陶瓷基复合材料的制备原理与工艺
金属陶瓷复合材料
金属陶瓷复合材料金属陶瓷复合材料（学习型）文摘：众所周知，金属材料具有抗热震性好、韧性好等特点，可以应用于许多领域到广泛应用，但是它又因易氧化和高温强度不高等缺点限制了发展。
而陶瓷材料具有硬度高，耐热性好，耐腐蚀等特点，如果通过一定的工艺方法将他们结合起来制成金属陶瓷，则可兼有二者的优点。
使制成的新材料具有硬度大、高温强度高、高温蠕变性好，抗热震性好、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损等众多优异的性能，得到更加广泛的应用。
关键词：金属陶瓷；复合原理；润湿性；热力学共存性简介：陶瓷由金属结合相和陶瓷主相组成。
然而，这并不意味着任何金属相和陶瓷相的组合都具有优异的金能量。
因此，如何选择材料，如何使材料完美结合，将是本文研究的重点。
1.金属陶瓷材料体系的选择原则对于金属陶瓷来说，要使其具有理想的性能，需要考虑的主要问题是如何把将两种以上的材料结合起来，以获得理想的结构。
相界面的润湿性、化学反应和组分的溶解对相界面的结合有重要影响。
因此，材料体系的选择应遵循以下原则：第一，熔融金属与陶瓷相的润湿性要良好，这是决定金属陶瓷性能优劣的主要条件之一。
第二，金属相与陶瓷相之间不发生剧烈的化学反应，如果反应太剧烈，纯金属相就会变成金属化合物，而无法达到用金属来改善陶瓷脆性的目的。
第三，金属相和陶瓷相的热膨胀系数相差不可过大，对于单一材料来说膨胀系数愈小，抗热震性愈好。
但对金属陶瓷来说，除考虑整体膨胀系数外，还要考虑组元材料热膨胀系数的差别，这种差别如果太大，便会使材料在急冷、急热条件下产生巨大的热应力，甚至使材料产生裂纹或断裂。
此外，为了获得良好的微观结构，对金属相和陶瓷相的含量应有适当的要求。
最理想的结构应该是陶瓷相的细颗粒均匀分布在金属相。
金属相以连续的薄膜状态存在，包裹着陶瓷颗粒。
根据这一要求，陶瓷的用量一般为15%~80%。
2.金属陶瓷复合材料的原理2.1金属相与陶瓷相间的润湿性问题由于陶瓷和金属的晶体类型和物理化学性质不同，它们的相容性很差，大多数液态金属不能润湿陶瓷。
料浆浸渍工艺过程2化学气相沉积CVD
•
② 氧化物基陶瓷的基体主要有MgO、Al2O3、SiO2、ZrO2以及莫 ZrO2 的抗热振性能较差；SiO2易发生高温蠕变和相变；莫来石虽 然有较低的线膨胀系数和良好的抗蠕变性能，但使用温度也不能 超过1200℃。
来石等，这些材料均不宜在高应力与高温环境小使用，因为Al2O3、
第四章 复合材料的焊接
第三节 陶瓷基复合材料的焊接
一、陶瓷基复合材料的概述
• 现代陶瓷具有耐高温、耐磨性好、硬度高、耐腐蚀性好、重
量轻等许多优良的性能。 • 但陶瓷材料同时也具有致命的缺点，即脆性大，耐热震性能 差，而且陶瓷材料对裂纹、气孔、夹杂等细微的缺陷很敏感， 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。
2）化学气相沉积（CVD）法 具有贯通间隙的增强体坯件或纤维编织骨架中沉积陶 瓷基体制备CMC。化学气相沉积工艺过程原理图。 • 优点：纤维受到的机械、化学损伤小，可以制备多向
排布和编织和复杂形状的CMC； • 缺点：生产周期长、效率低、成本高，难以制备高致
密性的CMC。
化学气相沉积工艺过程原理图
增韧机制：利用第二相粒子与基体晶粒之间的弹性模量与热 膨胀系数上的差异，在冷却中粒子和基体周围形成残余应力 场。这种应力场与扩展裂纹尖端交互作用，从而产生裂纹偏 转、绕道、分支和钉扎等效应，对基体起增韧作用。
(2) 晶须增强体
晶须增强陶瓷基复合材料的性能比短纤维增强 陶瓷基复合材料性能优越，它具有较好的断裂 韧性、优异的耐高温蠕变性能、均一的强度以 及较高的耐磨损性和耐腐蚀性。
传统合成技术对增强相的选择及其与基体界面特性的控制方 面存在许多问题，如：增强相颗粒尺寸不能太小、增强相易 于偏聚、增强相与基体界面结合不良，在制备或高温使用过 程中易于发生界面反应，造成性能的降低等。此外，这些合
复合材料的成型工艺
模压制品主要用作结构件、连接件、防护件 和电气绝缘等，广泛应用于工业、农业、交通运 输、电气、化工、建筑、机械等领域。
由于模压制品质量可靠，在兵器、飞机、导 弹、卫星上也都得到应用。
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3. 层压成型工艺
层压成型工艺，是把一定层数的浸胶布(纸) 叠在一起，送入多层液压机，在一定的温度和压 力下压制成板材的工艺。
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手糊成型工艺优点
①不受产品尺寸和形状限制，适宜尺寸 大、批量小、形状复杂产品的生产；
②设备简单、投资少、设备折旧费低。
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③工艺简单； ④易于满足产品设计要求，可以在 产品不同部位任意增补增强材料 ⑤制品树脂含量较高，耐腐蚀性好。
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手糊成型工艺缺点
① 生产效率低，劳动强度大，劳动卫生 条件差。
连续纤维缠绕技术的优点
首先，纤维按预定要求排列的规整度和精度 高，通过改变纤维排布方式、数量，可以实现等 强度设计，因此，能在较大程度上发挥增强纤维 抗张性能优异的特点，
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其次，用连续纤维缠绕技术所制得 的成品，结构合理，比强度和比模量高， 质量比较稳定和生产效率较高等。
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连续纤维缠绕技术的缺点
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③不需要或仅需要进行少量加工，生 产过程中树脂损耗少；
④制品的纵向和横向强度可任意调整， 以适应不同制品的使用要求，其长度可根 据需要定长切割。
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拉挤制品的主要应用领域
(1)耐腐蚀领域。主要用于上、下水装置，工业 废水处理设备、化工挡板及化工、石油、造纸和冶 金等工厂内的栏杆、楼梯、平台扶手等。
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金属对 模准备
模塑料、 颗粒树脂
短纤维
涂脱模剂
加热、加压
膜压成型 加热 冷却
陶瓷基复合材料增强机制机理
陶瓷基复合材料增强机制、机理的研究现状及展望陶瓷基复合材料（CMC），一般是指相变增韧、颗粒增韧陶瓷和纤维及晶须增韧陶瓷材料。
这是目前备受重视的新型耐高温结构材料。
本文将介绍陶瓷基复合材料这种新型复合材料的机理和研究现状及展望。
与常规材料和非陶瓷复合材料相比，陶瓷材料具有耐高温、抗腐蚀、超硬度抗氧化和抗烧结等优异性能。
作为高温结构材料，尤其作为航空航天飞行器需要承受极高温度的特殊部位结构用材料具有很大的潜力。
因此世界各国都把结构陶瓷看作是对未来工业革命有重大作用的高技术新材料而给以重点研究和发展并相继开展了陶瓷汽车发动机、柴油机和航空发动机等大规模高温陶瓷热机研究计划，出现了陶瓷热，然而，常规结构陶瓷还存在缺陷和问题，主要是材料的脆性，可靠性不高等，应用于现在科技领域还有许多问题急需研究解决。
陶瓷基复合材料引起人们关注的重要原因就在于他可以改善陶瓷基材料的力学性能，特别是脆性，因此陶瓷基复合材料的发展和研究将成为陶瓷大规模应用计划取得成功的关键。
陶瓷基复合材料是在陶瓷基体中引入第二相材料，使之增强、增韧的多相材料，又称为多相复合陶瓷或复相陶瓷。
陶瓷基复合材料是2O世纪8O年代逐渐发展起来的新型陶瓷材料，包括纤维(或晶须)增韧(或增强)陶瓷基复合材料、异相颗粒弥散强化复相陶瓷、原位生长陶瓷复合材料、梯度功能复合陶瓷及纳米陶瓷复合材料。
其因具有耐高温、耐磨、抗高温蠕变、热导率低、热膨胀系数低、耐化学腐蚀、强度高、硬度大及介电、透波等特点，在有机材料基和金属材料基不能满足性能要求的工况下可以得到广泛应用，成为理想的高温结构材料。
连续纤维增强复合材料是以连续长纤维为增强材料，金属、陶瓷等为基体材料制备而成。
金属基复合材料是以陶瓷等为增强材料，金属、轻合金等为基体材料而制备的。
从20世纪60年代起各国都相继对金属基复合材料开展了大量的研究，因其具有高比强度、高比模量和低热膨胀系数等特点而被应用于航天航空及汽车工业。
陶瓷基复合材料
Ceramic-matrix
注意事项 ： （1）料浆应能与纤维表面保持良好润湿。料浆中包括：陶瓷基体粉末、 载液(通常是蒸馏水)和有机粘接剂，有时还加入某些促进剂和基体润湿 剂。为使纤维表面均匀粘附料浆，要求陶瓷粉体粒径小于纤维直径，并 能悬浮于载液和粘接剂混合的溶液中。 （2）纤维应选用容易分散的、捻数低的丝束，保持其表面清洁无污染。 在操作过程中尽量避免纤维损伤，并注意排除气泡。 （3）热压烧结应按预定规律(即热压制度)升温和加压。在热压过程中， 将发生基体颗粒重新分布、烧结和在外压作用下的粘性流动等过程，最 终获得致密化的陶瓷基复合材料。很多陶瓷基复合材料体系在热压过程 中往往没有直接发生化学反应，主要通过系统表面能减少的驱动，使疏 松粉体熔结而致密化。 存在的问题： （1）纤维和陶瓷粉末不容易复合成型。 （2）烧结时由于基体收缩或热压烧结时无粘性流动，会使颗粒和纤维 之间的机械作用而损伤纤维。 （3）目前，直径小于0.1微米-1微米的粉末很难买到。并且，其中的夹 杂物不易排除。同时，细的粉末在制造复合材料过程中又不易分散。 （4）在热压时会损伤纤维结构。
Ceramic-matrix
注意事项：
（1）与高聚物先驱体转化法不同的是，溶胶—凝胶工艺的先驱体是在溶液浸 进纤维编织坯件后在原位合成的。 （2）采用溶胶—凝胶法制备复合材料可以先制备复合凝胶体，即将复合的各 相以原子或分子级进行均匀混合形成复合溶胶和凝胶化，得到高纯、超细、均 相、分子级或包裹式的复合陶瓷粉末，再经成型、烧结而形成复合材料的基体 或者通过控制溶剂的蒸发速度将复合的溶胶凝胶化后，直接烧结成陶瓷基复合 材料。 （3）如果第二相是粉末或纤维，则可浸在适当的溶液中，通过形核和成长， 使溶液形成溶胶，均匀包围粉末和纤维，经凝胶化处理和热解后即形成陶瓷基 复合材料的基体。 （4）溶胶—凝胶法制备陶瓷基复合材料的质量保证关键主要有：选择合适的 先驱体反应物，控制溶液的浓度和pH值、气氛、分散剂、选用胶溶剂、去除 团聚以及使各相处于良好的分散状态等。
复合材料力学阅读随笔
《复合材料力学》阅读随笔1. 复合材料力学概述随着科学技术的不断进步，复合材料在现代工程领域的应用愈发广泛。
从汽车、航空航天到建筑、电子等各个领域，复合材料都发挥着重要的作用。
在这样的背景下，对复合材料力学的研究显得尤为重要。
本次阅读《复合材料力学》让我对复合材料力学有了更深入的了解。
书中概述了复合材料力学的基本概念和特点，复合材料是由多种不同性质的材料通过特定的工艺组合而成，具有独特的力学性能和特点。
它不同于单一材料，其性能取决于组成材料的性质以及它们之间的相互作用。
复合材料的出现，解决了单一材料在性能上的局限性，使得材料在强度、韧性、耐腐蚀性等方面得到显著提升。
在阅读过程中，我了解到复合材料的种类繁多，包括纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料等。
这些复合材料的制备工艺也各具特色，如浸渍、压制、拉挤等。
这些工艺对复合材料的性能有着直接的影响，在制备过程中需要对各种工艺参数进行精确控制，以确保复合材料的性能达到预期要求。
书中还介绍了复合材料的力学性能测试方法，由于复合材料的特殊性，其力学性能测试需要采用一系列专门的方法和设备。
拉伸试验、压缩试验、疲劳试验等，都是为了评估复合材料的各项性能指标。
这些测试方法对于了解复合材料的性能、优化材料设计以及确保工程安全具有重要意义。
在阅读《复合材料力学》我对复合材料的力学性能和特点有了更加清晰的认识。
对于未来的学习和研究，我将继续深入学习复合材料的制备工艺、性能表征以及应用领域等方面的知识，为更好地应用复合材料打下基础。
1.1 复合材料的定义与分类纤维增强复合材料：这种复合材料主要由纤维素纤维（如亚麻、竹子、麻等）作为增强相，以树脂、橡胶等为基体相。
纤维增强复合材料具有良好的力学性能、热稳定性和耐候性，因此在航空航天、汽车制造、建筑等领域得到广泛应用。
金属基复合材料：金属基复合材料以金属为增强相，以塑料、陶瓷等为基体相。
这类复合材料具有优良的导电性、导热性和耐磨性，同时在高温下仍能保持良好的力学性能，因此在电子、航空、汽车等领域具有广阔的应用前景。
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料综述引言：陶瓷基复合材料是近二十年来发展起来的新型材料，由于该类材料具有良好的高温性能。
因此它作为耐高温结构材料在航空航天工业和能源工业等领域的应用具有巨大的潜力。
如航空发动机的推重比为10时，涡轮前进口温度达1650C, 在这样高的温度下，传统的高温合金材料已经无法满足要求【11,因此国内外的材料研究者纷纷把研究的重点转向陶瓷基复合材料。
研究者通过大量的实验发现，陶瓷基复合材料不仅具有良好的高温稳定性和高温抗氧化能力，而且材料在断裂过程中通过裂纹偏转、纤维断裂和纤维拔出等机理吸收能量，既有效的增强了材料的强度和韧性，又保持了基体材料低膨胀、低密度的特点。
摘要：概述了陶瓷基复合材料的基本概念，介绍了陶瓷基复合材料的性能、分类及其应用，以及各类陶瓷基复合材料的优点、缺点。
重点介绍了陶瓷基复合材料的增韧机理、制备工艺（包括粉末冶金法、浆体法、反应烧结法、液态浸渍法、直接氧化法等）。
最后对陶瓷复合基材料的发展前景及发展方向做了展望。
1、陶瓷基复合材料概述陶瓷分为普通陶瓷和特种陶瓷。
普通陶瓷就是我们日常用的陶瓷、建筑陶瓷、化学陶瓷、电瓷及其他工业用瓷。
虽然陶瓷外表美观，耐腐蚀，但是它塑性差，易碎，是其致命缺点。
而另一种陶瓷：特种陶瓷则刚好解决了这个缺点，让陶瓷的发展有了无限的空间。
特种陶瓷包括功能陶瓷和结构陶瓷。
是一种复合材料。
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。
2、陶瓷基基复合材料的基体与增强体(2) 增强体：陶瓷基复合材料中的增强体，通常也称为增韧体。
【课程思政案例】《陶瓷基复合材料》教学案例
课程基本情况· 课程名称：陶瓷基复合材料· 课程性质：专业选修· 教学对象：大四，材料科学与工程· 总学时：24学时课程思政教学整体设计思路（一）教学设计：目前陶瓷基复合材料在航空航天、军事武器、核工业等高技术领域，以及化工、机械、交通等民用和工业领域占据重要地位。
本课程主要介绍陶瓷基复合材料的原理、工艺、性能与设计，从陶瓷基复合材料概述出发，讲解所涉及的主要增强体材料和基体材料，进而针对强韧化和界面两个重要问题讲述陶瓷基复合材料的复合原理和结构设计，最后采用案例教学的方式讲述典型几类陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料的制备工艺、面临的主要问题及解决方法等。
通过课程学习，学生不仅能够学习陶瓷基复合材料的增韧机制、制备方法和性能评判准则，而且能够使学生根据复合材料的强韧化机理，选择基体和增强体，通过界面设计等解决陶瓷基复合材料的设计、制备以及工程问题。
在课程思政改革方面，本课程从陶瓷基复合材料领域的卓越成就、大师魅力和工匠精神三个方面，采用两次主题讲座和一次课堂讨论的形式，在专业教学中穿插课程思政教学内容，使学生了解和掌握中国选择中国特色社会主义现代化发展道路的历史必然性，并充分领略陶瓷基复合材料在高技术领域的重要性和先进性，从而增强大学生立志投身于先进陶瓷材料的学习，将个人的成才梦有机融入实现中华民族伟大复兴的中国梦的思想认识；通过分析国家发展方向和目前复合材料的瓶颈，让学生明白将来从事的工作要承担怎样的责任，引导学生树立严谨求实的态度和理念。
课程将价值塑造、知识传授和能力培养三者融为一体，在丰富学识，增长见识的同时，帮助学生树立正确的人生观、世界观和价值观，见下图。
《陶瓷基复合材料》中课堂教学与课程思政教学的有机结合课程思政典型教学案例（一）案例名称《陶瓷基复合材料》第二章增强材料部分“高性能碳纤维增强材料”（二）案例教学目标1、课堂教学目标能够掌握碳纤维的结构、性能优势、制备方法，尤其是关键制备步骤的作用与控制；深入了解全球碳纤维产业及其发展现状，以及我国碳纤维产业发展所面临的挑战和机遇。
复合材料的成型工艺ppt课件
第二节 金属基复合材料(MMC)成形工艺
一、固态法
1.扩散黏结法(Diffusion Bonding) 如图9-2所示，扩散黏结是一种在较长时间、
较高温度和压力下，通过固态焊接工艺，使同类 或不同类金属在高温下互扩散而黏结在一起的工 艺方法。
2.形变法(Plastic Forming) 形变法就是利用金属具有塑性成型的工艺特点
2.复合材料的特点
(1)比强度和比刚度高 (2)抗疲劳性好 (3)高温性能好 (4)减振性能好 (5)断裂安全性高 (6)可设计性好
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
第一节 复合材料简述
四 、 复 合 材 料 的 失 效 (Failure of Composite)
复合材料的失效一般是指其疲劳破坏过程。
1.制造加工损伤
此种损伤产生初始缺陷。，它包括：纤维铺设不 均，扭结、死扣等，树脂不均；纤维切断、错排； 固化不足；有孔隙、气泡；材质污染等。
2.使用引起的损伤
此种损伤导致缺陷发展。它包括：树脂裂纹或老 化；分层；纤维断裂；振动较大导致的纤维断裂； 温度变化较大；机加工产生内应力；碰撞等。
二、复合材料用原料
1.增强材料
(1)碳纤维(Carbon Fiber) (2)硼纤维(Boron Filament) (3)芳纶(Aramid Ring) (4)玻璃纤维(Glass Fiber) (5)碳化硅纤维(Silicon Carbide Fiber) (６)晶须(Whisker)
2.基体材料
3）基体能够很好地保护纤维表面，不产生表面 损伤、不产生裂纹。
纤维增强陶瓷基复合材料的制备工艺
纤维增强陶瓷基复合材料的制备工艺纤维增强陶瓷基复合材料因其卓越的力学性能和高温稳定性而在航空航天、汽车、能源等领域得到广泛应用。
制备这种复合材料的方法有很多，以下是其中几种常见的制备工艺：一、预制法预制法是一种制备纤维增强陶瓷基复合材料的方法，其基本步骤包括制备增强纤维预制体、浸渍陶瓷基体材料和烧结或热压等。
在预制法中，增强纤维预制体的制备是关键步骤之一。
根据所需的形状和尺寸，可以采用不同的编织技术，如机织、针织、非织造等方法制成预制体。
增强纤维的选择也至关重要，常用的有玻璃纤维、碳纤维、氧化铝纤维等。
浸渍陶瓷基体材料是将增强纤维预制体浸入陶瓷基体溶液中，使其均匀涂覆在纤维表面。
这一步可以借助浸渍、涂刷或喷涂等方法实现。
陶瓷基体材料的选择应与增强纤维相容，并具有高温稳定性、良好的力学性能和化学稳定性。
最后一步是烧结或热压，通过控制温度和压力，使陶瓷基体与增强纤维紧密结合在一起，形成致密的复合材料。
烧结或热压的条件应根据陶瓷基体和增强纤维的特性进行选择，以确保最佳的结合效果。
预制法的优点在于可以制备形状复杂的复合材料，适用于制备大型部件。
同时，增强纤维预制体的可设计性较高，可以根据实际需求调整纤维的排列和密度，从而优化复合材料的性能。
然而，预制法也存在一些局限性，如增强纤维预制体的制备较为复杂，且陶瓷基体与增强纤维之间的界面结合强度可能较低。
为了提高预制法纤维增强陶瓷基复合材料的性能，可以采取一些措施，如优化增强纤维预制体的制备工艺、选择合适的陶瓷基体材料和优化烧结或热压条件等。
此外，对界面进行改性处理也是提高复合材料性能的有效途径，如采用偶联剂、涂层等方法改善界面结合强度。
二、直接法直接法是一种将增强纤维直接混合到陶瓷基体中的制备工艺。
直接法是一种制备纤维增强陶瓷基复合材料的方法，其基本原理是将增强纤维直接与陶瓷基体材料混合在一起，然后通过热压或注射成型等方法制成复合材料。
在直接法中，首先将增强纤维（如碳纤维、玻璃纤维等）与陶瓷粉末混合在一起，形成均匀的混合物。
先驱体转化陶瓷基复合材料的工艺
放丝
导轮
摆线机构
收丝
脱胶炉
超声分散室
浆料槽 浆料 图 3.2 缠绕法制备无纬布的工艺过程
2
无纬布叠层
热模压
复合材料素坯
图 3.3 热模压示意图
3.1.1.2 二维纤维预制件的制备 首先将先驱体溶解于一定量的溶剂中，加入适量的交联剂，再将一定量的填料分批 加入溶液中，超声分散一定时间使其混合均匀。将碳纤维布裁剪成一定形状，铺入模具 中，边铺排碳纤维布边均匀、适量地涂刷浆料，经过合模、模压、交联、裂解和脱模过 程得到二维纤维预制件。如图 3.4 所示。二维预制件制备工艺简单，成本较低。但其制备 的复合材料相当于层压复合材料，其层间和横向性能弱，通过在 Z 方向上增加纤维穿刺，可 改善复合材料的性能。
3.2.1 先驱体浸渍机理
先驱体对碳纤维的浸渍过程是 PIP 法制备陶瓷基复合材料至关重要的环节之一。 它是纤 维-基体界面形成的基础，决定着材料的致密化进程，极大地影响着材料的力学性能。
Hale Waihona Puke 无纬布叠层热模压复合材料素坯
图3.4 二维纤维预制件制备的示意图
3.1.1.3 三维纤维预制件的制备 纤维整体编织复合材料较传统的层压复合材料在性能和工艺方法上具有突出的特点。首 先，整体编织复合材料的增强纤维在空间是多向分布，使得复合材料的性能在空间上趋于均 匀化，从而有效地克服了层压复合材料层间和横向性能弱的特点，其次，可以采用各种整体 编织坚实将纤维编织成所要求的异形整体织物作为增强体，甚至可以按零件的形状和尺寸精 确编织预成型体。 目前已形成了三维编织（Braiding） 、机织（weaving） 、针织（knitting）和缝织 （stitching）等多种立体织物成型工艺。在立体织物应用领域不断增加，新结构织物不断 涌现的今天， 各种立体织物的结构与性能之间的关系便成为应用研究的重要前沿课题。 图3.5 为多种三维编织结构的仿真图。图3.6为三维四向编织的应用构件编织体。
第四章 4.3复合材料加工原理--纤维增强复合材料的制备工艺
4.3.2 纤维增强金属基复合材料的制备方法
3.液态金属浸渍法 3.液态金属浸渍法 液态金属浸渍法是通过纤维或纤维预制件浸渍熔融态金 液态金属浸渍法是通过纤维或纤维预制件浸渍熔融态金 属而制成金属基复合材料的方法。 属而制成金属基复合材料的方法。 熔浸方法有两种，一 熔浸方法有两种， 种是在上部真空炉中熔化 金属后， 金属后，浇入下部放有预 成形体的型中进行熔浸； 成形体的型中进行熔浸； 另一种是将真空熔化的金 属浇入放有顶成形体的型 内后， 内后，用压缩空气或惰性 气体加压实现强制熔浸， 气体加压实现强制熔浸， 叫加压熔浸。 叫加压熔浸。
4.3.2 纤维增强金属基复合材料的制备方法
7.电镀法 7.电镀法 利用电解沉积的原理在纤维表面附着一层金属 而制成金属基复合材料。如：将液态金属放置在电 而制成金属基复合材料。 镀液槽中，在液态金属中放置一卷轴， 镀液槽中，在液态金属中放置一卷轴，在卷轴与液 态金属之间接一直流电源，以金属为阳极， 态金属之间接一直流电源，以金属为阳极，卷轴为 阴极，在金属不断电解的同时， 阴极，在金属不断电解的同时，卷轴以一定速度卷 集附着金属层的纤维。 集附着金属层的纤维。将电镀后的纤维按一定方式 层叠、热压，制成复合材料。 层叠、热压，制成复合材料。
4.3.2 纤维增强金属基复合材料的制备方法
6.等离子喷涂法 6.等离子喷涂法 利用等离子弧向增强材料喷射金属微粒子，从 利用等离子弧向增强材料喷射金属微粒子， 而制备金属基纤维增强复合材料。 而制备金属基纤维增强复合材料。如：将碳化硅连 续纤维缠绕在滚筒上， 续纤维缠绕在滚筒上，用等离子喷涂的方法将铝合 金喷溅在纤维上，然后将碳化硅/ 金喷溅在纤维上，然后将碳化硅/铝合金复合材料 切片堆叠，加压后制成铝基复合材料。 切片堆叠，加压后制成铝基复合材料。
陶瓷基复合材料-无损检测
制造工艺与流程
制造工艺
主要包括粉末制备、成型、烧结等工 艺。
制造流程
原料选择与制备→混合→成型→烧结 →后处理→性能检测。
应用领域与前景
应用领域
航空航天、汽车、能源、电子等领域。
前景
随着科技的发展，陶瓷基复合材料的应用领域将不断扩大，未来有望在更多领 域得到应用。
02
无损检测技术简介
无损检测的定义与重要性
现更准确的缺陷定位和定量分析。
复杂结构陶瓷基复合材料的检测
总结词
详细描述
对于复杂结构陶瓷基复合材料，如多层结构、 夹杂物和纤维增强等，无损检测技术面临更 大的挑战。
对于复杂结构陶瓷基复合材料的无损检测， 可以采用多种检测技术相结合的方法，如超 声检测与射线检测或红外检测的组合。同时， 针对不同结构和材料特性，开发专用的检测 设备和方法，以提高检测的可靠性和准确性。
利用X射线或γ射线对材料进行穿 透，通过检测穿透后的射线强度
来检测材料内部缺陷。
超声检测
利用超声波在材料中传播的特 性，通过分析反射、折射和散 射的回波信号来检测材料内部 缺陷。
红外检测
利用红外辐射对材料进行热成 像，通过分析材料表面的温度 分布来检测内部缺陷。
电磁检测
利用电磁原理对材料进行磁化 或涡流检测，通过分析材料的 磁性或导电性能来检测内部缺
射线检测
总结词
射线检测利用X射线或γ射线穿透材料 的特性，通过分析透射或散射的射线 强度，判断材料内部是否存在缺陷。
详细描述
射线检测具有较高的检测精度和分辨 率，能够检测出微小的缺陷。然而， 射线检测需要使用放射性物质，对环 境和人体有一定影响，且设备成本较 高。
磁粉检测
陶瓷基复合材料
碳/碳化硅陶瓷基复合材料一、简介陶瓷基复合材料(Ceramic matr ix composite ,CMC)是在陶瓷基体中引入第二相材料, 使之增强、增韧的多相材料, 又称为多相复合陶瓷(Multiphase composite ceramic)或复相陶瓷(Diphase ceramic)。
陶瓷基复合材料是20 世纪80 年代逐渐发展起来的新型陶瓷材料, 包括纤维(或晶须)增韧(或增强)陶瓷基复合材料、异相颗粒弥散强化复相陶瓷、原位生长陶瓷复合材料、梯度功能复合陶瓷及纳米陶瓷复合材料。
其因具有耐高温、耐磨、抗高温蠕变、热导率低、热膨胀系数低、耐化学腐蚀、强度高、硬度大及介电、透波等特点,在有机材料基和金属材料基不能满足性能要求的工况下可以得到广泛应用, 成为理想的高温结构材料。
报道,陶瓷基复合材料正是人们预计在21 世纪中可替代金属及其合金的发动机热端结构的首选材料。
鉴于此, 许多国家都在积极开展陶瓷基复合材料的研究, 大大拓宽了其应用领域, 并相继研究出各种制备新技术。
其中,C/SiC 陶瓷基复合材料是其中一个非常重要的体系。
C/SiC 陶瓷基复合材料主要有两种类型, 即碳纤维/碳化硅(Cf /SiC)和碳颗粒/碳化硅(Cp/SiC)陶瓷基复合材料。
Cf /SiC 陶瓷基复合材料是利用Cf 来增强增韧SiC 陶瓷, 从而改善陶瓷的脆性, 实现高温结构材料所必需的性能, 如抗氧化、耐高温、耐腐蚀等;Cp/SiC 陶瓷基复合材料是利用Cp 来降低SiC 陶瓷的硬度, 实现结构陶瓷的可加工性能,同时具有良好的抗氧化性、耐腐蚀、自润滑等。
本文主要综述了Cf /SiC 陶瓷基复合材料的制备及应用研究现状,并且从结构和功能一体化的角度, 提出了采用软机械力化学法制备Cp 与SiC 复合粉体, 通过无压烧结得到强度、抗氧化性、耐腐蚀等性能以满足普通民用工业用的Cp/SiC 陶瓷基复合材料的制备技术及应用前景。
复压复烧工艺
复压复烧工艺一、引言复压复烧工艺是一种常用的制造工艺，它在材料制备和加工过程中具有重要的作用。
本文将从工艺原理、操作步骤、工艺优缺点以及应用领域等方面进行全面的探讨。
二、工艺原理复压复烧工艺是指在高温和高压的条件下，将原始材料通过压制和烧结的方法进行形变和固化，从而得到所需的制品。
其原理主要包括以下几个方面：2.1 压制复压复烧工艺中的压制过程是通过施加一定的压力将原始材料压制成所需形状的过程。
压制可以改变材料的密度和形状，并为后续的烧结过程提供良好的工艺基础。
2.2 烧结烧结是指在高温条件下使材料颗粒间的结合力增强，形成致密的结构和均匀的晶界，从而提高材料的力学性能和化学稳定性。
在复压复烧工艺中，通过烧结过程可以将原始材料加工成高强度、高硬度和高耐磨性的制品。
2.3 烧结温度和压力烧结温度和压力是复压复烧工艺中的重要参数。
烧结温度是指将材料加热到一定温度进行烧结的过程，烧结压力是指施加在材料上的压力。
适当的烧结温度和压力可以使材料颗粒间的结合更加牢固，获得良好的力学性能。
三、操作步骤复压复烧工艺的操作步骤主要包括：3.1 原料制备根据实际需要选择合适的原料，并按照一定比例混合均匀。
原料制备时需要注意去除杂质，并进行筛分和湿法处理，以提高后续加工的效果。
3.2 压制将制备好的原料放入预制模具中，经过压力机的加压作用，使原料在一定温度和压力下形成所需的形状。
压制过程要控制好压力和保持一定的压制时间。
3.3 烧结将压制好的制品放入烧结设备中，加热到一定的温度进行烧结。
烧结过程中要控制好温度和烧结时间，以确保材料的烧结效果。
烧结温度和时间要根据具体材料的性质来确定。
3.4 后处理烧结后的制品需要进行后处理，包括清洗、修整、检测等工序。
这些工序可以提高制品的表面质量和性能，并确保制品的一致性和可靠性。
四、工艺优缺点复压复烧工艺具有以下一些优点：4.1 制品质量高复压复烧工艺能够通过控制压力和温度等参数，提高制品的密度和晶界结合力，从而获得高强度、高硬度和高密度的制品。
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材料制备原理课程论文题目陶瓷基复合材料的制备原理与工艺学院材料科学与工程学院专业班级学生姓名2012 年3 月28日陶瓷基复合材料的制备原理与工艺前言：科学技术的发展对材料提出了越来越高的要求,陶瓷基复合材料由于在破坏过程中表现出非脆性断裂特性,具有高可靠性,在新能源、国防军工、航空航天、交通运输等领域具有广阔的应用前景。
陶瓷基复合材料是在陶瓷基体中引入第二相材料，使之增强、增韧的多相材料，又称为多相复合陶瓷或复相陶瓷。
陶瓷基复合材料是2O世纪8O年代逐渐发展起来的新型陶瓷材料，包括纤维(或晶须)增韧(或增强)陶瓷基复合材料、异相颗粒弥散强化复相陶瓷、原位生长陶瓷复合材料、梯度功能复合陶瓷及纳米陶瓷复合材料。
其因具有耐高温、耐磨、抗高温蠕变、热导率低、热膨胀系数低、耐化学腐蚀、强度高、硬度大及介电、透波等特点，在有机材料基和金属材料基不能满足性能要求的工况下可以得到广泛应用，成为理想的高温结构材料。
连续纤维增强复合材料是以连续长纤维为增强材料，金属、陶瓷等为基体材料制备而成。
金属基复合材料是以陶瓷等为增强材料，金属、轻合金等为基体材料而制备的。
从20世纪60年代起各国都相继对金属基复合材料开展了大量的研究，因其具有高比强度、高比模量和低热膨胀系数等特点而被应用于航天航空及汽车工业。
陶瓷材料具有熔点高、密度低、耐腐蚀、抗氧化和抗烧蚀等优异性能，被广泛用于航天航空、军事工业等特殊领域。
但是陶瓷材料的脆性大、塑韧性差导致了其在使用过程中可靠性差，制约了它的应用范围。
而纤维增强陶瓷基复合材料方面克服了陶瓷材料脆性断裂的缺点，另一方面保持了陶瓷本身的优点。
1陶瓷基复合材料的基本介绍和种类虽然用于纤维增强陶瓷基复合材料的纤维种类较多．但迄今为止，能够真正实用的纤维种类并不多一现简要介绍如下：第一类为氧化铝系列(包括莫来石)纤维一这类纤维的高温抗氧化性能优良，有可能用于14000C以上的高温环境．但目前作为FRCMCS的增强材料主要存在以下两个问题：一是高温下晶体相变、晶粒粗化以及玻璃相的蠕变导致纤维的高温强度下降；二是在高温成型和使用过程中，氧化物纤维易与陶瓷基体(尤其足氧化物陶瓷)形成强结合的界面，导致FRCMCS 的脆性破坏，丧失了纤维的补强增韧作用。
第二类为碳化硅系列纤维目前制备碳化硅纤维的方法主要有两种：一足化学气相沉积法(CVD)：用这种方法制备的碳化硅纤维，其高温性能好，但由于直径太大(大于100um)，不利于制备形状复杂的FRCMCS构件，且价格昂贵，因而其应用受到很大限制。
二足有机聚合物先驱体转化法。
在这种方法制备的纤维中，最典型的例子是日本碳公司生产的Nicalon 和Tyranno等纤维。
这种纤维的共同特点是，纤维中不同程度地含有氧和游离碳杂质，从而影响纤维的高温性能。
最近，H本碳公司生产的低含氧量碳化硅纤维(Hi．Nicalon)具有较好的高温稳定性，其强度在1500～1600℃温度下变化不大。
第三类为氮化硅系列纤维。
它们实际卜是由Si、N、C和0等组成的复相陶瓷纤维，现已有商品出售。
这类纤维也是通过有机聚合物先驱体转化法制备的，日前也存存着与先驱体碳化硅纤维同样的问题，因而其性能与先驱体碳化硅纤维相近。
第四类为碳纤维。
碳纤维已有三十余年的发展历史，它是目前开发得最成熟，性能最好的纤维之一，已被广泛用作复合材料的增强材料。
其高温性能非常好，在惰性气氛中，2000~C温度范围内其强度基本不下降，是目前增强纤维中高温性能最佳的一类纤维。
然而，高温抗氧化性能差是其最大的弱点。
空气中，温度高于360℃后即出现明显的氧化失重和强度下降，如能解决这个问题(如采用纤维表面涂层等方法)，碳纤维仍小失为FRCMCS的最佳侯选材料。
2 连续纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法2.1料浆浸渍和热压烧结法料浆浸渍和热压烧结法的基本原理是将具有可烧结性的基体原料粉末与连续纤维用浸渍工艺制成坯件，然后高温下加压烧结，使基体材料与纤维结合成复合材料。
工艺流程图如图1所示。
图1 料浆浸渍和热压烧结制备连续纤维料浆浸渍是指让纤维通过盛有料浆的容器浸挂料浆后缠绕在卷简上，烘干，沿卷简母线切断，取下后得到无纬布，将无纬布剪裁成一定规格的条带或片，在模具中叠排，即成为预成型坯件。
经高温去胶和烧结得到复合材料制件。
热压烧结应按预定规律(即热压制度)升温和加压。
热压过程中，最初阶段是高温去胶，随粘结剂挥发、逸出，将发生基体颗粒重新分布、烧结和在外压作用下的粘性流动等过程，最终获得致密化的复合材料。
此种工艺己用于制备以玻璃相为基体的复合材料。
2.2直接氧化沉积法直接氧化沉积法最早被用于制备A12O3／A1复合材料，后推广用于制备连续纤维增强氧化物陶瓷基复合材料。
LANXIDE法工艺原理为：将连续纤维预成型坯件置于熔融金属上面，因毛细管作用，熔融金属向预成型体中渗透。
由于熔融金属中含有少量添加剂，并处于空气或氧化气氛中，浸渍到纤维预成型体中的熔融金属与气相氧化剂反应形成氧化物基体，产生的氧化物沉积在纤维周围，形成含有少量残余金属的、致密的连续纤维增强陶瓷基复合材料。
此种方法适用于制备以氧化铝为基体的陶瓷基复合材料，如SiC／A1203，在1200~C的抗弯强度为350MPa，断裂韧性为18 MPa·m1/2，室温时的抗弯强度为450 MPa，断裂韧性为21M Pa·m1/2。
直接氧化沉积法工艺优点是：对增强体几乎无损伤，所制得的陶瓷基复合材料中纤维分布均匀；在制备过程中不存在收缩，因而复合材料制件的尺寸精确；工艺简单，生产效率较高，成本低，所制备的复合材料具有高比强度，良好韧性及耐高温等特性。
2.3 溶胶-凝胶法溶胶一凝胶法(Sol—ge1)是用有机先驱体制成的溶胶浸渍纤维预制体，然后水解、缩聚，形成凝胶，凝胶经干燥和热解后形成复合材料。
此工艺组分纯度高，分散性好，而且热解温度不高(低于1400~C)，溶胶易于润湿纤维，因此更利于制备连续纤维增强陶瓷基复合材料。
该工艺缺点是：由于是用醇盐水解来制得基体，所以复合材料的致密性差，不经过多次浸渍很难达到致密化，且此工艺不适于部分非氧化物陶瓷基复合材料的制备。
2.4化学气相法化学气相法主要包括化学气相沉积法(CVD)、化学气相渗透法(CVI)等。
最常用的复合材料制备方法是CVI法，它是在CVD法基础上发展起来的。
该制备方法是将纤维预制体置于密闭的反应室内，采用气相渗透的方法，使气相物质在加热的纤维表面或附近产生化学反应，并在纤维预制体中沉积，从而形成致密的复合材料。
该技术的主要优点是：(1)由于是在低于基体熔点的温度下制备合成陶瓷基体材料，避免了纤维与基体材料的高温化学反应，制备过程中对纤维损伤小，材料内部的残余应力小。
(2)通过改变工艺条件，能制备多种陶瓷材料，有利于材料的优化设计和多功能化。
(3)能制备形状复杂、近净尺寸和纤维体积分数大的复合材料。
主要缺点是：生产周期长，设备复杂，制备成本高；制成品孔隙率大，材料致密度低，从而影响复合材料的性能；不适于制备厚壁部件。
2.5 先驱体转化法先驱体转化法又称聚合法浸渍裂解法(PIP法)或先驱体裂解法，是近年来发展迅速的一种FRCMCS制备工艺。
与溶胶一凝胶法一样，先驱体转化法也是利用有机先驱体在高温下裂解而转化为无机陶瓷基体的一种方法。
溶胶．凝胶法主要是用于氧化物陶瓷基复合材料，而先驱体转化法主要用于非氧化物陶瓷，目前主要以碳化物和氮化物为主。
这种方法的主要特点是：(1)在单一的聚合物和多相的聚合物中浸渍，能得到组成均匀的单向或多相陶瓷基体，具有比CVI法更高的陶瓷转化率；(2)预制件中没有基体粉末．因而纤维不会受到机械损伤；(3)裂解温度较低(小于1300℃)，无压烧成，因而可减轻纤维的损伤和纤维与基体间的化学反应：(4)可以对先驱体进行分子设计，制备所期的相或多相陶瓷基体，杂质元素容易控制；(5)充分利用聚合物基和C／C复合材料的成型技术，可仿形制造出形状复杂的FRCMCS异型件。
该法的主要缺点在于：(1)致密周期较长，制品的孔隙率较高；(2)基体密度在裂解前后相差很大，致使基体的体积收缩很大(可达50～70％ )。
由于增强材料的骨架牵制着基体的体积收缩，因而在基体内部容易产生裂纹和气孑L，破坏了复合材料的整体性，并最终影响复合材料的性能。
3 陶瓷基复合材料的应用前景陶瓷材料是一种本质脆性材料，在制备、机械加工以及使用过程中，容易产生一些内在和外在缺陷，从而导致陶瓷材料灾难性破坏，严重限制了陶瓷材料应用的广度和深度，因此提高陶瓷材料的韧性成为影响陶瓷材料在高技术领域中应用的关键。
近年来，受自然界高性能生物材料的启发，材料界提出了模仿生物材料结构制备高韧性陶瓷材料的思路。
1990年Clegg等创造性材料制备的Sic薄片与石墨片层交替叠层结构复合材料与常规SiC陶瓷材料相比，其断裂韧性和断裂功提高了几倍甚至几十倍，成功地实现了仿贝壳珍珠层的宏观结构增韧。
陶瓷基层状复合材料力学性能优劣关键在于界面层材料，能够应用在高温环境下，抗氧化的界面层材料还有待进一步开发；此外，在应用C、BN等弱力学性能的材料作为界面层时，虽然能够得到综合性能优异的层状复合材料，但是基体层与界面层之间结合强度低的问题也有待进一步解决。
陶瓷基层状复合材料的制备工艺具有简便易行、易于推广、周期短而廉价的优点，可以应用于制备大的或形状复杂的陶瓷部件。
这种层状结构还能够与其它增韧机制相结合，形成不同尺度多级增韧机制协同作用，实现了简单成分多重结构复合，从本质上突破了复杂成分简单复合的旧思路。
这种新的工艺思路是对陶瓷基复合材料制备工艺的重大突破，将为陶瓷基复合材料的应用开辟广阔前景。
综上所述，金属基复合材料的制备领域的研究要在改进制备设备、降低制备成本、改善基体与增强体的润湿性、控制制备过程中的界面反应等几个方面开展。
陶瓷基复合材料的制备也存在着很多问题。
在高温、高压下制备出的复合材料虽然可以保证材料的致密性，但同时也对纤维造成一定的损伤；降低制备温度，低压下制备复合材料，使得基体孔隙率高，严重影响复合材料的性能。
因此，发展新的连续纤维增强复合材料的制备工艺是实现大规模生产的当务之急，也是今后连续纤维增强复合材料研究的主要方向，随着研究的不断深入，高性能复合材料的不断创新，连续纤维增强复合材料的应用将会更加广阔。