陶瓷基复合材料

图8 ICVI法制备纤维陶 瓷基复合材料示意图
2）FCVI法
• 在纤维预制件内施加一个温度 梯度，同时还施加一个反向的 气体压力梯度，迫使反应气体 强行通过预制件。
• 在低温区，由于温度低而不发 生反应，当反应气体到达温度 较高的区域后发生分解并沉积， 在纤维上和纤维之间形成基体 材料。
• 在此过程中，沉积界面不断由 预ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ件的顶部高温区向低温区 推移。由于温度梯度和压力梯 度的存在，避免了沉积物将空 隙过早的封闭，提高了沉积速 率（图9）。
B/TiC
TiC
gO
2BOB3B
ZrOB2B/ AlB2BO
3B
断裂韧性 MPa/mP1/2P 2.7~4.2
4.5~ 6.0
4.2~4.5
4. 5
9~12
6~9
6.5~15
裂纹尺寸 大小, m 1.3~36 41~74 36~41
41
165~ 292 74~165
86~459
表10–1 不同金属、陶瓷基体和陶瓷基复合材料的断裂韧性比较
溶胶（Sol）是由于化学反应沉积而产生的微小颗 粒（直径100nm）的悬浮液；凝胶（Gel ）是水 分减少的溶胶，即比溶胶粘度大的胶体。
Sol – Gel法 是指金属有机或无机化合物经溶液、 溶胶、凝胶等过程而固化，再经热处理生成氧化物 或其它化合物固体的方法。该方法可控制材料的微 观结构，使均匀性达到微米、纳米甚至分子量级水 平。
• 关键是均匀混合和烧结过程防止体积收缩 而产生裂纹。
为了克服粉末冶金法中各组元混合不均的问题，采用了浆 体（湿态）法制备陶瓷基复合材料。
其混合体为浆体形式。混合体中各组元保持散凝状，即在 浆体中呈弥散分布。这可通过调整水溶液的pH值来实现。
对浆体进行超声波震动搅拌则可进一步改善弥散性。弥散 的浆体可直接浇铸成型或热（冷）压后烧结成型。适用于 颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料（图2）。
采用浆体浸渍法可制备连续纤维增韧陶瓷基复合材料。纤 维分布均匀，气孔率低。
图 2 浆体法制备陶瓷基复合材料示意图
优点：
• 基体材料几乎无收缩
• 增强剂的体积比可以相当大；
• 可用多种连续纤维预制体；
• 大多数陶瓷基复合材料的反应烧结温度低 于陶瓷的烧结温度，因此可避免纤维的损 伤。
缺点：高气孔率难以避免，制品密度仅为理 论密度的90%。
• 如可在800~1200C制备SiC陶瓷。
• 其缺点是生长周期长、效率低、成本高、材 料的致密度低等。
1）ICVI法：
• 静态法 将被浸渍的部件 放在等温的空间，反应 物气体通过扩散渗入到 多孔预制件内，发生化 学反应并沉积，副产品 物气体再通过扩散向外 散逸（图8）。
• 在ICVI过程中，传质过 程主要是通过气体扩散 来进行，因此过程十分 缓慢，并仅限于一些薄 壁部件。降低气体的压 力和沉积温度有利于提 高浸渍深度。
材料
晶须增韧
断裂韧性 MPa/mP1/2P
SiC/Al2O3 8 ~10
纤维增韧
SiC/硼硅玻璃 SiC/锂铝硅玻璃
铝
钢
15~25
15~25
33~44 44~66
裂纹尺寸 大小, m
131~204
7.2 陶瓷基复合材料的制备工艺
• 原料（陶瓷粉末、增强剂、粘结剂和助烧 剂） 均匀混合（球磨、超声等） 冷压 成形 （热压）烧结。
纤维陶瓷基复合材料不仅使其弹性模量和强度大大 提高，而且还改变了力 – 位移曲线的形状（图1）。
纤维陶瓷基复合材料在断裂前吸收了大量的断裂能 量，使韧性得以大幅度提高。
表1 不同金属、陶瓷基体和陶瓷基复合材料的断裂韧性比较
整体陶瓷
颗粒增韧
相变增韧
材料
AlB2BO B3B
SiC
AlB2BOB3 SiB3BNB4B/ ZrOB2B/M ZrOB2B/YB
使用这种方法，可将各种增强剂加入基体溶胶中搅拌 均匀，当基体溶胶形成凝胶后，这些增强组元稳定、 均匀分布在基体中，经过干燥或一定温度热处理，然 后压制烧结形成相应的复合材料。
Sol – Gel法制备SiO2陶瓷 原理如下：
Si(OR)4 + 4H2O Si(OH)4+ 4ROH
Si(OH)4 图 6 溶胶 – 凝胶法制备陶瓷基SiO2 + 2H2O
先驱体发生热解反应转化为无机物质，然 后再经高温烧结制备成陶瓷基复合材料。 • 此方法可精确控制产品的化学组成、纯度 以及形状。最常用的高聚物是有机硅（聚 碳硅烷等）。 • 制备增强剂预制体浸渍聚合物先驱体 热解 再浸渍再热解 …… • 陶瓷粉+聚合物先驱体均匀混合模压 成型热解
复合材料示意图
• 溶胶–凝胶法也可以采 用浆体浸渍法制备增 强相预制体（图7）。
• 溶胶 – 凝胶法的优点 是基体成分容易控制， 复合材料的均匀性好， 加工温度较低。
• 其缺点是所制的复合 材料收缩率大，导致 基体经常发生开裂。
图7 溶胶– 凝胶法制备 纤维陶瓷基复合材料示意图
• 用CVI法可制备硅化物、碳化物、氮化物、 硼化物和氧化物等陶瓷基复合材料。由于制 备温度比较低，不需外加压力。因此材料内 部残余应力小，纤维几乎不受损伤。
图9 FCVI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。可用 来制备厚壁部件。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，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。
1）聚合物先驱体热解法 • 以高分子聚合物为先驱体成型后使高分子
第七章 陶瓷基复合材料
7.1 陶瓷基复合材料概述
• 特种陶瓷具有优秀的力学性能、耐磨性好、 硬度高及耐腐蚀性好等特点，但其脆性大， 耐热震性能差，而且陶瓷材料对裂纹、气孔 和夹杂等细微的缺陷很敏感。
• 陶瓷基复合材料使材料的韧性大大改善，同 时其强度、模量有了提高。
颗粒增韧陶瓷基复合材料的弹性模量和强度均较整 体陶瓷材料提高，但力 – 位移曲线形状不发生变化；
图3 反应烧结法制备SiC/Si3N4基复合材料工艺流程
• 用此方法制备陶瓷基复合材料，化学反应、 熔体粘度、熔体对增强材料的浸润性是首要 考虑的问题，这些因素直接影响着材料的性 能。
• 陶瓷熔体可通过毛细作用渗入增强剂预制体 的孔隙 。施加压力或抽真空将有利于浸渍过 程。
图4 液态浸渍法制备陶瓷基复合材料示意图