第七章 陶瓷基复合材料
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》课件
参考文献与资料
综述性论文
这类论文对陶瓷基复合材料的制备技术、性能及应用进行了全面的概述，有助于读者对该领域有一个整体的了解。
研究性论文
这类论文主要报道了最新的研究成果，包括新的制备技术、性能优化以及新型陶瓷基复合材料的开发等。
对比性论文
这类论文对不同制备方法、不同材料体系、不同工艺参数的陶瓷基复合材料进行了对比分析，有助于读者了解各种因素对材料性能的影响。
混料
将称量好的材料放入混料机中进行混合，确保均匀分布。
压制成型
将混合好的材料放入压片机中压制成型，获得所需形状和尺寸的样品。
烧结
将成型后的样品放入高温炉中进行烧结，获得陶瓷基复合材料。
性能测试
对制备好的陶瓷基复合材料进行性能测试，如硬度、强度、韧性等。
结果分析
根据实验数据和结果，分析陶瓷基复合材料的结构与性能关系，总结实验结论。
环境稳定性
航空航天领域：陶瓷基复合材料因其轻质、高强度和耐高温性能，广泛应用于航空航天领域的发动机部件、热结构部件和机舱内部件。例如，用于制造飞机涡轮叶片的碳化硅基复合材料。
陶瓷基复合材料的研究前沿与展望
纳米陶瓷材料
利用纳米技术制备的陶瓷材料具有优异的力学性能和高温稳定性，是当前研究的热点。
陶瓷基复合材料的增韧技术
这类著作对陶瓷基复合材料的各个方面进行了全面而深入的介绍，内容涵盖了制备、性能、应用等多个方面。
综合类著作
这类著作主要针对陶瓷基复合材料的某一特定方面进行深入探讨，如制备技术、增强相选择等。
专题类著作
这类著作主要作为高校教材使用，内容系统、详细，适合学生阅读和学习。
教材类著作
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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
3、莫来石陶瓷（3Al2O3· 2SiO2, mullite）
莫来石一般是由人工合成的。工业上多用天然高铝矾土、粘土或工 业氧化铝等为原料，常用烧结或电熔法合成莫来石熔块，然后破碎成各 种粒度的莫来石粉料。一般合成温度高于1700℃。
实验室一般用化学法（如Sol-gel法）合成高纯、超细的莫来石粉体。
晶须
（陶瓷）
纤维
（连续、短纤维） （陶瓷、高熔点金属）
1650
结构复合式
（叠层、梯度） （按设计要求选择材料）
水泥
硅酸盐化合物、铝酸盐化合物等
叠层式（叠层、梯度）
（按设计要求选择材料）
二、原材料及其特性
陶瓷基复合材料是由基体材料和增强体材料组成。
基体材料有氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、水泥、玻璃等。 增强体材料主要以不同形态来区分，有颗粒状、纤维状、 晶须、晶板等。
表面强化增韧
陶瓷材料的断裂往往是从表面拉应力超过断裂 应力开始的。由于ZrO2陶瓷烧结体表面存在基 体的约束较少，t-ZrO2容易转变为m-ZrO2，而 内部t-ZrO2由于受基体各方向的压力保持亚稳 定状态。因此表面的m-ZrO2比内部的多，而转 变产生的体积膨胀使材料表面产生残余的压应 力，可以抵消一部分外加的拉应力，从而造成 表面强化增韧。
莫来石质陶瓷通常是在1550~1600℃下常压烧结而成，纯莫来石陶 瓷通常要在1750℃左右才能烧结。
加入适量的稳定剂后，t相可以部分或全部以亚稳定状态存在于室 温，分别称为部分稳定氧化锆（PSZ）或四方相氧化锆多晶体（TZP）。
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。
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料引言。
陶瓷基复合材料是一种由陶瓷基体和其他增强材料组成的复合材料。
它具有优异的耐磨、耐腐蚀、高强度和高温稳定性等特点，因此被广泛应用于航空航天、汽车制造、化工等领域。
本文将介绍陶瓷基复合材料的组成、性能和应用，并对其未来发展进行展望。
一、陶瓷基复合材料的组成。
陶瓷基复合材料通常由陶瓷基体和增强材料组成。
陶瓷基体可以是氧化铝、碳化硅、氮化硅等陶瓷材料，而增强材料则可以是碳纤维、玻璃纤维、陶瓷颗粒等。
这些材料通过复合加工技术，如热压、注射成型等，将陶瓷基体与增强材料紧密结合，形成具有优异性能的复合材料。
二、陶瓷基复合材料的性能。
1. 耐磨性，陶瓷基复合材料具有优异的耐磨性，可以在高速、高负荷条件下保持较长的使用寿命，因此被广泛应用于机械设备的零部件制造。
2. 耐腐蚀性，由于陶瓷基复合材料具有优异的化学稳定性，可以在酸、碱等腐蚀性介质中长期稳定运行，因此在化工领域得到广泛应用。
3. 高强度，陶瓷基复合材料在高温、高压条件下依然保持优异的强度和刚性，因此被广泛应用于航空航天领域。
4. 高温稳定性，陶瓷基复合材料在高温条件下依然保持稳定的性能，因此被广泛应用于发动机、燃气轮机等高温设备的制造。
三、陶瓷基复合材料的应用。
1. 航空航天领域，陶瓷基复合材料被广泛应用于航空发动机、航天器外壳等高温、高压零部件的制造。
2. 汽车制造领域，陶瓷基复合材料被应用于汽车刹车片、离合器片等零部件的制造，以提高其耐磨性和耐高温性能。
3. 化工领域，陶瓷基复合材料被应用于化工设备的制造，以提高其耐腐蚀性和耐高温性能。
四、陶瓷基复合材料的发展展望。
随着科学技术的不断进步，陶瓷基复合材料将会在性能和应用范围上得到进一步提升。
未来，我们可以期待陶瓷基复合材料在新能源领域、生物医药领域等新兴领域的广泛应用，为人类社会的发展做出更大的贡献。
结论。
陶瓷基复合材料具有优异的耐磨、耐腐蚀、高强度和高温稳定性等特点，因此在航空航天、汽车制造、化工等领域得到广泛应用。
《陶瓷基复合材料》课件
陶瓷基复合材料结合了陶瓷和其他材料的优点，具有出色的力学、热学和电 学性能，是一种重要的先进材料。
什么是陶瓷基复合材料？
定义
陶瓷基复合材料是将陶瓷作为基质，与其他材料（如金属、聚合物等）混合制成的材料。
ห้องสมุดไป่ตู้特点
具有高硬度、高强度、耐高温、抗腐蚀等优良性能，可满足各种工业领域的需求。
陶瓷基复合材料的制备方法
结论
陶瓷基复合材料的优点
高强度、高硬度、耐高温、 抗腐蚀等特点使其成为各行 业重要的材料选择。
为何有利于工业发展
在提升产品性能和降低成本 方面具有巨大潜力，能推动 产业升级。
未来应如何发展？
加强技术研究、推动产学研 合作，不断创新和提升陶瓷 基复合材料的性能和应用范 围。
电子行业
用于集成电路、芯片封装等电子器件，提供优异的 绝缘和散热性能。
其他领域
如能源、化工、医疗等领域都有广泛的应用。
陶瓷基复合材料的发展前景
1
技术难点及解决方法
面临制备工艺、材料选择等方面的挑战，需要深入研究和创新技术。
2
未来发展趋势
预计在新能源、高端装备制造等领域有更广泛的应用，为工业发展带来新机遇。
热性能
耐高温性能出众，可 在高温环境下保持稳 定。
电性能
具备优异的绝缘性和 导电性能，适用于各 种电子器件。
其他性能
如耐腐蚀性、低摩擦 系数等特殊性能，广 泛应用于特定领域。
陶瓷基复合材料的应用
航空航天领域
用于制造发动机叶片、航天器外壳等关键部件，提 供高温和高强度的支撑。
汽车工业
应用于制动系统、排气系统等部件，提高汽车的性 能和耐久性。
1 热压法
陶瓷基复合材料
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添加剂组成的复合材料。
其综合性能优异，因此在航空航天、电子器件、能源领域等多个领域得到广泛应用。
本文将介绍陶瓷基复合材料的制备方法、性能及应用，并对其未来发展进行展望。
一、制备方法陶瓷基复合材料的制备方法多种多样，主要包括烧结法、溶胶-凝胶法、机械合金化法等。
首先，烧结法是最常用的制备陶瓷基复合材料的方法之一。
该方法将陶瓷粉末与其他添加剂混合，并通过高温下的烧结过程将其烧结成坚固的材料。
这种方法制备的复合材料具有较高的结晶度和致密性。
其次，溶胶-凝胶法是一种制备陶瓷基复合材料的新方法。
该方法通过将金属盐、有机物等混合，形成胶体溶胶，然后通过热处理使其成为凝胶，并进一步高温热处理得到致密材料。
这种方法制备的复合材料具有较高的纯度和均匀性。
最后，机械合金化法是一种通过粉末冶金技术制备陶瓷基复合材料的方法。
该方法将陶瓷颗粒与添加剂一起经过球磨、混合等机械处理，使其均匀分散，并通过热处理得到复合材料。
这种方法制备的复合材料具有较高的强度和断裂韧性。
二、性能陶瓷基复合材料具有一系列优异的性能，主要包括高温稳定性、硬度高、抗腐蚀性好等。
首先，陶瓷基复合材料具有较好的高温稳定性。
由于陶瓷基复合材料的陶瓷基体具有较高的熔点和热稳定性，因此能够在高温环境下保持较好的性能，不易发生烧结变形等问题。
其次，陶瓷基复合材料具有较高的硬度。
陶瓷基体的硬度往往比金属基体或聚合物基体要高，因此陶瓷基复合材料在硬度方面具有优势。
这使得该材料在需要高硬度的应用中表现出色，如切割工具、磨料等领域。
再次，陶瓷基复合材料具有良好的抗腐蚀性。
由于陶瓷基体的本身特性，该材料在酸碱等腐蚀性环境中有很好的稳定性，不易受到腐蚀侵蚀。
这使得陶瓷基复合材料在化工、生物医药等领域得到广泛应用。
三、应用陶瓷基复合材料在很多领域都有广泛的应用。
下面将介绍几个典型的应用领域。
首先，陶瓷基复合材料在航空航天领域具有重要应用。
陶瓷基复合材料的制备方法与工艺
陶瓷基复合材料的制备方法与工艺随着科学技术的不断发展，陶瓷基复合材料在工业生产和科学研究中得到了广泛的应用。
陶瓷基复合材料具有优良的耐磨性、高温稳定性和化学稳定性，因此在航空航天、汽车制造、医疗器械等领域有着重要的地位。
本文将介绍陶瓷基复合材料的制备方法与工艺。
一、陶瓷基复合材料的制备方法1. 热压法：热压法是一种常用的陶瓷基复合材料制备方法。
首先将陶瓷粉末与增强相（如碳纤维、玻璃纤维等）混合均匀，然后将混合物放入模具中，经过一定的温度和压力条件下进行热压，使得陶瓷粉末和增强相充分结合，最终得到陶瓷基复合材料制品。
2. 溶胶-凝胶法：溶胶-凝胶法是一种制备陶瓷基复合材料的新型方法。
首先将陶瓷前驱体（如硅酸酯、铝酸盐等）与增强相混合，在一定的条件下形成溶胶，然后通过凝胶化过程使得溶胶形成凝胶，最终通过热处理制备出陶瓷基复合材料。
3. 拉伸成型法：拉伸成型法是一种制备纤维增强陶瓷基复合材料的方法。
首先将陶瓷粉末与增强相混合，然后通过拉伸成型设备将混合物进行拉伸成型，最终得到纤维增强的陶瓷基复合材料。
二、陶瓷基复合材料的制备工艺1. 原料选择：在制备陶瓷基复合材料时，需要选择优质的陶瓷粉末和增强相。
陶瓷粉末的选择应考虑其颗粒大小、形状和化学成分，而增强相的选择应考虑其强度、刚度和耐热性能。
2. 混合均匀：在制备过程中，陶瓷粉末和增强相需要进行混合均匀，以确保最终制品的性能稳定。
3. 成型工艺：根据不同的制备方法，成型工艺也有所不同。
在热压法中，需要选择合适的温度和压力条件；在溶胶-凝胶法中，需要控制好溶胶和凝胶的形成过程；在拉伸成型法中，需要控制好拉伸成型设备的参数。
4. 烧结工艺：烧结是制备陶瓷基复合材料的重要工艺环节，通过烧结可以使得材料颗粒之间结合更加紧密，提高材料的密度和强度。
5. 表面处理：在制备陶瓷基复合材料的最后一道工艺中，可以对制品进行表面处理，如抛光、涂层等，以提高制品的表面质量和外观。
《陶瓷基复合材 》课件
后处理
对烧成后的陶瓷复合材料进行 表面处理、切割、研磨等加工 ，以满足不同需求。
制备工艺的影响因素
原料的纯度和粒度
烧成温度和时间
气氛环境
添加剂的作用
原料的纯度和粒度对陶瓷基复 合材料的性能有着重要影响。 高纯度和细粒度的原料可以获 得更好的材料性能。
烧成温度和时间是制备工艺中 的关键因素，它们决定了陶瓷 基复合材料的结构和性能。
陶瓷基复合材料具有低膨胀系数和优良的 电绝缘性能，可用于电子元件的封装和连 接等领域。
02
陶瓷基复合材料的制备工艺
制备工艺的种类
热压烧结法
将陶瓷粉末在高温和压力下烧结成致密块体 的方法。
无压烧结法
在无外加压力的条件下，利用烧结助剂促进 陶瓷粉末烧结的方法。
熔融浸渗法
将熔融的金属或玻璃浸渗到多孔陶瓷基体中 ，形成复合材料的方法。
陶瓷基复合材料的应用领域
航空航天领域
汽车工业
陶瓷基复合材料具有轻质、高强、耐高温 等优点，广泛应用于航空航天器的热防护 系统、发动机部件等领域。
陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能和 化学稳定性，可用于汽车发动机部件、排 气管等领域。
能源领域
电子工业
陶瓷基复合材料具有良好的隔热性能和耐 腐蚀性能，可用于高温燃气轮机、核反应 堆等能源设备的制造。
化学气相沉积法
利用化学反应，将气体中的元素在陶瓷表面 沉积成固体，形成复合材料的方法。
制备工艺的流程
混合
将称量好的原料和添加剂进行 混合，使其成为致密的陶 瓷复合材料。
配料
根据配方要求，将各种原料和 添加剂进行精确称量。
成型
将混合好的原料放入模具中， 进行压制成型。
低热膨胀系数
陶瓷基复合材料PPT课件
面临的挑战
高成本
陶瓷基复合材料的制备工 艺复杂，导致其成本较高， 限制了大规模应用。
性能稳定性
陶瓷基复合材料在复杂环 境下性能稳定性不足，易 受温度、湿度等外部因素 影响。
生产效率
目前陶瓷基复合材料的生 产效率相对较低，影响了 其推广和应用。
未来展望
降低成本
通过技术创新和规模化生产，降低陶瓷基复合材 料的成本，提高其市场竞争力。
制备工艺的优化
熔融浸渗法
压力辅助成型法
通过优化熔融浸渗工艺参数，如温度、 压力和时间，提高陶瓷基复合材料的 致密化程度和力学性能。
通过调整压力辅助成型的压力、温度 和时间等参数，提高复合材料的密度 和力学性能。
化学气相沉积法
优化化学气相沉积工艺参数，如反应 温度、气体流量和沉积时间，以获得 均匀、致密的陶瓷基复合材料。
04
陶瓷基复合材料的性能优化
增强相的选择与优化
增强相种类
选择合适的增强相是提高陶瓷基 复合材料性能的关键，常用的增 强相包括碳纤维、玻璃纤维、晶
须等。
增强相分散与分布
优化增强相在基体中的分散和分布， 确保其均匀分布，以提高复合材料 的整体性能。
增强相表面处理
通过表面处理技术改善增强相与基 体之间的界面结合力，提高复合材 料的力学性能。
陶瓷基复合材料的性能优化主要通过 添加增强相、调整基体组成和工艺参 数实现。
陶瓷基复合材料在高温、高强度、抗 氧化等极端环境下的应用前景广阔， 但需要解决其可靠性、寿命和成本等 问题。
对未来研究的建议
01
02
03
04
深入研究陶瓷基复合材料的微 观结构和性能之间的关系，为 材料设计和优化提供理论支持
《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。
第7章 陶瓷基复合材料
裂纹扩展遇到纤维时受阻， 裂纹扩展遇到纤维时受阻，基体与纤维 间的界面的离解，纤维从基体中拔出， 间的界面的离解，纤维从基体中拔出， 纤维发生断裂， 纤维发生断裂，主裂纹还将沿纤维断裂 位置的不同而发生裂纹转向。 位置的不同而发生裂纹转向。
10
2．多向排布纤维增韧复合材料 ． 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， 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 其横向性能则显著低于纵向性能。只适用于单轴应力的场合。 其横向性能则显著低于纵向性能。只适用于单轴应力的场合。许多陶瓷 构件要求在二维及三维方向上均具有优良的性能， 构件要求在二维及三维方向上均具有优良的性能，需研究多向排布纤维 增韧陶瓷复合材料。 增韧陶瓷复合材料。 二维多向排布纤维增韧复合材料。 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存两 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 一种是将纤维编织成纤维布， 若干层进行热压烧结成型，如图 所示。 若干层进行热压烧结成型，如图7—17所示。 所示
Байду номын сангаас
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另一类界面则是在增韧体与基体之间形成一层 中间反应层，中间层将基体与韧体结合起来。 中间反应层，中间层将基体与韧体结合起来。 有利于复合材料的致密化。增韧相与基体无固 有利于复合材料的致密化。 定的取向关系。 定的取向关系。可通过界面反应来控制界面非 晶层的厚度， 晶层的厚度，并可通过对晶须表面涂层处理或 加入不同界面层形成物质控制反应层的强度， 加入不同界面层形成物质控制反应层的强度， 从而适当控制界面结合强度使复合材料获得预 期的性能，但非晶层的存在对材料的高温性能 期的性能， 不利。 不利。
1
7.1 陶瓷基复合材料的种类及基本性能 陶瓷材料的韧化问题成了近年来陶瓷工 作者们研究的一个重点问题。 作者们研究的一个重点问题。探索出了 若干种韧化陶瓷的途径。 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。 瓷基复合材料即是一种重要方法。
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。
陶瓷基复合材料的制备与性能研究
陶瓷基复合材料的制备与性能研究陶瓷基复合材料是一种由陶瓷基体和增强相组成的复合材料，具有优异的物理、化学和力学性能。
本文将探讨陶瓷基复合材料的制备方法及其性能研究。
一、制备方法陶瓷基复合材料的制备方法多样，其中常见的方法包括熔融法、粉末冶金法、溶胶-凝胶法和化学气相沉积法等。
熔融法是制备陶瓷基复合材料的传统方法之一。
通过将陶瓷和增强相的原料混合后加热熔融，再经过凝固和固化，最终得到所需的复合材料。
粉末冶金法是常用的制备方法之一。
首先将陶瓷和增强相的粉末混合均匀，然后通过压制、烧结和热处理等工艺步骤，使粉末颗粒结合成致密的块状材料。
溶胶-凝胶法是一种制备高性能陶瓷基复合材料的新方法。
该方法首先通过溶胶制备得到陶瓷基体的前驱体，然后通过凝胶处理和热处理等步骤得到所需的复合材料。
化学气相沉积法是一种制备陶瓷基复合材料的高温气相法。
该方法通过将气相中的金属有机化合物和气相中的陶瓷前驱体反应，使陶瓷基体得到沉积，再通过后续处理使其形成复合材料。
二、性能研究陶瓷基复合材料的性能研究主要包括物理性能、力学性能和化学性能等方面。
物理性能是指材料的密度、热膨胀系数、导热性能等方面的性能。
研究表明，陶瓷基复合材料具有较低的密度和较高的硬度，同时具有较好的热膨胀系数和导热性能。
力学性能是指材料的强度、韧性、硬度、断裂韧性等方面的性能。
由于陶瓷本身具有脆性，在复合材料中往往需要添加增强相来改善其力学性能。
增强相的加入可以提高材料的强度和韧性，从而增加材料的使用寿命。
化学性能是指材料在不同化学环境下的稳定性和耐腐蚀性。
陶瓷基复合材料具有优异的化学稳定性和耐腐蚀性，可应用于一些特殊的化学环境中。
此外，陶瓷基复合材料的电学性能和磁学性能也是研究的重点之一。
陶瓷基复合材料在电子器件、电磁材料等领域具有广泛的应用前景。
总结陶瓷基复合材料的制备与性能研究是材料科学领域的热点研究方向。
通过不同的制备方法，可得到具有优异性能的陶瓷基复合材料。
陶瓷基复合材料
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材料组成的复合材料。
它具有优异的耐高温、耐腐蚀、耐磨损、绝缘性能和较高的强度和硬度，因此在航空航天、汽车、机械等领域有着广泛的应用前景。
首先，陶瓷基复合材料的制备方法有多种，包括热压法、热等静压法、注射成型法等。
其中，热压法是一种常用的制备方法，通过将陶瓷粉末和增强材料粉末混合后，经过模具成型，再进行高温高压烧结而成。
这种方法制备的陶瓷基复合材料具有较高的密度和强度，适用于要求较高性能的领域。
其次，陶瓷基复合材料的增强材料多样，常见的有碳纤维、硅碳化物、氧化锆等。
这些增强材料能够有效提高陶瓷基复合材料的强度和韧性，使其具有更广泛的应用前景。
同时，通过合理选择和设计增强材料的类型和比例，可以使陶瓷基复合材料具有更优异的性能。
另外，陶瓷基复合材料的应用领域广泛，例如在航空航天领域，可以用于制造发动机零部件、导弹外壳等高温、高压、高速工作的零部件；在汽车领域，可以用于制造发动机缸套、刹车盘等耐磨损、耐腐蚀的零部件；在机械领域，可以用于制造轴承、刀具等需要耐磨损、耐高温的零部件。
最后，陶瓷基复合材料在实际应用中还面临着一些挑战，如制备工艺复杂、成本较高、易受到裂纹和断裂等。
因此，需要进一步研究和改进制备工艺，提高制备效率和降低成本，同时加强对陶瓷基复合材料的性能评价和监测，以确保其在各个领域的可靠应用。
综上所述，陶瓷基复合材料具有广阔的应用前景和发展空间，通过不断的研究和创新，相信它将在未来的材料领域发挥越来越重要的作用。
第7章 陶瓷基复合材料
氮化硼和氮化钛陶瓷
氮化硼陶瓷 BN有两种晶型：六方BN结构，性能与石墨相似， BN有两种晶型：六方BN结构，性能与石墨相似， 因此有白石墨之称。HBN硬度不高，是 因此有白石墨之称。HBN硬度不高，是 唯一易于机 械加工的陶瓷。高温（1500～2000℃)高压（6 械加工的陶瓷。高温（1500～2000℃)高压（6－ 9×103MPa ）下可转化为立方BN(CBN）。CBN的硬度 ）下可转化为立方BN(CBN）。CBN的硬度 接近于金刚石，是极好的耐磨材料。 氮化硼陶瓷的生产工艺用两种，即冷等静压成 型→ 1700～2000 ℃烧结，或在2000℃热压烧结。 1700～ ℃烧结，或在2000℃热压烧结。
氮化钛陶瓷 TiN是一种新型的结构材料，硬度大（显微 TiN是一种新型的结构材料，硬度大（显微 硬度为2100kg 硬度为2100kg · mm-2 )高熔点（2950℃）、化 高熔点（2950℃）、化 学稳定性好，而且金黄色金属光泽。是一种很好 的耐火耐磨材料及受人欢迎的代金装饰材料。 TiN还有导电性，可用作熔盐电极以及电触 TiN还有导电性，可用作熔盐电极以及电触 头等材料；TiN具有较高的超导临界温度，还是 头等材料；TiN具有较高的超导临界温度，还是 一种优良的超导材料。 常用的制备方法有：直接氮化，TiO2碳还原 常用的制备方法有：直接氮化，TiO 以及CVD法 以及CVD法
碳化硅陶瓷
以SiC为主要成分的陶瓷。 SiC为主要成分的陶瓷。 具有很高的高温强度， 1400℃ 具有很高的高温强度 ， 在 1400℃ 时抗弯强度仍保持在 500～600MPa，工作温度可达1700℃；有很好的热稳定性、 500～600MPa，工作温度可达1700℃；有很好的热稳定性、抗 蠕变性、耐磨性、耐蚀性，良好的导热性、耐辐射性。 蠕变性、耐磨性、耐蚀性，良好的导热性、耐辐射性。 由于碳化硅表面有一层薄氧化膜，因此很难烧结， 由于碳化硅表面有一层薄氧化膜，因此很难烧结，需添 加烧结助剂促进烧结，常加的助剂有硼、 加烧结助剂促进烧结，常加的助剂有硼、碳、铝等。 铝等。 用于制作火箭尾喷管喷嘴、浇注金属的浇道口、轴承、轴套、 用于制作火箭尾喷管喷嘴、浇注金属的浇道口、轴承、轴套、 密封阀片、轧钢用导轮、内燃机器件、热电偶保护套管、 密封阀片、轧钢用导轮、内燃机器件、热电偶保护套管、炉 管、核燃料包封材料、燃气轮机叶片及轴承，泵的密封圈、 核燃料包封材料、燃气轮机叶片及轴承，泵的密封圈、 拉丝成型模具等。 拉丝成型模具等。
《陶瓷基体复合材料》课件
溶胶-凝胶法
总结词
通过溶胶-凝胶转变过程制备陶瓷材料的方法。
详细描述
溶胶-凝胶法是一种制备陶瓷材料的方法。它通过将前 驱体溶液（通常为金属醇盐或无机盐）与适当的溶剂 混合，形成均匀的溶胶，然后经过凝胶化过程形成凝 胶。在凝胶化过程中，前驱体分子间的相互作用导致 形成三维网络结构，最终经过干燥和热处理得到所需 的陶瓷材料。溶胶-凝胶法可以制备出高纯度、高均匀 性的陶瓷材料，但需要严格控制制备过程中的温度、 浓度等参数。
除污染物和杂质。
催化剂载体
陶瓷基体复合材料可作为催化剂 载体，用于废气处理和工业废水 处理等领域，能够有效降低污染
物排放和提高处理效率。
热能回收
陶瓷基体复合材料具有高热导率 和耐高温性能，可用于制造高效 热能回收装置，将工业余热转化 为可利用的能源，实现能源的循
环利用。
05
CATALOGUE
陶瓷基体复合材料的研究展望
界面优化
改善陶瓷基体与增强相之 间的界面结合强度，提高 复合材料的整体性能。
工艺参数优化
通过调整制备工艺参数， 如温度、压力、时间等， 优化陶瓷基体复合材料的 组织结构和性能。
应用领域的拓展
航空航天领域
利用陶瓷基体复合材料的高温性能和轻量化特点，拓展其在航空 航天领域的应用。
能源领域
利用陶瓷基体复合材料的优异热稳定性和耐腐蚀性，拓展其在能 源领域的应用，如燃气轮机、核反应堆等。
能源
用于制造燃气轮机叶片、核反 应堆的屏蔽层等。
化工
用于制造耐腐蚀、高温的管道 、反应器等。
陶瓷基体复合材料的发展历程
20世纪40年代
玻璃纤维增强陶瓷基复合材料的出现，主要 用于航空航天领域。
20世纪70年代
《复合材料教学》7陶瓷基复合材料
3)原位化学反应法
原位化学反应技术已经被广泛用于制 造整体陶瓷件，同样该技术也可以用于制 造陶瓷基复合材料，已广泛应用的有CVD 和CVI工艺。
.
① CVD法
CVD法就是利用化学气相沉积技术， 通过一些反应性混合气体在高温状态下反 应，分解出陶瓷材料并沉积在各种增强材 料上形成陶瓷基复合材料的方法。
断裂韧性 MPa/m1/2
裂纹尺寸 大小, m
整体陶瓷
颗粒增韧
Al203
Al203/Ti Si3N4/T ZrO2/MgO
SiC C
iC
2.7~ 4.2
1.3~ 36
4.5 4.2~ ~ 4.5 6.0
41~ 36~ 74 41
4. 5 9~12
41
165~ 292
相变增韧
ZrO2/Y2 O3
ZrO2/ Al203
.
渗透法的主要缺点
①如果使用高熔点的陶瓷，就可能在陶 瓷和增强材料之间发生化学反应；
②陶瓷具有比金属更高的熔融黏度，因 此对增强材料的渗透相当困难；
.
③增强材料和基体在冷却后，由于不 同的热膨胀系数会引起收缩产生裂纹。
因此，为了避免这种情况，要尽量选 用热膨胀系数相近的增强材料和基体。
.
2)直接氧化法(Lanxide法)
.
② CVI法
将化学气相沉积技术运用在将大量陶瓷 材料渗透进增强材料预制坯件的工艺就称 为化学气相渗透工艺。
.
从这两种工艺技术来说，CVD法首先被 开发并应用于一些陶瓷纤维的制造和C/C复 合材料的制备；
CVI方法在CVD技术上发展起来并被广 泛应用于各种陶瓷基复合材料。
.
下图是CVI的工艺示意图，
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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。
24
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。
25
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
X
以充分发挥最
大的结构强度。
Y
三向C/C编织结构示意图
26
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。
27
7.1.3 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
10
裂纹垂直于纤维方向扩展示意图
11
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。
12
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
料的f =634MPa，KIC=7.5 MPa.M1/2有明显
的提高，这充分体现了这种复合强化的效果。
49
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
Si3N4+SiCw
52
由于陶瓷基复合材料往往是在高温条 件下制备，而且往往在高温环境中工作，
因此增强体与陶瓷之间容易发生化学反应
形成化学粘结的界面层或反应层。
53
若基体与增强体之间不发生反应或控
制它们之间发生反应，那么当从高温冷却
下来时，陶瓷的收缩大于增强体，由于收 缩而产生的径向压应力 r 与界面剪应力 有关：
6
(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。
7
7.1.2 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。
难，从而起到了增韧的作用。
13
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。
这也同样会使裂纹的扩展阻力增加，从而 使韧性进一步提高。
14
(2)．多向排布纤维增韧复合材 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
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。
50
7.1.4 陶瓷基复合材料的界面和强韧化机理
51
(1)、界面的粘结形式
对于陶瓷基复合材料来讲，界面
的粘结形式主要有两种：
A 机械粘结 B 化学粘结
性能显著低于纵向性能，所以只适用于单
轴应力的场合。
15
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。
16
(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
的使用受到很大限制的主要原因。
2
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。
现在这方面的研究巳取得了初步进展，
探索出了若干种韧化陶瓷的途径。
3
其中，往陶陶瓷材料中加入起 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。
4
7.1.1 陶瓷基复合材料的基体与增强体
58
另一方面，陶瓷基复合材料的界面要 弱到足以沿界面发生横向裂纹及裂纹偏转 直到纤维的拔出。 因此，陶瓷基复合材料界面要有一个 最佳的界面强度。
59
强的界面粘结
往往导致脆性破坏， 纤维
如下图 (a)所示，裂
纹可以在复合材料
的任一部位形成，
并迅速扩展至复合 基体
材料的横截面，导
致平面断裂。 (a)强界面结合
8
(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。
在实际构件中，主要是使用其纵向性能。
9
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：
断 裂 韧 性
KIC(MPa.m1/2)
f(MPa)
SiCw含量(vol%)
SiCw含量(vol%)
Al2O3+20mol%ZrO2(Y2O3)+SiCw
SiCw与ZrO2复合增韧Al2O3的强度与断裂韧性47
弯 曲 强 度
断 裂 韧 性
KIC(MPa.m1/2)
f(MPa)
ZrO2含量(vol%)
56
此时，增强体与基体之间的界面
是具有一定厚度的界面反应区，它与
基体和增强体都能较好的结合，但通 常是脆性的。例如Al2O3f/SiO2系中会 发生反应形成强的化学键结合。
57
(2)ห้องสมุดไป่ตู้界面的作用
对于陶瓷基复合材料来讲，界面粘结性 能影响陶瓷基体和复合材料的断裂行为。 对于陶瓷基复合材料的界面来说，一方 面应强到足以传递轴向载荷，并具有高的横 向强度；
(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。
5
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。
54
＝ r
式中，是摩擦系数，一般为0.1~0.6。
此外，基体在高温时呈现为液体(或 粘性体)，它也可渗入或浸入纤维表面的 缝隙等缺陷处，冷却后形成机械结合。
55
实际上，高温下原子的活性增大， 原子的扩散速度较室温大的多，由 于增强体与陶瓷基体的原子扩散，
在界面上更易形成固溶体和化合物。
21
后一种复合材料可以根据构件的形 状用纤维浸浆缠绕的方法做成所需要形 状的壳层状构件。 而前一种材料成型板状构件曲率不 宜太大。
22
这种二维多向纤维增韧陶瓷基复合材 料的韧化机理与单向排布纤维复合材料是 一样的，主要也是靠纤维的拔出与裂纹转 向机制，使其韧性及强度比基体材料大幅
度提高。
23
(3) 三维多向排布纤维增韧陶瓷基复合材料
KIC(MPa.m1/2)
f(MPa) SiCw含量（vol%） SiCw含量（vol%）
维 氏 硬 度
弹 性 模 量
HV(GPa)
E(GPa) SiCw含量（vol%）
32
弯 曲 强 度
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)
39
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。
40
右图显示了
SiCp含量对SiCp
/A12O3复合材料 性能的影响。
断 裂 强 度
从中可以看出，在5％ SiCp时强度出现峰值。 41
f(MPa)
SiCp含量(vol%)
下图为SiCp含量对SiCp / Si3N4复合材料性能 的影响。
由此可见，SiCw对陶瓷材料同时具有增
强和增韧的效果。
37
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。
38
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。
30
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。
下面两个图分别给出了ZrO2(2mol %
Y2O3) + SiCw及A12O3+ SiCw陶瓷复合材料 的性能与SiCw含量之间的关系。
31
断 裂 韧 性
弯 曲 强 度
ZrO2(Y2O3) 复 合 材 料 的 力 学 性 能
60
平面断裂主要是由于纤维的弹 性模量不是大大高于基体，因此在
断裂过程中，强的界面结合不产生
额外的能量消耗。
61
若界面结合较
弱，当基体中的裂
35
这可解释为由于SiCw含量高时造成热 失配过大，同时使致密化困难而引起密度
下降，从而使界面强度降低，导致了复合