陶瓷基复合材料的制备方法

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。
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
由于晶须具有较大的长径比，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。
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Al2O3，Si3N4。目前，这些复合材料已广泛用来 制造刀具。
韧陶瓷基复合材料。
由于晶须的尺寸很小，从宏观上看与粉末一样，
因此在制备复合材料时，只需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，即可
制得致密的晶须增韧陶瓷基复合材料。
目前常用的是SiC，Si3N4 ，Al2O3 晶须，常用的基 体则为Al2O3，ZrO2，SiO2，Si3N4及莫来石等。 晶须增韧陶瓷基复合材料的性能与基体和晶须的 选择、晶须的含量及分布等因素有关。
2．成型
混好后的料浆在成型时有三种不同的情况： (1) 经一次干燥制成粉末坯料后供给成型工序；
(2) 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； (3) 用压滤机将料浆状的粉脱水后成坯料供给 成型工序。
把上述的干燥粉料充入模型内，加压后即可 成型。通常有金属模成型法和橡皮模成型法。 金属模成型法具有装置简单，成型成本低廉 的优点，仍它的加压方向是单向的。粉末与金属 模壁的摩擦力大，粉末间传递压力不太均匀。故
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。
间歇式窑炉是放入窑炉内生坯的硬化、烧结、
冷却及制品的取出等工序是间歇地进行的。
间歇式窑炉不适合于大规模生产，但适合处理
特殊大型制品或长尺寸制品的优点，且烧结条件灵
活，筑炉价格也比较便宜。
连续窑炉适合于大批量制品的烧结，由预 热、烧结和冷却三个部分组成。把装生坯的窑
车从窑的一端以一定时间间歇推进，窑车沿导
Z
三向C/C编织结构示意图 Y
这种三维多向编织结构还可以通过调节
纤维束的根数和股数，相邻束间的间距，织
物的体积密度以及纤维的总体积分数等参数
进行设计以满足性能要求。
2. 晶须和颗粒增强陶瓷基复合材料
长纤维增韧陶瓷基复合材料虽然性能优越， 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
瓷基复合材料即是一种重要方法。
陶瓷基基复合材料的基体与增强体
(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
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。
c. 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。
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：
裂纹垂直于纤维方向扩展示意图
多向排布纤维陶瓷基复合材料
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。
这种复合材料的制备工艺比长纤维复合 材料简便得多，只需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合材料。
与陶瓷材料相似，晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料
的制造工艺也可大致分为以下几个步骤：
配料
成型
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
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
然 后 通 过 1mm 左 右
连续纤维
直径的小孔把它们
上浆 纱线
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10m 的数量级。
绕线筒 玻璃纤维生产流程图
b. 晶须：
晶须为具有一定长径比(直径0.3~1m,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
还有一种成型法为挤压成型法。这种方法 是把料浆放入压滤机内挤出水分，形成块状后， 从安装各种挤形口的真空挤出成型机挤出成型 的方法，它适用于断面形状简单的长条形坯件 的成型。
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和连 续式。
常用的颗粒也是SiC、Si3N4等。
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
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； 颗粒可克服晶须的一弱点，但其增强增韧 效果却不如晶须。
纤维增强陶瓷基复合材料的制备
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
复合材料的制备
陶瓷基复合材料的制备方法
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
易造成烧成后的生坯变形或开裂、只能适用于形
状比较简单的制件。
采用橡皮模成型法是用静水压从各个方向均 匀加压于橡皮模来成型，故不会发生生坯密度不 均匀和具有方向性之类的问题。
由于在成型过程中毛坯与橡皮模接触而压成
生坯，故难以制成精密形状，通常还要用刚玉对 细节部分进行修整。
另一种成型法为注射成型法。从成型过程上看，
工的微米级、超微米级粉末方法由于效率和可靠
性的原因大多采用湿法。
湿法主要采用水作溶剂，但在氮化硅、碳化尼
等非氧化物系的原料混合时，为防止原料的氧化
则使用有机溶剂。
原料混合时的装置一般为专用球磨机。 为了防止球磨机运行过程中因球和内衬砖磨 损下来而作为杂质混入原料中，最好采用与 加工原料材质相同的陶瓷球和内衬。
材料，常常在原材料波动和工艺装备有所变化的条件下
难于实现。这是陶瓷制备中的关键问题之一。先进陶瓷
制品的一致性，则是它能否大规摸推广应用的最关键问
题之一。 现今的先进陶瓷制备技术可以做到成批地生产出性 能很好的产品，但却不容易保证所有制品的品质一致。
陶瓷基复合材料已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。
烧结
精加工
这一过程看似简单，实则包含着相当复杂的内容。
即使坯体由超细粉(微米级)原料组成，其产品质量
也不易控制，所以随着现代科技对材料提出的要求 的不断提高，这方面的研究还必持进一步深入。
1．配料
高性能的陶瓷基复合材料应具有均质、
孔隙少的微观组织。为了得到这样品质的 材料，必须首先严格挑选原料。
把几种原料粉末混合配成坯料的方法可分为 干法和湿法两种。现今新型陶瓷领域混合处理加
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
与塑料的注射成型过程相类似，但是在陶瓷中必
须从生坯里将粘合剂除去并再烧结，这些工艺均
较为复杂，因此也使这种方法具有很大的局限性。
注浆成型法是具有十分悠久历史的陶瓷成型方 法。它是将料浆浇入石膏模内，静置片刻，料浆中 的水分被石膏模吸收。然后除去多余的料浆，将生 坯和石膏模一起干燥，生坯干燥后保持一定的强度， 并从石膏中取出。这种方法可成型壁薄且形状复杂 的制品。
多层纤维按不同角度方向层压示意图
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。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。
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
轨前进，沿着窑内设定的温度分布经预热、烧
结、冷却过程后，从窑的另一端取出成品。
4．精加工
由于高精度制品的需求不断增多，因此在烧结
后的许多制品还需进行精加工。 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。
以上是陶瓷基复合材料制备工艺的几个主要步
骤，但实际情况则是相当复杂的。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。
而且，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。
陶瓷的制备质量与其制备工艺有很大的关系。在实 验室规模下能够稳定重复制造的材料，在扩大的生产规 模下常常难于重现。在生产规模下可能重复再现的陶瓷
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。
纤维 层 基体
纤维布层压复合材料示意图 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。 纤维层
基体
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Leabharlann Baidu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；
玻璃球
将玻璃小球熔化，
玻璃球再熔化