第十四章陶瓷基复合材料

主要性能： 硬度很高，2000MPa，仅次于金刚石、氮化 硼、碳化硅 耐磨性好 耐腐蚀性强：由于铝氧之间键合力很大，氧化 铝又具有酸碱两重性。 电绝缘性好 抗热震性能差，不能承受环境温度的突然变化
2、氧化锆陶瓷
以氧化锆(ZrO2)为主要成分的陶瓷称为氧 化锆陶瓷。
理论密度为5.89 g/cm3，熔点为2715℃。
FSZ(Fully Stabilized Zirconia) 全稳定氧化锆
PSZ(Partially Stabilized Zirconia) 部分稳定氧化锆
TZP(Tetragonal Zirconnia Polycrytal) 单相多晶四方氧化锆
ZTA——氧化锆增韧氧化铝
主要性能：
➢ 耐磨性，轴承、密封件和替代人骨(如髋关节)等 ➢ 低热传导性，汽车发动机中作活塞顶、缸盖底板
传统陶瓷（普通陶瓷）
现代陶瓷（特种陶瓷）
三、陶瓷脆性的本质
很强的离子键或共价键合 较少可活动的滑移系 晶体堆垛不完整
脆
提高韧性
对表面伤痕和内部裂纹非常敏感
四、改善途径
纤维、晶须、颗粒
复合化增韧：加入增强相引入各种增韧机制增加 裂纹扩展阻力，从而增加断裂过程消耗的能量，提 高断裂韧性 KIC 。
相变增韧：裂纹尖端的应力场引起裂纹尖端附近 的晶体结构发生相变，使该局部区域发生体积膨胀 ，基体裂纹闭合，改善陶瓷材料的断裂韧性。
ZrO2
整体陶瓷与陶瓷基复合材料的力—位移曲线
断裂韧性和临界裂纹大小的比较
14.2 陶瓷基体
一、氧化物陶瓷
1、氧化铝陶瓷：以氧化铝(Al2O3)为主要成分的陶瓷。根据主
和汽缸内衬。 ➢ 氧化锆增韧氧化物陶瓷基体，制成韧性较基体材
料高的复合材料。 ➢ 氧化锆的韧性在所有陶瓷中是最高的。
二、氮化物陶瓷
1、氮化硅陶瓷（Si3N4）：
共价键化合物•非，氧属六化方物晶陶系瓷，有α和β两种晶
型结构，两种晶型的氮化化学成物分和密度相同，均
是六方体。
碳化物
由于Si-N高度共价硼的化化物学键结合强度高，属
呈现出永久塑性变形。 • 摩擦系数小，具有润滑性、导电性高。 • 价格高； • 抗氧化能力较差，在高温下有氧存在时会生成二
氧化碳。
碳纤维
碳纤维板
碳纤维编织环
碳纤维编织布
碳管
碳纤维齿轮
碳纤维结构件
C/C轴承止推环
碳纤维高尔夫球杆
碳纤维自行车
碳化硅纤维
碳化硅纤维是以碳和硅为主要组分的一种陶瓷 纤维，具有良好的高温性能、高强度、高模量 和化学稳定性。
第十四章 陶瓷基复合材料加工工艺
本章主要内容：
14.1 概述 14.2 陶瓷基体 14.3 增强体 14.4 增韧机理 14.5 制备方法
14.1 概述
一、陶瓷的定义
陶瓷是以无机非•金陶属瓷天的然定矿义物或化工产品为原料， 经原料处理、成•型陶、瓷干的燥分、类烧成等工序制成的产品
•陶瓷脆性的本质 二、陶瓷的分类 •改善途径
主要性能特点
强度高 硬度高
综合性 热压烧结>反应烧结
耐磨性好，摩擦系数小
耐腐蚀性好
电绝缘性好
抗热震性，抗高温蠕变性比其它陶瓷好
2、赛隆（Sialon）
Sialon ( silicon aluminum oxynitride)
Sialon材料： Si3N4 中的Si和N被Al或(Al+ M) (M为金属离子)及O置换所形成的一大类固溶体。
1、碳纤维是指纤维中含碳量95%左右的碳纤维和含 碳量99%左右的石墨纤维。制造陶瓷基复合材料最 常用的纤维之一。
2、原料: 人造丝（粘胶纤维） 聚丙烯腈PAN(主要原料) 沥青
3、制造
热牵伸法
预氧化
碳化
石墨化
碳化
石墨化
4、性能特点 • 强度和模量高、密度小，和碳素材料一样具有很
好的耐酸性。 • 热膨胀系数小，甚至为负值； • 耐高温蠕变性能，一般碳纤维在1900℃以上才
马
单斜m－ZrO2 5.65
氏
体
1170℃
相
变
四方t－ZrO2 6.1
2370℃
立方c－ZrO2 6.27
2715℃ 液相
最常用的稳定剂 ： ➢ 氧化镁，代表性的组分含量为8mol％MgO； ➢ 氧化钙，典型组分为15mol％CaO； ➢ 氧化钇，典型组分为2~3mol%Y2O3； ➢ 氧化铈，典型组分为12~20mol％CeO。
晶体结构与Si3N4类似(理想的Si3N4 结构是 [SiN4]四面体)通过共角的形式形成的空间骨架。
三、碳化物陶瓷
以碳化硅(SiC)为主要成分的陶瓷称为碳化硅陶瓷 。
SiC有α-和β-两种晶型。α-SiC为高温晶型，六方 纤锌矿结构；β-SiC为低温晶型，立方结构。
Si-C键属于典型的共价键结合。SiC分解温来自百度文库为 2600℃，密度为3.17g/cm3。
制备方法：反应烧结、常压烧结、热压烧结等。
性能特点： 优异的高温强度，可保持到1600℃； 热传导能力高，仅次于氧化铍陶瓷； 抗磨损性高、摩擦系数低，良好的耐腐蚀
性，低热膨胀系数，适宜的力学性能。 缺点：断裂韧性较低且在任何温度下都很
脆。
14.3 增强体
1.纤维 2.晶须 3.颗粒
碳纤维
1200℃；•不收缩烧结
二次氮化：1400-1420℃二次氮化18-36h，直到所有 的硅都变成氮化硅。
（2）热压烧结法 加温和单方向加压的制造工艺。
原料：Si3N4粉，加入少量添加剂(如 MgO等)，混合均匀后，装入由感应加热 的石墨模具中，在1650-1850℃高温下热 压烧结，烧结压力为l5~30MPa，保温1-4 小时。
晶相不同，可分为：•氧化物陶瓷 刚玉瓷：以α-Al2O3••为氮 碳主化化晶物物相。陶陶高瓷瓷纯刚玉瓷牌号75、85、95
和99，它们的纯度和熔点均依次提高。 刚玉-莫来石瓷：以α-Al2O3和3Al2O3·2SiO2为主晶相 莫来石瓷：以3Al2O3·2SiO2为主晶相
Al2O3含量变化对陶瓷性能的影响
难烧结物质。
硅化物
根据制备方法不同，将氮化硅陶瓷分为反应 烧结氮化硅陶瓷(RBSN)、热压烧结氮化硅陶瓷 (HPSN) 。
（1）反应烧结法
预料成，型一：般硅陶••粉α15瓷为-S~的原i330N成料v4o和型，l%方或β-气法硅Si制粉孔3N成与率4混所Si合3需N物形4粉状混；合物为原 预氮化：氮•气21中.7预%氮体化积1-膨1.5胀h，氮化温度1100-