第5章 金属陶瓷基复合材料
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第五章 金属基复合材料成型技术
第五章 金属基复合材料成型技术
• 5.1概述 • 金属基复合材料制造技术是影响金属基复合 材料迅速发展和广泛应用的关键问题。金属基复 合材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决 于其制造方法和工艺。然而，金属基复合材料的 制造相对其他基复合材料还是比较复杂和困难。 这是由于金属熔点较高，需要在高温下操作；同 时不少金属对增强体表面润湿性很差，甚至不润 湿，加上金属在高温下很活泼，易与多种增强体 发生反应。目前虽然已经研制出不少制造方法和 工艺，但仍存在一系列问题。所以开发有效的制 造方法一直是金属基复合材料研究中最重要的课 题之一。
PVD法纤维/基体复合丝原理图
5.3.5共喷沉积技术
• 共喷沉积法是制造各种颗粒增强金属基复合材料 的有效方法，1969年由A．R．E．siager发明， 随后由Ospmy金属有限公司发展成工业生产规模 的制造技术，现可以用来制造铝、铜、镍、铁、 金属间化合物基复合材料。 • 共喷沉积工艺过程，包括基体金属熔化、液态金 属雾化、颗粒加入及与金属雾化流的混合、沉积 和凝固等工序。主要工艺参数有：熔融金属温度， 惰性气体压力、流量、速度，颗粒加入速度，沉 积底板温度等。这些参数都对复合材料的质量有 重要的影响。不同的金属基复合材料有各自的最 佳工艺参数组合，必须十分严格地加以控制。
压铸工艺中，影响金属基复合材料性能的工艺因素主要有四个： ①熔融金属的温度 ②模具预热温度 ③使用的最大压力 ④加压速度 在采用预制增强材料块时，为了获得无孔隙的复合材料，一般压力不低于 50MPa，加压速度以使预制件不变形为宜，一般为1~3cm/s。对于铝基复合材 料，熔融金属温度一般为700~800℃，预制件和模具预热温度一般可控制在 500~800℃，并可相互补偿，如前者高些，后者可以低些，反之亦然。采用压 铸法生产的铝基复合材料的零部件，其组织细化、无气孔，可以获得比一般金 属模铸件性能优良的压铸件。与其他金属基复合材料制备方法相比，压铸工艺 设备简单，成本低，材料的质量高且稳定，易于工业化生产。
• 5.1概述 • 金属基复合材料制造技术是影响金属基复合 材料迅速发展和广泛应用的关键问题。金属基复 合材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决 于其制造方法和工艺。然而，金属基复合材料的 制造相对其他基复合材料还是比较复杂和困难。 这是由于金属熔点较高，需要在高温下操作；同 时不少金属对增强体表面润湿性很差，甚至不润 湿，加上金属在高温下很活泼，易与多种增强体 发生反应。目前虽然已经研制出不少制造方法和 工艺，但仍存在一系列问题。所以开发有效的制 造方法一直是金属基复合材料研究中最重要的课 题之一。
PVD法纤维/基体复合丝原理图
5.3.5共喷沉积技术
• 共喷沉积法是制造各种颗粒增强金属基复合材料 的有效方法，1969年由A．R．E．siager发明， 随后由Ospmy金属有限公司发展成工业生产规模 的制造技术，现可以用来制造铝、铜、镍、铁、 金属间化合物基复合材料。 • 共喷沉积工艺过程，包括基体金属熔化、液态金 属雾化、颗粒加入及与金属雾化流的混合、沉积 和凝固等工序。主要工艺参数有：熔融金属温度， 惰性气体压力、流量、速度，颗粒加入速度，沉 积底板温度等。这些参数都对复合材料的质量有 重要的影响。不同的金属基复合材料有各自的最 佳工艺参数组合，必须十分严格地加以控制。
压铸工艺中，影响金属基复合材料性能的工艺因素主要有四个： ①熔融金属的温度 ②模具预热温度 ③使用的最大压力 ④加压速度 在采用预制增强材料块时，为了获得无孔隙的复合材料，一般压力不低于 50MPa，加压速度以使预制件不变形为宜，一般为1~3cm/s。对于铝基复合材 料，熔融金属温度一般为700~800℃，预制件和模具预热温度一般可控制在 500~800℃，并可相互补偿，如前者高些，后者可以低些，反之亦然。采用压 铸法生产的铝基复合材料的零部件，其组织细化、无气孔，可以获得比一般金 属模铸件性能优良的压铸件。与其他金属基复合材料制备方法相比，压铸工艺 设备简单，成本低，材料的质量高且稳定，易于工业化生产。
金属陶瓷基复合材料
➢ 碳/碳复合材料的应用
①导弹和宇航工业 ②航空工业
③汽车工业
④其他方面的应用
5.3.3 陶瓷基复合材料的应用
可应用于切削刀具,热机部件,耐腐蚀部件,特殊电子/电气部 件,能量转换元件.
22002211/1/01/300/30
19
第十九页，共24页
5.2.4 碳/碳复合材料
5.2.4.1 制备方法
金属陶瓷基复合材料
2021/10/30
第一页，共24页
5.2.1 概述
金属基复合材料(MMC)定义
金属基体的作用：
① 固结增强体
② 传递和承受载荷
③ 赋予形状，可加工性 ④ 影响材料强度、刚度等性能
性能优势： ① 资源丰富
② 模量、耐热性高
③ 强度高、可强化
④ 塑性、韧性好
⑤ 光、电、磁、热、弹等性能优良
➢ 主要特点 ● 高的比强度、比模量；
● 好的韧性；
● 比聚合物高的使用温度。
2002211/1/10/03/030
6
第六页，共24页
5.2.3 金属基复合材料
5.2.3.1 制造方法
（1）固态制造工艺
①粉末合金法 ②固态热压法 ③热等静压法 ④热轧法
⑤热挤压法
⑥热拉拔法 ⑦爆炸焊接法
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(4)碳/碳陶瓷复合材料的制造工艺及性能
➢ 优点: 高温热性能
➢ 缺点: 性能, 加工, 设计
➢ 制造工艺: ⑴碳纤维的胚体制备；
⑵碳基体的制备；
⑶基体与纤维的复合.
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18
第十八页，共24页
➢ 碳/碳复合材料的性能
陶瓷基复合材料
p
图5-5 当αp>αm时残余应力场引起的 裂纹偏转
图5-6 SiCp/Si3N4复合材料体系中断裂能 与SiCp体积含量的关系
图5-7 SiCp/Si3N4复合材料体系中断裂韧 性与SiCp体积含量的关系
（4）颗粒的裂纹桥联增韧 裂纹桥联发生在裂纹尖端后方，由某些结构单 元（如纤维、晶粒等）连接裂纹的两个表面， 并提供一个使裂纹面相互靠近的闭合力，使断 裂韧性（临界应力强度因子）增大。 脆性颗粒：当裂纹遇上桥联剂时，桥联剂可能 穿晶破坏，也可能出现互锁现象（即裂纹绕过 桥联剂沿晶界扩展），其他颗粒形成裂纹链。 延性颗粒：颗粒在应力作用下可能发生塑性变 形并形成裂纹桥联，使裂纹“钝化” 。当基体 与延性颗粒的热膨胀系数相等时，利用延性裂 纹桥可达到最佳增韧效果。
330
275 380
317
236 165
3.0
3.2 2.8
30～15
28～12 6～3
5.1.2 陶瓷基复合材料的增强材料
1 ．纤维增强体 （1）碳纤维 石墨纤维，高模量型，拉伸模量400GPa，拉伸强度 1.7GPa；低模量型，拉伸模量240GPa，拉伸强度 2.5GPa。 （2）SiC纤维 CVD法、有机硅聚合物前驱体法，最高使用温度达 1200℃，强度达1960～4410MPa，在最高使用温度下 强度保持率在80％以上，模量为176.4～294GPa。 （3）氧化铝系纤维 聚合物法、溶胶-凝胶。使用温度达1450℃～1600℃， 拉伸强度2000～3000MPa。 2 ．晶须 强度高，接近0.2E。常用SiC、Al2O3、Si3N4晶须。 3 ．颗粒增强体 常用SiC、Si3N4、ZrO2、TiB2颗粒。
抗弯强度/MPa 抗压强度/MPa
图5-5 当αp>αm时残余应力场引起的 裂纹偏转
图5-6 SiCp/Si3N4复合材料体系中断裂能 与SiCp体积含量的关系
图5-7 SiCp/Si3N4复合材料体系中断裂韧 性与SiCp体积含量的关系
（4）颗粒的裂纹桥联增韧 裂纹桥联发生在裂纹尖端后方，由某些结构单 元（如纤维、晶粒等）连接裂纹的两个表面， 并提供一个使裂纹面相互靠近的闭合力，使断 裂韧性（临界应力强度因子）增大。 脆性颗粒：当裂纹遇上桥联剂时，桥联剂可能 穿晶破坏，也可能出现互锁现象（即裂纹绕过 桥联剂沿晶界扩展），其他颗粒形成裂纹链。 延性颗粒：颗粒在应力作用下可能发生塑性变 形并形成裂纹桥联，使裂纹“钝化” 。当基体 与延性颗粒的热膨胀系数相等时，利用延性裂 纹桥可达到最佳增韧效果。
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275 380
317
236 165
3.0
3.2 2.8
30～15
28～12 6～3
5.1.2 陶瓷基复合材料的增强材料
1 ．纤维增强体 （1）碳纤维 石墨纤维，高模量型，拉伸模量400GPa，拉伸强度 1.7GPa；低模量型，拉伸模量240GPa，拉伸强度 2.5GPa。 （2）SiC纤维 CVD法、有机硅聚合物前驱体法，最高使用温度达 1200℃，强度达1960～4410MPa，在最高使用温度下 强度保持率在80％以上，模量为176.4～294GPa。 （3）氧化铝系纤维 聚合物法、溶胶-凝胶。使用温度达1450℃～1600℃， 拉伸强度2000～3000MPa。 2 ．晶须 强度高，接近0.2E。常用SiC、Al2O3、Si3N4晶须。 3 ．颗粒增强体 常用SiC、Si3N4、ZrO2、TiB2颗粒。
抗弯强度/MPa 抗压强度/MPa
《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
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第5章陶瓷基复合材料
C纤/SiC气相沉积原理图示
溶胶 - 凝胶 法 (Sol - Gel)
连续纤维 增强陶瓷基 复合材料示 意图。
溶胶 - 凝胶法 (Sol - Gel) 真空浸渍增
强陶瓷基复合 材料示
意图。
溶剂蒸发法
（2）成型制备技术 粉体成型示意图
① 挤压成型
经增塑的粉末在压力作用下，通过压膜咀挤成所需 的坯件。
成型工序：分为滚压成型和注浆成型。然后干燥、修坯， 备用。
烧成工序：在取得白坯后，入窑素烧，经过精修、施釉， 进行釉烧，对出窑后的白瓷检选，得到合格白瓷。
彩烤工序：对合格白瓷进行贴花、镶金等步骤后，入烤 花窑烧烤，开窑后进行花瓷的检选，得到合格花瓷成品。
包装工序：对花瓷按照不同的配套方法、各种要求进行 包装，即形成本公司的最终产品，发货或者入库。
官、哥、钧五大名窑瓷器至今仍享有盛名 ； • １８世纪乾隆时期，形成具有中国特色的造型、装
饰、绘画等综合性的工艺品和实用品。获有“白如 玉、青如天、明如镜、薄如纸、声如磬”的美誉。
汝瓷
定瓷
官瓷
哥瓷
钧瓷
表5-1 陶器与瓷器的区别
陶器与瓷器的区别
陶器
瓷器
制作原料 烧成温度
用黏土（陶土） 用瓷土（高岭土为 主的原料）
固-固反应
固-液反应 化学共沉淀法 溶胶-凝胶法 溶剂蒸发法 PVD
CVD
化学气相沉积法CVD(Chemical Vapor Depositon) CVD法是将连续纤维（或晶须）制成预成型坯 体，而后置于化学气相沉积炉内，通过高温条 件下的气相反应形成复合材料基体物质沉积， 填充于骨架纤维中，从而直接获得陶瓷基复合 材料制品。
注浆成型包括石 膏模制做、粉浆 制备和粉浆浇注。 注浆成型的关键 是浆料的制备。 在制备浆料时， 需要加入分散悬 浮剂、粘结剂、 除气剂和滴定剂。
溶胶 - 凝胶 法 (Sol - Gel)
连续纤维 增强陶瓷基 复合材料示 意图。
溶胶 - 凝胶法 (Sol - Gel) 真空浸渍增
强陶瓷基复合 材料示
意图。
溶剂蒸发法
（2）成型制备技术 粉体成型示意图
① 挤压成型
经增塑的粉末在压力作用下，通过压膜咀挤成所需 的坯件。
成型工序：分为滚压成型和注浆成型。然后干燥、修坯， 备用。
烧成工序：在取得白坯后，入窑素烧，经过精修、施釉， 进行釉烧，对出窑后的白瓷检选，得到合格白瓷。
彩烤工序：对合格白瓷进行贴花、镶金等步骤后，入烤 花窑烧烤，开窑后进行花瓷的检选，得到合格花瓷成品。
包装工序：对花瓷按照不同的配套方法、各种要求进行 包装，即形成本公司的最终产品，发货或者入库。
官、哥、钧五大名窑瓷器至今仍享有盛名 ； • １８世纪乾隆时期，形成具有中国特色的造型、装
饰、绘画等综合性的工艺品和实用品。获有“白如 玉、青如天、明如镜、薄如纸、声如磬”的美誉。
汝瓷
定瓷
官瓷
哥瓷
钧瓷
表5-1 陶器与瓷器的区别
陶器与瓷器的区别
陶器
瓷器
制作原料 烧成温度
用黏土（陶土） 用瓷土（高岭土为 主的原料）
固-固反应
固-液反应 化学共沉淀法 溶胶-凝胶法 溶剂蒸发法 PVD
CVD
化学气相沉积法CVD(Chemical Vapor Depositon) CVD法是将连续纤维（或晶须）制成预成型坯 体，而后置于化学气相沉积炉内，通过高温条 件下的气相反应形成复合材料基体物质沉积， 填充于骨架纤维中，从而直接获得陶瓷基复合 材料制品。
注浆成型包括石 膏模制做、粉浆 制备和粉浆浇注。 注浆成型的关键 是浆料的制备。 在制备浆料时， 需要加入分散悬 浮剂、粘结剂、 除气剂和滴定剂。
复合材料第5章----陶瓷基复合材料
热压铸成型、挤压成型、轧膜成型、注浆成型、流 延成型、注射成型、直接凝固成型、泥浆渗透成型 、模压成型、等静压成型
3. 烧结
从生坯中除去粘合剂组分后的陶瓷素坯烧固成致密制品的过程叫烧结。 为了烧结，必需有专门的窑炉。窑炉的种类繁多，按其功能进行划分可 分为间歇式和连续式。 烧结方法：普通烧结、热致密烧结、反应烧结、微波烧结及放电等离子 体。
较为复杂，因此也使这种方法具有很大的局限性。
橡皮模成型法：是用静水压从各个方向均匀加压于橡皮模来成
。 型，故不会发生生坯密度不均匀和具有方向性之类的问题
挤压成型法：把料浆放入压滤机内挤出水分，形成块状后， 从安装各种挤形口的真空挤出成型机挤出成型的方法，它适用于
断面形状简单的长条形坯件的成型。
41
轧膜成型
37
2晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工与制备
与陶瓷材料相似，晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的制造工 艺也可大致分为以下几个步骤：
配料 成型 烧结 精加工
这一过程看似简单，实则包含着相当复杂的内容。即使坯体 由超细粉(微米级)原料组成，其产品质量也不易控制，所以随着现 代科技对材料提出的要求的不断提高，这方面的研究还必持进一步 深入。
上述的干燥粉料充入模型内，加压后即可成型。通常有金属模成型 法和橡皮模成型法。
金属模成型法具有装置简单，成型成本低廉的优点，仍它的加压方 向是单向的。粉末与金属模壁的摩擦力大，粉末间传递压力不太均匀。 故易造成烧成后的生坯变形或开裂、只能适用于形状比较简单的制件。
40
注射成型法：从成型过程上看，与塑料的注射成型过程相类 似，但在陶瓷中必须从生坯里将粘合剂除去并再烧结，这些工艺均
31
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，可作为高温增韧机制。颗粒弥散强化是一种
3. 烧结
从生坯中除去粘合剂组分后的陶瓷素坯烧固成致密制品的过程叫烧结。 为了烧结，必需有专门的窑炉。窑炉的种类繁多，按其功能进行划分可 分为间歇式和连续式。 烧结方法：普通烧结、热致密烧结、反应烧结、微波烧结及放电等离子 体。
较为复杂，因此也使这种方法具有很大的局限性。
橡皮模成型法：是用静水压从各个方向均匀加压于橡皮模来成
。 型，故不会发生生坯密度不均匀和具有方向性之类的问题
挤压成型法：把料浆放入压滤机内挤出水分，形成块状后， 从安装各种挤形口的真空挤出成型机挤出成型的方法，它适用于
断面形状简单的长条形坯件的成型。
41
轧膜成型
37
2晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工与制备
与陶瓷材料相似，晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的制造工 艺也可大致分为以下几个步骤：
配料 成型 烧结 精加工
这一过程看似简单，实则包含着相当复杂的内容。即使坯体 由超细粉(微米级)原料组成，其产品质量也不易控制，所以随着现 代科技对材料提出的要求的不断提高，这方面的研究还必持进一步 深入。
上述的干燥粉料充入模型内，加压后即可成型。通常有金属模成型 法和橡皮模成型法。
金属模成型法具有装置简单，成型成本低廉的优点，仍它的加压方 向是单向的。粉末与金属模壁的摩擦力大，粉末间传递压力不太均匀。 故易造成烧成后的生坯变形或开裂、只能适用于形状比较简单的制件。
40
注射成型法：从成型过程上看，与塑料的注射成型过程相类 似，但在陶瓷中必须从生坯里将粘合剂除去并再烧结，这些工艺均
31
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，可作为高温增韧机制。颗粒弥散强化是一种
陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法及研究进展
陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法及研究进展【摘要】陶瓷颗粒增强金属基复合材料具有优异的力学性能和热稳定性，因而受到广泛关注。
本文主要探讨了陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法及研究进展。
在分别介绍了研究背景、研究意义和研究现状。
在详细讨论了陶瓷颗粒的选择与表面处理、金属基体材料的选择与预处理，以及增强相的分散与复合方法。
结论部分总结了未来研究方向和发展前景，强调了陶瓷颗粒增强金属基复合材料在材料领域的重要性。
通过本文的研究，可以更好地理解和应用陶瓷颗粒增强金属基复合材料，推动该领域的进一步发展。
【关键词】陶瓷颗粒增强金属基复合材料、制备方法、研究进展、陶瓷颗粒选择、表面处理、金属基体材料、预处理、增强相分散、未来研究方向、发展前景、总结。
1. 引言1.1 研究背景金属基复合材料是一种集金属和陶瓷的优点于一体的高性能材料，具有良好的力学性能和热性能，在航空航天、汽车、能源等领域具有广泛的应用前景。
陶瓷颗粒作为增强相可以有效提高金属基复合材料的强度、硬度和磨损性能，因此备受关注。
在过去的研究中，人们主要关注于增强相的性能和分散性，以及金属基体与增强相的界面结合强度等问题。
当前对于陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法和研究仍存在一些挑战和不足之处，需要进一步深入研究和改进。
本文将针对该领域的研究现状进行综述，探讨目前存在的问题，提出未来的研究方向和发展前景，为相关研究提供参考和指导。
1.2 研究意义陶瓷颗粒增强金属基复合材料在工程材料领域具有重要的应用价值，其具有优异的力学性能、热性能和耐腐蚀性能，可以被广泛应用于航空航天、汽车制造、船舶建造等领域。
通过研究陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法，可以为相关领域提供高效、可靠的材料解决方案，推动相关行业的技术发展和创新。
陶瓷颗粒增强金属基复合材料的研究也可以促进材料科学领域的交叉融合，推动材料制备技术的进步。
深入探讨陶瓷颗粒增强金属基复合材料的研究意义，不仅可以拓展材料领域的研究范围，还可以为相关产业的发展提供有力支持。
金属陶瓷基复合材料PPT课件
15
5.3.2 陶瓷基复合材料的制造
制备方法:
①料浆浸渍-热压烧结法；②化学气相渗透法 ③有机先驱体热解法； ④熔融渗透法 ⑤直接氧化沉淀法； ⑥反应烧结法
(2)晶须和颗粒增强陶瓷基复合材料的制备工艺
①晶须复合材料制备工艺
a.烧结法
b.先驱体转化法
c.电泳沉积法
2020/4/2
16
② 原位生长晶须 ③ 颗粒增强陶瓷基复合材料
碳化硅保护高 温下的氧化
21
5.2.4.2 性能
➢ 轻质、高强度、高硬度和耐高温； ➢ 熔点高, 高温抗氧化性能好; ➢ 化学稳定好, 耐辐射，具有较高的热辐射 率; ➢ 具有碳纤维与碳材料的突出性能; ➢ 低温下，易于氧化。
2020/4/2
22
5.2.4.3 应用
航空和航天材料;生物医学材料;坦克装 甲用耐磨材料;化工领域的抗腐蚀材料等.
耐磨零件： 碳化硅，氧化铝颗粒，晶须等
用作集电和电触头： SiC，金属丝，石墨颗粒增强铝，铜等
耐腐蚀电池极板： 石墨碳纤维增强铅合金等
2020/4/2
5
5.2.3 金属基复合材料
➢ 重要体系 Al2O3/(Al、Mg)
➢ 主要特点 ● 高的比强度、比模量； ● 好的韧性； ● 比聚合物高的使用温度。
2020/4/2
10
5.2.3.3 金属基复合材料 的应用
➢ Bf/Al 用作航天飞机部件; ➢ Cf/Al用作NASA空间望远镜的
天线支架;
➢ FP-Al2O3f/ (Al,Mg)用作汽车部 件和内燃机连杆等等
2020/4/2
11
铝合金在飞机上的应用
2020/4/2
12
5.3 陶瓷基复合材料
《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
复合材料概论第7章--陶瓷基复合材料
主要利用其力学性能和耐高温性能，主要用作承力和次承力构件，主要特 性是轻质、高强、高刚度、高比模、耐高温、低膨胀、绝热和耐腐蚀等。
❖ 功能陶瓷基复合材料
主要利用其光、声、电、磁、热等物理性能的功能材料，指除力学性能以 外而具有某些物理性能（如导电、半导、磁性、压电、阻尼、吸声、吸波、屏 蔽、阻燃、防热等）的陶瓷基复合材料。主要由功能体（单功能或多功能）和 基体组成，基体不仅起到粘结和赋形的作用，同时也会对复合陶瓷整体性能有 影响。多功能体可以使复合陶瓷具有多种功能，同时还有可能由于产生复合效 应而出现新的功能。
赛隆陶瓷（Sialon）
在Si3N4结构中固溶一定数量的Al和O形成的以Si-Al-O-N为主要元素 的Si3N4固溶体。
根据结构和组分的不同，可分为-Sialon、-Sialon和O-Sialon等。
-Sialon是-Si3N4固溶体，其化学通式为Si6-zAlzOzN8-z（0 < z < 4）。 物理性能、力学性能与-Si3N4类似，硬度、强度稍低于-Si3N4，但韧性 比-Si3N4好。
2、分类
(2)、按基体材料分类
❖ 氧化物陶瓷基复合材料 ❖ 非氧化物陶瓷基复合材料 ❖ 玻璃基或玻璃陶瓷基复合材料 ❖ 水泥基多相复合（陶瓷）材料
2、分类
(3)、按增强体的形态分类
可分为零维（颗粒）、一维（纤维状）、二维（片状和平面织 物）、三维（三向编织体）等陶瓷基复合材料。具体可分为：
❖ 颗粒弥散强化陶瓷基复合材料——包括硬质颗粒和延性颗粒 ❖ 晶须补强增韧陶瓷基复合材料——包括短纤维补强增韧陶瓷
2002
本章主要内容：
一、基本概念和分类 二、原材料及其特性 三、设计理论和强韧化机理 四、陶瓷基复合材料的制备技术 五、纤维增强陶瓷基复合材料 六、晶须增韧陶瓷基复合材料 七、仿生结构陶瓷基复合材料
❖ 功能陶瓷基复合材料
主要利用其光、声、电、磁、热等物理性能的功能材料，指除力学性能以 外而具有某些物理性能（如导电、半导、磁性、压电、阻尼、吸声、吸波、屏 蔽、阻燃、防热等）的陶瓷基复合材料。主要由功能体（单功能或多功能）和 基体组成，基体不仅起到粘结和赋形的作用，同时也会对复合陶瓷整体性能有 影响。多功能体可以使复合陶瓷具有多种功能，同时还有可能由于产生复合效 应而出现新的功能。
赛隆陶瓷（Sialon）
在Si3N4结构中固溶一定数量的Al和O形成的以Si-Al-O-N为主要元素 的Si3N4固溶体。
根据结构和组分的不同，可分为-Sialon、-Sialon和O-Sialon等。
-Sialon是-Si3N4固溶体，其化学通式为Si6-zAlzOzN8-z（0 < z < 4）。 物理性能、力学性能与-Si3N4类似，硬度、强度稍低于-Si3N4，但韧性 比-Si3N4好。
2、分类
(2)、按基体材料分类
❖ 氧化物陶瓷基复合材料 ❖ 非氧化物陶瓷基复合材料 ❖ 玻璃基或玻璃陶瓷基复合材料 ❖ 水泥基多相复合（陶瓷）材料
2、分类
(3)、按增强体的形态分类
可分为零维（颗粒）、一维（纤维状）、二维（片状和平面织 物）、三维（三向编织体）等陶瓷基复合材料。具体可分为：
❖ 颗粒弥散强化陶瓷基复合材料——包括硬质颗粒和延性颗粒 ❖ 晶须补强增韧陶瓷基复合材料——包括短纤维补强增韧陶瓷
2002
本章主要内容：
一、基本概念和分类 二、原材料及其特性 三、设计理论和强韧化机理 四、陶瓷基复合材料的制备技术 五、纤维增强陶瓷基复合材料 六、晶须增韧陶瓷基复合材料 七、仿生结构陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料PPT课件
定的成果。
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
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
第五章 陶瓷基复合材料
第五章陶瓷基复合材料 (1)5.1 陶瓷基复合材料的种类、性能以及增韧机制 (2)5.1.1陶瓷基复合材料的种类 (2)5.1.2 陶瓷基复合材料的性能特征 (4)5.1.3 陶瓷基复合材料增韧的方式以及相关机制 (4)5.2 陶瓷纤维 (8)5.2.1 碳化硅纤维 (8)5.2.2 氧化铝纤维 (12)5.2.3 氮化硼纤维 (16)5.2.4 硅酸铝纤维 (19)5.3 陶瓷基复合材料的界面、界面控制和界面涂层 (19)5.3.1 界面及其类型 (19)5.3.2 陶瓷基复合材料中的界面控制 (21)5.3.3 界面涂层 (32)5.4碳化硅陶瓷基复合材料 (45)5.4.1 应用背景 (45)5.4.2 陶瓷材料的韧化 (47)5.4.3 陶瓷基复合材料的主要性能 (49)5.4.4发展动向 (51)5.5 氧化硅陶瓷基复合材料料 (51)5.5.1 氧化硅基复合材料 (55)5.5.2 纤维增强石英玻璃复合材料 (56)5.5.3晶须增强石英玻璃复合材料 (57)5.5.4 颗粒增强石英玻璃基复合材料 (57)5.6 氮化硅陶瓷基复合材料 (58)5.6.1 Si3N4陶瓷基体 (58)5.6.2 颗粒强化Si3N4基复合材料 (59)5.6.3晶须强化Si3N4基复合材料 (60)5.6.4长纤维强化Si3N4基复合材料 (61)第五章陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。
陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。
这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。
而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。
纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。
陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品。
第五章 金属基复合材料(MMC)
MMC制备工艺（续）
MMC制备工艺（续）
• 压铸工艺中，影响复合材料的工艺因素
• 主要有熔融金属的温度、模具预热温度、使用的最大 压力、加压速度等。
• 在采用预制增强材料块时，为了获得无空隙的复合材 料，一般压力不低于50MPa，加压速度以使顶制件不 变形为宜，一般为1-3cm／min。
• 对于铝基复合材料，熔融金属温度一般为700-800 ℃，预制件模具预热温度一般可控制在500-800℃， 并可相互补偿。
• 对增强材料与其体互相湿润的要求不高，而且对增强材料与基体 粉末的密度差没有要求，能够使颗粒或晶须均匀分布在金属基复 合材料的基体中。
• 采用热等静压工艺时，其组织细化、致密、均匀。一般不会产生 偏折、偏聚等缺陷，可使空隙等其它内部缺陷得到明显改善，从 而提高复合材料的性能。
• 粉末冶金制备的金属基复合材料可以通过传统的金属加工方法进 行二次加工，可以得到所需形状的复合材料部件的毛坯。
MMC制备工艺（续）
• 扩散结合工艺的特点
• 采用扩散结合方式制备金属基复合材料还可以采用热轧和热挤 压、接拔的二次加工方式进行再加工，也可以采用超塑性加工 方式进行成型加工。
• 扩散结合是连续纤维增强，并能按照复合材料的铺层要求排布 的唯一可行的工艺。采用扩散结合方式制备金属基复合材料， 工艺相对复杂，纤维排布、叠合以及封装手工操作多，成本高。
MMC制备工艺（续）
MMC制备工艺（续）
• 三个关键步骤：
• (1)纤维的排布；(2)复合材料的叠合和真空封 装；(3)热压。
• 扩散结合工艺中的最关键步骤是热压为了保证 性能符合要求，热压过程中要控制好热压工艺 参数。热压工艺参数主要为：热压温度、压力 和时间。
• 在真空热压炉中制备硼纤维增强铝的热压板材 时，温度控制在铝的熔点温度以下，一般为 500-600℃，压力为50-70MPa，热压时间控 制在0.5-2小时。
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制造工艺:
⑶基体与纤维的复合.
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碳/碳复合材料的性能 ①力学性能 ②热物理性能 ③烧蚀性能 ④化学稳定性能 碳/碳复合材料的应用 ①导弹和宇航工业 ②航空工业 ③汽车工业 ④其他方面的应用
5.3.3 陶瓷基复合材料的应用
可应用于切削刀具,热机部件,耐腐蚀部件,特殊电子/电 气部件,能量转换元件.
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23
新一代环保飞机
碳碳复合材料制成的活塞
碳纤维与树脂制成的Promachien自行车
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5.2.5 混杂复合材料
定义: 混杂复合材料是两种或两种以上纤维同时增强同一种基 体的复合材料。 有利于发挥增强体材料 的综合效能。 特点: 多种纤维性能相互弥补，正混杂效应,具有较好的经济效 益。
第五章、结构复合材料
5.2.1 概述
金属基复合材料(MMC)定义
金属基体的作用：
① ② ③ ④ 固结增强体 传递和承受载荷 赋予形状，可加工性 影响材料强度、刚度等性能
复合材料基体共 有的特性和功能
性能优势： ① 资源丰富 ② 模量、耐热性高 ③ 强度高、可强化 ④ 塑性、韧性好 ⑤ 光、电、磁、热、弹等性能优良 2018/12/27
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5.2.3.3 金属基复合材料 的应用
Bf/Al 用作航天飞机部件; Cf/Al用作NASA空间望远镜的 天线支架; FP-Al2O3f/ (Al,Mg)用作汽车部 件和内燃机连杆等等
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铝合金在飞机上的应用
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5.3 陶瓷基复合材料
5.3.2 陶瓷基复合材料的制造
制备方法:
①料浆浸渍-热压烧结法；②化学气相渗透法 ③有机先驱体热解法； ④熔融渗透法 ⑤直接氧化沉淀法； ⑥反应烧结法
(2)晶须和颗粒增强陶瓷基复合材料的制备工艺 ①晶须复合材料制备工艺
a.烧结法 b.先驱体转化法 c.电泳沉积法
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② 原位生长晶须 ③ 颗粒增强陶瓷基复合材料
★ 铝、镁及其合金使用温度<450℃； ★ 钛合金450~650℃；
★ 金属间化合物和镍其、铁基耐热合金650~1200℃。
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(3)功能复合材料的金属基体
电子工业:
SiC/Al, SiC/Cu; Cf/Al; Cf/Cu等等
耐磨零件：
碳化硅，氧化铝颗粒，晶须等
用作集电和电触头：
2
5.2.2 金属基体
(1)常用金属基体
包括：铝、镁、钛、铜、金属间化合物和高温合金 常用金属基体有： 铝及其合金 镁及其合金 钛及其合金 铜及其合金
现代武器装备的基础性材 料，纳入国家重大基础材 料研究范畴。
金属间化合物和镍及其合金
不锈钢
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5.2.2 金属体
(2) 不同基体的金属基结构复合材料的使用温度范围
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5.3.2 陶瓷基复合材料的制造
制备步骤:将增强体材料掺入到未凝结的基体中,使基体和 增强体材料一道成为整体材料。
(1)连续纤维增强陶瓷基复合材料的制备工艺
四大系列: Al2O3纤维/ZrO2, SiC纤维/SiC, Si3N4纤维/Si3N4
SiC纤维/Si3N4
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提高强度
碳化硅保护高 温下的氧化
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5.2.4.2 性能
轻质、高强度、高硬度和耐高温；
熔点高, 高温抗氧化性能好;
化学稳定好, 耐辐射，具有较高的热辐射
率;
具有碳纤维与碳材料的突出性能; 低温下，易于氧化。
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5.2.4.3 应用
航空和航天材料;生物医学材料;坦克装 甲用耐磨材料;化工领域的抗腐蚀材料等.
5.2.3.1 制造方法
（1）固态制造工艺
①粉末合金法
②固态热压法 ③热等静压法 ④热轧法 ⑤热挤压法
⑥热拉拔法
⑦爆炸焊接法
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5.2.3.1 制造方法
（2）液态制造工艺
①真空压力浸渍法
②液态金属浸渍法
③热喷涂法 ④挤压铸造法 ⑤共喷沉淀法 ⑥液态金属搅拌铸造法
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SiC，金属丝，石墨颗粒增强铝，铜等
耐腐蚀电池极板：
石墨碳纤维增强铅合金等
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5.2.3 金属基复合材料
重要体系 Al2O3/(Al、Mg) 主要特点 ● 高的比强度、比模量； ● 好的韧性； ● 比聚合物高的使用温度。
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6
5.2.3 金属基复合材料
5.3.1 常用陶瓷基体材料 （1）氧化物陶瓷 ①氧化铝陶瓷 ②氧化锆陶瓷 （2）氮化物陶瓷 ①氮化硅陶瓷 ②氮化硼陶瓷 ③氮化铝陶瓷
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13
5.3.1 常用陶瓷基体材料
（3）碳化物及碳陶瓷 ①碳化硅陶瓷
②碳化锆陶瓷 ③碳化铬陶瓷 ④碳化钨陶瓷 ⑤碳化钛陶瓷 （4）玻璃、玻璃陶瓷和其他陶瓷 ①玻璃（高硅氧玻璃，硼硅玻璃，铝硅玻璃）； ②玻璃陶瓷（铝锂硅酸、镁铝硅酸玻璃陶瓷）； ③其他陶瓷（硼化物陶瓷，硅化物陶瓷）
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5.2.4 碳/碳复合材料
5.2.4.1 制备方法
碳/碳复合材料是由碳纤维与热固性树脂复合材料热分解
而制成。
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第一步：绝氧条件下，树脂热解转化成碳
形成多孔的碳基体
降低材料的强度
第二步：运用碳填充空隙，使之加密 化学气相沉积法 液相浸渍法
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（3）原位法
①定向凝固法 ②反应自生成法
（4）其他制造工艺
①原位自生成法 ②物理气相沉积法 ③化学镀
电弧离子镀 磁控溅射源的物理气相沉积 大功率电子束物理气相沉积
④电镀
⑤复合镀 ⑥自蔓延
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凝胶的自蔓延燃烧
5.2.3.2 金属基复合材料的性能
(1)组成相的要求
(2)热处理性能； (3)力学性能; (4)热学性能; (5)抗蠕变性能; (6)磨损性能； (7)电学性能
(3)纳米陶瓷复合材料的制造工艺及性能
①熔融-热压法 ②冻胶铸造法 ③先驱体裂解法 ④原位生成法
纳米相提高了复合材料的弯曲强度和使用温度,改善了 断裂韧性和复合材料的抗蠕变性能。
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(4)碳/碳陶瓷复合材料的制造工艺及性能
优点:
缺点:
高温热性能
性能, 加工, 设计 ⑴碳纤维的胚体制备； ⑵碳基体的制备；