Cha7陶瓷基复合材料3-4
陶瓷基复合材料及其应用
陶瓷基复合材料及其应用陶瓷基体是陶瓷基复合材料的主要组成部分，常见的陶瓷基体有氧化铝、硼化硅、碳化硅等。
这些陶瓷基体具有高硬度、高强度和高抗磨损性能，可以提供复合材料的基本力学性能。
增强材料常用的有碳纤维、陶瓷纤维等。
这些增强材料可以增加复合材料的强度和韧性，提高其抗拉、抗弯和抗冲击等性能。
1.机械工程领域：陶瓷基复合材料具有优异的耐磨损性能和高温强度，因此在机械零部件的制造中得到广泛应用。
例如，在汽车制动系统中使用的陶瓷基复合材料制动片，可以提供更好的制动效果和更长的使用寿命。
2.航空航天领域：陶瓷基复合材料具有低密度和高温性能优异的特点，可以用于制造航空发动机的叶片、涡轮和导向叶片等关键部件。
这些材料可以在高温条件下提供更好的性能和更长的使用寿命。
3.化工工业领域：陶瓷基复合材料具有优异的耐腐蚀性能，可以在强酸、强碱和高温环境下使用。
因此，在化工工业中常用陶瓷基复合材料制造化工设备，如塔板、泵壳和阀门等。
4.电子和光电领域：陶瓷基复合材料具有优异的绝缘性能和热性能，可以用于制造高温电子器件和光学器件。
例如，在半导体工业中常用陶瓷基复合材料制造高温封装和散热器件。
5.医疗器械领域：陶瓷基复合材料具有生物相容性良好的特点，可以用于制造人工关节、牙科种植体和骨修复材料等医疗器械。
这些材料可以提供更好的生物相容性和更长的使用寿命。
陶瓷基复合材料的研究也面临一些挑战和机遇。
其中，陶瓷基体与增强材料之间的界面问题是一个关键问题。
界面的结合强度和界面的耐热性能对陶瓷基复合材料的综合性能有重要影响。
因此，如何控制和改善陶瓷基复合材料界面的性能是目前研究的热点之一、此外，陶瓷基复合材料的制备工艺和成本也是研究的重点之一，如何开发新的制备工艺和提高生产效率是当前的挑战。
总之，陶瓷基复合材料具有广泛的应用领域和重要的研究价值。
随着科学技术的不断进步，相信陶瓷基复合材料在各个领域将有更加广泛的应用和发展。
陶瓷基复合材料行业定义与主要产品
陶瓷基复合材料行业定义与主要产品
陶瓷基复合材料行业主要指的是以陶瓷为基体，结合各种纤维或第二相材料制成的复合材料产业。
这一行业的主要产品包括了以下几类：
1. 氮化硅基复合材料: 氮化硅（Si3N4）是一种高温结构陶瓷，具有优异的耐高温、高强度和刚度特性，同时重量相对较轻且抗腐蚀。
它通常用作陶瓷基复合材料的基体。
2. 碳化硅基复合材料: 类似于氮化硅，碳化硅（SiC）也是一种高温结构陶瓷，同样适用于作为陶瓷基复合材料的基体材料。
3. 颗粒增韧复合材料: 通过在陶瓷基体中引入颗粒状的增韧材料来提高材料的韧性和可靠性。
4. 晶须增韧复合材料: 利用晶须这种针状单晶纤维来增强陶瓷基体的强度和韧性。
5. 层状增韧复合材料: 通过层状结构的设计来实现增韧效果，提高材料的断裂韧性。
6. 连续纤维增韧复合材料: 使用连续的纤维与陶瓷基体复合，纤维的作用是阻止裂纹扩展，从而大幅提升材料的韧性。
这些材料因其独特的性能优势，如耐高温、高强度、轻质和耐腐蚀等，广泛应用于机械、化工、电子技术等领域。
特别是在需要耐高温和耐磨的环境中，例如航空航天、汽车制造、能源生产和加工工业等高技术领域，陶瓷基复合材料发挥着至关重要的作用。
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
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CC复合材料加工经验分享
陶瓷基C/C复合材料加工经验分享航天四院李斌斌1 SiC纤维预浸体精密切片普通碳纤维预浸体已经有相对成熟的切片工艺。
对SiC纤维来讲，由于纤维的高硬度，使得普通的切片刀具快速磨损钝化。
这类切片，一般由镀金刚石的微型锯片旋转切割实现，预浸体附着在含真空吸附功能的床体上。
为了提高切割速度，减小切割力，机床配备了超声辅助震动。
但是，依赖传统机械加工的切片容易造成卷边和纤维破坏的问题。
2 致密件的加工工艺，致密件的加工主要包括切边、钻孔、三维成型和微槽成型。
2.1 精密修边CMC器件雏形往往需要精密切边以实现配合所需的精度。
在材料加工过程中，需要将平板CMC加工成疲劳及拉伸测试件等。
CMC的厚度一般在6mm以内，少数超过10mm。
切边的主要质量要求是：加工的一致性，如宽度的加工误差分布；加工上下表面完整性，有无崩边剥落；有无微裂纹和热影响区；加工面的粗糙度如何；加工速度如何；成本如何等。
目前主要依靠金刚石刀具磨削进行精密切边，包括一些大的圆弧，采用成型磨具磨削成型。
其优点是尺寸可以精确控制，磨削面光洁度较好。
缺点是刀具磨损严重，导致加工一致性较难控制；此外，很难完全避免上下面的崩口现象。
水刀利用高速磨粒冲击实现切割，常规分辨率在0.5mm以上，切缝往往高达1mm。
优点是切割速度和深度能力好，缺点是容易造成材料的撕裂和表面崩口，并容易造成切口附近区域的损伤。
总体上，目前的水刀技术不宜用于精密CMC修边，但可以用于粗加工。
微细水刀或许可以提供新的可能性。
美国福禄微细水刀的分辨率可以达到80~200μm，目前已经在军工系统应用，但该项技术对国内出口禁运。
国内水刀厂家目前只有普通水刀技术，电火花加工用成型工具和工件间的放电热效应实现去除加工。
CMC有微电导性，可以实施EDM。
国外尝试过增加CMC导电性以更好地使用EDM工艺。
对精密修边来讲，EDM技术可以使用，但速度偏慢。
普通超声加工依靠工具高频振动带动磨粒去除材料。
纤维增强陶瓷基复合材料的制备工艺
纤维增强陶瓷基复合材料的制备工艺纤维增强陶瓷基复合材料因其卓越的力学性能和高温稳定性而在航空航天、汽车、能源等领域得到广泛应用。
制备这种复合材料的方法有很多，以下是其中几种常见的制备工艺：一、预制法预制法是一种制备纤维增强陶瓷基复合材料的方法，其基本步骤包括制备增强纤维预制体、浸渍陶瓷基体材料和烧结或热压等。
在预制法中，增强纤维预制体的制备是关键步骤之一。
根据所需的形状和尺寸，可以采用不同的编织技术，如机织、针织、非织造等方法制成预制体。
增强纤维的选择也至关重要，常用的有玻璃纤维、碳纤维、氧化铝纤维等。
浸渍陶瓷基体材料是将增强纤维预制体浸入陶瓷基体溶液中，使其均匀涂覆在纤维表面。
这一步可以借助浸渍、涂刷或喷涂等方法实现。
陶瓷基体材料的选择应与增强纤维相容，并具有高温稳定性、良好的力学性能和化学稳定性。
最后一步是烧结或热压，通过控制温度和压力，使陶瓷基体与增强纤维紧密结合在一起，形成致密的复合材料。
烧结或热压的条件应根据陶瓷基体和增强纤维的特性进行选择，以确保最佳的结合效果。
预制法的优点在于可以制备形状复杂的复合材料，适用于制备大型部件。
同时，增强纤维预制体的可设计性较高，可以根据实际需求调整纤维的排列和密度，从而优化复合材料的性能。
然而，预制法也存在一些局限性，如增强纤维预制体的制备较为复杂，且陶瓷基体与增强纤维之间的界面结合强度可能较低。
为了提高预制法纤维增强陶瓷基复合材料的性能，可以采取一些措施，如优化增强纤维预制体的制备工艺、选择合适的陶瓷基体材料和优化烧结或热压条件等。
此外，对界面进行改性处理也是提高复合材料性能的有效途径，如采用偶联剂、涂层等方法改善界面结合强度。
二、直接法直接法是一种将增强纤维直接混合到陶瓷基体中的制备工艺。
直接法是一种制备纤维增强陶瓷基复合材料的方法，其基本原理是将增强纤维直接与陶瓷基体材料混合在一起，然后通过热压或注射成型等方法制成复合材料。
在直接法中，首先将增强纤维（如碳纤维、玻璃纤维等）与陶瓷粉末混合在一起，形成均匀的混合物。
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。
《陶瓷基体复合材料》课件
溶胶-凝胶法
总结词
通过溶胶-凝胶转变过程制备陶瓷材料的方法。
详细描述
溶胶-凝胶法是一种制备陶瓷材料的方法。它通过将前 驱体溶液（通常为金属醇盐或无机盐）与适当的溶剂 混合，形成均匀的溶胶，然后经过凝胶化过程形成凝 胶。在凝胶化过程中，前驱体分子间的相互作用导致 形成三维网络结构，最终经过干燥和热处理得到所需 的陶瓷材料。溶胶-凝胶法可以制备出高纯度、高均匀 性的陶瓷材料，但需要严格控制制备过程中的温度、 浓度等参数。
除污染物和杂质。
催化剂载体
陶瓷基体复合材料可作为催化剂 载体，用于废气处理和工业废水 处理等领域，能够有效降低污染
物排放和提高处理效率。
热能回收
陶瓷基体复合材料具有高热导率 和耐高温性能，可用于制造高效 热能回收装置，将工业余热转化 为可利用的能源，实现能源的循
环利用。
05
CATALOGUE
陶瓷基体复合材料的研究展望
界面优化
改善陶瓷基体与增强相之 间的界面结合强度，提高 复合材料的整体性能。
工艺参数优化
通过调整制备工艺参数， 如温度、压力、时间等， 优化陶瓷基体复合材料的 组织结构和性能。
应用领域的拓展
航空航天领域
利用陶瓷基体复合材料的高温性能和轻量化特点，拓展其在航空 航天领域的应用。
能源领域
利用陶瓷基体复合材料的优异热稳定性和耐腐蚀性，拓展其在能 源领域的应用，如燃气轮机、核反应堆等。
能源
用于制造燃气轮机叶片、核反 应堆的屏蔽层等。
化工
用于制造耐腐蚀、高温的管道 、反应器等。
陶瓷基体复合材料的发展历程
20世纪40年代
玻璃纤维增强陶瓷基复合材料的出现，主要 用于航空航天领域。
20世纪70年代
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料沈卫平一、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。
颗粒增韧陶瓷基复合材料的弹性模量和强度均较整体陶瓷材料提高但力–位移曲线形状不发生变化而纤维陶瓷基复合材料不仅使其弹性模量和强度大大提高而且还改变了力–位移曲线的形状（图）。
纤维陶瓷基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。
图–陶瓷基复合材料的力–位移曲线表–不同金属、陶瓷基体和陶瓷基复合材料的断裂韧性比较材料整体陶瓷颗粒增韧相变增韧AlBBOBBSiCAlBBOBBTiCSiBBNBBTiCZrOBBMgOZrOBBYBBOB BZrOBBAlBBOB断裂韧性MPamPP~~~~~~裂纹尺寸大小,m~~~~~~表–不同金属、陶瓷基体和陶瓷基复合材料的断裂韧性比较材料晶须增韧纤维增韧SiCAlOSiC硼硅玻璃SiC锂铝硅玻璃铝钢断裂韧性MPamPP~~~~~裂纹尺寸大小,m~二、陶瓷基复合材料的制备工艺、粉末冶金法原料（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。
关键是均匀混合和烧结过程防止体积收缩而产生裂纹。
二、陶瓷基复合材料的制备工艺、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采用了浆体（湿态）法制备陶瓷基复合材料。
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。
这可通过调整水溶液的pH值来实现。
对浆体进行超声波震动搅拌则可进一步改善弥散性。
弥散的浆体可直接浇铸成型或热（冷）压后烧结成型。
适用于颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料（图）。
采用浆体浸渍法可制备连续纤维增韧陶瓷基复合材料。
纤维分布均匀气孔率低。
图–浆体法制备陶瓷基复合材料示意图、反应烧结法（图）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：增强剂的体积比可以相当大可用多种连续纤维预制体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。
《复合材料概论》心得与总结
《复合材料概论》心得与总结卫琦 1306030118通过学习《复合材料概论》，我了解了复合材料的命名、分类以及复合材料的基本性能。
复合材料的基体材料有四种：金属材料、无机胶凝材料、陶瓷材料、聚合物材料。
了解了碳纤维的优点以及碳纤维在生活中被广泛的应用。
以及对聚合物基复合材料，金属基复合材料，陶瓷基复合材料的了解。
以下是我对一些知识点的总结。
第一章总论一、复合材料定义：复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料；在复合材料中通常有一个相为连续相，称为基体，另一相为分散相，称为增强材料。
二、复合材料的分类1．按增强材料形态分类（连续纤维复合、短纤维复合、颗粒复合、编织复合）2．按增强材料纤维种类分类（玻璃纤维、碳纤维、有机纤维、金属纤维、陶瓷纤维、混合）3．按基体材料分类（聚合物基、金属基、无机非金属基）4．按材料作用分类（结构复合材料、功能复合材料）三、复合材料的基本性能1．可综合发挥各组成材料的优点2．可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造（最大特点！）3．可制成所需的任意形状的产品四、复合材料结构设计的三个结构层次①：一次结构：指由基体和增强材料复合而成的单层材料②：二次结构：指由单层材料层合而成的层合体③：三次结构：指通常所说的工程结构或者产品结构第二章复合材料的基体材料复合材料的基体材料有以下四种：①：金属材料主要包括铝及铝合金、镁合金、钛合金、镍合金、铜与铜合金、锌合金、铅、钛铝、镍铝金属间化合物等无机胶凝材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等陶瓷材料主要包括玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷聚合物材料主要包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及各种热固性/热塑性聚合物。
第三章复合材料的增强材料一、增强材料的定义：在复合材料中，凡事能基体材料力学性能的物质，均称为增强材料。
二、玻璃纤维的分类：1．以玻璃原料成分分类：无碱玻璃纤维（E玻纤）；中碱玻璃纤维；有机玻璃纤维（A玻璃）；特种玻璃纤维。
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。
陶瓷基复合材料的分类陶瓷基复合材料的韧化机理纤维拔出、界面解离、裂纹偏转、纤维桥联。
（相变增韧，微开裂）陶瓷基复合材料的制备方法常压烧结、热压、热等静压、高温自蔓延合成（SHS）、原位生长、化学气相浸渗（CVI）、聚合物浸渗与分解（PIP）、熔体浸渗(MI)等复合材料。
其中某些方法只适用于特定复合材料，像化学气相浸渗主要用于连续纤维增强复合材料。
陶瓷基纳米复合材料中：Si3N4/BN(n)系纳米复合材料的特性①即使是强度低的BN分散，复合材料的强度也不降低。
和通常的复合材料的预期相反，体积分数为5%- 10%BN的添加，可使Si3N,强度有所增加.②BN的热膨胀很大，但复合材料的热膨胀不但不增加反而减小；③弹性模量按照一般的复合法则减小。
基于上述特性的变化，这种复合材料可以承受从1600oC的高温迅速投入水中的热振试验。
这样的材料是从未有过的 这种材料的最大特性是它和金属一样，可表现出机械加工性能。
而且这种体系的纳米复合材料，在具有良好高温强度的同时，还具有优良的耐熔融金属的腐蚀性.。
陶瓷基复合材料-无损检测
制造工艺与流程
制造工艺
主要包括粉末制备、成型、烧结等工 艺。
制造流程
原料选择与制备→混合→成型→烧结 →后处理→性能检测。
应用领域与前景
应用领域
航空航天、汽车、能源、电子等领域。
前景
随着科技的发展，陶瓷基复合材料的应用领域将不断扩大，未来有望在更多领 域得到应用。
02
无损检测技术简介
无损检测的定义与重要性
现更准确的缺陷定位和定量分析。
复杂结构陶瓷基复合材料的检测
总结词
详细描述
对于复杂结构陶瓷基复合材料，如多层结构、 夹杂物和纤维增强等，无损检测技术面临更 大的挑战。
对于复杂结构陶瓷基复合材料的无损检测， 可以采用多种检测技术相结合的方法，如超 声检测与射线检测或红外检测的组合。同时， 针对不同结构和材料特性，开发专用的检测 设备和方法，以提高检测的可靠性和准确性。
利用X射线或γ射线对材料进行穿 透，通过检测穿透后的射线强度
来检测材料内部缺陷。
超声检测
利用超声波在材料中传播的特 性，通过分析反射、折射和散 射的回波信号来检测材料内部 缺陷。
红外检测
利用红外辐射对材料进行热成 像，通过分析材料表面的温度 分布来检测内部缺陷。
电磁检测
利用电磁原理对材料进行磁化 或涡流检测，通过分析材料的 磁性或导电性能来检测内部缺
射线检测
总结词
射线检测利用X射线或γ射线穿透材料 的特性，通过分析透射或散射的射线 强度，判断材料内部是否存在缺陷。
详细描述
射线检测具有较高的检测精度和分辨 率，能够检测出微小的缺陷。然而， 射线检测需要使用放射性物质，对环 境和人体有一定影响，且设备成本较 高。
磁粉检测
陶瓷基复合材料的性能
5.3 陶瓷复合材料的高温力学性能
5.3.1 高温断裂韧性
5.3 陶瓷复合材料的高温力学性能
5.3.2 蠕变性能
5.3 陶瓷复合材料的高温力学性能
5.3.2 蠕变
5.3 陶瓷复合材料的高温力学性能
5.3.2 热冲击性（热震性）
名称 Vf 复合方式 杨氏模量，GPa
(%)
实验值 预测值
LAS 0
-
86
LAS-1 46 单向 133
143
LAS-2 46 单向 130
143
LAS-2 44 单向 136
141
LAS-1 50 交叉 118 LAS-3 40 三维编织 79-111
碳化硅纤维的弹性模量 Ef = 210 GPa
5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能
5.2.2 压缩与弯曲强度 碳化硅纤维增强锂铝硅玻璃陶瓷复合材料的载荷-位移曲线。 压缩强度为 96.8 MPa，压缩弹性模量为 56.6 Gpa。
图 5-8 SiC纤维增强LAS-I玻璃陶瓷的载荷-位移曲线
5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能
5.2.3 断裂韧性 碳化硅纤维增强锂铝硅玻璃陶瓷复合材料的断裂韧性随纤
第五章 陶瓷基复合材料的性能
5.1 陶瓷材料力学性能测试
5.1.1 弯曲试验
第五章 陶瓷基复合材料的性能
5.1 陶瓷材料力学性能测试
5.1.2 拉伸或 弯曲试验源自5.1 陶瓷材料力学性能测试
5.1.3 应力-应变曲线
5.1 陶瓷材料力学性能测试
5.1.3 应力-应变曲线
5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能
5.2.4 影响因素 颗粒粒径
5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能
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CVI工艺的主要缺点就是生产 工艺时间较长，生产成本较大。
4) 溶胶--凝胶法和热解法
①溶胶--凝胶法 溶胶--凝胶（Sol-Gel）法是运用胶体化 学的方法，将含有金属化合物的溶液，与增 金属化合物的溶液 强材料混合后反应形成溶胶，溶胶在一定的 强材料 溶胶 条件下转化成为凝胶，然后烧结成CMC的一 凝胶 种工艺。
② 热解法
热解(Pyrolysis)法就是使聚合物先驱体热 解形成陶瓷基复合材料的方法。
如由聚碳硅烷生产SiC陶瓷基复合材料 聚碳硅烷 中，聚合物一般在热解过程中有较高的陶 瓷产量、低的收缩、好的机械性能，同时 聚合物本身容易制备。 聚合物热解法可用来生产SiCf/SiC和 Si3N4f/SiC等陶瓷基复合材料。
以金属铝为例，在空气或氮气气氛 金属铝 中，主要发生下列反应：
4Al + 3O2 Al + ½ N2
2Al2O3 AlN
一般在这种陶瓷基复合材料制品中， 未发生氧化反应的残余金属量约占 5％ ~ 残余金属量 30％。 可以用来这种方法制造高温热能量交 换器的管道等部件，具有较好的机械性能 管道 (强度、韧性等)。
① CVD法
CVD法就是利用化学气相沉积技术， 化学气相沉积 通过一些反应性混合气体在高温状态下反 应，分解出陶瓷材料并沉积在各种增强材 料上形成陶瓷基复合材料的方法。 陶瓷基复合材料
② CVI法
将化学气相沉积技术运用在将大量陶瓷 材料渗透进增强材料预制坯件的工艺就称 进增强材料预制坯件 为化学气相渗透工艺。 化学气相渗透工艺
浆料浸渍工艺可以制得纤维定向排列、 浆料浸渍工艺 低孔隙率、高强度的陶瓷基复合材料。它可 陶瓷基复合材料 以用在C、Al2O3、SiC和Al2O3.SiO2纤维增强 玻璃、玻璃陶瓷和氧化物陶瓷的制造工艺中。 这种工艺的主要缺点是要求基体有较高 主要缺点 的熔点或软化点。 的熔点或软化点
(2) 新型工艺介绍
第4节 陶瓷基复合材料界面
界面的定义：两相（增强相与基体）的界面是一个表 面，通过这个表面材料的性能，如原子晶格、密度、 弹性模量、热膨胀系数、拉伸强度、断裂韧性等都有 明显的不连续性。
溶胶--凝胶法和热解法生产CMC的优点： ①、容易控制复合材料的组分，无论是 溶胶还是聚合物先驱体都比较容易渗透到纤 维中； ②、最后成型时的温度较低。
溶胶--凝胶法和热解法生产CMC的缺点： ①、在烧结时会产生较大的收缩； 较大的收缩 ②、收率较低。 收率较低
5) 自蔓燃高温合成法
自蔓燃高温合成(self-propagation high temperature synthesis )法就是利用高效的 热反应使化学反应自发进行下去，最后生 使化学反应自发进行下去 成所需要的产品。
①在整个操作过程中，纤维必须经仔 细处理，避免损伤纤维表面。 细处理 ②拉力影响浆料浸渍纤维的能力，太 拉力 浆料浸渍纤维 强的拉力会导致纤维破坏。
③在加工过程中，要尽量减少纤维的 破坏。因为结晶陶瓷的耐火颗粒在与纤维 破坏 的机械接触中会损伤纤维，太高的压力也 损伤纤维 太高的压力 会损伤纤维，还要避免纤维在高温中与基 体的反应。
下图显示了在热压各向同性氧化铝纤 各向同性 维增强玻璃陶瓷基复合材料时，温度和压 力随时间的变化曲线。 时间
温 度 ℃
温度 压力
压 力 / M Pa / M Pa
热压各向同性氧化铝纤维增强玻璃陶瓷基复合材 料时温度、压力随时间的变化曲线
/ / 时间 / min
浆料浸渍工艺非常适合玻璃或玻璃陶 浆料浸渍工艺 瓷基复合材料，因为它的热压温度低于这些 瓷基复合材料 热压温度 晶体基体材料的熔点。 但热压过程中，除了要考虑制品的形状 外，还要考虑的因素包括：
新的制备技术主要指在20世纪70年代 开始发展起来的技术。它包括渗透，直接 渗透 氧化，以化学反应为基础的CVD、CVI， 氧化 CVD CVI 溶胶--凝胶，聚合物热解，白蔓燃高温合成 凝胶 聚合物热解 (SHS)等技术。
1) 渗透法
渗透法就是在预制的增强材料坯件中 使基体材料以固态、液态或气态的形式渗 基体材料 透制成复合材料。其中，比较常用的是液 相渗透。 相渗透
例如增强材料的特性主要有： 增强材料的特性 增强材料具有较高的长径比； 增强材料 长径比 增强材料和基体不同的热膨胀系数； 热膨胀系数 增强材料在基体中排列方式的不同等。 排列方式
2) 热压法
热压是目前制备纤维增强陶瓷基复合 材料(CMCs)最常用的方法，一般把它称为 材料 浆料浸渍工艺。 浆料浸渍工艺 主要用在纤维增强玻璃和纤维增强陶 纤维增强玻璃 瓷复合材料中。
在冷压和烧结法的生产过程中，通常 冷压和烧结 会遇到烧结过程中制品收缩，同时最终产 制品收缩 品中有许多裂纹的问题。 许多裂纹
在用纤维和晶须增强陶瓷பைடு நூலகம்材料进 纤维和晶须 行烧结时，除了会遇到陶瓷基收缩的问 陶瓷基收缩 题外，还会使烧结材料在烧结和冷却时 烧结材料 产生缺陷或内应力。这主要是由增强材 缺陷 内应力 料的特性决定的。 料的特性
另外，加压和抽真空这两种物理方法 加压 抽真空 也可以被用来提高渗透性。 提高渗透性 以这种方法生产陶瓷基复合材料的主 陶瓷基复合材料 要优点是制造工艺是一个简单的一步生产 要优点 过程，可以获得一个均匀的制品。
渗透法的主要缺点
①如果使用高熔点的陶瓷，就可能在陶 瓷和增强材料之间发生化学反应； ②陶瓷具有比金属更高的熔融黏度，因 陶瓷 高的熔融黏度 此对增强材料的渗透相当困难；
④浆料的组成是一个重要方面，包括粉 浆料的组成 体的含量、粉体粒子的大小、黏结剂的种类 和含量、溶剂等，它们都对最终复合材料制 品的性能有所影响。 品的性能
⑤为了减少最终制品的孔隙率，在 孔隙率 热压之前，要设法完全除去挥发性黏结 剂，使用比纤维直径更小的颗粒状陶瓷 基体。
⑥热压操作非常关键，通常是在一个 热压操作 非常窄的操作温度范围，缩短操作时间可 缩短操作时间 以减少纤维的损坏。
以自蔓燃高温合成法制造的耐火部件具 有以下特点： ①很高的燃烧温度(最高可达4000℃以上） 很高的燃烧温度 ②简单、低成本的设备； 简单、低成本的设备 ③ 能很好地控制化学组成，可以制造不 控制化学组成 同形状的产品。
许多陶瓷产品如SiC/Al2O3 TiC/ Al2O3 BN/ Al2O3 TiB2/TiC等都可以用自蔓燃高温合成法 制造； 另外一些金属基的材料也可以用此法生 金属基的材料 产，因此在美国、俄罗斯等一些国家，围绕自 蔓燃高温合成法在不断研制新的产品和技术。
③增强材料和基体在冷却后，由于不 增强材料 基体 同的热膨胀系数会引起收缩产生裂纹。 裂纹 热膨胀系数 因此，为了避免这种情况，要尽量选 用热膨胀系数相近的增强材料和基体。 热膨胀系数相近的
2) 直接氧化法(Lanxide法)
直接氧化法就是利用熔融金属直接与氧 直接氧化法 熔融金属 化剂发生氧化反应而制备陶瓷基复合材料的 化剂 工艺方法。 由于它是由Lanxide公司发明的，所以 又称为Lanxide法。
渗透法类似于聚合物基复合材料制造 渗透法 技术中，纤维布被液相的树脂渗透后，热 压固化。 压固化 二者的差别就是所用的基体是陶瓷， 基体是陶瓷 渗透的温度要高得多。下图是液相渗透工 渗透的温度 艺示意图。
活塞 熔体
预制件
加热棒
液相渗透工艺示意图
由于熔融的陶瓷具有较高的黏度，为 熔融的陶瓷 了提高陶瓷对预制增强材料坯件的渗透， 陶瓷 预制增强材料坯件 通过对增强材料的表面处理，来提高其浸 增强材料的表面处理 渍性，这种提高渗透主要采用化学反应的 方式。 方式
此工艺流程图主要包括以下四个过程： 工艺流程图 四个过程 ①纤维首先通过浆料池； ②浸渍的丝被卷到一个转筒上； ③干燥后被切割并依照一定的要求层状排列； ④固化并加热成型。
其中，浆料池中的浆料由陶瓷粉末、 浆料 陶瓷粉末 溶剂和有机黏结剂组成；另外，再加入一 溶剂 有机黏结剂 些润湿剂，有助于提高纤维在浆料中的浸 润湿剂 润性。
从这两种工艺技术来说，CVD法首先被 开发并应用于一些陶瓷纤维的制造和C/C复 合材料的制备； CVI方法在CVD技术上发展起来并被广 泛应用于各种陶瓷基复合材料。
下图是CVI的工艺示意图，
加热元件 带孔的挡环
热区,1200 ℃ 逸出的气体
热表面 水冷底座 冷表面
渗透的复合材料 纤维预成型体
源气
由于从凝胶转变成陶瓷所需的反应温 凝胶 陶瓷 度要低于传统工艺中的熔融和烧结温度， 熔融和烧结温度 因此，在制造一些整体的陶瓷构件时，溶 胶--凝胶法有较大的优势。
溶胶---凝胶法与一些传统的制造工艺 凝胶法 结合，可以发挥比较好的作用。 如在浆料浸渍工艺中，溶胶作为纤维 浆料浸渍工艺 和陶瓷的黏结剂，在随后除去黏结剂的工 艺中，溶胶经烧结后变成了与陶瓷基相同 溶胶 的材料，有效地减少了复合材料的孔隙率。
第3节 陶瓷基复合材料制造工艺
陶瓷材料的特点决定了工艺的设计与选择
陶瓷基复合材料的加工制造方法
(1)普通工艺介绍 (2) 新型工艺介绍
(1)普通工艺介绍
1) 冷压和烧结法 2) 热压法
1) 冷压和烧结法
传统的陶瓷生产工艺，是将粉末和纤维 冷压，然后烧结。 冷压 烧结
借鉴聚合物生产工艺中的挤压、吹塑、 聚合物生产工艺 挤压 吹塑 注射等成型工艺，为了快速生产的需要， 注射 可以在一定的条件下将陶瓷粉体和有机载 陶瓷粉体 体混合后，压制成型，除去有机黏结剂， 然后烧结成制品。 烧结
自蔓燃高温合成技术一般用于制造系列耐 火材料。 火材料 该技术生产的产品中一般都有较多的孔隙。 较多的孔隙 为了减少孔隙，在燃烧反应结束后，温度 还相当高的情况下，应立即置于较高压力。
自蔓燃高温合成技术中没有外加的热 源，一些用传统方法难以生产的陶瓷化合物 通过急剧升温的高热反应被制造出来。 通过急剧升温的高热反应 如将钛粉和碳黑混合，冷压成型，点 燃，迅速引燃后形成碳化钛。