和高杨氏模量。
在陶瓷基复合材料中使用得较为普遍的是 SiC，Al2O3及Si3N4晶须。
陶瓷材料中的另一种增强体为颗粒。从
2．陶瓷复合材料的增强体
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，下面分别加以介绍。
碳纤维是用来制造陶瓷基复合材料最常 用的纤维之一。碳纤维可用多种方法进行生 产，工业上主要采用有机母体的热氧化和石 墨化。其生产过程包括三个主要阶段，第一 阶段在空气中于200℃-400℃进行低温氧化， 第二阶段是在惰性气体中在1000℃左右进行 碳化处理，第三阶段则是在惰性气体中于 2000℃以上的温度作石墨化处理。
陶瓷基复合材料的研究进展及应用
陶瓷基复合材料的研究进展及应用一、引言陶瓷基复合材料是一种新型的材料，具有高硬度、高强度、高温稳定性等优点，在航空航天、汽车制造、电子器件等领域有广泛的应用。
本文将对陶瓷基复合材料的研究进展及应用进行详细的介绍。
二、陶瓷基复合材料的定义陶瓷基复合材料是以陶瓷为基础，添加多种增强剂和填充剂，通过化学反应或物理方法制备而成的一种新型复合材料。
其主要特点是具有高硬度、高强度、高温稳定性等优点。
三、陶瓷基复合材料的分类根据增强剂和填充剂的不同，可以将陶瓷基复合材料分为以下几类：1. 碳纤维增强陶瓷基复合材料：碳纤维作为增强剂，可以提高材料的强度和刚度。
2. 硅酸盐增强陶瓷基复合材料：硅酸盐作为填充剂，可以提高材料的耐火性能和抗氧化性能。
3. 陶瓷颗粒增强陶瓷基复合材料：陶瓷颗粒作为填充剂，可以提高材料的耐磨性和耐蚀性。
四、陶瓷基复合材料的制备方法陶瓷基复合材料的制备方法包括以下几种：1. 热压法：将预先加工好的增强剂和填充剂与陶瓷粉末混合均匀，然后在高温高压下进行热压，使其形成一体化的复合材料。
2. 热处理法：将预先加工好的增强剂和填充剂与陶瓷粉末混合均匀，然后在高温下进行热处理，使其形成一体化的复合材料。
3. 溶胶-凝胶法：通过溶胶-凝胶反应制备出纳米级别的氧化物粉末，再将其与增强剂和填充剂混合均匀，最后通过加热处理使其形成一体化的复合材料。
五、陶瓷基复合材料的应用由于其具有高硬度、高强度、高温稳定性等优点，陶瓷基复合材料在以下领域有广泛的应用：1. 航空航天领域：陶瓷基复合材料可以用于制造飞机发动机叶片、导向叶片等高温部件。
2. 汽车制造领域：陶瓷基复合材料可以用于制造汽车刹车盘、排气管等高温部件。
3. 电子器件领域：陶瓷基复合材料可以用于制造高压电容器、电子封装等部件。
六、结论随着科学技术的不断发展，陶瓷基复合材料将有更广泛的应用前景。
本文介绍了其定义、分类、制备方法和应用领域，相信对读者对该材料有更深入的了解。
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。
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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
16
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。
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
2
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
3
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
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
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）
28
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）
29
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
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。
35
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,
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。
8
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
32
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。
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
9
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
Em fm Er (1 fr ) Em Er
18
由复合化理论计算的复合材料特性的上限与下限
19
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
20
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。
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)
31
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。
12
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
13
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。
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
26
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
27
按复合效果，复合材料分为：
33
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。
34
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。
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。
10
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。
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。
11
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
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
21
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）。
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
17
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：