第八章陶瓷基复合材料

8.2 主要陶瓷基体及增强体材料
基体：氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、 基体：氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷和玻璃或水泥等无机非金 属材料，如氧化铝、氧化锆、氮化硅、氮化硼、氮化铝、碳化硅、 属材料，如氧化铝、氧化锆、氮化硅、氮化硼、氮化铝、碳化硅、碳化 锆以及一些硼化物、 锆以及一些硼化物、硅化物等 增强体：纤维、晶须和颗粒，主要有碳纤维及晶须、碳化硅纤维及晶须、 增强体：纤维、晶须和颗粒，主要有碳纤维及晶须、碳化硅纤维及晶须、 氧化铝纤维及晶须、 氧化铝纤维及晶须、氮化硅纤维及晶须等
工艺
反应物粉末＋增强体混合均匀→ 反应物粉末＋增强体混合均匀→素坯在一定温度下反应得新化合物基体 基体与增强体结合得复合材料烧结体（ →基体与增强体结合得复合材料烧结体（也有同时生成基体和增强体并 形成复合材料） 形成复合材料）
设备条件
电阻炉；高温反应在惰性气氛(Ar,N 反应物粉末需纯度高、颗粒细、 电阻炉；高温反应在惰性气氛(Ar,N2)；反应物粉末需纯度高、颗粒细、 较高的反应活性；可添加一些催化剂加速反应； 较高的反应活性；可添加一些催化剂加速反应；需控制素坯空隙率
2 颗粒增韧机制
第二相颗粒的引入可以改善陶瓷材料的力学性能，引入的第二相可以是金属颗粒， 第二相颗粒的引入可以改善陶瓷材料的力学性能，引入的第二相可以是金属颗粒， 也可是无机非金属颗粒。 也可是无机非金属颗粒。影响第二相颗粒增韧效果的主要因素是基体与第二相颗 粒的弹性模量和热膨胀系数之差以及两相之间的化学相容性，其中， 粒的弹性模量和热膨胀系数之差以及两相之间的化学相容性，其中，化学相容性 是要求既不出现过量的相间化学反应，同时又能保证较高的界面结合强度， 是要求既不出现过量的相间化学反应，同时又能保证较高的界面结合强度，这是 颗粒产生有效增韧效果的前提条件
1 陶瓷基复合材料的纤维补强增韧机制 在陶瓷基复合材料中，纤维与陶瓷基体的弹性模量非常接近， 在陶瓷基复合材料中，纤维与陶瓷基体的弹性模量非常接近，二者承担 载荷的能力相当，加入纤维的主要作用不是增加强度， 载荷的能力相当，加入纤维的主要作用不是增加强度，而是提高韧性 (1)基体预压应力增韧 (1)基体预压应力增韧 (2)裂纹扩展受阻 (2)裂纹扩展受阻 (3)纤维拔出 (3)纤维拔出 (4)裂纹偏转 (4)裂纹偏转 (5)相变增韧 (5)相变增韧 (6)纤维/ (6)纤维/基体界面解离 纤维 (7)纤维桥联增韧 (7)纤维桥联增韧 (8) 微裂纹增韧
刚性颗粒弥散强化陶瓷增韧机理：裂纹分支、裂纹偏转和钉扎。 刚性颗粒弥散强化陶瓷增韧机理：裂纹分支、裂纹偏转和钉扎。颗粒弥 散增韧与温度无关，因此可以作为高温增韧机制。 散增韧与温度无关，因此可以作为高温增韧机制。颗粒弥散强化是一种 有效的增韧途径， 可使材料的断裂韧性提高50%以上。 50%以上 有效的增韧途径， 可使材料的断裂韧性提高50%以上。增韧机理受到刚性 颗粒、陶瓷基体的自身特性(如弹性模量、热膨胀系数等） 颗粒、陶瓷基体的自身特性(如弹性模量、热膨胀系数等）以及二者界面 结合状态的影响 延性金属颗粒增韧机理：裂纹桥联机制、 延性金属颗粒增韧机理：裂纹桥联机制、延性颗粒塑性变形区域屏蔽机 金属颗粒拔出、裂纹偏转及裂纹陷入机理等。桥联机制是主要机制， 制、金属颗粒拔出、裂纹偏转及裂纹陷入机理等。桥联机制是主要机制， 即等裂纹前沿扩展到延性金属颗粒时，金属颗粒由于具有较大延性， 即等裂纹前沿扩展到延性金属颗粒时，金属颗粒由于具有较大延性，将 不发生破坏而产生塑性变形， 不发生破坏而产生塑性变形，因此扩展裂纹的上下表面在裂纹尖端后方 一定距离内被未损伤的金属颗粒钉扎(桥联) 一定距离内被未损伤的金属颗粒钉扎(桥联)。由于桥联金属颗粒阻止了裂 纹的进一步张开而减小了裂纹尖端的应力强度因子， 纹的进一步张开而减小了裂纹尖端的应力强度因子，从而达到增韧效果
要求
为了使料浆能黏附于增强体表面，要求粉体悬浮于料浆中， 为了使料浆能黏附于增强体表面，要求粉体悬浮于料浆中，浆料与增强体表 面能很好的润湿；增强体要求易分散、表面清洁。 面能很好的润湿；增强体要求易分散、表面清洁。
设备与过程
烧丝机。过程：纤维从卷筒放出→浸入盛放料浆的容器 将黏附浆料的纤 烧丝机。过程：纤维从卷筒放出→浸入盛放料浆的容器→将黏附浆料的纤 维引导到烧丝机卷杆上→开动烧丝机进行缠绕 开动烧丝机进行缠绕。 维引导到烧丝机卷杆上 开动烧丝机进行缠绕。 纤维的缠绕走向按需要可垂直于卷杆；也可与卷杆成一定角度； 纤维的缠绕走向按需要可垂直于卷杆；也可与卷杆成一定角度； 还可以缠绕几层后铺一层与卷杆平行浸过浆料的纤维，交错进行 还可以缠绕几层后铺一层与卷杆平行浸过浆料的纤维， 缠绕时需要调节烧丝机的转速，使纤维与基体有恰当的比例；纤维束数量 缠绕时需要调节烧丝机的转速，使纤维与基体有恰当的比例； 不能太多，以防一部分纤维不能被浆料浸渍。如要求纤维单向排列、 不能太多，以防一部分纤维不能被浆料浸渍。如要求纤维单向排列、正交 排列或交叉排列，将浸渍过浆料的纤维一层一层堆积即可。 排列或交叉排列，将浸渍过浆料的纤维一层一层堆积即可。纤维毡编织的 纤维框架(多维方向排列 、短纤维和分散晶须都可以用料浆浸渍 纤维框架 多维方向排列)、 多维方向排列
8.4.2 热等静压烧结成型法(hot isostatic pressing ,HIP) 热等静压烧结成型法(
概念
热等静压烧结成型是通过气体介质将高温和高压同时均匀地作用于复合材 料全部表面使之固结的工艺方法。 料全部表面使之固结的工艺方法。此工艺获得的陶瓷基复合材料可基本消 除内部气孔，接近理论密度， 除内部气孔，接近理论密度，大大改善制品性能
重要参数
反应温度、反应时间、升温速率、 反应温度、反应时间、升温速率、气氛控制
特点
固相反应可以在较低的温度下制备出基体本身有较高熔点、较难烧结的 固相反应可以在较低的温度下制备出基体本身有较高熔点、 复合材料；适合制备出形状复杂、 复合材料；适合制备出形状复杂、尺寸精度要求较高的陶瓷基复合材料 部件；材料一般气孔率较大， 部件；材料一般气孔率较大，如果反应烧结后再进行重烧结或热压烧结 可进一步提高致密度，减少气孔率， 可进一步提高致密度，减少气孔率，提高材料性能
料浆浸渍热压成型法( 8.4.4 料浆浸渍热压成型法(impregnation-hot pressing )
概念
将纤维置于制备好的陶瓷粉体浆料( 将纤维置于制备好的陶瓷粉体浆料(通常用蒸馏水加陶瓷粉体加粘结 剂经搅拌或球磨制成) 使纤维周围都黏附一层浆料， 剂经搅拌或球磨制成)里，使纤维周围都黏附一层浆料，然后将含有 浆料的纤Leabharlann Baidu排布成一定结构的坯体，经干燥、排胶， 浆料的纤维排布成一定结构的坯体，经干燥、排胶，热压烧结为产品
设备
间歇式热压炉和连续式热压炉；模具材料：结构陶瓷－高强石墨； 间歇式热压炉和连续式热压炉；模具材料：结构陶瓷－高强石墨；功能陶 瓷－氮化硅、碳化硅或高温合金等材料 氮化硅、
重要参数
热压温度、保温时间、压力、 热压温度、保温时间、压力、气氛和升降温速率
特点
与无压烧结相比，能降低烧结温度，缩短保温时间， 与无压烧结相比，能降低烧结温度，缩短保温时间，使基体晶粒较细 能获得高致密度、 能获得高致密度、高性能复合材料 材料性能重复性好，使用可靠， 材料性能重复性好，使用可靠，控制热压模具尺寸精度能减少复合材料加工余量 缺点：只能制造形状简单的零件；模具消耗大， 缺点：只能制造形状简单的零件；模具消耗大，一次只能单件或少件 烧结，成本较高；由于热压压力方向性， 烧结，成本较高；由于热压压力方向性，材料性能有方向性
概念
陶瓷粉体和增强体(晶须或短纤维) 陶瓷粉体和增强体(晶须或短纤维)的悬浮溶液分散体系在直流电场作用 荷电质点向电极迁移并在电极上沉积成一定形状的坯体，经干燥、 下，荷电质点向电极迁移并在电极上沉积成一定形状的坯体，经干燥、 烧结后获得产品的工艺方法。 烧结后获得产品的工艺方法。分散体系中由于质点离解或吸附使质点表 面带电， 面带电，分散介质可以用水也可以用其它溶剂
电极材料
金属或石墨。其形状根据产品形状来设计确定，可以是棒状、板状和筒状 金属或石墨。其形状根据产品形状来设计确定，可以是棒状、
第八章
8.1 概述
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料是在陶瓷基体中引入第二相材料，使之增强、 陶瓷基复合材料是在陶瓷基体中引入第二相材料，使之增强、增韧的多 相材料， 相材料，又称多相复合陶瓷或复相陶瓷 1) 纤维(或晶须)增韧(或增强)陶瓷基复合材料 纤维(或晶须)增韧(或增强) 2) 异相颗粒弥散强化复相陶瓷 3) 原位生长陶瓷复合材料 4) 梯度功能复合陶瓷 5) 纳米陶瓷复合材料
分类
包封烧结：一般以石英玻璃或硼玻璃、耐高温金属为包封材料。 包封烧结：一般以石英玻璃或硼玻璃、耐高温金属为包封材料。包封前抽 真空加热，排除内部空气， 真空加热，排除内部空气，再升温加压 无包封烧结：先将粉料成型和预烧封孔， 无包封烧结：先将粉料成型和预烧封孔，使坯料成为基本无开口气孔的烧 结体， 结体，然后再实施热等静压烧结
8.3 陶瓷基复合材料的补强增韧机制
陶瓷晶体的键合类型主要是离子键和共价键。 与金属相比， 陶瓷晶体的键合类型主要是离子键和共价键。 与金属相比，可活动的 滑移系少的多，因此陶瓷材料的断裂应变、断裂韧性很低。 滑移系少的多，因此陶瓷材料的断裂应变、断裂韧性很低。陶瓷结构中 原子的排列决定它缺乏像金属材料那样的塑性变形能力， 原子的排列决定它缺乏像金属材料那样的塑性变形能力，因此在断裂过 程中除了产生新的断裂表面所需的表面能以外， 程中除了产生新的断裂表面所需的表面能以外，几乎没有其他吸收能量 的机制， 的机制，这就是陶瓷脆性的本质原因
8.4 陶瓷基复合材料成型方法
陶瓷基复合材料成型方法
传统混合和粘合液浸渍
化学合成技术
熔融浸润技术
化学反应形式
热压烧结成型法( 8.4.1 热压烧结成型法(Hot-Pressed Sintering )
概念
热压烧结成型是使松散的或成型的陶瓷基复合材料混合物在高温下通过外加 压力使其致密化的成型方法。加压方法为纵向(单轴 加压。 单轴)加压 压力使其致密化的成型方法。加压方法为纵向 单轴 加压。热压时导致复合材 料致密化的可能机制是基体颗粒重排、 可能机制是基体颗粒重排 料致密化的可能机制是基体颗粒重排、晶格扩散和包括粘滞变形的塑性流动
与热压烧结相比，由于热等静压是均匀地将压力作用于材料各个表面， 与热压烧结相比，由于热等静压是均匀地将压力作用于材料各个表面，进而材 料各向同性
固相反应烧结成型法( 8.4.3 固相反应烧结成型法(Solid-state Reaction)
概念
固相反应烧结成型是通过固相化学反应， 固相反应烧结成型是通过固相化学反应，使反应物素坯直接得到复合材料 烧结体的一种烧结工艺方法。 烧结体的一种烧结工艺方法。其以生成物烧结体与反应物素坯间化学位之 差为动力，在进行固相化学反应同时完成材料的烧结， 差为动力，在进行固相化学反应同时完成材料的烧结，不加或少加烧结助 剂，属无压烧结
特点
热等静压主要以均匀外加应力，而不是自由能变化为烧结驱动力，可以在较低 热等静压主要以均匀外加应力，而不是自由能变化为烧结驱动力， 的烧结温度， 的烧结温度，使用少量添加剂甚至不使用添加剂的条件下获得致密件 低温可防止第二相分解，及与基体或烧结助剂发生反应， 低温可防止第二相分解，及与基体或烧结助剂发生反应，可制备性能优异的 陶瓷基复合材料 与无压烧结相比，可降低烧结温度、缩短烧结时间， 与无压烧结相比，可降低烧结温度、缩短烧结时间，其致密化程度大大提高
特点
优点：不损伤增强体，不需要成型模具，能制造大型零件， 优点：不损伤增强体，不需要成型模具，能制造大型零件，工艺较简单 缺点：增强体与基体比例难以精确控制， 缺点：增强体与基体比例难以精确控制，增强体在基体中分布不太均匀
电泳沉积成型法( 8.4.5 电泳沉积成型法(electrophoretic deposition )