陶瓷基复合材料讲稿--雷芳2012-10

料各向同性
1.1.2 纤维增强陶瓷基复合材料
在陶瓷材料中，加入第二相纤维制成 复合材料是改善陶瓷材料韧性的重要手段， 按纤维排布方式的不同，又可将其分为单 向排布长纤维复合材料和多向排布纤维复 合材料。
29
(1)、单向排布长纤维复合材料
单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料的显
著特点是它具有各向异性，即沿纤维长度方 向上的纵向性能要大大高于其横向性能。
较疏松，致密度较低，有一定吸水率，断口粗糙无光，
没有半透明性，断面成面状或贝壳状。
1. 普通陶瓷 普通陶瓷即传统陶瓷，是指以粘土为主要原料与其它 天然矿物原料经过粉碎混练、成型、煅烧等过程而制成 的各种制品。 包括日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电 瓷以及其它工业用陶瓷。
普通陶瓷的特点与应用
优越，但它的制备工艺复杂，而且纤维在
基体中不易分布均匀。
因此，近年来又发展了短纤维、晶须 及颗粒增韧陶瓷基复合材料。
49
由于晶须的尺寸很小，从客观上看与
粉末一样，因此在制备复合材料时，只需
室中的管道设备、耐蚀容器及实验器皿
2．特种陶瓷——本章讨论内容 特种陶瓷是用于现代工业及尖端科学技术领域的 陶瓷制品。包括结构陶瓷和功能陶瓷。 结构陶瓷——用于耐磨损、高强度、耐高温、耐 热冲击、硬质、高刚性、低膨胀、隔热等场所。 功能陶瓷——包括电磁功能、光学功能、生物功
能、核功能及其它功能的陶瓷材料。
高温结构陶瓷——高熔点氧化物、碳化物、硼化物、 氮化物、硅化物。 氧化物陶瓷（Al2O3、ZrO2、MgO等） 碳化物陶瓷（SiC、B4C、WC等） 氮化物陶瓷（Si3N4、TiN、BN等） 新型碳化物陶瓷（C3N4等）
硼化物陶瓷（TiB2、ZrB2等）
复合陶瓷（3Al2O3· 2SiO2(莫来石) 等）
基复合材料。
37
(1) 二维多向排布纤维增韧复合材料
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，根据需要的厚度将单层或若干
层进行热压烧结成型，如下图所示：
38
纤维层 基体
纤维布层压复合材料示意图
39
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。 一般应用在对二维方向上有较高性能
例3：氧化铝陶瓷（ Al2O3＋少量SiO2）
根据Al2O3含量可分为刚玉-莫来瓷（75瓷，wAl2O3=75%） 刚玉瓷（95瓷，99瓷）
氧化铝常见的晶体结构有三种：α-Al2O3、β-Al2O3 、γ-Al2O3
γ-Al2O3属于尖晶石型（立方）结构，高温时不稳定， 在1600℃转变为α-Al2O3 ，同时体积收缩13~14.5%。
设备
间歇式热压炉和连续式热压炉；模具材料：结构陶瓷－高强石墨；功能陶 瓷－氮化硅、碳化硅或高温合金等材料
重要参数
热压温度、保温时间、压力、气氛和升降温速率
特点
与无压烧结相比，能降低烧结温度，缩短保温时间，使基体晶粒较细 能获得高致密度、高性能复合材料 材料性能重复性好，使用可靠，控制热压模具尺寸精度能减少复合材料加工余量 缺点：只能制造形状简单的零件；模具消耗大，一次只能单件或少件 烧结，成本较高；由于热压压力方向性，材料性能有方向性
度提高。
44
(3) 三维多向排布纤维增韧陶瓷基复合材料
三维多向编织纤维增韧陶瓷是为了满足
某些情况的性能要求而设计的。 这种材料最初是从宇航用三向C/C复合
材料开始的，现已发展到三向石英/石英等陶
瓷复合材料。
45
下图为三向正交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。
46
普通陶瓷的原料——粘土、石英和长石。
特点——坚硬而脆性较大，绝缘性和耐蚀性极好；
制造工艺简单、成本低廉，用量大。
普通日用陶瓷作日用器皿和瓷器，良好光泽度、透 明度，热稳定性和机械强度较高。
普通工业陶瓷有炻器和精陶。
建筑卫生瓷——装饰板、卫生间装置及器具等；
电工瓷——电器绝缘用瓷，也叫高压陶瓷
化学化工瓷——化工、制药、食品等工业及实验
传统混合和粘合液浸渍
化学合成技术
熔融浸润技术
化学反应形式
8.4.1 热压烧结成型法(Hot-Pressed Sintering )
概念
热压烧结成型是使松散的或成型的陶瓷基复合材料混合物在高温下通过外加 压力使其致密化的成型方法。加压方法为纵向(单轴)加压。热压时导致复合材 料致密化的可能机制是基体颗粒重排、晶格扩散和包括粘滞变形的塑性流动
8.4.2 热等静压烧结成型法(hot isostatic pressing ,HIP)
概念
热等静压烧结成型是通过气体介质将高温和高压同时均匀地作用于复合材 料全部表面使之固结的工艺方法。此工艺获得的陶瓷基复合材料可基本消 除内部气孔，接近理论密度，大大改善制品性能
分类
包封烧结：一般以石英玻璃或硼玻璃、耐高温金属为包封材料。包封前抽 真空加热，排除内部空烧 结体，然后再实施热等静压烧结
从基体中拔出。
当拔出的长度达到某一临界值时， 会使纤维发生断裂。
33
因此，裂纹的扩展必须克服由于 纤维的加入而产生的拔出功和纤维断
裂功，这样，使得材料的断裂更为困
难，从而起到了增韧的作用。
34
实际材料断裂过程中，纤维的断裂并 非发生在同一裂纹平面，这样主裂纹还将
沿纤维断裂位臵的不同而发生裂纹转向。
例1：硼化物陶瓷（硼化铬、硼化钼、硼化钛、硼化钨
和硼化锆） 特点：高硬度, 耐化学侵蚀，熔点1800℃～2500℃。 应用：用于高温轴承、内燃机喷嘴，各种高温器件、处 理熔融非铁金属的器件等。
例2：氮化硅陶瓷——键能高而稳定的共价键晶体。
特点：1、硬度高而摩擦系数低，有自润滑作用，是优良 的耐磨减摩材料； 2、氮化硅的耐热温度比氧化铝低，而抗氧化温度高于 碳化物和硼化物，1200℃以下具有较高的机械性能和化学 稳定性，且热膨胀系数小、抗热冲击。 用途：可做优良的高温结构材料，耐各种无机酸（氢氟酸 除外）和碱溶液浸蚀，优良的耐腐蚀材料。
特点
热等静压主要以均匀外加应力，而不是自由能变化为烧结驱动力，可以在较低
的烧结温度，使用少量添加剂甚至不使用添加剂的条件下获得致密件
低温可防止第二相分解，及与基体或烧结助剂发生反应，可制备性能优异的
陶瓷基复合材料
与无压烧结相比，可降低烧结温度、缩短烧结时间，其致密化程度大大提高
与热压烧结相比，由于热等静压是均匀地将压力作用于材料各个表面，进而材
在实际构件中，主要是使用其纵向性能。
30
在单向排布纤维增韧陶瓷基复合材
料中，当裂纹扩展遇到纤维时会受阻，
这时，如果要使裂纹进一步扩展就必须 提高外加应力。 这一过程的示意图如下：
31
裂纹垂直于纤维方向扩展示意图
32
当外加应力进一步提高时，由于基 体与纤维间的界面离解，同时又由于纤 维的强度高于基体的强度，从而使纤维
合材料即是一种重要方法。
21
1.1.1 陶瓷基复合材料的基体与增强体
(1)．陶瓷基复合材料的基体 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
物而不是单质，所以它的结构远比金属合
金复杂得多。
22
现代陶瓷材料的研究，最早是从对硅 酸盐材料的研究开始的，随后又逐步扩大 到了其他的无机非金属材料。
目前被人们研究最多的是碳化硅、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。
23
(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。 从几何尺寸上增强体可分为纤维
(长、短纤维)、晶须和颗粒三类。
24
8.4 陶瓷基复合材料成型方法
陶瓷基复合材料成型方法
5）离子导电性：太阳能电池材料和蓄电池材料等。
6）生物相容性：还可用于制作人工骨骼和人造关节等。
例4：碳化硅陶瓷——以SiC为主要成分的陶瓷
特点：很高的高温强度，1400℃时抗弯强度仍在500～
600MPa，工作温度可达1700℃；好的热稳定性、抗蠕变 性、耐磨性、耐蚀性，良好的导热性、耐辐射性。
与传统陶瓷相比，现代陶瓷具备了一些特殊性能
(热、机械、化学、电磁、光)。
定义：采用人工精制的无机粉末原料，通过结构设 计、精确的化学计量、合适的成型方法和烧成制度而达 到特定的功能，经过加工处理使之符合使用要求尺寸精
度的无机非金属材料。
2、现代陶瓷分类
按电学性质：绝缘体陶瓷、介电陶瓷、半导体陶
瓷、和导电陶瓷；
现代陶瓷的制备有两大特点：
1）必须经过粉料合成，粉料的原料是高纯度的化学试剂；
2）烧结的相态主要是固相或者只有固相。除烧结法外，也可由 类似于晶体生长的方法制得。
化学试 剂 （原料）
粉料合 成
成 型
烧 结
陶瓷材 料
现代陶瓷制备主要过程
陶瓷基复合材料的种类及基本性能
现代陶瓷材料具有耐高温、耐磨损、
陶瓷基复合材料
雷 芳 电子信息材料系317室 Tel：56385387 E-mail: leif@
1
主要内容
1.1 陶瓷基复合材料的种类及基本性能
1.2 陶瓷基复合材料的成型加工技术 1.3 陶瓷基复合材料的应用
2
二、陶瓷分类
陶瓷按其概念和用途不同，可分为普通陶瓷和特种陶 瓷两大类。 根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷 制品可分为陶器和瓷器。 陶器包括粗陶器、普陶器和细陶器。陶器的坯体结构
耐腐蚀及重量轻等许多优良的性能。 但是，陶瓷材料同时也具有致命的缺
点，即脆性，这一弱点正是目前淘瓷材料
的使用受到很大限制的主要原因。