陶瓷基复合材料

1:4 2:7
1:3
1:3 4:11 4:10 1:2
实例
镁橄榄石Mg2[SiO4] 硅钙石Ca3[Si2O7] 蓝锥矿BaTi[Si3O9]
绿宝石Be3Al2[Si6O16] 透辉石CaMg[Si2O6] Ca2Mg5[Si4O11](OH)2 滑石Mg3[Si4O10] 石英SiO2 那长石Na[AlSi3O8]
0 1
2
链状
层状 架状
2 2，3 3 4
形状
四面体 双四面体 三节环 四节环
六节环 单链 双链 平面层 骨架
络阴离子
Si:O
[SiO4] 4[Si2O7]6[Si3O9]6[Si4O12]8-
[Si6O16]12[Si2O6]4[Si4O11]6[Si4O10]4[SiO2] [(AlxSi4-x)O8]x-
6.2 陶瓷基复合材料的种类 因陶瓷材料的脆性，增韧是陶瓷复合研究的主要目的。陶瓷复合材料
强韧化的途径有：颗粒弥散增韧、纤维（晶须）补强增韧、层状复合增 韧、与金属复合增韧及相变增韧（指ZrO2），见第三章。本章主要介 绍常见的陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料的分类方法很多，常见的有 以下几种。 1．按材料作用分类
氧化物的电负性差大于非氧化物，其离子性要高于碳化物和氮化物 陶瓷材料的典型结构：1）闪锌矿结构 6）金红石结构
2）铅锌矿结构 7）萤石结构 3）NaCl结构 8）赤铜矿结构 4）CsCl结构 9）刚玉结构 5）方石英结构 10）其他结构
陶瓷材料的典型结构
（a）闪锌矿结构 （b）铅锌矿结构 （c）NaCl结构 （d）CsCl结构（e） β-方石英结构 （f）金红石结构 （g）萤石结构 （h）赤铜矿结构 （i）刚玉结构
硅氧四面体的空间构型如图6-4所示。
（a）孤立时的各种形状
（b）层状结构
（c）单链结构
（d）双链结构
图6-4硅氧四面体的空间构型
表6-3陶瓷材料的典型性能
材料
密度 熔点 /g.cm-3 /℃
Al2O3
3.99
SiC
3.2
Si3N4
3.2
B4C
2.5
立方BN 3.5
六方BN 2.3
六方BN// 2.3
第七章 陶瓷基复合材料
6.1陶瓷基复合材料的基体与增强体 6.1.1陶瓷基复合材料的基体-陶瓷材料
陶瓷基材料具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀的优点，但脆性大，增韧是研究重点 陶瓷材料中的化学键：一般为介于共价键和离子键间的混合键。 一般由电负性表征其与离子键或共价键的接近程度（离子键或共价键的比例） 陶瓷中离子键比例的计算经验公式：
AlN
3.26
TiB2
4.5
TiC
4.9
TiN
5.4
MoSi2
6.25
t-ZrO2
6.1
m-ZrO2 5.55
Mullite 2.8
2.50 约2500 1900 2450 约3000 2300 2980 3070 3090 2100 2400 1850
弹性模 量/MPa
390 440 300 440 45 70 320 570 450 400 240 150
泊松比
0.23 0.15 0.22 0.18 0.25 0.11 0.18 0.17 0.3 0.24
比热容 /J.(g.K)-
1
1.25 1.25 1.25 2．11 2 1.1 1.23 0.85 0.85 0.56 0.7 1
热导率 /W.(m.K )-1
6.0 40 15 5 21 14 50 25 30 约30 20 1～2 1～2 5
PAB
1-
exp[
1 4
(xA
xB
)2 ]
xA xB差值愈大，离子键愈强，反之，共价键的比例愈大
wenku.baidu.com
xA xB时，则成完全的共价键
表6-1 元素的电负性
脆化原因：共价键，位错在共价键中移动的派纳力大。 陶瓷的屈服强度约E/30,金属约E/1000；
常见陶瓷的离子性与共价性的比例
材料
电负性差 离子键性比例 共价键性比例
1）结构陶瓷基复合材料，用于制造各种受力零部件。 2）功能陶瓷基复合材料，具有各种特殊性能（如光、电、磁、热、 生物、阻尼、屏蔽等）。 2．按增强材料形态分类 1）颗粒增强陶瓷基复合材料。 2）纤维（晶须）增强陶瓷基复合材料。 3）片材增强陶瓷基复合材料。
颗粒增强体按其相对于基体的弹性模量大小，可分为两类：
陶瓷材料中的硅酸盐结构较为复杂，其普遍特点是存在[SiO4]4-结构 单元，重要的有锆英石和橄榄石，见图6-2、6-3。
图6-2 锆英石结构
图6-3镁橄榄石结构
硅酸盐晶体根据[SiO4]-4的连接方式，可分为五种结构类型，见表6-2。
表6-2硅酸盐晶体结构类型
结构类型 岛状 组群状
[SiO4]共用O2
热膨胀 电阻率
系数/10- （25℃）
6K-1
/.m
8.0
>1015
4.5
1
3
-
5.5
0.5
-
-
7.5
1011
0.8
-
6
21012
5.5
10-3
8.5
10-4
8.5
510-5
8.5
210-3
12
-
15
-
5.5
-
6.1.2陶瓷基复合材料的增强体 陶瓷基复合材料的增强体通常也称增韧体，一般有三种： 纤维（长、短） 晶须 颗粒。
延性颗粒：主要通过第二相粒子的加入在外力作用下产生一定的塑形变形 或沿晶界滑移产生蠕变来缓解应力集中，达到增强增韧的效果，如一些金 属陶瓷、反应烧结SiC、SHS法制备的Ti/Ni复合材料等均属此类；
其制备工艺见第二章。 用于陶瓷基复合材料的纤维主要有碳纤维、玻璃纤维和硼纤维等，
其中碳纤维的应用较多。纤维表面涂有一层保护膜，一方面自身保护， 另一方面增强与基体的连接。硼纤维既属于多相，又是无定型。因它是 将无定型硼沉积在W丝或C丝上形成的。无定型硼纤维的强度下降到晶 体硼的一半左右。 晶须为一定长径比（长30～100微米，直径0.3～1微米）的单晶体，常 用晶须有SiC、Al2O3、Si3N4等。颗粒的增韧效果比不上纤维和晶须， 常见的颗粒有SiC、Si3N4等。
CaO MgO ZrO2 Al2O3 ZnO ZrO2 TiN Si3N4 BN WC SiC 2.5 2.3 2.1 2.0 1.9 1.7 1.5 1.2 1.0 0.8 0.7 0.79 0.73 0.67 0.63 0.59 0.51 0.43 0.30 0.22 0.15 0.12 0.21 0.27 0.33 0.37 0.41 0.49 0.57 0.70 0.78 0.85 0.88