复合材料学(第七章陶瓷基复合材料)

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。缠绕纤维 的心轴的转动速度决定纤 维的直径，通常为10μm 的数量级。为了便于操作 和避免纤维受潮并形成纱 束，在刚凝固成纤维时表 面就涂覆薄薄一层保护膜 ，这层保护膜还有利于与 基体的粘结。
玻璃的组成可在一个很宽的范围内调整， 因而可生产出具有较高杨氏模量的品种，这 些特殊品种的纤维通常需要在较高的温度下 熔化后拉丝，因而成本较高，但可满足制造 一些有特殊要求的复合材料。 还有一种常用的纤维是硼纤维。它属于 多相的，又是无定形的，因为它是用化学沉 积法将无定形硼沉积在钨丝或者碳纤维上形 成的。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。图 7-14 为硼纤维制备原理的示意 图。
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。
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 几何尺寸上看，它在各个方向上的长度是大 致相同的，一般为几个微米。通常用得较多 的颗粒也是 SiC ， Si3N4 等。颗粒的增韧效果 虽不如纤维和晶须，但如颗粒种类、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。
目前碳纤维常规生产的品种主要有两种， 即高模量型，它的拉伸模量约为 400GPa ， 拉伸强度约为1.7GPa；低模量型，拉伸模量 约为 240GPa ，拉伸强度约为 2.5GPa 。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1 500℃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。 另一种常用纤维是玻璃纤维。制造玻璃纤 维的基本流程如图7-13所示。
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。
7.1.1 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与合金复 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。陶瓷材料中的化学键往往 是介于离子键与共价键之间的混合键。对于 一种具体的陶瓷材料，我们可以用电负性来 判断其化学键的离子结合程度。
由化学分 解所获得的 硼纤维的平 均性能为， 杨氏模量420 GPa，拉伸强度 2.8GPa 。硼纤维对任何可能 的表面损伤都非常敏感，甚至比玻璃纤维更 敏感，热或化学处理对硼纤维都有影响，高 于500℃时强度会急剧下降。为了阻止随温度 而变化的降解作用，已试验采用了不同类型 的涂层，商业上使用的硼纤维通常是在表面 涂了一层碳化硅，它可使纤维长期暴露在高 温后仍有保持室温强度的优点。
陶瓷材料的晶体结构与金属材料相比是比 较复杂的。这其中最典型的有以下几种，闪 锌矿结构、钎锌矿结构 、 NaCl 结构 、 CsCl 结构 。除了上述的几种较为简单的常 见结构外，陶瓷材料的晶体结构还有： β — 方石英结构，金红石结构，萤石结构，赤铜 矿结构，刚玉型结构及其它一些复杂结构， 这里将不再作进一步的介绍。 需要指出的是，以上所述的各种结构只是 化合物中较有代表性的简单结构，而做为陶 瓷材料的主要研究对象硅酸盐的晶体结构则 较为复杂。硅酸盐晶体结构的普遍特点是存 在硅氧四面体结构单元[Si04]4-，其中重要的 有锆英石、橄榄石等。根据[Si04]4- 之间的连
复 合 材 料 学
专 教 业：无机非金属材料 师：孙彦彬
第七章 陶瓷ຫໍສະໝຸດ Baidu复合材料
7.1 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、耐 腐蚀及重量轻等许多优良的性能。但它同时 也具有致命的弱点，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。
接方式，可把硅酸盐晶体分成五种结构类型， 如表7-3所示，这里也不再继续详细讨论。
陶瓷材料除了形成各种晶体结构以外，有 些还可形成原子或离子排列没有周期性规律的 非晶态物质。图7-12为晶体与非晶体结构的 两维示意图。 可以看出，图 (a)的晶体结构的 原子排列可以用单 位晶胞的周期性重 复堆积来表示，而 图 (b)的非晶态结 构却不能用单位晶 胞的周期性重复来表示。晶体与非晶体可用x 射线衍射、中子衍射或电子衍射的方法来鉴别 。