陶瓷材料制备

复合材料的制备

1 复合材料的基本概念和性能

现代陶瓷材料具有耐高温、耐磨损、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，这一弱点正是目前陶瓷材料的使用受到很大限制的主要原因。

因此，陶瓷材料的韧性化问题便成了近年来陶瓷工作者们研究的一个重点问题。现在这方面的研究已取得了初步进展，探索出了若干种韧化陶瓷的途径。其中，往陶瓷材料中加入起增韧作用的第二相而制成陶瓷基复合材料即是一种重要方法。

(1) 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。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。

(2)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。

a. 纤维:

在陶瓷基复合材料中使用得较为普遍的是碳纤维、玻璃纤维、硼纤维等；

b. 晶须：

晶须为具有一定长径比(直径0.3~1 m,长0~100 m) 的小单晶体。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，因此其强度接近理论强度。

由于晶须具有最佳的热性能、低密度和高杨氏模量，从而引起了人们对其特别的关注。

在陶瓷基复合材料中使用得较为普遍的是SiC 、A12O3及Si3N4晶须。

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。

颗粒的增韧效果虽不如纤维和晶须。但是，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，同时还会带来高温强度，高温蠕变性能的改善。所以，颗粒增韧复合材料同样受到重视并对其进行了一定的研究。

将玻璃小球熔化，然后通过

1mm 左右直径的小孔把它们

拉出来。另外，缠绕纤维的

心轴的转动速度决定纤维的

直径，通常为10 m 的数量级。 玻璃球 玻璃球再熔化 连续纤维 上浆 纱线 绕线筒

常用的颗粒也是SiC、Si3N4等。

2 陶瓷基基复合材料的种类

1. 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。

单向排布纤维陶瓷基复合材料

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优于其横向性能。

在实际构件中，主要是使用其纵向性能。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：

多向排布纤维陶瓷基复合材料

单向排布纤维增韧陶瓷只是在纤维排列方向上的纵向性能较为优越，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。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，这就要进一步研究多向排布纤维增韧陶瓷基复合材料。二维多向排布纤维增韧复合材料的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。

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要求的构件上。

另一种是纤维分层单向排布，层间纤维成一定角度，如下图所示。

3 纤维增强陶瓷基复合材料的制备

纤维层

基体

纤维增强陶瓷基复合材料的性能取决于多种因素，如基体、纤维及二者之间的结合等。

从基体方面看，与气孔的尺寸及数量，裂纹的大小以及一些其它缺陷有关；

从纤维方面来看，则与纤维中的杂质、纤维的氧化程度、损伤及其他固有缺陷有关；

从基体与纤维的结合情况上看，则与界面及结合效果、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。

正因为有如此多的影响因素，所以在实际中针对不同的材料的制作方法也会不同，成型技术的不断研究与改进，正是为了能获得性能更为优良的材料。

目前采用的纤维增强陶瓷基复合材料的成型主法主要有以下几种：

1．泥浆烧铸法

这种方法是在陶瓷泥浆中分散纤维。然后浇铸在石膏模型中。这种方法比较古老，不受制品形状的限制。但对提高产品性能的效果显著，成本低，工艺简单，适合于短纤维增强陶瓷基复合材料的制作。

2．热压烧结法

将特长纤维切短(<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。

这种方法中，纤维与基体之间的结合较好，是目前采用较多的方法。

这种短纤维增强体在与基体粉末混合时取向是无序的，但在冷压成型及热压烧结的过程中，短纤维由于在基体

压实与致密化过程中沿压力方向转动，所以导致了在最终制

得的复合材料中，短纤维沿加压面而择优取向，这也就产生

了材料性能上一定程度的各向异性。

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。

浸渍法的优点是纤维取向可自由调节，如单向排布及多向排布等。

浸渍法的缺点则是不能制造大尺寸的制品，而且所得制品的致密度较低。

纤维层