第十四章陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料
图10-7 纤维陶瓷基复合材 料应力-应变曲线示意图 料应力 应变曲线示意图
2）断裂韧性 纤维拔出与裂纹偏转 是复合材料韧性提高的主 要机制。纤维含量增加， 要机制。纤维含量增加， 阻止裂纹扩展的势垒增加， 阻止裂纹扩展的势垒增加， 断裂韧性增加。 断裂韧性增加。但当纤维 含量超过一定量时， 含量超过一定量时，纤维 局部分布不均， 局部分布不均，相对密度 降低，气孔率增加， 降低，气孔率增加，其抗 弯强度反而降低（ 10弯强度反而降低（图108）。
图10-8 CF/ LAS的断裂韧性和弯 的断裂韧性和弯 曲强度随纤维含量的变化
2、高温力学性能 强度、 1）强度、韧性
两图分别为不同温度下SiC 两图分别为不同温度下SiCF/ MAS(MgO.AL２O３.SiO２ )复合材料的力学 性能变化。室温下，复合材料的抗弯强度比基体材料高约10 10倍 性能变化。室温下，复合材料的抗弯强度比基体材料高约10倍，弹性模量 提高约2 复合材料的抗弯强度至700℃保持不变， 700℃保持不变 提高约2倍。复合材料的抗弯强度至700℃保持不变，然后强度随温度升高 而急剧增加；但弹性模量却随着温度升高从室温的137GPa降到850℃ 137GPa降到850℃的 而急剧增加；但弹性模量却随着温度升高从室温的137GPa降到850℃的80 GPa。这一变化与材料中残余玻璃相随温度升高的变化相关。 GPa。这一变化与材料中残余玻璃相随温度升高的变化相关。
图10-6 FCVI法制备纤维 法制备纤维 陶瓷基复合材料示意图
FCVI的传质过程是通过对流来实现。 FCVI的传质过程是通过对流来实现。可用来制备厚壁部 的传质过程是通过对流来实现 件。但不适于制作形状复杂的部件。 但不适于制作形状复杂的部件。 此外,在FCVI过程中，基体沉积是在一个温度范围内， 此外, FCVI过程中，基体沉积是在一个温度范围内， 过程中 必然会导致基体中不同晶体结构的物质共存， 必然会导致基体中不同晶体结构的物质共存，从而产生内应 力并影响材料的热稳定性。 力并影响材料的热稳定性。
陶瓷基复合材料
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5. 4 短纤维＼晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料
图7-18给出了C纤维增
韧玻璃陶瓷复合材料中 短纤维的分布示意图。 另外，在制备过程中也
可使短纤维实现定向排
列，如采用流延成型法
可使纤维实现取向排列。
1.纤维、颗粒弥散增强陶瓷基复合材料
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图7-31示出SiCw／
ZrO2 复合材料的显
微组织，由于是采用
热压方法制备，所以
晶须的排列有一定的
择优取向。
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5. 4 短纤维＼晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料
图7-19为复合材料断裂功与
碳纤维体积分数之间的关系。 可以看出：在适当的纤维体 积分数时，复合材料的断裂 功有显著提高；并且当纤维
取向排布时，可在高纤维体
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5. 4 短纤维＼晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料
3.颗粒增韧陶瓷基复合材料 图7-24是SiCP／Si2N4复合材料的性能与SiCP体积分数的
1.纤维、颗粒弥散增强陶瓷基复合材料
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(1）长纤维增韧陶瓷基复合材料
（1）纤维定向排布而具有明显的各向异
性 （2）纤维排布纵向上的性能显著高于横 向； （3）在实际构件中主要使用其纤维排布 方向上的性能； （4）长纤维复合材料的制备要解决纤维 表面与基体的润湿问题。 （5）必要时纤维表面要进行处理以提高 界面结合质量，同时还必须考虑力学 相容性及热失配问题。
瓷复合材料；不连续纤维增强的复合材料包括晶须、
晶片和颗粒的第二组元增强体和自身增强体，如 SiN4 中等轴晶的基体中分布一些晶须状 -SiN4 晶粒可起到 增强效果。
《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
01
02
03
感谢观看
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。
第十四章--陶瓷基复合材料PPT课件
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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。
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14.3 增强体
1.纤维 2.晶须 3.颗粒
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18
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19
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20
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21
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22
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
.
23
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。
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碳纤维
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
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3、制造
热牵伸法
预氧化
碳化
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石墨化
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碳化
石墨化
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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。
➢ 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
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。
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二、氮化物陶瓷
《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 ppt课件
PPT课件
1
回顾一下：
陶瓷致命缺点：
脆性
改善韧性的有效手段：
向陶瓷材料中加入起增韧作用的第二相
增韧机制：
靠纤维（晶须）的拔出、裂纹的桥连与转向机 制对强度和韧性的提高产生作用。
PPT课件
2
10.3 陶瓷基复合材料的种类及基本性能
10.3.1 纤维增强陶瓷基复合材料
纤维增强陶瓷材料是常见的重要手段！！ 按纤维排布方式的不同，可将其分为
裂纹垂直于纤维方向扩展示意图 PPT课件
5
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。
裂纹垂直于纤维方向扩展示意图 PPT课件
6
因此，裂纹的扩展必须克服纤维的拔出功和
纤维断裂功，结果就是使得材料的断裂变得更为
困难，从而起到了增韧的作用。
单向排布纤维增韧陶瓷只是在纤维排列方向 上的轴向性能较为优越，而其横向性能显著低于 纵向性能，所以只适用于单轴应力的场合。
PPT课件
7
二、多向排布纤维增韧复合材料
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，这就要进一步的制备多向排 布纤维增韧陶瓷基复合材料。
莫来石+ Si3;SiCw
452
551~580
4.4
5.4~6.7
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。
PPT课件 32
10.4 陶瓷基复合材料的制备
陶瓷基复合材料的制造分为两个步骤：
第一步是将增强材料掺入未固结(或粉末状)的基
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
陶瓷基复合材料的性质及其应用前景
陶瓷基复合材料的性质及其应用前景陶瓷基复合材料是一种新型的复合材料，它由陶瓷基体和增强材料组成。
其特点是硬度高、强度大、耐高温、耐腐蚀、绝缘性能好等。
由于其独特的性质，陶瓷基复合材料在航空航天、汽车制造、电子和电力工业等领域都有广泛的应用。
一、陶瓷基复合材料的组成陶瓷基复合材料由陶瓷基体和增强材料组成。
其中，陶瓷基体通常采用氧化物陶瓷或碳化物陶瓷，而增强材料则可以选择纤维材料、颗粒材料、层板材料等。
陶瓷基复合材料的制备方法很多，主要包括热压、热等静压、拉伸成型等。
二、陶瓷基复合材料的性质1. 高硬度由于陶瓷基复合材料的基体是陶瓷，因此具有非常高的硬度。
事实上，某些陶瓷基复合材料的硬度可以接近金刚石，达到20GPa以上。
这一优异的性能意味着它们可以耐受高度的磨损和冲击，适用于大多数需要高耐久性的应用领域。
2. 高强度在增强材料的加入下，陶瓷基复合材料具有很高的强度和刚性。
因此，它们可以承受非常大的载荷，并在极端条件下工作。
这种性质使它们成为航空航天、汽车制造和电力工业等相关领域中理想的结构材料。
3. 耐高温陶瓷基复合材料具有非常好的耐高温性能。
在高温环境下，它们保持不失效、不变形等特性。
因此，它们被广泛应用于航空航天、汽车制造等需要高温稳定性能的领域。
4. 耐腐蚀陶瓷基复合材料还具有良好的耐腐蚀性能。
在强酸、强碱、高浓度的腐蚀性环境下，它们仍然可以保持稳定。
这一性质使它们成为化工、电力工业领域中的理想材料。
5. 绝缘性能好陶瓷基复合材料具有很好的绝缘性能，因此广泛运用于电子和电力工业中。
它们可以承受高电压、高电流的特性，同时在工作过程中不会导电或产生电磁干扰。
三、陶瓷基复合材料的应用前景由于其优异的性能和多功能性，陶瓷基复合材料在多个领域都有很广泛的应用前景。
以下是一些典型应用案例：1. 航空航天陶瓷基复合材料可以用于制作飞机、火箭、导弹的部件，如机身、引擎、导向器等。
因为它们的低重量、高强度和耐高温性质可以降低飞行设备的质量和提高操作效率。
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
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03
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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。
第十四章陶瓷基复合材料
3）残余应力机制 通过复合在材料内部产生一定的残余压应力场，此残余压应力可以延迟基体开裂，当材料受 拉伸载荷时，强度、韧性均增加。
非防护机制：由于强化相的存在，迫使裂纹需要不断改变扩展方向，或使裂纹产生弯曲（类似于颗 粒对位错的钉扎作用），使其扩展需要消耗附加能量。
的工作稳定性和使用寿命。
2 航天领域的应用 利用其良好的耐热性和在高温下比强度高的特性，制造飞机发动机零部件将会提高发动机性能。
利用其比模量高、热稳定性好的特点，而且克服了其脆性弱点，抗热震冲击能力显著增强。用 于航天防热结构，可实现耐烧蚀、隔热和结构支撑等多功能的材料一体化设计，大幅度减轻系统重 量，增加运载效率和使用寿命，或者提高导弹武器的射程和作战效能
3 刀具方面的应用 利用其较高的耐磨性和抗冲击性
如：复合Si3N4陶瓷刀具适合于各类铸铁件的粗精加工，也能进行铣削、刨削等冲击力很大的加 工，其切削效率可提高3～10倍。
复合TiCN金属陶瓷刀具具有很高的硬度和耐磨性，特别适合于各类高硬高强钢(如淬硬钢等)的 加工，可对高硬材料实现“以车代磨”干切削，免除退火工艺和冷却液，大幅度提高生产效率。
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分解温度为2600℃，密度为3.17g/cm3。 制备方法：反应烧结、常压烧结、热压烧结等。
FSZ(Fully Stabilized Zirconia) 全稳定氧化锆
PSZ(Partially Stabilized Zirconia) 部分稳定氧化锆
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。
《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
第十四章陶瓷基复合材料加工工艺课件
起步阶段
成熟阶段
20世纪50年代，人们开始探索陶瓷基 复合材料的制备方法。
21世纪初，陶瓷基复合材料在能源、 化工等领域得到广泛应用，并不断涌 现出新的制备技术和应用领域。
发展阶段
20世纪70年代，随着材料科学和制备 工艺的进步，陶瓷基复合材料逐渐应 用于航空航天领域。
02
陶瓷基复合材料的加工 工艺
高的生产效率。
反应烧结工艺
总结词
通过在高温下使陶瓷粉末之间发生化学反应，生成所需陶瓷材料，并进行烧结，形成致密的陶瓷基复合材料。
详细描述
反应烧结工艺是利用陶瓷粉末之间发生的化学反应来制备陶瓷基复合材料的方法。在反应烧结过程中，将陶瓷粉 末加热至高温，使粉末之间发生化学反应，生成所需的陶瓷材料。经过进一步的烧结处理，得到致密的陶瓷基复 合材料。该工艺适用于制备高熔点、高硬度、高耐磨性的陶瓷材料。
热压烧结工艺
总结词
通过在高温高压下将陶瓷粉末压制成形，然后进行烧结，形成致密的陶瓷基复合材料。
详细描述
热压烧结工艺是一种常用的陶瓷基复合材料加工方法。在热压烧结过程中，将陶瓷粉末 与适量的有机或无机粘合剂混合，然后在高温高压下将混合物压制成形。经过烧结后， 去除粘合剂，得到致密的陶瓷基复合材料。该工艺可制备形状复杂的陶瓷部件，具有较
高温超导陶瓷基复合材料
01
高温超导陶瓷基复合材料介绍
高温超导陶瓷基复合材料是一种具有优异导电性能的材料，能够在极低
的温度下实现零电阻。这种材料在电力传输、磁悬浮、磁体等领域具有
广泛的应用前景。
02
制备工艺
高温超导陶瓷基复合材料的制备工艺主要包括粉末制备、成型、烧结等
步骤。其中，粉末制备是关键环节，需要控制原料的纯度、粒度和化学
第14章陶瓷基复合材料
连续纤维复合材料最常用的方法是泥浆浸渍。将基体粉末悬浮 在含有有机粘结剂的有机溶媒中制成泥浆，纤维单丝或束通过 泥浆，挂上基体．然后缠绕在圆筒上并除去溶媒，取下后热压 便得复合材料。 以碳纤维增强陶瓷基复合材料为例对此过程作简要解释。 碳纤维束先去捻，然后在滚筒上用压缩空气吹成滚筒宽度并使 其铺成无纬带。无纬带通过装有基体粉末、溶媒和粘结剂的泥 浆槽，槽内自下向上通入压缩空气搅拌，使基体保持悬浮状态 。浸渍好的无纬带缠绕在圆筒上，干燥除去溶剂后裁成需要的 尺寸，进行热压复合和固结。调节泥浆中粉末和粘结剂的量可 以控制复合材料中纤维的含量，一般在20％～60％之间。
1 纤维的加入和定向 在制造复合材料时必须控制纤维的体积含量、方向和分布。 将纤维定向不但能在需要的方向上发挥它们的增强效果，而 且能达到比较高的充填密度。 随机排列的短纤维复合材料只要将纤维和基体粉末混合即可 ，纤维越长、含量超高，在基体中的均匀分布越困难，纤维 的最高含量约为30％，否则纤维容易成团并产生空洞。 在热压过程中，混合物中随机排列的纤维趋向于在垂直热压 方向的各平面内定向，但在平面内仍是随机排列。
2 热压
粉末的粒度分布、温度和压力等工艺参数对用热压法材料的 性能起着关键作用。 粉末中如含有高百分比的尺寸小于纤维直径的粒级，则有利 于纤维在基体中均匀分布，尖角的颗粒容易损伤纤维表面。 表3为不同方法制得的粉末对碳-玻璃／陶瓷复合材料性能 的影响。由表3可见，用球磨粉末制得的复合材料的性能优于 用电动液压粉碎法粉末制得的复合材料。同时使用两种粉末 时性能介于两者之间。
表1
可作陶瓷基复合材料的纤维及它们的性能
表2
陶瓷基体材料及其性能
第二节
陶瓷基复合材料的成型工艺及基本性能
结晶陶瓷用高温粉末治金法制造； 玻璃用熔融法制造； 玻璃-陶瓷先在玻璃态以较低温度处理，然后进行反玻璃化 热处理，得到细晶粒的多晶陶瓷。 以上方法可以延用来制造相应基体的陶瓷基复合材料。 纤维增强陶瓷基复合材料的制造包括将纤维加入基体和复 合及基体的固结两个过程，有时两个过程可以同时进行。 高性能陶瓷复合材料最广泛的方法是热压法。
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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
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。
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℃。
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-
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 。
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
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。
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
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分解温度为 2600℃，密度为3.17g/cm3。
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。
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
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
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30MPa，保温1-4 小时。