第7章 陶瓷基复合材料
复合材料 第七章 复合材料的复合原则及界面
另外，对于成分和相结构也很难作出全 面的分析。 因此，这今为止，对复合材料界面的认 识还是很不充分的，不能以一个通用的模型 来建立完整的理论。 尽管存在很大的困难，但由于界面的重 要性，所以吸引着大量研究者致力于认识界 面的工作，以便掌根其规律。
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第三节 复合材料的界面设计原则
界面粘结强度是衡量复合材料中增 强体与基体间界面结合状态的一个指标。 界面粘结强度对复合材料整体力学 性能的影响很大，界面粘结过高或过弱 都是不利的。
的不连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、 电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。
(4)散射和吸收效应
光波、声波、热弹
性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，如透 光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲 击性等。
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(5)诱导效应
一种物质(通常是增强物)
的表面结构使另一种(通常是聚合物基体)与 之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改 变，由此产生一些现象，如强的弹性、低的
14
(3)纤维与基体的热膨胀系数不能相差过 大，否则在热胀冷缩过程中会自动削弱它们 之间的结合强度。
(4)纤维与基体之间不能发生有害的化学
反应，特别是不发生强烈的反应，否则将引 起纤维性能降低而失去强化作用。
15
(5)纤维所占的体积、纤维的尺寸和分布必 须适宜。
一般而言，基体中纤维的体积含量越高， 其增强效果越显著； 纤维直径越细，则缺陷越小，纤维强度也 越高；
制备具有高冲击强度的避弹衣。
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由于界面尺寸很小且不均匀、化学
成分及结构复杂、力学环境复杂、对于
界面的结合强度、界面的厚度、界面的 应力状态尚无直接的、准确的定量分析 方法；
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所以，对于界面结合状态、形态、结 构以及它对复合材料性能的影响尚没有适
第七章陶瓷基体复合材料
连续长纤维增强陶瓷复合材料的韧性、强度和模量都 有不同程度增强，而且制备工艺复杂，不容易均匀分 布。
短纤维（晶须）增强复合材料可以明显改善韧性，但 强度提高不够显著。晶须具有长径比，当其含量较高 时，因其桥架效应而使致密化变得因难，引起了密度 的下降并导致性能的下降。
复合材料的性能与基体的气孔率、界面结合有很大的 关系
二、ห้องสมุดไป่ตู้压烧结法
热压是目前制备纤维增强陶瓷基复合材料最常 用的方法，是压力与温度同时作用于粉体，加 快了粉体的致密化速度，使得产品的致密度更 高，同时晶粒尺寸也更小。主要包括以下两个 步骤：①增强相渗入没有固化的基体中；②固 化的复合材料被热压成型。
f(MPa)
Al2O3+ SiCw
复
SiCw含量（vol%）
SiCw含量（vol%）
合 材
维 氏
料
硬
弹 性
的
度
力
模 量
E(GPa)
学
性
能
SiCw含量（vol%）
从上面的讨论知道，由于晶须具有长 径比，因此，当其含量较高时，因其桥架 效应而使致密化变得因难，从而引起了密 度的下降并导致性能的下降。
氮化硅是一种出色的耐腐蚀材料，可用作坩锅， 热电欧保护管，金属冶炼炉的内衬材料。有极高 的热稳定性和中等的机械强度，可以用作火箭喷 嘴、导弹发射台和尾气喷管以及燃气轮叶片。
氮化硅原子自扩散系数非常小，制备难，近年来 人们开始研究添加氧化铝形成的氮化硅固溶体形 成Sialon陶瓷（赛隆，含有Si、Al、O、N四种元 素）。
工业陶瓷中碳化硅有黑色和绿色两种，黑色是碳过 量，绿色是硅过量
2）氮化硅陶瓷
氮和硅的唯一化合物。有α 、β 两中晶型，α 属于低 温型，在1400～1600℃时转变为β型（高温稳定型）。 两种变体均属于六方晶系，但c方向上α 型晶格常数 β型的2倍。两种晶型密度很相近，相变时几乎不发 生体积变化 。理论密度为3.184g/cm3，布氏硬度99 级，分解温度1900℃，α型膨胀系数为3.0×10-6/℃, β 型热膨胀系数为3.6×10-6/℃。20℃时电阻率为 1013~14Ω∙cm。机械强度高，尤其是高温机械强度。 化学稳定性好，抗氧化能力强
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。
工制备艺浆体浸渍-热压法适用于长纤维。
首先把纤维编织成所需形状，然后用陶瓷泥浆浸渍，干燥后进行烧结。
优点是加热温度较晶体陶瓷低，层板的堆垛次序可任意排列，纤维分布均匀，气孔率低，获得的强度较高。
缺点则是不能制造大尺寸的制品，所得制品的致密度较低，此外零件的形状不宜太复杂，基体材料必须是低熔点或低软化点陶瓷。
晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工与制备晶须与颗粒的尺寸均很小，只是几何形状上有些区别，用它们进行增韧的陶瓷基复合材料的制造工艺是基本相同的。
基本上是采用粉末冶金方法。
制备工艺比长纤维复合材料简便很多。
所用设备也不复杂设备。
过程简单。
混合均匀，热压烧结即可制得高性能的复合材料制造工艺也可大致分为配料-成型-烧结-精加工等步骤。
直接氧化沉积法方法：将纤维预制体置于熔融金属上面，添加有镁、硅添加剂的熔融金属铝，在氧化气氛中，不断地浸渍预制体，在浸渍过程中，熔融金属或其蒸汽与气相氧化剂反应生成氧化物。
随着时间的延长，边浸渍边氧化，最终可制得纤维增强CMC。
优点：纤维几乎无损伤、纤维分布均匀、CMC性能优异，工艺简单、效率高成本低先驱体热解法方法：将单独合成的先驱体，通过加温调节其粘度，在高压-真空联合作用下使其浸入并充满多向纤维编织坯件的空隙，在高温下使先驱体热解。
第7章陶瓷基复合材料
利用t-ZrO2m-ZrO2的马氏体相变，可以用来增韧陶瓷材料，即 氧化锆增韧陶瓷材料（ZTC）。
ZrO2陶瓷的特点是呈弱酸性或惰性，导热系数小（在100~1000℃ 范围内，导热系数=1.7~2.0W/(mK)，其推荐使用温度为2000~2200℃， 主要用于耐火坩埚、炉子和反应堆的绝热材料、金属表面的热障涂层等。
20~40 － －
5、碳化硅陶瓷（SiC, Silicon Carbide）
以SiC为主要成分的陶瓷材料。
碳化硅（SiC）变体很多，但作为陶瓷材料的主要有两种晶体结构， 一种是-SiC，属六方晶系；一种是-SiC，属立方晶系，具有半导体特 性。多数碳化硅陶瓷是以-SiC为主晶相。
1、氧化铝陶瓷（Al2O3, alumina）
以氧化铝为主成分的陶瓷材料。氧化铝含量越高，性能越好。按 氧化铝含量可分为75瓷、85瓷、95瓷、99瓷和高纯氧化铝瓷等。
主晶相为-Al2O3，属六方晶系，体积密度为3.9 g/cm3左右，熔点 达2050℃。
氧化铝有多种变体，其中主要有、型。除-Al2O3外，其它均 为不稳定晶型。-Al2O3为低温型，具有FCC结构，在950~1200℃范围 内可转化为-Al2O3，体积收缩约13%。在氧化铝陶瓷制备过程中， 一般先将原料预烧， 使-Al2O3转化为-Al2O3。
基复合材料
❖ 晶片补强增韧陶瓷基复合材料——包括人工晶片和天然片状
材料
❖ 长纤维补强增韧陶瓷基复合材料 ❖ 叠层式陶瓷基复合材料——包括层状复合材料和梯度陶瓷基复
合材料。
陶瓷基复合材料类型汇总表
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料论文2015年5月５日摘要：陶瓷基复合材料主要以高性能陶瓷为基体.通过加入颗粒、晶须、连续纤维和层状材料等增强体而形成的复合材料。
如碳化硅、氮化硅、氧化铝等，具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量轻和价格低等优点。
陶瓷基复合材料的研究还处于较初级阶段，我国对陶瓷基复合材料的研究则刚刚起步不久。
关键词：陶瓷基复合材料基体增强体强韧化机理制备技术前言: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。
正文一、陶瓷基复合材料基本概述陶瓷基复合材料的基体为陶瓷。
如碳化硅、氮化硅、氧化铝等,具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量轻和价格低等优点。
化学键往往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；其它常用纤维是玻璃纤维和硼纤维。
纤维增强陶瓷基复合材料是改善陶瓷材料韧性的重要手段。
目前常用的晶须是ＳiＣ和Ａ12Ｏ3,常用的基体则为A12O3,ZrO２,SiＯ２,Si３Ｎ4以及莫来石等。
晶须具有长径比，含量较高时，桥架效应使致密化困难，引起了密度的下降导致性能下降。
颗粒代替晶须在原料的混合均匀化及烧结致密化方面均比晶须增强陶瓷基复合材料要容易。
常用的颗粒也是SiC、Ｓi3N４和Ａ12O3等。
陶瓷基复合材料发展迟滞，发展过程中也遇到了比其它复合材料更大的困难。
陶瓷基复合材料
Ceramic-matrix
注意事项 ： （1）料浆应能与纤维表面保持良好润湿。料浆中包括：陶瓷基体粉末、 载液(通常是蒸馏水)和有机粘接剂，有时还加入某些促进剂和基体润湿 剂。为使纤维表面均匀粘附料浆，要求陶瓷粉体粒径小于纤维直径，并 能悬浮于载液和粘接剂混合的溶液中。 （2）纤维应选用容易分散的、捻数低的丝束，保持其表面清洁无污染。 在操作过程中尽量避免纤维损伤，并注意排除气泡。 （3）热压烧结应按预定规律(即热压制度)升温和加压。在热压过程中， 将发生基体颗粒重新分布、烧结和在外压作用下的粘性流动等过程，最 终获得致密化的陶瓷基复合材料。很多陶瓷基复合材料体系在热压过程 中往往没有直接发生化学反应，主要通过系统表面能减少的驱动，使疏 松粉体熔结而致密化。 存在的问题： （1）纤维和陶瓷粉末不容易复合成型。 （2）烧结时由于基体收缩或热压烧结时无粘性流动，会使颗粒和纤维 之间的机械作用而损伤纤维。 （3）目前，直径小于0.1微米-1微米的粉末很难买到。并且，其中的夹 杂物不易排除。同时，细的粉末在制造复合材料过程中又不易分散。 （4）在热压时会损伤纤维结构。
Ceramic-matrix
注意事项：
（1）与高聚物先驱体转化法不同的是，溶胶—凝胶工艺的先驱体是在溶液浸 进纤维编织坯件后在原位合成的。 （2）采用溶胶—凝胶法制备复合材料可以先制备复合凝胶体，即将复合的各 相以原子或分子级进行均匀混合形成复合溶胶和凝胶化，得到高纯、超细、均 相、分子级或包裹式的复合陶瓷粉末，再经成型、烧结而形成复合材料的基体 或者通过控制溶剂的蒸发速度将复合的溶胶凝胶化后，直接烧结成陶瓷基复合 材料。 （3）如果第二相是粉末或纤维，则可浸在适当的溶液中，通过形核和成长， 使溶液形成溶胶，均匀包围粉末和纤维，经凝胶化处理和热解后即形成陶瓷基 复合材料的基体。 （4）溶胶—凝胶法制备陶瓷基复合材料的质量保证关键主要有：选择合适的 先驱体反应物，控制溶液的浓度和pH值、气氛、分散剂、选用胶溶剂、去除 团聚以及使各相处于良好的分散状态等。
陶瓷基复合材料（CMC）
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。
陶瓷基复合材料介绍
陶瓷基复合材料介绍一、材料定义与特性陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites，简称CMC）是一种以陶瓷为基体，复合增强体材料的高性能复合材料。
它具有高强度、高硬度、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等优异性能，被广泛应用于航空航天、汽车、能源、化工等领域。
二、基体与增强体材料陶瓷基体的主要类型包括氧化铝、氮化硅、碳化硅、氮化硼等，它们具有高熔点、高硬度、耐腐蚀等特性。
增强体材料主要包括纤维、晶须、颗粒等，它们可以显著提高陶瓷基体的强度和韧性。
三、制备工艺与技术陶瓷基复合材料的制备工艺主要包括：热压烧结法、液相浸渍法、化学气相沉积法、粉末冶金法等。
其中，热压烧结法和液相浸渍法是最常用的制备工艺。
四、增强纤维与基体的界面增强纤维与基体的界面是影响陶瓷基复合材料性能的关键因素之一。
为了提高材料的性能，需要优化纤维与基体的界面特性，包括润湿性、粘结性、化学稳定性等。
五、材料的应用领域陶瓷基复合材料具有广泛的应用领域，主要包括：航空航天领域的发动机部件、机载设备；能源领域的燃气轮机叶片、核反应堆部件；汽车领域的刹车片、发动机部件；化工领域的耐腐蚀设备、管道等。
六、发展现状与趋势随着科技的不断进步，陶瓷基复合材料的研究和应用不断深入。
目前，国内外研究者正在致力于开发低成本、高性能的陶瓷基复合材料，并探索其在更多领域的应用。
同时，研究者还在研究如何更好地控制材料的微观结构和性能，以提高材料的综合性能。
七、挑战与机遇尽管陶瓷基复合材料具有许多优异的性能，但它们的制备工艺复杂、成本高，且存在易脆性等挑战。
然而，随着科技的不断进步和新材料的发展，陶瓷基复合材料的成本逐渐降低，应用领域也在不断扩大。
同时，随着环保意识的提高和能源需求的增加，陶瓷基复合材料在能源和环保领域的应用前景广阔。
因此，陶瓷基复合材料在未来仍具有巨大的发展潜力。
浅谈陶瓷基复合材料的分类及性能特点
浅谈陶瓷基复合材料的分类及性能特点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，有效解决了陶瓷的脆性问题，开始在航空、航天、国防等领域得到广泛应用，例如连续纤维补强陶瓷基复合材料，具有高强度和高韧性，特别是具有与普通陶瓷不同的非失效性断裂方式，使其受到世界各国的工业生产领域的极大关注。
文章对陶瓷复合材料的分类、主要性能、机械加工特点进行介绍。
标签：陶瓷基复合材料；分类；力学特性；加工特点1陶瓷基复合材料分类陶瓷基复合材料，根据增强体分成两大类：连续增强的复合材料和不连续增强的复合材料，如表1所示。
其中，连续增强的复合材料包括一方向，二方向和三方向纤维增强的复合材料，也包括多层陶瓷复合材料；不连续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Si3N4中等轴晶的基体中分布一些晶须状β-Si3N4晶粒起到增韧效果。
纳米陶瓷既可以是添加纳米尺寸的增强体复合材料，也可以是自身晶粒尺寸纳米化及增强。
陶瓷基符合材料也可以根据基体分成氧化物基和非氧化物基符合材料。
氧化物基复合材料包括玻璃、玻璃陶瓷、氧化物、复合氧化物等，弱增强纤维也是氧化物，常称为全氧化物复合材料。
非氧化物基复合材料以SiC，Si3N4，MoS2基为主。
2陶瓷基复合材料的力学特性陶瓷本体具有耐高温、抗氧化、高温强度高、抗高温蠕变性好、高硬度、高耐磨损性、线膨胀系数小、耐化学腐蚀等优点，但也存在致命的弱点（脆性），它不能承受激烈的机械冲击和热冲击，这限制了它的应用。
可通过控制晶粒、相变韧化、纤维增强等手段制成复合材料，陶瓷基復合材料具有了更高的熔点、刚度、硬度和高温强度，并具有抗蠕变、疲劳极限好、高抗磨性，在高温和化学侵蚀的场合下能承受大的载荷等优点，使其在航空、航天等众多领域有着广泛的应用前景。
2.1陶瓷基复合材料的主要物理和化学性能（1）热膨胀。
复合材料有纤维、界面和基体构成，因此热膨胀的相容性是非常重要的。
陶瓷基复合材料 ppt课件
PPT课件
1
回顾一下：
陶瓷致命缺点：
脆性
改善韧性的有效手段：
向陶瓷材料中加入起增韧作用的第二相
增韧机制：
靠纤维（晶须）的拔出、裂纹的桥连与转向机 制对强度和韧性的提高产生作用。
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2
10.3 陶瓷基复合材料的种类及基本性能
10.3.1 纤维增强陶瓷基复合材料
纤维增强陶瓷材料是常见的重要手段！！ 按纤维排布方式的不同，可将其分为
裂纹垂直于纤维方向扩展示意图 PPT课件
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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。
裂纹垂直于纤维方向扩展示意图 PPT课件
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因此，裂纹的扩展必须克服纤维的拔出功和
纤维断裂功，结果就是使得材料的断裂变得更为
困难，从而起到了增韧的作用。
单向排布纤维增韧陶瓷只是在纤维排列方向 上的轴向性能较为优越，而其横向性能显著低于 纵向性能，所以只适用于单轴应力的场合。
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二、多向排布纤维增韧复合材料
而许多陶瓷构件则要求在二维及三维方向上 均具有优良的性能，这就要进一步的制备多向排 布纤维增韧陶瓷基复合材料。
莫来石+ Si3;SiCw
452
551~580
4.4
5.4~6.7
很明显，由ZrO2+SiCw与莫来石制得的复合材料要比 单独用SiCw与莫来石制得的复合材料的性能好得多。
PPT课件 32
10.4 陶瓷基复合材料的制备
陶瓷基复合材料的制造分为两个步骤：
第一步是将增强材料掺入未固结(或粉末状)的基
陶瓷基复合材料及其应用
界面相设计
优化界面相的组成和结构，提高 陶瓷基复合材料的力学性能和热 稳定性。
发展历程
起步阶段
20世纪50年代，陶瓷基复合材料开始研究和发 展。
突破阶段
20世纪70年代，随着碳纤维的发展，陶瓷基复 合材料在力学性能方面取得了重大突破。
应用阶段
20世纪80年代以后，陶瓷基复合材料在航空航天、汽车等领域得到广泛应用。
陶瓷基复合材料及其 应用
• 陶瓷基复合材料简介 • 陶瓷基复合材料的种类 • 陶瓷基复合材料的应用领域 • 陶瓷基复合材料的挑战与前景 • 案例分析
目录
01
陶瓷基复合材料简介
定义与特性
定义
陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体，与 各种增强材料复合而成的一种力学性 能优异、具有特殊功能的新型复合材 料。
02
陶瓷基复合材料的种类
氧化铝基复合材料
总结词
氧化铝基复合材料是以氧化铝为基体 ，与其他陶瓷或金属材料复合而成的 一种高性能复合材料。
详细描述
氧化铝基复合材料具有高强度、高硬 度、耐磨、耐高温和抗氧化等优异性 能，广泛应用于航空航天、汽车、能 源和化工等领域。
碳化硅基复合材料
总结词
碳化硅基复合材料是以碳化硅为基体，与其他陶瓷或金属材料复合而成的一种 高性能复合材料。
其他陶瓷基复合材料
总结词
除了上述几种常见的陶瓷基复合材料外，还有许多其他种类的陶瓷基复合材料， 如氮化硼基复合材料、碳化钛基复合材料等。
详细描述
这些陶瓷基复合材料也具有优异的力学性能和化学稳定性，在各种领域都有广泛 的应用前景。
03
陶瓷基复合材料的应用领域
航空航天
航空发动机部件
陶航空发动机的燃烧室、涡轮叶片等 关键部件。
陶瓷基复合材料的性质及其应用前景
陶瓷基复合材料的性质及其应用前景陶瓷基复合材料是一种新型的复合材料，它由陶瓷基体和增强材料组成。
其特点是硬度高、强度大、耐高温、耐腐蚀、绝缘性能好等。
由于其独特的性质，陶瓷基复合材料在航空航天、汽车制造、电子和电力工业等领域都有广泛的应用。
一、陶瓷基复合材料的组成陶瓷基复合材料由陶瓷基体和增强材料组成。
其中，陶瓷基体通常采用氧化物陶瓷或碳化物陶瓷，而增强材料则可以选择纤维材料、颗粒材料、层板材料等。
陶瓷基复合材料的制备方法很多，主要包括热压、热等静压、拉伸成型等。
二、陶瓷基复合材料的性质1. 高硬度由于陶瓷基复合材料的基体是陶瓷，因此具有非常高的硬度。
事实上，某些陶瓷基复合材料的硬度可以接近金刚石，达到20GPa以上。
这一优异的性能意味着它们可以耐受高度的磨损和冲击，适用于大多数需要高耐久性的应用领域。
2. 高强度在增强材料的加入下，陶瓷基复合材料具有很高的强度和刚性。
因此，它们可以承受非常大的载荷，并在极端条件下工作。
这种性质使它们成为航空航天、汽车制造和电力工业等相关领域中理想的结构材料。
3. 耐高温陶瓷基复合材料具有非常好的耐高温性能。
在高温环境下，它们保持不失效、不变形等特性。
因此，它们被广泛应用于航空航天、汽车制造等需要高温稳定性能的领域。
4. 耐腐蚀陶瓷基复合材料还具有良好的耐腐蚀性能。
在强酸、强碱、高浓度的腐蚀性环境下，它们仍然可以保持稳定。
这一性质使它们成为化工、电力工业领域中的理想材料。
5. 绝缘性能好陶瓷基复合材料具有很好的绝缘性能，因此广泛运用于电子和电力工业中。
它们可以承受高电压、高电流的特性，同时在工作过程中不会导电或产生电磁干扰。
三、陶瓷基复合材料的应用前景由于其优异的性能和多功能性，陶瓷基复合材料在多个领域都有很广泛的应用前景。
以下是一些典型应用案例：1. 航空航天陶瓷基复合材料可以用于制作飞机、火箭、导弹的部件，如机身、引擎、导向器等。
因为它们的低重量、高强度和耐高温性质可以降低飞行设备的质量和提高操作效率。
《陶瓷基复合材》课件
2
陶瓷基复合材料的问题及挑战
陶瓷基复合材料在制备过程中存在工艺复杂、成本高等问题，需要进一步解决和 改进。
结论
陶瓷基复合材料的综合性能评价
综合考虑陶瓷基复合材料的力学性能、热学性能、耐久性等方面，可以评价其综合性能水平。
陶瓷基复合材料的发展前景
陶瓷基复合材料在高科技领域有着广阔的应用前景，将为科学技术的发展提供重要支持。
参考文献
1. 文献1 2. 文献2 3. 文献3
陶瓷基复合材料的组成包括陶瓷基体和增强材料，其结构形式可以是颗粒增强、 纤维增强等。
性能测试
1 陶瓷基复合材料的力学性能测试
力学性能测试包括强度、硬度、韧性等方面的评估，以确保陶瓷基复合材料的可靠性和 耐久性。
2 陶瓷基复合材料的热学性能测试
热学性能测试包括热导率、热膨胀系数等方面的评估，以确保陶瓷基复合材料在高温环 境下的稳定性。
应用案例
陶瓷基复合材料在航天领域的应用
陶瓷基复合材料在航天器结构、导航系统和热保护 层等方面发挥重要作用。
陶瓷基复合材料在医疗领域的应用
陶瓷基复合材料应用于仿生器官、骨修复、人工关 节等方面，为医疗技术的发展带来新的突破。
进一步研究
1
陶瓷基复合材料的未来发展趋势
随着科学技术的不断进步，陶瓷基复合材料将会在性能、制备技术等方面取得更 大突破。
陶瓷基复合材 PPT课件
研究陶瓷基复合材料是为了探索新型材料的结构与性能，本PPT课件将介绍陶 瓷基复合材料的概述、制备方法、性能测试、应用案例、未来发展趋势以及 参考文献。Leabharlann 概述什么是陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料是一种由陶瓷基体和其他增强物质组成的复合材料，具有优异的力学和热学 性能。
陶瓷基复合材料简介
3、陶瓷基复合材料的增强体
（3）颗粒： 从几何尺寸上看，颗粒在各个方向上的长度是大致
相同的，一般为几个微米。颗粒的增韧效果不如纤维和 晶须，但如果颗粒种类、粒径、含量及基体材料选择适 当，仍会有一定的韧化效果，同时还会带来高温性能的 改善。
常用的颗粒有SiC、Si3N4等。
如铝锂硅酸盐玻璃陶瓷、镁铝硅酸盐玻璃陶瓷等。
（5）其他陶瓷基体： 如硼化物陶瓷、硅化物陶瓷等。
3、陶瓷基复合材料的增强体
由于陶瓷基体中加入的增强体主要增强陶瓷的韧性， 所以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。
（1）长纤维: 在陶瓷基复合材料中使用得较为普遍的是碳纤维、玻
5、陶瓷基复合材料的前景展望
陶瓷基复合材料因具有高强度、高硬度、低 密度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优良的性能， 引起了人们的重视和研究，可以预见，随着对其 理论问题的不断深入探索和制备技术的不断开发 与完善，它的应用范围将不断扩大，应用前景十 分光明。
谢谢!
有Si3N4陶瓷、AlN陶瓷、BN陶瓷等。
（3）碳化物陶瓷基体： 是硅、钛及其他过渡族金属碳化物的总称。 如SiC陶瓷、ZrC陶瓷、WC陶瓷、TiC陶瓷等。
2、陶瓷基复合材料的基体
（4）玻璃和玻璃陶瓷基体： 玻璃基体：
高硅氧玻璃、硼硅玻璃、铝硅玻璃等。 玻璃陶瓷基体：
在一定条件下，玻璃可以出现结晶，并且在熔点时 由于原子有序排列，其体积会突然变小，形成结晶化的 玻璃，即玻璃陶瓷。
性等，其韧性是陶瓷中最高的，应用其耐磨损性能，可 以制作拉丝模、轴承、密封件、医用人造骨骼、汽车发 动机的塞顶、缸盖底板和汽缸内衬等
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。
复合材料学(第七章 陶瓷基复合材料)
并导致性能的下降。为了克服这一弱点，可 采用颗粒来代替晶须制成复合材料，这种复 合材料在原料的混合均匀化及烧结致密化方 面均比晶须增强陶瓷基复合材料要容易。
当所用的颗粒为SiC，TiC时，基体材料 采用最多的是A12O3，Si3N4。目前，这些复 合材料已广泛用来制造刀具。
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 0.3-lμm ， 长 30100μm)的小单晶体。从结构上看，晶须的特 点是没有微裂纹、位错、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0.1E(E为杨氏模 量)，这已非常接近于理论上的理想拉伸强度
0.2E。而相比之下，多晶的金属纤维和块状
金属的拉伸强度只有0.02E和0.001E。
自发现百余种不同材料构成的晶须以来， 人们对其已给予了特别的关注。因为它们具 有最佳的热性能、低密度和高杨氏模量。
在陶瓷基复合材料中使用得较为普遍的是 SiC，Al2O3及Si3N4晶须。
陶瓷材料中的另一种增强体为颗粒。从
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。从几何尺寸上可分为纤维(长、短纤 维)、晶须和颗粒三类，下面分别加以介绍。
碳纤维是用来制造陶瓷基复合材料最常 用的纤维之一。碳纤维可用多种方法进行生 产，工业上主要采用有机母体的热氧化和石 墨化。其生产过程包括三个主要阶段，第一 阶段在空气中于200℃-400℃进行低温氧化， 第二阶段是在惰性气体中在1000℃左右进行 碳化处理，第三阶段则是在惰性气体中于 2000℃以上的温度作石墨化处理。
陶瓷基复合材料的基体材料课件
3.1 陶瓷基复合材料的基体材料
AL2O3（刚玉）陶瓷的诞生 1924年，一个叫做鲁夫的人在德国以纯的氧化铝 粉，用陶瓷的成型方法做成试片，在2000度左右 的温度下烧制，居然得到一块洁白如玉而且坚硬 非凡的陶瓷，它就是世界上第一块纯氧化铝陶瓷。 而直到1933年，才由德国的西门子公司以"烧结 刚玉"的名称问世。
3.1 陶瓷基复合材料的基体材料
3.1.1 氧化物陶瓷
陶瓷最重要的氧化物
AO2 AO A2O3
ABO3 AB2O4 * （A,B表示阳离子）
3.1 陶瓷基复合材料的基体材料
3.1.1 氧化物陶瓷
陶瓷最重要的氧化物AO,AO2,A2O3,ABO3和AB2O4等
其结构的共同点是，氧离子（一般比氧离子大）进 行紧密排列、金属阳离子位于一定的间隙中，最重 要的是四面体和八面体间隙。
3.1 陶瓷基复合材料的基体材料
3.1.1 氧化物陶瓷
ZrO2陶瓷 其特点是呈弱酸性或惰性，导热系数小（在 100~1000℃区间，λ=1.7~2.0W/(m·K)）， 其推荐使用温度为2000~2200℃，主要用作 耐火坩埚、炉子和反应堆的绝热材料、金属表 面的防护涂层等。
3.1 陶瓷基复合材料的基体材料
3.1 陶瓷基复合材料的基体材料
3.1.1 氧化物陶瓷
工程意义较大的是纯氧化物陶瓷，它们的熔点多数超过 2000℃。 氧化物陶瓷主要是单相多晶材料，除了晶体相以外，可能 含有少量的气相（气孔）和玻璃相。 微晶氧化物陶瓷的强度较高，粗晶结构时，晶界较平直且 晶界上的内应力较大，使强度降低。随着温度的升高，氧 化物陶瓷的强度降低，但在800~1000℃以前强度的降低 不大，高于此温度后大多数材料的强度剧烈降低。 纯氧化物陶瓷在任何高温下都不会氧化，所以这类陶瓷是 很有用的高温耐火结构材料。
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ZrO2含量(vol%)
Al2O3+20mol%SiCw+ZrO2(Y2O3)
SiCw与ZrO2复合增韧Al2O3的强度与断裂韧性
23
下表则给出了莫来石及其制得的复合材料的
强度与韧性。
材料 莫来石 f (Mpa) 244 KIC (MPa.M1/2) 2.8
莫来石+ SiCw 莫来石+ ZrO2+SiCw
29
(N)
(位移 m)
7.2 陶瓷基复合材料的成型加工
7.2.1 纤维增强陶瓷基复合材料的加工;
7.2.2 晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工; 7.3 陶瓷基复合材料的应用。
30
7.2.1 纤维增强
性能：基体、纤维及二者之间的结合等
基体：与气孔的尺寸及数量，裂纹的大小以及一些其它缺 陷有关； 纤维：与纤维中的杂质、纤维的氧化程度、损伤及其他固 有缺陷有关；
6
玻璃纤维
玻璃球
玻 璃 玻璃球再熔化 纤 维 生 连续纤维 上浆 产 流 程 纱线 图
绕线筒
7
硼纤维
多相的，无定形； 用化学沉积法将无定形硼沉积在钨丝或者碳纤
维上形成的；
在实际结构的硼纤维中，由于缺少大晶体结构，
使其纤维强度下降到只有晶体硼纤维一半左右；
8
晶须
晶须没有微裂纹、位错、孔洞和表面损伤等缺陷， 因此强度比大块晶体高； 研究较多的是SiC、A12O3及Si3N4晶须
36
陶瓷与金属的一个重要区别也在于它对制造工艺
中的微小变化特别敏感，而这些微小的变化在最终
烧成产品前是很难察觉的。
陶瓷制品一旦烧结结束，发现产品的质量有问题
时则为时已晚。 由于工艺路线很长，要查找原因十分困难。这就
使得实际经验的积累变得越发重要。
37
7.3 陶瓷基复合材料的应用
陶瓷材料具有耐高温、高强度、高硬度及耐腐蚀
陶瓷，属于无机化合物
硅酸盐材料 无机非金属材料
包括：碳化硅、氮化硅、氧化铝等
3
陶瓷中的化学键是介于离子键和共价键之间的混合键 经验公式：
xA xB 2 / 4 PAB 1 exp
晶体结构复杂
、晶须和颗粒三类。
5
碳纤维:有机母体的热氧化和石墨化。
纤维与基体之间的结合较好，是目前采用较多的方法；
加压过程中纤维取向存在各向异性；
32
3. 浸渍法
这种方法适用于长纤维。首先把纤维编织成所需形状，然 后用陶瓷泥浆浸渍，干燥后进行焙烧。 优点：纤维取向可自由调节，如单向及多向排布等。 缺点：不能制造大尺寸制品，致密度较低。
33
7.2.2 晶须与颗粒
经一次干燥制成粉末坯料后供给成型工序；（加压：金 属模压、等静压） 把结合剂添加于料浆中、不干燥坯料，保持浆状供给成 型工序；（注射成型、注浆成型）
用压滤机将料浆状的粉脱水后成坯料供给成型工序； （挤压成型）
35
3. 烧结 从生坯中除去粘合剂组分后的陶瓷素坯烧固成致密制品 的过程叫烧结。 为了烧结，必需有专门的窑炉。窑炉的种类繁多，按其 功能进行划分可分为间歇式（生坯的硬化、烧结、冷却及制 品的取出）和连续式（预热、烧结、冷却连续）。 4．精加工 由于高精度的需求，因此烧结后还需进行精加工。 精加工的目的是为了提高烧成品的尺寸精度和表面平滑 性，前者主要用金刚石砂轮进行磨削加工，后者则用磨料进 行研磨加工。
f(MPa)
SiCp含量（vol%）
SiCp含量（vol%）
从中可以看出，在SiCp含量为5％时强度及 韧性达到了最高值。
19
晶须与颗粒对陶瓷材料的增韧均有一定作用，且各有利弊：
晶须的增强增韧效果好，但含量高时会使致密度下降； 颗粒可克服晶须的弱点，但增强增韧效果却不如晶须； 若将晶须与颗粒共同使用，可取长补短，达到更好效果。
晶须与颗粒的尺寸均很小，工艺基本相同。
将晶须或颗粒分散后并与基体粉末混合均匀，再用热压烧
结的方法即可制得高性能的复台材料。
步骤： 配料 成型 烧结 精加工
34
1．配料
要求均质、孔隙少的微观组织，严格挑选原料。 混料可分为：干法和湿法，大多采用湿法。 水溶剂和有机溶剂，球磨过程应防污染 2．成型
混好后的料浆在成型时有三种不同的情况：
并迅速扩展至复合
材料的横截面，导 致平面断裂。
基体
(a)强界面结合
27
若界面结合较
弱，当基体中的裂
纹扩展至纤维时，
将导致界面脱粘，
其后裂纹发生偏转、
裂纹搭桥、纤维断 裂以致最后纤维拔 出(图 b)。
(b)弱界面结合
28
下图为SiCw/ ZrO2材料的载荷--位移曲线。
载 荷
从图中可以看出，有明显的锯齿效应，这 是晶须拔出桥连机制作用的结果。
Si3N4+SiCw
452 551~580
1000
4.4 5.4~6.7
11~12
很明显，由ZrO2+SiCw与莫来石制得的复合材料要比 单独用SiCw与莫来石制得的复合材料的性能好得多。
24
7.1.4 陶瓷基复合材料的界面和强韧化机理
两类界面： 无反应界面（共格、半共格、非共格）； 中间反应层界面（界面厚度可控）；
第一阶段在空气中于200~400℃进行低温氧化； 第二阶段在惰性气体中在1000℃左右进行碳化处理； 第三阶段在惰性气体中于2000℃以上作石墨化处理。 高模量型（拉伸模量约为400 GPa，拉伸强度约为1.7 GPa ） 低模量型（拉伸模量约为240 GPa，拉伸强度约为2.5 GPa ） 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 但需防止氧化。
断 裂 韧 性
Al2O3+ SiCw 复 合 材 料 的 力 学 性 能
KIC(MPa.m1/2)
f(MPa) SiCw含量（vol%） 维 氏 硬 度 HV(GPa)
SiCw含量（vol%）
弹 性 模 量
E(GPa) SiCw含量（vol%）
16
采用颗粒来代替晶须，在原料的混合均匀化 及烧结致密化方面比晶须要容易。 当所用的颗粒为SiC，TiC时，基体材料采用 最多的是Al2O3，Si3N4。 目前，这些复合材料已广泛用来制造刀具。
14
断 裂 韧 性
弯 曲 强 度
ZrO2(Y2O3)+ SiCw 复 合 材 料 的 力 学 性 能
KIC(MPa.m1/2)
f(MPa) SiCw含量（vol%）
不能致密烧结
SiCw含量（vol%）
维 氏 硬 度
弹 性 模 量
HV(GPa)
E(GPa) SiCw含量（vol%）
15
弯 曲 强 度
21
弯 曲 强 度
断 裂 韧 性
KIC(MPa.m1/2)
f(MPa)
SiCw含量(vol%)
SiCw含量(vol%)
SiCw与ZrO2复合增韧Al2O3的强度与断裂韧性 Al2O3+20vol%ZrO2+SiCw
22
弯 曲 强 度
断 裂 韧 性
KIC(MPa.m1/2)
f(MPa)
ZrO2含量(vol%)
9
颗粒
一般为几个微米。 常用得的颗粒也是SiC、Si3N4等。
10
7.1.2 纤维增强陶瓷基复合材料
1、单向排布长纤维复合材料
各向异性
裂纹垂直于纤维方向扩展示意图 陶瓷为什么脆？
11
2．多向排布纤维增韧复合材料
需要各向同性或近似各向同性场合
纤维层 纤维层
基体
基体
纤维布层压复合材料示意图
多层纤维按不同角度方向层压示意图
第七章 陶瓷基复合材料
7.1 陶瓷基复合材料的种类及基本性能 7.2 陶瓷基复合材料的成型加工技术 7.3 陶瓷基复合材料的应用
1
7.1 陶瓷基复合材料的种类及基本性能
优点：耐高温、耐磨损、耐腐蚀及重量轻； 缺点：脆性
韧化陶瓷
加入起增韧作用的第二相
2
7.1.1 陶瓷基复合材料的基体与增强体
1．基体：
目前，已有了这方面的研究工作，如使用SiCw与ZrO2来共 同增韧，用SiCw与SiCp来共同增韧等。
20
维 氏 硬 度
弹 性 模 量
维 氏 硬 度
弹 性 模 量
HV(GPa)
E(GPa)
HV(GPa)
E(GPa)
SiCw含量(vol%) (a)
ZrO2含量(vol%) (b)
SiCw与ZrO2复合增韧Al2O3的硬度与弹性模量
性好等特点，但其脆性大的弱点限制了它的广泛应
用。
实用化或即将实用化的领域包括：刀具、滑动构 件、航空航天构件、发动机制件、能源构件等
38
SiCw/ Al2O3复合材料钻头
陶瓷刀
39
界面：与界面及结合效果、纤维在基体中的取向，以及载
体与纤维的热膨胀系数差有关；
31
1．泥浆烧铸法
在陶瓷泥浆中分散纤维。然后浇铸在石膏模型中。 古老，不受形状的限制，成本低，工艺简单，适合于短 纤维增强。但对提高产品性能的效果不显著， 2．热压烧结法 将长纤维切短(<3mm)，然后分散并与基体粉末混合， 再用热压烧结的方法即可制得高性能的复合材料；
12
Z
由于每束纤维呈
直线伸展，不存
在相互交缠和绕 曲，因而使纤维 可以充分发挥最 大的结构强度。 X
Y 三向C/C编织结构示意图
13
7.1.3 晶须和颗粒增强陶瓷基复合材料
长纤维性能优越，但工艺复杂，且在基体中不 易分布均匀; 将晶须分散后与基体粉末混合均匀，然后对混 好的粉末进行热压烧结; 晶须:SiC，Si3N4，Al2O3; 基体:Al2O3，ZrO2，SiO2，Si3N4及莫来石等。