_陶瓷基复合材料的制备方法资料

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三向C/C编织结构示意图 Y
这种三维多向编织结构还可以通过调节
纤维束的根数和股数，相邻束间的间距，织
物的体积密度Βιβλιοθήκη Baidu及纤维的总体积分数等参数
进行设计以满足性能要求。
2. 晶须和颗粒增强陶瓷基复合材料
长纤维增韧陶瓷基复合材料虽然性能优越， 但它的制备工艺复杂，而且纤维在基体中不易分
布均匀。
因此，近年来又发展了短纤维、晶须及颗粒增
(1) 基体 陶瓷基复合材料的基体为陶瓷，这是一种包括范 围很广的材料，属于无机化合物而不是单质，所以它 的结构远比金属合金复杂得多。现代陶瓷材料的研究， 最早是从对硅酸盐材料的研究开始的，随后又逐步扩 大到了其他的无机非金属材料。
目前被人们研究最多的是碳化硅、氮化硅、氧化
铝等，它们普遍具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量 轻和价格低等优点。
量，从而引起了人们对其特别的关注。
在陶瓷基复合材料中使用得较为普遍的是 SiC、
A12O3及Si3N4晶须。
c. 颗粒
从几何尺寸上看，颗粒在各个方向上的长度是
大致相同的，一般为几个微米。
颗粒的增韧效果虽不如纤维和晶须。但是，
如果颗粒种类、粒径、含量及基体材料选择适当 仍会有一定的韧化效果，同时还会带来高温强度， 高温蠕变性能的改善。所以，颗粒增韧复合材料 同样受到重视并对其进行了一定的研究。
晶须与颗粒对陶瓷材料的增韧均有一定作用，
且各有利弊： 晶须的增强增韧效果好，但含量高时会使致密 度下降； 颗粒可克服晶须的一弱点，但其增强增韧 效果却不如晶须。
4.4.3 纤维增强陶瓷基复合材料的制备
有各向异性，即沿纤维长度方向上的纵向性能要大大优 于其横向性能。 在实际构件中，主要是使用其纵向性能。在单向排 布纤维增韧陶瓷基复合材料中，当裂纹扩展遇到纤维时
会受阻，这时，如果要使裂纹进一步扩展就必须提高外
加应力。
这一过程的示意图如下：
裂纹垂直于纤维方向扩展示意图
多向排布纤维陶瓷基复合材料
拉出来。另外，缠
绕纤维的心轴的转 动速度决定纤维的 直径，通常为 10m 的数量级。
绕线筒 玻璃纤维生产流程图
b. 晶须：
晶须为具有一定长径比 ( 直径 0.3~1m, 长 0~100
m) 的小单晶体。晶须的特点是没有微裂纹、位错、 孔洞和表面损伤等一类缺陷，因此其强度接近理论 强度。 由于晶须具有最佳的热性能、低密度和高杨氏模
多层纤维按不同角度方向层压示意图
三维多向编织纤维增韧陶瓷是为了满足某些 情况的性能要求而设计的。 这种材料最初是从宇航用三向C/C复合材料 开始的，现已发展到三向石英/石英等陶瓷复合材 料。下图为三向正交C/C纤维编织结构示意图。 它是按直角坐标将多束纤维分层交替编织而成。
由于每束纤维
呈直线伸展，不 存在相互交缠和 绕曲，因而使纤 维可以充分发挥 最大的结构强度。 X
命的缺点，即脆性，这一弱点正是目前陶瓷材料的使
用受到很大限制的主要原因。
因此，陶瓷材料的韧性化问题便成了近年来陶瓷工 作者们研究的一个重点问题。现在这方面的研究已取 得了初步进展，探索出了若干种韧化陶瓷的途径。其 中，往陶瓷材料中加入起增韧作用的第二相而制成陶
瓷基复合材料即是一种重要方法。
4.4.1 陶瓷基基复合材料的基体与增强体
常用的颗粒也是SiC、Si3N4等。
4.4.2 陶瓷基基复合材料的种类
1. 纤维增强陶瓷基复合材料 在陶瓷材料中，加入第二相纤维制成复合材料 是改善陶瓷材料韧性的重要手段，按纤维排布方式 的不同，又可将其分为单向排布长纤维复合材料和 多向排布纤维复合材料。
单向排布纤维陶瓷基复合材料
单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料的显著特点是它具
(2) 增强体
陶瓷基复合材料中的增强体，通常也称为增韧体。
从几何尺寸上增强体可分为纤维 ( 长、短纤维 ) 、晶须 和颗粒三类。
a. 纤维:
在陶瓷基复合材料中使用得较为普遍的是碳
纤维、玻璃纤维、硼纤维等；
玻璃球
将玻璃小球熔化，
玻璃球再熔化
然 后 通 过 1mm 左 右
连续纤维
直径的小孔把它们
上浆 纱线
第四章 复合材料的制备
第四章 复合材料的制备
4.1 复合材料的基本概念和性能 4.2 树脂基复合材料的制备方法 4.3 金属基复合材料的制备方法 4.4 陶瓷基复合材料的制备方法 4.5 碳/碳复合材料的制备方法
4.4 陶瓷基复合材料的制备方法
现代陶瓷材料具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀及重量
轻等许多优良的性能。 但是，陶瓷材料同时也具有致
韧陶瓷基复合材料。
由于晶须的尺寸很小，从宏观上看与粉末一样，
因此在制备复合材料时，只需将晶须分散后与基体粉
末混合均匀，然后对混好的粉末进行热压烧结，即可
制得致密的晶须增韧陶瓷基复合材料。
目前常用的是 SiC ， Si3N4 ， Al2O3 晶须，常用的基 体则为Al2O3，ZrO2，SiO2，Si3N4及莫来石等。 晶须增韧陶瓷基复合材料的性能与基体和晶须的 选择、晶须的含量及分布等因素有关。
由于晶须具有较大的长径比，因此，当其含量 较高时，因其桥架效应而使致密化变得因难，从而 引起了密度的下降并导致性能的下降。 为了克服这一弱点，可采用颗粒来代替晶须制成 复合材料，这种复合材料在原料的混合均匀化及烧 结致密化方面均比晶须增强陶瓷基复合材料要容易。
当所用的颗粒为SiC，TiC时，基体材料采用最多 的是Al2O3，Si3N4。目前，这些复合材料已广泛用来 制造刀具。
单向排布纤维增韧陶瓷只是在纤维排列方向上的纵 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。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
一步研究多向排布纤维增韧陶瓷基复合材料。
二维多向排布纤维增韧复合材料的纤维的排布方式有
两种：一种是将纤维编织成纤维布，浸渍浆料后，根
据需要的厚度将单层或若干层进行热压烧结成型，如
下图所示。
纤维 层 基体
纤维布层压复合材料示意图 这种材料在纤维排布平面的二维方向上性能优越，而在垂 直于纤维排布面方向上的性能较差。 一般应用在对二维方向上有较高性能要求的构件上。
另一种是纤维分层单向排布，层间纤维成一定角度，
如下图所示。 纤维层
基体