复合材料 (2)综述

陶瓷基复合材料
摘要: 材料是科学技术发展的基础，材料的发展可以推动科学技术的发展，材料主要有金属材料、聚合物材料、无机非金属材料和复合材料四大类. 复合材料是不同的材料结合在一起、形成一种结构较为复杂的材料。

近年来，通过往陶瓷中加入或生成成颗粒、晶须、纤维等增强材料，使陶瓷的韧性大大地改善，而且强度及模量也有一定的提高。

陶瓷复合基材料就是以陶瓷材料为基体，并以陶瓷、碳纤维、难熔金属纤维、晶须、晶片和颗粒等为增强体，通过适当的复合工艺所构成的复合材料。

本文主要综述了陶瓷基复合材料的发展状况,分类,基体,增强体,以及制备工艺等内容。

关键词：陶瓷基复合材料、基体、增强、制备。

1 陶瓷基复合材料的发展概况。

陶瓷材料作为技术革命的新材料早在十几年前就引起了美国的关注。

近年来由于日本、美国、欧洲的竞相研究陶瓷材料技术得到迅速发展。

作为能适应各种环境的新型结构材料陶瓷材料已步入了实用化阶段。

为使陶瓷在更大范围内达到实用化国内外都对能改善陶瓷韧性陶瓷基复合材料进行了广泛研究。

陶瓷基复合材料(CMC)由于具有高强度、高硬度、高弹性模量、热化学稳定性等优异性能，是制造推重比10 以上航空发动机的理想耐高温结构材料。

一方面，它克服了单一陶瓷材料脆性断裂的缺点，提高了材料的断裂韧性；另一方面，它保持了陶瓷基体耐高温、低膨胀、低密度、热稳定性好的优点。

陶瓷基复合材料的最高使用温度可达1650℃，而密度只有高温合金的70％。

因此，近几十年来，陶瓷基复合材料的研究有了较快发展。

目前CMC 正在航空发动机的高温段的少数零件上作评定性试用。

2 陶瓷基复合材料的分类
按增强材料形态分类，陶瓷基复合材料可分为颗粒增强陶瓷复合材料、纤维增强陶瓷复合材料、片材增强陶瓷复合材料。

按基体材料分类，陶瓷基复合材料可分为氧化物基陶瓷复合材料、非氧化物基陶瓷复合材料、碳/碳复合材料、微晶玻璃基复合材料。

3 瓷基体的种类
陶瓷基体材料主要以结晶和非结晶两种形态的化合物存在，按照组成化合物的元素不同，又可以分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷等。

此外，还有一些会以混合氧化物的形态存在
3.1 氧化物陶瓷基体
3.1.1 氧化铝陶瓷基体
以氧化铝为主要成分的陶瓷称为氧化铝陶瓷，氧化铝仅有一种热动力学稳定的相态。

氧化铝陶瓷包括高纯氧化铝瓷，99氧化铝陶瓷，95氧化铝陶瓷，85氧化铝陶瓷等.
3.1.2 氧化锆陶瓷基体
以氧化锆为主要成分的陶瓷称为氧化锆陶瓷。

氧化锆密度5.6-5.9g/cm3熔点2175℃。

稳定的氧化锆陶瓷的比热容和导热系数小，韧性好，化学稳定性良好．高温时具有抗酸性和抗碱性。

3.2 氮化物陶瓷基体
3.2.1 氮化硅陶瓷基体
以氮化硅为主要成分的陶瓷称氮化硅陶瓷，氮化硅陶瓷有两种形态。

此外氮化硅还具有热膨胀系数低，优异的抗冷热聚变能力，能耐除氢氟酸外的各种无机酸和碱溶液，还可耐熔融的铅、锡、镍、黄钢、铝等有色金属及合金的侵蚀且不粘留这些金属液。

3.2.2 氮化硼陶瓷基体
以氮化硼为主要成分的陶瓷称为氯化硼陶瓷。

氮化硼是共价键化合物。

3.3 碳化物陶瓷基体
3.3.1 碳化硅陶瓷基体
以碳化硅为主要成分的陶瓷称为碳化硅陶瓷。

碳化硅是一种非常硬和抗磨蚀的材料，以热压法制造的碳化硅用来作为切割钻石的刀具。

碳化硅还具有优异的抗腐蚀性能，抗氧化性能。

3.3.2 碳化硼陶瓷基体
以碳化硼为主要成分的陶瓷称为碳化硼陶瓷碳化硼是一种低密度、高熔点、高硬度陶瓷。

碳化硼粉末可以通过无压烧结、热压等制备技术形成致密的材料。

4 陶瓷基复合材料增强体
用于复合材料的增强体品种很多，根据复合材料的性能要求，主要分为以下几种
4.1 纤维类
纤维类增强体有连续长纤维和短纤维。

连续长纤维的连续长度均超过数百。

纤维性能有方向性，一般沿轴向均有很高的强度和弹性模量。

4.2 颗粒类
颗粒类增强体主要是一些具有高强度、高模量。

耐热、耐磨。

耐高温的陶瓷等无机非金属颗粒，主要有碳化硅、氧化铝、碳化钛、石墨﹑细金刚石、高岭土、滑石、碳酸钙等。

主要还有一些金属和聚合物颗粒类增强体，后者主要有热塑性树脂粉末。

4.3 晶须类
晶须是在人工条件下制造出的细小单晶，一般呈棒状，其直径为0.2~1微米，长度为几十微米，由于其具有细小组织结构，缺陷少，具有很高的强度和模量。

4.4 金属丝
用于复合材料的高强福、高模量金属丝增强物主要有铍丝、钢丝、不锈钢丝和钨丝等，金属丝一般用于金属基复合材料和水泥基复合材料的增强，但前者比较多见。

4.5 片状物
片状增强物主要是陶瓷薄片，将陶瓷薄片叠压起来形成的陶瓷复合材料具有很高的韧性。

5 陶瓷基复合材料的制备工艺
陶瓷基复合材料的制造通常分为两个步骤：第一步是将增强材料渗入未固结(成粉木状)的基体材料排列整齐或混合均勾；第二步是运用各种加工条件在尽量不破坏增强材料和基体行能的前提下制成复合材料制品。

5.1 传统的制备方法
5.1.1 冷压和烧结法
将粉末和纤维冷压，然后烧结是—种传统的陶瓷生产工艺。

借鉴聚合物生产工艺中的挤压、吹塑、注射等成型工艺，为了快速生产的需要．可以在一定的条件下将陶瓷粉末和有机载体混合后压制成型，除去有机粘连剂然后烧结成制品；在这种方法的生产过程中，通常会遇到烧结过程中制品收缩，同时最终产品中有许多裂纹的问题。

在用纤维和品须增强陶瓷廷材料进行烧结时，除了会遇到陶瓷基收缩的问题外，还会因为增强构料具有较高的长径比，增强材料和基体不同的热膨胀系数，增强材料在基体中排列方式的不同等因素使烧结材料在烧结和冷却时产生缺陷或内应力。

5.1.2热压法
热压是目前制备纤维增强陶瓷基复合材料最常用的方法，一般把它称为
浆料浸渍工艺，主要用在纤维增强玻璃和纤维增强陶瓷复合材料中，浆料浸渍工艺主要包括两个步骤：增强相渗入没有固化的基体中；固化的复合材料被热压成型。

5.2 新的制备方法
新的制备技术主要指在20世纪70年代开始发展起来的技术。

它包括渗透，直接氧化等技术。

5.2.1 渗透法
渗透法就是在预制的增强材料坯件中使基体材料以液态或气态的形式渗透制成复合材料。

比较常用的是液相渗透。

这个方法类似于聚合物基复合材料制造技术中纤维布被液相的树脂渗透后热压固化：二者的差别就是所用的基体是陶瓷，渗透的温度要高得多。

5.2.2 直接氧化法
直接氧化法就是利用熔融金属直接与氧化剂发生氧化反应而制备陶瓷基复合材料的工艺方法。

它的主要生产工艺是：将增强纤维或纤维预成型件置于熔融金属上面，并处于空气或其他气氛中，熔融金属中含有镁、硅等一些添加剂。

在纤维不断被金属渗透的过程中．渗透到纤维中的金属与空气或其他气体在不断发生氧化反应，这种反应始终在液相金属和气相氧化剂的界面处进行，反应生成的氧化物沉积在纤维周围，形成含有少量金属、致密的陶瓷摹复合材料。

5.2.3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反应，分解出陶瓷材料并沉积在各种增强材料上形成陶瓷签复合材料的方法CVI法就是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，也就
是化学气相渗透工艺。

5.2.4 溶胶-疑胶法和热解法
溶胶—凝胶法是运用胶体化学的方法，将含有金属化合物的溶液，与增强材料混合后反应形成镕胶，溶胶在—定的条件下转化成为凝胶，然后烧结成CMC的一种工艺，由于从凝胶转变成陶瓷所需的反比温度要低于传统工艺中的温度．因此在制造—些整体的陶瓷构件时，溶胶—凝胶法有较大的优势。

热解法就是使聚合物先驱体热解形成陶瓷苯复合材料的方法．以溶胶—凝胶法和热解法生产CMC的优点是可以非常好地控制复合材料的组分，无论是溶胶还处聚合物先驱体都比较容易渗透到纤维中，而且最后成型时的温度较低，两种生产工艺上的主要缺点是在烧结时会产生较大的收缩以及收率较低。

5.2.5 自蔓燃高温合成法
自蔓燃高温合成法就是利用有效的热反比使化学反应自发进行下去．最后生成所需要的产品，该技术一般用于制造系列耐火材料。

该技术生产的产品一般都有较多的孔隙。

为了减少孔隙，在燃烧反应结束后，温度还相当高的情况下，应立即置于较高压力。

6 陶瓷基复合材料发展方向
陶瓷基复合材料在近10多年的发展过程中已取得了较大的发展，但要把它应用于实践仍有许多问题亟待解决，其研究应在以下几个方面发展：
(1) 在理论上确定f/m(纤维/基体)之间的最佳界面结合强度，使材料的强度和韧性都达到最佳值，研制高性能纤维，改善纤维表面特征和f/m界面相容性，研究f/m间的中间相对复合材料强度和断裂韧性的影响。

(2) 开发浆料复合材料及致密化工艺(特别是三维复合材料)，并从理论上深入研究料浆-纤维或凝胶-纤维系统的烧结行为，热压烧结仅限于实验室及制作一些简单件，在实际生产中也应强调气压烧结工艺。

(3) 用流变学观点分析料浆的悬浮性，研究纤维和晶须的分散技术，尤
其是研究和开发有机高聚物，使其既能作为分散剂，同时又能在高温下转化为陶瓷材料。

(4) 研究CVI工艺制备连续纤维增韧陶瓷基复合材料，建立更为合理的CVI模型，探索更实用的CVI工艺，提高纤维和基体界面的抗氧化性能。

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陶
瓷
基
复
合
材
料
专业班级:无机非10-1
学号 :311003050207
姓名:刘晓娅。