第七章陶瓷基复合材料

复合材料习题

第七章

一、如何改善陶瓷的强度？

减少陶瓷内部和表面的裂纹：

含有裂纹是材料微观结构的本征特性。微观夹杂、气孔、微

裂纹等都能成为裂纹源，材料对表面裂纹（划伤、擦伤）也

十分敏感。

提高断裂韧性（K IC）：

采用复合化的途径，添加陶瓷粒子、纤维或晶须，引入各种

增韧机制（增加裂纹的扩散阻力及裂纹断裂过程消耗的能

量），可提高陶瓷的韧性。

二、简述氮化硅陶瓷的烧结方法及其特点。

氮化硅陶瓷中，Si-N是高强度共价键，难以烧结。氮化硅陶瓷有两种烧结方法：1、反应烧结：

硅粉、氮化硅粉混合→预成型→预氮化（1200℃）→二次氮化（1350-1450℃）→反应烧结氮化硅陶瓷。

Si3N4形成时伴随21.7%的体积膨胀，获得无收缩烧结氮化硅。

2、热压烧结：

粉末状Si3N4、烧结助剂MgO（1wt%）等，在石墨坩埚中，通过感应加热、单向加压烧结（1650-1850℃，15-30MPa，1-4h）。

MgO的作用：与SiO2膜作用生成熔融硅酸镁，使氮化硅高度致密化。

热压烧结氮化硅只能制备形状简单的（如圆柱形）实体坯件，其制品须经过机械加工才能达到要求的形状和尺寸。

三、简述陶瓷基复合材料的特点及制造步骤。

陶瓷基复合材料的特点：E f和E m的数量级相当；陶瓷基体的韧性有限；增强材料与陶瓷基体之间的热膨胀系数不匹配、化学相容性问题突出。

陶瓷基复合材料的制造通常分为两个步骤：将增强材料掺入未固结（或粉末状）的基体材料中排列整齐或均匀混合；运用各种加工条件在尽量不破坏增强材料和基体性能的前提下制成复合材料制品。

四、简述连续纤维增强陶瓷基复合材料的料浆浸渍-热压烧结工艺及其优、缺点。料浆浸渍-热压烧结工艺：纤维通过含有超细陶瓷基体粉末的料浆使之浸渍，浸挂料浆的纤维缠绕在卷筒上，烘干、切割，得到纤维无纬布；纤维无纬布裁剪、铺层排列、热压烧结得到陶瓷基复合材料。

浸渍料浆的组成：陶瓷基体超细粉末、

溶剂（水或甲醇）、有机粘结剂，有时还

加入促进剂和润湿剂（提高纤维在料浆

中的浸润性）。

料浆中的陶瓷粉体粒径应小于纤维直

径，并能悬浮于料浆中；纤维应选用容

易分散的、捻数低的束丝；所选用的粘

结剂能够完全去除。

料浆浸渍-热压烧结工艺的优点：

烧结温度低、烧结时间短，所得制品的致密度高。

可以制备纤维定向排列、低孔隙率、高强度的陶瓷基复合材料。

料浆浸渍-热压烧结工艺的缺点：

要求基体有较高的熔点或软化点。

生产效率较低（适合单件和小规模生产），工艺成本较高。

制品垂直于加压方向的性能和平行于加压方向的性能差别明显。

纤维与基体的比例较难控制，纤维不易在制品中均匀分布。

五、简述晶须增强陶瓷基复合材料的先驱体转化法制造工艺及其优、缺点。

先驱体转化法工艺流程：晶须、陶瓷微粉、有机先驱物、溶剂均匀混合→预成型坯件（模压）→先驱物热解成陶瓷基体（一定温度和气氛）→陶瓷基复合材料。先驱体转化法的优点：成型容易，烧结温度低，工艺重复性高。

先驱体转化法的缺点：制品气孔率高，收缩变形大。

晶须增强陶瓷基复合材料制造工艺的问题：

晶须比表面积大（晶须直径小、长径比大），与陶瓷基体的反应性高，容易簇聚，导致晶须与陶瓷基体粉末均匀混合困难。

为此，进行晶须净化，晶须净化的方法：采用沉降技术除去颗粒杂质。

六、简述原位生长晶须增强陶瓷基复合材料的制造工艺及其优、缺点。

原位生长晶须：陶瓷烧结的致密化过程中，通过化学反应，在陶瓷基体内生长出晶须（或高长径比的晶体），从而得到晶须增强陶瓷基复合材料。

原位生长工艺的优点：原料廉价，对环境污染小；工艺简单，晶须生长按冷却方向择优取向，不存在生成的晶须与基体的相容性问题和热膨胀匹配的问题；可以制造形状复杂、大尺寸的产品；烧结过程中没有收缩，得到近净成型制品。

原位生长工艺的缺点：

难以制备完全致密的

陶瓷基复合材料（增加

热压工序可提高致密

化程度）。

例：自增强氮化硅陶瓷复合材料（Si 3N 4/Si 3N 4）

氮化硅陶瓷在高压氮气气氛中烧结，生长出长径比达10:l 的β-Si 3N 4晶体。 原位生长晶须示意图：在烧结助剂作用下，α-Si 3N 4烧结过程中生长出β-Si 3N 4晶须。当β-Si 3N 4的生长速度约为α-Si 3N 4的两倍时，β-Si 3N 4的活化能是各向异性的，有生长成棒状（rodlike ）β-Si 3N 4晶体的趋势。

七、简述陶瓷的增韧方法。

应力强度因子（支配裂纹扩展的尖端应力）：lim tip tip R K →=

1、晶须和纤维增韧：吸收能量。

裂纹扩展受阻：当增强体（纤维或颗粒）的断裂韧性大于基体中某些区域的断裂韧性时，纤维受到的残余应力为拉应力，具有收缩趋势，可以使基体裂纹压缩并闭合，阻止裂纹的扩展。

纤维（或晶须）拔出：具有较高断裂韧性的纤维，当基体裂纹扩展至纤维时，应力集中导致结合较弱的纤维与基体之间的界面解离，在进一步应变时，将导致纤维在弱点处断裂，随后纤维的断头从基体中拔出。

纤维（或晶须）桥联：在基体开裂后，纤维承受外加载荷，并在基体的裂纹面之间架桥。桥联的纤维对基体产生使裂纹闭合的力，消耗外加载荷做功，从而增大材料的韧性。

2、相变增韧：（shielding mechanism ）

在含有部分稳定的氧化锆粒子的氧化铝复合材料中：在裂纹尖端的应力区域，稳定的氧化锆（ZrO 2+Y 2O 3）发生应力诱导的马氏体相变（一部分断裂能量被用于应力诱发转移）：ZrO 2 (t)→ZrO 2 (m)，产生约5%的体积膨胀和约16%的剪切变形（剪切变形由产生孪晶等方式抵消）。这种体积膨胀和切变，在裂纹尖端产生了一种封闭裂纹的应力，减少了集中在裂纹尖端的拉伸应力，使裂纹扩展困难，达到增韧效果。

3、微裂纹韧化：（crack shielding mechanism ）：吸收能量

主裂纹扩展时，其尖端高应力区域容易产生微裂纹，微裂纹是产生膨胀应变的机理之一：在微裂纹产生之前，存在有局部的拉伸残余应力。微裂纹增韧机制适合于基体弹性模量较低的陶瓷基复合材料。

4、非屏蔽机理：

利用裂纹与材料间的相互作用消耗额外的能量，使断裂能量提高，对应力强度因子的贡献很小，包括裂纹偏转（裂纹沿着结合较弱的纤维/基体界面弯折，偏离原来的扩展方向，呈锯齿状扩展，从而使断裂路径增加）或裂纹弯曲（裂纹扩展时由于强化相的阻碍使得尖端路径弯曲，从而使测得的断裂韧性值提高）。