《陶瓷基复合材料》PPT课件

▪ 而用颗粒作为增韧剂，制作颗粒增韧陶瓷基复合
材料，其原料混合均匀化及烧结致密化都比短纤
维及晶须简便易行。
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5. 4 短纤维＼晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料
▪ 3.颗粒增韧陶瓷基复合材料
▪ 因此，尽管颗粒的增韧效果不如晶须与纤维， 但如颗粒种类、粒径、体积分数及基体材料选 择得当，仍有一定韧化效果，同时会带来高温 强度、高温蠕变性能的改善。所以，颗粒增韧 陶瓷基复合材料同样受到重视。
▪
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5. 4 短纤维＼晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料
▪ 对Al2O3基复合材料，随SiCw体积分数的增加单
调上升；
▪ 而对Zr02基体，在10％(体积分数)SiCw时弯曲
强度出现峰值，随后有所下降，但仍高于基体强 度。这是由于SiC体积分数高时造成热失配过大， 同时致密化困难引起密度下降，从而界面强度降 低，使得复合材料强度下降。
▪ 使用得较为普遍的晶须是SiC、A1203和
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5. 2陶瓷基复合材料中常用的增强体及特性
▪ 陶瓷材料中另一种增强体为颗粒。颗粒的增
韧效果虽不如纤维和晶须，但用颗粒增强的陶
瓷基复合材料，各向同性，同时如果颗粒的种
类、粒径、含量及基体材料选择适当，仍会有
一定的增韧效果，所以，颗粒增韧复合材料同
▪ 界面强度过低，则晶须拔出功减小，对韧化和强化都
不利，因此界面结合强度应有一个最佳值。
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5. 4 短纤维＼晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料
▪ 3.颗粒增韧陶瓷基复合材料
▪ 晶须与短纤维相比，具有一定的长径比，因
此复合材料的制备过程，当晶须体积分数较高时， 由于其桥架效应而使致密化变得困难，导致性能 下降。
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5. 3纤维增强陶瓷基复合材料
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（2)三维多向排布纤维增韧陶瓷基复合材料。
▪ 要求构件在三维方向上甚至更多维数方向上均有较
高的性能，因而产生了三维多向及三维以上多维多 向编织纤维增韧陶瓷基复合材料。
▪ 这种材料的研究与应用最初是从航天用C／C复合
材料开始的。现已发展到三向石英/石英等陶瓷基
复合材料。
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5. 3纤维增强陶瓷基复合材料
图7-17为三向正交C／C纤维编 织结构示意图。它是按直角坐 标将多束纤维分层交替编织而 成，由于每束纤维呈直线伸展 ，不存在相互交缠和挠曲，因 而使纤维足以充分发挥最大的 结构强度。
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陶瓷基复合材料 L Company ogo
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5.1陶瓷基复合材料分类
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▪ 陶瓷基复合材料，通常根据增强体分成两类：连续纤维
增强的复合材料和不连续纤维增强的复合材料，如图7-11 所示。
▪ 其中，连续纤维增强的复合材料包括一维方向、二维
方向和三维方向纤维增强的复合材料，也包括多层陶
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5. 4 短纤维＼晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料
▪ 图7-20及图7-2l给出Zr02[2％(摩
尔)Y203]+SiCw及Al2O3 +SiCw陶瓷复合材料 的性能与SiCw体积分数之间的关系，可以看出两 种复合材料弹性模量、硬度及断裂韧性随着SiCw 体积分数增加而提高。
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5. 4 短纤维＼晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料
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5. 4 短纤维＼晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料
▪ SiC晶须增韧陶瓷基复合材料的强韧化机理大体与 纤维增韧陶瓷基复合材料相同，即主要靠晶须的拔 出，桥连与裂纹转向机制对强度和韧性的提高产生 突出贡献。图7-22给出晶须增韧机制示意图。
方向上的性能优于垂直加压面方向上的性能。
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5. 4 短纤维＼晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料
▪ 图7-18给出了C纤维增
韧玻璃陶瓷复合材料中
短纤维的分布示意图。
另外，在制备过程中也
可使短纤维实现定向排
列，如采用流延成型法
可使纤维实现取向排列。
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1.纤维、颗粒弥散增强陶瓷基复合材料
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1.纤维、颗粒弥散增强陶瓷基复合材料
颗粒弥散增强复合材料
▪ 这种复合材料各向同性，制
备及加工方法简单，加入颗
粒可以根据需要改善基体的
力学性能或物理性能。图7-
29给出ZrO2P／A1203复合 材料的显微组织，其中白色
粒子子分布为在ZrAO12P2，03小晶的粒Z内r0部2粒，
大的Zr02粒子分布在A1203
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5. 4 短纤维＼晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料
▪ 研究结果表明，对拔出桥连 机制，晶须的拔出长度存在一
个临界值LP 。
▪ （1）当晶须的某一端距主裂纹
距离小于这一临界值时，则晶
须从此端拔出，此时，拔出长
度≤临界拔出长度LPO；
▪ （2）如果晶须的两端到主裂纹
的距离均大于临界拔出长度时
瓷复合材料；不连续纤维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SiN4
中等轴晶的基体中分布一些晶须状-SiN4晶粒可起到
增强效果。
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5.1陶瓷基复合材料分类
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5.5陶瓷基复合材料的显微组织
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▪ 由于增强体形状的不同，因此，陶瓷基复合材料显
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1.纤维、颗粒弥散增强陶瓷基复合材料
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（3）短纤维(晶须)增韧复合材料
▪ 短纤维增韧复合材料既有颗粒增韧复合材料 那样简单的制备工艺，又在一定程度上保留了 长纤维复合材料性能上的特点，因而，近年来 发展很快。其中以晶须作为增韧体的复合材料 的研究倍受重视。
▪ SiC晶须是使用最普遍的增韧体。目前被广
合材料。
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5. 4 短纤维＼晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料
▪ 1.短纤维增韧陶瓷基复合材料
▪
▪ 这种短纤维增强体，在与原料粉末混合时，取向
是无序随机的，但在冷压成型及热压烧结时，短纤 维则由于在基体压实与致密化过程中纤维沿压力方 向转动，导致短纤维沿加压面择优取向。
▪ 因而也就产生了一定程度的各向异性。沿加压面
并非在同一裂纹平面，因而主裂纹沿纤维断裂位置的 不同发生裂纹转向。
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5. 3纤维增强陶瓷基复合材料
▪ 图7-13给出了这类材料断口侧面以
示裂纹转向。这同样会使裂纹扩屈 阻力增加，从而使韧性进一步提高。 综上所述，单向排布长纤维增韧陶 瓷基复合材料中韧性的提高来自三 方面的贡献，即纤维拔出、纤维断 裂及纤维转向。长纤维复合材料的 强度一般用混合定则来表示，即
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5. 3纤维增强陶瓷基复合材料
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▪（2）多向长纤维增强复合材料
▪ 单向纤维增韧陶瓷只是在纤维排列方向上的纵
向性能优越，而横向性能显著低于纵向性能，所 以只适用于单向应力的场合。但许多陶瓷构件则 要求在二维及三维方向上均要求有高性能，而单 向排布纤维增韧陶瓷基复合材料显然不能满足要 求，于是便产生了多向长纤维增韧陶瓷基复合材 料。
晶界上。Zr02粒子对基体起
到相变增韧和裂纹转向韧化
作用。
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5. 3纤维增强陶瓷基复合材料
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▪ 拔出的长度达到某一临界值时(此临界值决定于界面的
结合强度和纤维本身的强度)，纤维发生断裂。因此裂 纹扩展必须克服由于纤维的加入而产生的拔出功及纤 维断裂功，即断裂韧性应表示为
▪ 式W中fp为：纤KI维C为拔复出合功材,W料f强f为度断；裂K功IC。0为际基上体在断断裂裂强过度程；中
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1.纤维、颗粒弥散增强陶瓷基复合材料
(1）长纤维增韧陶瓷基复合材料
（1）纤维定向排布而具有明显的各向异 性
（2）纤维排布纵向上的性能显著高于横 向；
（3）在实际构件中主要使用其纤维排布 方向上的性能；
（4）长纤维复合材料的制备要解决纤维 表面与基体的润湿问题。
（5）必要时纤维表面要进行处理以提高 界面结合质量，同时还必须考虑力学 相容性及热失配问题。
样会得到广泛应用。表7-3列出了四种增强纤
维的性能。
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5. 2陶瓷基复合材料中常用的增强体及特性
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5. 3纤维增强陶瓷基复合材料
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▪ 纤维增强陶瓷基复合材料是改善陶瓷韧性的重要手 段，按纤维在陶瓷基体中排布方式的不同，又可将其 分为纤维单向增强和多向增强复合材料。
微结构各有其特点。图7-27示出复合材料组织模型 图。
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5. 2陶瓷基复合材料中常用的增强体及特性
▪ 陶瓷基复合材料中常用的增强体及特性陶瓷基
复合材料中的增强体通常也称为增韧体。
▪ 从几何尺寸上可将纤维(长、短纤维)分为晶须
和颗粒，常用的纤维增强材料有氧化铝纤维、碳 化硅纤维、氮化硅纤维、碳纤维和有机聚合物先 驱体制备的陶瓷纤维等。
▪ ▪
1.单向长纤维增强复合材料
▪ 单向排布纤维增韧陶瓷基复Βιβλιοθήκη Baidu材料具有各向异性，
即沿纤维长度方向的纵向性能大大高于横向性能。这
种纤维的定向排布是根据实际构件的使用要求确定的
，即主要使用纵向性能，长纤维增韧陶瓷复合材料除
性能的各向异性外，一般具有良好的抗热震性，因而
在航天器放热部件上有广泛的应用前景。
▪ 式中：c为复合材料强度； m为
基体强度； f为纤维的强度；Vf 为纤维的体积分数。由于两相的性 能及界面的性质不同，因此应用此 定则时会有一定偏差，必要时需加 以修正。
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5. 3纤维增强陶瓷基复合材料
▪ 图7-14给出了纤维增韧
玻璃复合材料的断裂功及 弯曲强度随纤维体积分数 的变化。可以看出，随纤 维体积分数的增加，断裂 功及强度都显著提高。
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5. 3纤维增强陶瓷基复合材料
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▪ 图7-12给出了这种材料中裂纹平面垂直于纤维时的
裂纹扩展示意图。当裂纹扩展遇到纤维时，裂纹受 到阻碍，欲使裂纹继续扩展必须提高外加应力。随 着外加应力水平的提高，由于基体与纤维界面脱粘， 且纤维的强度高于基体的强度，开始产生纤维的拔 出。
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▪ 图7-31示出SiCw／
ZrO2 复合材料的显
微组织，由于是采用
热压方法制备，所以
晶须的排列有一定的
择优取向。
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5. 4 短纤维＼晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料
▪ 图7-19为复合材料断裂功
与碳纤维体积分数之间的关 系。可以看出：在适当的纤 维体积分数时，复合材料的 断裂功有显著提高；并且当 纤维取向排布时，可在高纤 维体积分数时得到更高的断 裂功，而无序分布时，峰值 较小，且峰的位置左移。
，晶须拔出过程中产生断裂，
断裂位置在临界拔出长度范围
内，所以，此时也有：拔出长
度≤临界拔出长度LPO 。
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5. 4 短纤维＼晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料
▪ 界面结合强度直接影响复合材料的韧化机制与韧化效 果。
▪ 界面强度过高，晶须将与基体一起断裂，限制晶须的
拔出，因而减小了晶须拔出对韧性的贡献，但界面结合 强度的提高有利于转移载荷，因而提高了强化效果；
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5. 4 短纤维＼晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料
▪ 2.晶须增韧陶瓷基复合材料
▪ 近年来晶须代替短纤维增韧陶瓷基复合材
料发展很快并取得了很好的韧化效果。陶瓷晶
须目前常用的是SiC、Al2O3和Si3N4晶须。
基体常用的有Al2O3 、Si3N4、ZrO、SiO2
和莫来石等。
泛应用的材料有SiCw／ZrO2、SiCw／A1203、
SiC／Si3N4、SiCw／Si02等。
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5. 4 短纤维＼晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料
1▪ .短纤维增韧陶瓷基复合材料
▪
▪
这种复合材料的制备工艺是将长纤维剪切
短(<3mm)，然后分散并与基体粉末混合均匀
后，再用热压烧结的方法即可制得高性能的复
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5. 3纤维增强陶瓷基复合材料
▪ (1)二维多向排布纤维(纤维
布)增韧陶瓷基复合材料。
▪ 这种复合材料中纤维的排
布方式有两种。一种是将纤 维编织成纤维布，浸渍浆料 后根据需要的厚度将若干层 或单层进行热压烧结成型 (图7-15)。这种材料在纤维 排布平面的二维方向上性能 优越，而在垂直于纤维排布 面方向上的性能较差。