陶瓷基体材料和高性能陶瓷基复合材料
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• 高熔点、高弹性模量（high melting point, high elastic modulus）；
• 位错和原子不易运动（low dislocation and atomic mobility），即塑性变形性差；
• 高硬度、低密度（high hardness, low density）。
2021/3/2
7.1.1 陶瓷的键合与结构 7.1.2 陶瓷的强度 7.1.3 现代陶瓷的晶体结构 7.1.4 常用陶瓷基体材料
2021/3/2
国防科学技术大学航天与材料工程学院
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高性能复合材料学
7.1.1 陶瓷的键合与结构
7.1.1.1 陶瓷的键合及特点 7.1.1.2 陶瓷的缺点
2021/3/2
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高性能复合材料学
7 陶瓷基体和高性能陶瓷基 复合材料
2021/3/2
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高性能复合材料学
7 陶瓷基体和高性能陶瓷基复合材料
7.1 高性能复合材料的陶瓷基体材料 7.2 高性能陶瓷基复合材料
2021/3/2
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高性能复合材料学
7.1 高性能复合材料的陶瓷基体材料 (ceramic matrix materials of HPCM)
2021/3/2
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高性能复合材料学
陶瓷的键合与结构
陶瓷分为两类： • 传统（通用）陶瓷(tradition or convention
ceramic) • 现代（或特种）陶瓷(modern or special
ceramic) • 作为高性能陶瓷基复合材料基体材料的一
7.1.1.2 陶瓷的缺点
（1）缺点（drawbacks） • 脆性大（high brittleness），断裂模式是
灾难性破坏 (failure mode: catastrophic fracture)
• 强度度可靠性差（poor reliability of strength）
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高性能复合材料学
陶瓷的键合与结构
• 1971年，美国兴起“陶瓷热”，在“脆 性材料计划”中研制出包含104个陶瓷零 件的示范型涡轮发动机，使其进口温度提 高200℃，功率提高30%，燃耗降低7%。
• 1979年，发动机进口温度达到 1371℃(ACTT101)。
般是现代陶瓷。
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高性能复合材料学
陶瓷的键合与结构
何谓现代陶瓷？
• 原料：微米、亚微米级的高纯人工合成氧、碳、
氮、硼、硅、硫等无机非金属物质化合物。
• 成型方法：热压铸、压力浇注、干压、冷等
静压、注射、流延法、气相沉积、浸渍等。
• 烧成：烧结（热压、无压、热等静压、冷等静
压、反应、气氛加压、重力、微波、自蔓延、 等离子）。一般要求在真空或惰性气氛中进行。
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高性能复合材料学
陶瓷的键合与结构
• 现代陶瓷的性能：具有多功能（压电、铁电、导 电、半导体、磁性、湿敏、气敏、压敏等）、高 硬度、高弹性模量、低密度、耐高温、抗腐蚀、 绝缘、热膨胀系数低、环境耐久性。但强度不高、 脆、断裂应变小、断裂韧性低、抗热和力学冲击 性差、对内部缺陷和表面缺陷敏感。
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高性能复合材料学
Table 7-1 Selected properties of some ceramics
2021/3/2
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高性能复合材料学
表7-2 陶瓷的典型性能
2021/3/2
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高性能复合材料学
金属不同的是，陶瓷以离子键结合（ionic bond ）为主，也有一些共价键结合 （covalent bond）。 • 陶瓷是由共价键和离子键以混合周期排列 方式形成的连续成分单元。如SiC。
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高性能复合材料学
陶瓷的键合及特点
（2）陶瓷的特点
• 化学稳定性高（chemical very stable ），发掘 出的陶瓷可用于考古（archeology)；
14
高性能复合材料学
（2）可靠性指标：强度 （Indexes of Reliability: Strength）
F = YKc/c1/2
式中， Y: 无量纲常数，取决于缺陷的几何形状（不是尺
寸）、应力场和试样的几何形状（a dimensionless constant dependent on the geometry (not size) of the flaw and the geometry of the stress field and the sample）; c: 裂纹尺寸（the flaw size）; Kc: 断裂韧性（the fracture toughness）。
• 现代陶瓷应用于高温结构、宝石、刀具、磁、电、 光、声、生物、机械、电子、宇航、绝缘等领域。 如Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4。
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高性能复合材料学
7.1.1.1 陶瓷的键合及特点
（1）陶瓷的键合（bonding of ceramic) • 除玻璃外的陶瓷材料都具有晶体结构。与
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高性能复合材料学
7.1.1 陶瓷的键合与结构
（bonding and structure of ceramics）
什么是陶瓷？ • 以无机非金属天然矿物构成的化工产品为
原料，经原料处理、成形、干燥、烧成等 工序制成的产品，分陶器和瓷器(pottery and porcelain)两大类，合称为陶瓷。
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高性能复合材料学
可靠性指标：强度
F = Y[E/c(1 - 2)]1/2
式中，
: 断裂表面能（the fracture surface
energy）; E:杨氏模量（ the Young's modulus）; :泊松比（ the Poisson ratio）。
• 位错和原子不易运动（low dislocation and atomic mobility），即塑性变形性差；
• 高硬度、低密度（high hardness, low density）。
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7.1.1 陶瓷的键合与结构 7.1.2 陶瓷的强度 7.1.3 现代陶瓷的晶体结构 7.1.4 常用陶瓷基体材料
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7.1.1 陶瓷的键合与结构
7.1.1.1 陶瓷的键合及特点 7.1.1.2 陶瓷的缺点
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高性能复合材料学
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7 陶瓷基体和高性能陶瓷基复合材料
7.1 高性能复合材料的陶瓷基体材料 7.2 高性能陶瓷基复合材料
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高性能复合材料学
7.1 高性能复合材料的陶瓷基体材料 (ceramic matrix materials of HPCM)
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高性能复合材料学
陶瓷的键合与结构
陶瓷分为两类： • 传统（通用）陶瓷(tradition or convention
ceramic) • 现代（或特种）陶瓷(modern or special
ceramic) • 作为高性能陶瓷基复合材料基体材料的一
7.1.1.2 陶瓷的缺点
（1）缺点（drawbacks） • 脆性大（high brittleness），断裂模式是
灾难性破坏 (failure mode: catastrophic fracture)
• 强度度可靠性差（poor reliability of strength）
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陶瓷的键合与结构
• 1971年，美国兴起“陶瓷热”，在“脆 性材料计划”中研制出包含104个陶瓷零 件的示范型涡轮发动机，使其进口温度提 高200℃，功率提高30%，燃耗降低7%。
• 1979年，发动机进口温度达到 1371℃(ACTT101)。
般是现代陶瓷。
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高性能复合材料学
陶瓷的键合与结构
何谓现代陶瓷？
• 原料：微米、亚微米级的高纯人工合成氧、碳、
氮、硼、硅、硫等无机非金属物质化合物。
• 成型方法：热压铸、压力浇注、干压、冷等
静压、注射、流延法、气相沉积、浸渍等。
• 烧成：烧结（热压、无压、热等静压、冷等静
压、反应、气氛加压、重力、微波、自蔓延、 等离子）。一般要求在真空或惰性气氛中进行。
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高性能复合材料学
陶瓷的键合与结构
• 现代陶瓷的性能：具有多功能（压电、铁电、导 电、半导体、磁性、湿敏、气敏、压敏等）、高 硬度、高弹性模量、低密度、耐高温、抗腐蚀、 绝缘、热膨胀系数低、环境耐久性。但强度不高、 脆、断裂应变小、断裂韧性低、抗热和力学冲击 性差、对内部缺陷和表面缺陷敏感。
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高性能复合材料学
Table 7-1 Selected properties of some ceramics
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高性能复合材料学
表7-2 陶瓷的典型性能
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高性能复合材料学
金属不同的是，陶瓷以离子键结合（ionic bond ）为主，也有一些共价键结合 （covalent bond）。 • 陶瓷是由共价键和离子键以混合周期排列 方式形成的连续成分单元。如SiC。
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高性能复合材料学
陶瓷的键合及特点
（2）陶瓷的特点
• 化学稳定性高（chemical very stable ），发掘 出的陶瓷可用于考古（archeology)；
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高性能复合材料学
（2）可靠性指标：强度 （Indexes of Reliability: Strength）
F = YKc/c1/2
式中， Y: 无量纲常数，取决于缺陷的几何形状（不是尺
寸）、应力场和试样的几何形状（a dimensionless constant dependent on the geometry (not size) of the flaw and the geometry of the stress field and the sample）; c: 裂纹尺寸（the flaw size）; Kc: 断裂韧性（the fracture toughness）。
• 现代陶瓷应用于高温结构、宝石、刀具、磁、电、 光、声、生物、机械、电子、宇航、绝缘等领域。 如Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4。
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高性能复合材料学
7.1.1.1 陶瓷的键合及特点
（1）陶瓷的键合（bonding of ceramic) • 除玻璃外的陶瓷材料都具有晶体结构。与
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高性能复合材料学
7.1.1 陶瓷的键合与结构
（bonding and structure of ceramics）
什么是陶瓷？ • 以无机非金属天然矿物构成的化工产品为
原料，经原料处理、成形、干燥、烧成等 工序制成的产品，分陶器和瓷器(pottery and porcelain)两大类，合称为陶瓷。
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高性能复合材料学
可靠性指标：强度
F = Y[E/c(1 - 2)]1/2
式中，
: 断裂表面能（the fracture surface
energy）; E:杨氏模量（ the Young's modulus）; :泊松比（ the Poisson ratio）。