陶瓷基复合材料.pptx

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1、18.1 陶瓷基复合材料的种类及基本性能陶瓷基复合材料的种类及基本性能现代陶瓷材料现代陶瓷材料具个具个耐高温耐高温、耐磨损耐磨损、耐腐蚀耐腐蚀及及重量轻重量轻等许多优良的性能。等许多优良的性能。但是，陶瓷材料同时也具有但是，陶瓷材料同时也具有致命的缺致命的缺点点，即，即脆性脆性，这一弱点正是目前淘瓷材料，这一弱点正是目前淘瓷材料的使用受到很大限制的主要原因。的使用受到很大限制的主要原因。第1页/共150页2因此，陶瓷材料的因此，陶瓷材料的韧性化问题韧性化问题便成了便成了近年来陶瓷工作者们研究的一个重点问题。近年来陶瓷工作者们研究的一个重点问题。现在这方面的研究巳取得了初步进展，现在这方面的研究

2、巳取得了初步进展，探索出了若干种探索出了若干种韧化陶瓷的途径韧化陶瓷的途径。第2页/共150页3其中，往陶陶瓷材料中加入其中，往陶陶瓷材料中加入起起增韧作用的第二相增韧作用的第二相而制成而制成陶瓷基复陶瓷基复合材料即合材料即是一种重要方法。是一种重要方法。第3页/共150页48.1.1 陶瓷基复合材料的基体与增强体陶瓷基复合材料的基体与增强体1陶瓷基复合材料的基体陶瓷基复合材料的基体陶瓷基复合材料的基体陶瓷基复合材料的基体为为陶瓷陶瓷，这是，这是一种包括范围很广的材料，属于一种包括范围很广的材料，属于无机化合无机化合物物而不是单质，所以它的而不是单质，所以它的结构远比金属合结构远比金属合金复杂

3、得多金复杂得多。第4页/共150页5现代陶瓷材料的研究，最早是从对现代陶瓷材料的研究，最早是从对硅硅酸盐材料的研究酸盐材料的研究开始的，随后又逐步扩大开始的，随后又逐步扩大到了其他的到了其他的无机非金属材料无机非金属材料。目前被人们研究最多的是目前被人们研究最多的是碳化硅碳化硅、氮氮化硅化硅、氧化铝氧化铝等，它们普遍具有等，它们普遍具有耐高温耐高温、耐腐蚀耐腐蚀、高强度高强度、重量轻重量轻和和价格低价格低等优点。等优点。第5页/共150页6 2陶瓷复合材料的增强体陶瓷复合材料的增强体陶瓷基复合材料中的陶瓷基复合材料中的增强体增强体，通常，通常也称为也称为增韧体增韧体。从几何尺寸上增强体可分为从

4、几何尺寸上增强体可分为纤维纤维(长、短纤维长、短纤维)、晶须晶须和和颗粒颗粒三类。三类。第6页/共150页7碳纤维碳纤维是用来制造是用来制造陶瓷基复合材陶瓷基复合材料料最常用的纤维之一。最常用的纤维之一。碳纤维可用多种方法进行生产。碳纤维可用多种方法进行生产。工业上主要采用工业上主要采用有机母体的热氧化有机母体的热氧化和和石墨化石墨化。第7页/共150页8碳纤维的生产过程碳纤维的生产过程主要包括三个阶段。主要包括三个阶段。第一阶段第一阶段在空气中于在空气中于200400进行进行低低温氧化温氧化；第二阶段第二阶段是在惰性气体中在是在惰性气体中在1000左左右进行右进行碳化处理碳化处理；第三阶段第

5、三阶段则是在惰性气体中于则是在惰性气体中于2000以上的温度作以上的温度作石墨化处理石墨化处理。第8页/共150页9目前，碳纤维常规生产的品种主要有两种，目前，碳纤维常规生产的品种主要有两种，即即高模量型高模量型和和低模量型低模量型。其中，高模量型的其中，高模量型的拉伸模量拉伸模量约为约为400 GPa，拉伸强度拉伸强度约为约为1.7 GPa；低模量型的低模量型的拉伸模量拉伸模量约为约为240 GPa，拉伸拉伸强度强度约为约为2.5 GPa。第9页/共150页10碳纤维碳纤维主要用在把主要用在把强度强度、刚度刚度、重量重量和和抗化学性抗化学性作为设计参数的作为设计参数的构构件件，在，在1500

6、的温度下，碳纤维仍的温度下，碳纤维仍能保持其性能不变。能保持其性能不变。第10页/共150页11但是，必须对碳纤维进行但是，必须对碳纤维进行有效有效的保护的保护以防止它以防止它在空气中或氧化性在空气中或氧化性气氛中被腐蚀气氛中被腐蚀，只有这样，才能充，只有这样，才能充分发挥它的优良性能。分发挥它的优良性能。第11页/共150页12陶瓷基复合材料中的陶瓷基复合材料中的增强体增强体中，中，另一种常用纤维是另一种常用纤维是玻璃纤维玻璃纤维。制造玻璃纤维的制造玻璃纤维的基本流程基本流程如下如下图所示：图所示：第12页/共150页13玻璃球玻璃球玻璃球再熔化玻璃球再熔化连续纤维连续纤维上浆上浆纱线纱线绕

7、线筒绕线筒玻玻璃璃纤纤维维生生产产流流程程图图将玻璃小球将玻璃小球熔化，然后通过熔化，然后通过1mm左右直径的左右直径的小孔把它们拉出小孔把它们拉出来。来。另外，缠绕另外，缠绕纤维的纤维的心轴的转心轴的转动速度动速度决定纤维决定纤维的直径，通常为的直径，通常为10um的数量级。的数量级。第13页/共150页14为了为了便于操作便于操作和和避免纤维受潮并避免纤维受潮并形成纱束形成纱束，在刚凝固成纤维时，表面，在刚凝固成纤维时，表面就就涂覆薄薄一层保护膜涂覆薄薄一层保护膜，这层保护膜，这层保护膜还有利于还有利于与基体的粘结与基体的粘结。第14页/共150页15玻璃的组成玻璃的组成可在一个可在一个很

8、宽的范围内很宽的范围内调调整，因而可生产出具有整，因而可生产出具有较高杨氏模量较高杨氏模量的品的品种，这些特殊品种的纤维通常需要种，这些特殊品种的纤维通常需要在较高在较高的温度下的温度下熔化后拉丝熔化后拉丝，因而，因而成本较高成本较高，但，但可满足制造一些可满足制造一些有特殊要求的有特殊要求的复合材料。复合材料。第15页/共150页16还有一种还有一种常用的纤维常用的纤维是是硼纤维硼纤维。它属于它属于多相的多相的，又是，又是无定形的无定形的，因，因为它是用为它是用化学沉积法化学沉积法将将无定形硼无定形硼沉沉积在钨丝积在钨丝或者或者碳纤维上碳纤维上形成的。形成的。第16页/共150页17在实际结

9、构的在实际结构的硼纤维硼纤维中，由于中，由于缺少大晶体结构缺少大晶体结构，使其，使其纤维强度下纤维强度下降降到只有晶体硼纤维一半左右。到只有晶体硼纤维一半左右。第17页/共150页18由由化学分解化学分解所获得的所获得的硼纤维的平均性能硼纤维的平均性能为，杨氏模量为，杨氏模量420GPa，拉伸强度拉伸强度2.8GPa。硼纤维硼纤维对任何可能的对任何可能的表面损伤表面损伤都非常都非常敏敏感感，甚至比玻璃纤维更敏感，甚至比玻璃纤维更敏感，热或化学处理热或化学处理对硼纤维都有影响，高于对硼纤维都有影响，高于500 时强度会急剧时强度会急剧下降。下降。第18页/共150页19为了阻止为了阻止随温度而变

10、化的降解作用随温度而变化的降解作用，已采用了已采用了不同类型的涂层不同类型的涂层作试验。作试验。例如，例如，商业上使用的硼纤维商业上使用的硼纤维通常是在通常是在表面涂了一层表面涂了一层碳化硅碳化硅，它可使纤维，它可使纤维长期暴长期暴露在高温后露在高温后仍有保持仍有保持室温强度室温强度的优点。的优点。第19页/共150页20陶瓷材料中另一种增强体为陶瓷材料中另一种增强体为晶须晶须。晶须为具有晶须为具有一定长径比一定长径比(直径直径0.31um,长长30100um)的的小单晶体小单晶体。1952年，年，Herring和和Galt验证了验证了锡的晶须锡的晶须的强度的强度比比块状锡块状锡高得多，这促使

11、人们去对高得多，这促使人们去对纤纤维状的单晶维状的单晶进行详细的研究。进行详细的研究。第20页/共150页21从结构上看，从结构上看，晶须的特点晶须的特点是没有是没有微微裂纹裂纹、位错位错、孔洞孔洞和和表面损伤表面损伤等一类缺等一类缺陷，而这些缺陷正是陷，而这些缺陷正是大块晶体中大量存大块晶体中大量存在在且促使且促使强度下降强度下降的主要原因。的主要原因。第21页/共150页22在某些情况下，在某些情况下，晶须的拉伸强度晶须的拉伸强度可达可达0.1E(E为杨氏模量为杨氏模量)，这已非常接，这已非常接近于近于理想拉伸强度理想拉伸强度0.2E。相比之下，相比之下，多晶的金属纤维多晶的金属纤维和和块

12、块状金属状金属的的拉伸强度拉伸强度只有只有0.02E和和0.001E。第22页/共150页23由于晶须具有由于晶须具有最佳的热性能最佳的热性能、低密度低密度和和高杨氏模量高杨氏模量，从而引起了人们对其特别的关，从而引起了人们对其特别的关注。注。在在陶瓷基复合材料中陶瓷基复合材料中使用得较为普遍的使用得较为普遍的是是SiC、A12O3及及Si3N4晶须。晶须。第23页/共150页24陶瓷材料中的另一种增强体为陶瓷材料中的另一种增强体为颗粒颗粒。从从几何尺寸几何尺寸上看，颗粒在各个方向上上看，颗粒在各个方向上的长度是大致相同的，一般为的长度是大致相同的，一般为几个微米几个微米。常用得的颗粒也是常用

13、得的颗粒也是SiC、Si3N4等。等。第24页/共150页25颗粒的增韧效果颗粒的增韧效果虽不如虽不如纤维纤维和和晶须晶须，但，但是，如果颗粒种类、是，如果颗粒种类、粒径粒径、含量含量及及基体材料基体材料选择适当选择适当仍会仍会有一定的韧化效果有一定的韧化效果，同时还会，同时还会带来带来高温强度高温强度，高温蠕变性能高温蠕变性能的改善。的改善。所以，所以，颗粒增韧复合材料颗粒增韧复合材料同样受到重视同样受到重视并对其进行了一定的研究。并对其进行了一定的研究。第25页/共150页268.1.2 纤维增强陶瓷基复合材料纤维增强陶瓷基复合材料在陶瓷材料中，加入在陶瓷材料中，加入第二相纤维制成第二相纤

14、维制成复合材料复合材料是是改善陶瓷材料韧性改善陶瓷材料韧性的重要手段，的重要手段，按按纤维排布方式纤维排布方式的不同，又可将其分为的不同，又可将其分为单单向排布长纤维向排布长纤维复合材料和复合材料和多向排布纤维多向排布纤维复复合材料。合材料。第26页/共150页271、单向排布长纤维复合材料、单向排布长纤维复合材料单向排布纤维单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料增韧陶瓷基复合材料的显的显著特点是它具有著特点是它具有各向异性各向异性，即，即沿纤维长度方沿纤维长度方向上的纵向性能向上的纵向性能要大大要大大高于其横向性能高于其横向性能。在实际构件中，主要是使用其在实际构件中，主要是使用其纵向性能。纵向性能

15、。第27页/共150页28在在单向排布纤维单向排布纤维增韧陶瓷基复合材增韧陶瓷基复合材料料中，当中，当裂纹扩展裂纹扩展遇到纤维时遇到纤维时会受阻会受阻，这时，如果要使这时，如果要使裂纹进一步扩展裂纹进一步扩展就必须就必须提高外加应力提高外加应力。这一过程的示意图如下：这一过程的示意图如下：第28页/共150页29裂纹垂直于纤维方向扩展示意图裂纹垂直于纤维方向扩展示意图第29页/共150页30当当外加应力进一步提高外加应力进一步提高时，由于时，由于基基体与纤维间的体与纤维间的界面离解界面离解，同时又由于，同时又由于纤纤维的强度高于基体的强度维的强度高于基体的强度，从而，从而使纤维使纤维从基体中拔

16、出从基体中拔出。当当拔出的长度拔出的长度达到某一临界值达到某一临界值时，时，会使会使纤维发生断裂纤维发生断裂。第30页/共150页31因此，因此，裂纹的扩展裂纹的扩展必须克服必须克服由于由于纤维的加入而产生纤维的加入而产生的的拔出功拔出功和和纤维断纤维断裂功裂功，这样，使得，这样，使得材料的断裂更为困材料的断裂更为困难难，从而起到了，从而起到了增韧的作用增韧的作用。第31页/共150页32实际实际材料断裂过程材料断裂过程中，中，纤维的断裂纤维的断裂并并非发生在非发生在同一裂纹平面同一裂纹平面，这样，这样主裂纹主裂纹还将还将沿纤维断裂位置的不同沿纤维断裂位置的不同而发生而发生裂纹转向裂纹转向。这

17、也同样会这也同样会使裂纹的扩展阻力增加使裂纹的扩展阻力增加，从而，从而使使韧性进一步提高韧性进一步提高。第32页/共150页33 2多向排布纤维增韧复合材料多向排布纤维增韧复合材料单向排布纤维单向排布纤维增韧陶瓷只是增韧陶瓷只是在纤维排在纤维排列方向上的列方向上的纵向性能纵向性能较为优越，而其较为优越，而其横向横向性能性能显著低于显著低于纵向性能纵向性能，所以只适用于，所以只适用于单单轴应力轴应力的场合。的场合。第33页/共150页34而许多而许多陶瓷构件陶瓷构件则要求则要求在二维及在二维及三维方向上三维方向上均具有均具有优良的性能优良的性能，这就，这就要进一步研究要进一步研究多向排布纤维多向

18、排布纤维增韧陶瓷增韧陶瓷基复合材料。基复合材料。第34页/共150页35(1)二维多向排布纤维增韧复合材料二维多向排布纤维增韧复合材料这种复合材料中，这种复合材料中，纤维的排布方式纤维的排布方式有两种有两种。一种是一种是将纤维编织成纤维布将纤维编织成纤维布，浸渍浸渍浆料后浆料后，根据需要的厚度根据需要的厚度将将单层或若干单层或若干层层进行进行热压烧结成型热压烧结成型，如下图所示：，如下图所示：第35页/共150页36纤维层纤维层基体基体纤维布层压复合材料示意图纤维布层压复合材料示意图纤维布层压复合材料示意图纤维布层压复合材料示意图第36页/共150页37这种材料在这种材料在纤维排布平面的二维方

19、向纤维排布平面的二维方向上上性能优越性能优越，而在，而在垂直于纤维排布面方向垂直于纤维排布面方向上上的性能较差。的性能较差。一般应用在对一般应用在对二维方向上有较高性能二维方向上有较高性能要求要求的构件上。的构件上。第37页/共150页38另一种是另一种是纤维分层单向排布纤维分层单向排布，层层间纤维成一定角度间纤维成一定角度，如下图所示。，如下图所示。第38页/共150页39纤维层纤维层纤维层纤维层基体基体基体基体多层纤维按不同角度方向层压示意图多层纤维按不同角度方向层压示意图多层纤维按不同角度方向层压示意图多层纤维按不同角度方向层压示意图第39页/共150页40后一种复合材料可以根据后一种复

20、合材料可以根据构件的形构件的形状状用用纤维浸浆缠绕的方法纤维浸浆缠绕的方法做成所需要形做成所需要形状的状的壳层状构件壳层状构件。而前一种材料而前一种材料成型板状构件成型板状构件曲率不曲率不宜太大宜太大。第40页/共150页41这种这种二维多向纤维二维多向纤维增韧陶瓷基复合材增韧陶瓷基复合材料料的的韧化机理韧化机理与与单向排布纤维单向排布纤维复合材料是复合材料是一样的，主要也是靠一样的，主要也是靠纤维的拔出纤维的拔出与与裂纹转裂纹转向机制向机制，使其，使其韧性及强度韧性及强度比基体材料大幅比基体材料大幅度提高。度提高。第41页/共150页42(2)三维多向排布纤维增韧陶瓷基复合材料三维多向排布纤

21、维增韧陶瓷基复合材料三维多向编织纤维三维多向编织纤维增韧陶瓷是为了增韧陶瓷是为了满足满足某些情况的性能要求某些情况的性能要求而设计的。而设计的。这种材料最初是从宇航用这种材料最初是从宇航用三向三向C/C复合复合材料材料开始的，现已发展到开始的，现已发展到三向石英三向石英/石英石英等等陶瓷复合材料。陶瓷复合材料。第42页/共150页43下图为下图为三向正交三向正交C/C纤维编织纤维编织结构结构示意图。它是按直角坐标示意图。它是按直角坐标将多将多束纤维分层交替编织束纤维分层交替编织而成。而成。第43页/共150页44X XY YZ Z三向三向C/C编织结构示意图编织结构示意图 由于由于每束每束纤维

22、呈直线伸纤维呈直线伸展展，不存在，不存在相相互交缠和绕曲互交缠和绕曲，因而使纤维可因而使纤维可以充分发挥以充分发挥最最大的结构强度大的结构强度。第44页/共150页45这种这种三维多向三维多向编织结构编织结构还可以通过还可以通过调节纤维束的根数和股数调节纤维束的根数和股数，相邻束间的相邻束间的间距间距，织物的体积密度织物的体积密度以及以及纤维的总体纤维的总体积分数积分数等参数进行设计以满足性能要求。等参数进行设计以满足性能要求。第45页/共150页468.1.3 晶须和颗粒增强陶瓷基复合材料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长纤维增韧陶瓷基复合材料虽然虽然性能性能优越优越，但

23、它的，但它的制备工艺复杂制备工艺复杂，而且，而且纤维在纤维在基体中不易分布均匀基体中不易分布均匀。因此，近年来又发展了因此，近年来又发展了短纤维短纤维、晶须晶须及及颗粒颗粒增韧陶瓷基复合材料。由于短纤维增韧陶瓷基复合材料。由于短纤维与晶须相似，故只讨论后两种情形。与晶须相似，故只讨论后两种情形。第46页/共150页47由于由于晶须的尺寸晶须的尺寸很小，从客观上看与很小，从客观上看与粉末粉末一样，因此一样，因此在制备复合材料在制备复合材料时，只需时，只需将将晶须分散后晶须分散后与与基体粉末基体粉末混合均匀，然后混合均匀，然后对对混好的粉末混好的粉末进行进行热压烧结热压烧结，即可制得致，即可制得致

24、密的晶须增韧陶瓷基复合材料。密的晶须增韧陶瓷基复合材料。第47页/共150页48目前常用的是目前常用的是SiC，Si3N4，Al2O3晶须，常用的基体则为晶须，常用的基体则为Al2O3，ZrO2，SiO2，Si3N4及及莫来石莫来石等。等。第48页/共150页49晶须增韧晶须增韧陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料的性能的性能与与基基体和晶须的选择体和晶须的选择，晶须的含量及分布晶须的含量及分布等因等因素有关。素有关。下面两个图分别给出了下面两个图分别给出了ZrO2(2mol%Y2O3)+SiCw及及A12O3+SiCw陶瓷复合材料陶瓷复合材料的性能与的性能与SiCw含量含量之间的关系。之间的关系。第

25、49页/共150页50断断断断裂裂裂裂韧韧韧韧性性性性KKI IC C(MMP Pa a.mm1 1/2 2)SiCSiCw w含量（含量（含量（含量（vol%vol%）弯弯弯弯曲曲曲曲强强强强度度度度 f f(MMP Pa a)SiCw含量（含量（vol%）维维维维氏氏氏氏硬硬硬硬度度度度HHV V(GGP Pa a)弹弹弹弹性性性性模模模模量量量量E E(GGP Pa a)SiCw含量（含量（vol%）Z Zr rOO2 2(Y Y2 2OO3 3)复复复复合合合合材材材材料料料料的的的的力力力力学学学学性性性性能能能能第50页/共150页51SiCSiCw w含量（含量（含量（含量（vo

26、l%vol%）维维维维氏氏氏氏硬硬硬硬度度度度HHV V(GGP Pa a)弹弹弹弹性性性性模模模模量量量量E E(GGP Pa a)SiCSiCw w含量（含量（含量（含量（vol%vol%）弯弯弯弯曲曲曲曲强强强强度度度度 f f(MMP Pa a)SiCSiCw w含量（含量（含量（含量（vol%vol%）断断断断裂裂裂裂韧韧韧韧性性性性KKI IC C(MMP Pa a.mm1 1/2 2)A Al l2 2OO3 3+S Si iC Cw w复复复复合合合合材材材材料料料料的的的的力力力力学学学学性性性性能能能能第51页/共150页52从上面两个图中可以看出，两从上面两个图中可以看出

27、，两种材料的种材料的弹性模量弹性模量、硬度硬度及及断裂韧断裂韧性性均均随着随着SiCw含量的增加含量的增加而提高。而提高。第52页/共150页53而而弯曲强度弯曲强度的变化规律则是，对的变化规律则是，对Al2O3基复合材料基复合材料，随随SiCw含量的增加单调上升含量的增加单调上升，而对而对ZrO2基体基体，在，在10 vol SiCw时时出现峰值出现峰值，随后又有所下降，但却随后又有所下降，但却始终高于基体始终高于基体。第53页/共150页54这可解释为由于这可解释为由于SiCw含量高时含量高时造成热造成热失配过大失配过大，同时，同时使致密化困难使致密化困难而而引起密度引起密度下降下降，从而

28、使，从而使界面强度降低界面强度降低，导致了复合导致了复合材料强度的下降材料强度的下降。第54页/共150页55由图中可知，对由图中可知，对A12O3基复合材料基复合材料最佳最佳的韧性和强度的配合的韧性和强度的配合可使可使断裂韧性断裂韧性KIC=7MPa.M1/2，弯曲强度弯曲强度 f=600MPa；ZrO2基复合材料基复合材料的的断裂韧性断裂韧性KIC=16MPa.M1/2，弯曲强度弯曲强度 f=1400MPa。由此可见，由此可见，SiCw对陶瓷材料对陶瓷材料同时具有增同时具有增强和增韧的效果强和增韧的效果。第55页/共150页56从上面的讨论知道，由于从上面的讨论知道，由于晶须具晶须具有长径

29、比有长径比，因此，因此，当其含量较高时，当其含量较高时，因其因其桥架效应桥架效应而而使致密化变得因难使致密化变得因难，从而引起了从而引起了密度的下降并导致性能的密度的下降并导致性能的下降下降。第56页/共150页57为了克服这一弱点，可采用为了克服这一弱点，可采用颗粒颗粒来来代替晶须代替晶须制成复合材料，这种复合制成复合材料，这种复合材料在材料在原料的混合均匀化原料的混合均匀化及及烧结致密烧结致密化方面化方面均比晶均比晶须增强陶瓷基复合材料须增强陶瓷基复合材料要容易。要容易。第57页/共150页58当所用的颗粒为当所用的颗粒为SiC，TiC时，时，基体材料采用最多的是基体材料采用最多的是Al2

30、O3，Si3N4。目前，这些复合材料已广泛用目前，这些复合材料已广泛用来来制造刀具制造刀具。第58页/共150页59右图显示了右图显示了SiCp含量含量对对SiCp/A12O3复合材料复合材料性能的影响性能的影响。断断断断裂裂裂裂强强强强度度度度 f f(MMP Pa a)SiCSiCp p含量含量含量含量(vol%vol%)从中可以看出，在从中可以看出，在5 SiCp时时强度出现峰值。强度出现峰值。第59页/共150页60下图为下图为SiCSiCp p含量含量含量含量对对SiCSiCp p/Si/Si3 3N N4 4复合材料性能的复合材料性能的影响。影响。SiCSiCp p含量（含量（含量

31、（含量（vol%vol%）断断断断裂裂裂裂韧韧韧韧性性性性KKI IC C(MMP Pa a.mm1 1/2 2)SiCSiCp p含量（含量（含量（含量（vol%vol%）弯弯弯弯曲曲曲曲强强强强度度度度 f f(MMP Pa a)从中可以看出，在从中可以看出，在SiCSiCp p含量为含量为含量为含量为5 5时时时时强度及强度及韧性达到了最高值。韧性达到了最高值。第60页/共150页61从上面的讨论可知，从上面的讨论可知，晶须与颗粒晶须与颗粒对陶瓷对陶瓷材料的增韧材料的增韧均有一定作用，且各有利弊。均有一定作用，且各有利弊。晶须晶须的的增强增韧效果好增强增韧效果好，但，但含量高时会含量高时

32、会使致密度下降使致密度下降；颗粒颗粒可克服晶须的这一弱点，但其可克服晶须的这一弱点，但其增强增强增韧效果却不如晶须增韧效果却不如晶须。第61页/共150页62由此很容易想到，若将由此很容易想到，若将晶须晶须与与颗粒颗粒共共同使用同使用，则可取长补短，达到更好的效果。，则可取长补短，达到更好的效果。目前，已有了这方面的研究工作，如目前，已有了这方面的研究工作，如使用使用SiCw与与ZrO2来来共同增韧共同增韧，用，用SiCw与与SiCp来来共同增韧共同增韧等。等。第62页/共150页63下面两个图分别给出了下面两个图分别给出了Al2O3+ZrO2(Y2O3)+SiCw复合材料的复合材料的性能随性

33、能随SiCw及及ZrO2(Y2O3)含量含量的变的变化情况。化情况。第63页/共150页64 维维维维氏氏氏氏硬硬硬硬度度度度HHV V(GGP Pa a)弹弹弹弹性性性性模模模模量量量量E E(GGP Pa a)SiCSiCw w含量含量含量含量(vol%vol%)(a)(a)弹弹弹弹性性性性模模模模量量量量E E(GGP Pa a)维维维维氏氏氏氏硬硬硬硬度度度度HHV V(GGP Pa a)ZrOZrO2 2含量含量含量含量(vol%vol%)(b)(b)SiCw与与ZrO2复合增韧复合增韧Al2O3的硬度与弹性模量的硬度与弹性模量AlAl2 2OO3 3+20mol%+20mol%Zr

34、OZrO2 2(Y(Y2 2OO3 3)+SiC)+SiCw w第64页/共150页65AlAl2 2OO3 3+20mol%+20mol%ZrOZrO2 2(Y(Y2 2OO3 3)+SiC)+SiCw w 弯弯弯弯曲曲曲曲强强强强度度度度 f f(MMP Pa a)SiCSiCw w含量含量含量含量(vol%vol%)断断断断裂裂裂裂韧韧韧韧性性性性KKI IC C(MMP Pa a.mm1 1/2 2)SiCSiCw w含量含量含量含量(vol%vol%)SiCw与与ZrO2复合增韧复合增韧Al2O3的强度与断裂韧性的强度与断裂韧性第65页/共150页66SiCw与与ZrO2复合增韧复合

35、增韧Al2O3的强度与断裂韧性的强度与断裂韧性AlAl2 2OO3 3+20mol%+20mol%SiCSiCw w+ZrO+ZrO2 2(Y(Y2 2OO3 3)ZrOZrO2 2含量含量含量含量(vol%vol%)弯弯弯弯曲曲曲曲强强强强度度度度 f f(MMP Pa a)ZrOZrO2 2含量含量含量含量(vol%vol%)断断断断裂裂裂裂韧韧韧韧性性性性KKI IC C(MMP Pa a.mm1 1/2 2)第66页/共150页67可以看出，随着可以看出，随着SiCw及及ZrO2(Y2O3)含量含量的增加的增加，其，其强度强度与与韧性韧性均呈上升趋势均呈上升趋势，在，在20SiCw及及

36、30 ZrO2(Y2O3)时时，复合材抖的，复合材抖的 f达达1200MPa。KIC达达10 MPa.M1/2 以上。以上。这比这比单独晶须韧化单独晶须韧化的的Al2O3+SiCw复合材复合材料的料的 f=634MPa，KIC=7.5 MPa.M1/2有明显有明显的提高，这充分体现了这种的提高，这充分体现了这种复合强化的效果复合强化的效果。第67页/共150页68下表则给出了下表则给出了莫来石及其制得的复合材料的莫来石及其制得的复合材料的强度与韧性强度与韧性。材料材料 f(Mpa)KIC(MPa.M1/2)莫来石莫来石2442.8莫来石莫来石莫来石莫来石+SiCSiCw w4524524.44

37、.4莫来石莫来石莫来石莫来石+ZrOZrO2 2+SiC+SiCw w5515805515805.46.75.46.7Si3N4+SiCw10001112很明显，由很明显，由ZrOZrO2 2+SiC+SiCw w与莫来石制得的复合材料要比与莫来石制得的复合材料要比单独用单独用SiCSiCw w与莫来石与莫来石与莫来石与莫来石制得的复合材料的性能好得多。制得的复合材料的性能好得多。第68页/共150页69一、陶瓷基复合材料的界面一、陶瓷基复合材料的界面1、界面的粘结形式、界面的粘结形式2、界面的作用、界面的作用3、界面性能的改善、界面性能的改善8.1.4 陶瓷基复合材料的界面和强韧化机理陶瓷基

38、复合材料的界面和强韧化机理第69页/共150页701、界面的粘结形式、界面的粘结形式对于陶瓷基复合材料来讲，对于陶瓷基复合材料来讲，界面界面的粘结形式的粘结形式主要有两种：主要有两种：(1)机械粘结机械粘结(2)化学粘结化学粘结第70页/共150页71由于由于陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料往往是在往往是在高温条高温条件件下制备，而且往往下制备，而且往往在高温环境中工作在高温环境中工作，因此因此增强体与陶瓷之间增强体与陶瓷之间容易容易发生化学反应发生化学反应形成化学粘结的形成化学粘结的界面层界面层或或反应层反应层。第71页/共150页72若若基体与增强体之间基体与增强体之间不发生反应或控不发生反应

39、或控制它们之间发生反应，那么当制它们之间发生反应，那么当从高温冷却从高温冷却下来时下来时，陶瓷的收缩陶瓷的收缩大于大于增强体增强体，由于收，由于收缩而产生的缩而产生的径向压应力径向压应力 r 与与界面剪应力界面剪应力 有关：有关：第72页/共150页73 r式中，式中，是摩擦系数，一般为是摩擦系数，一般为0.10.6。此外，基此外，基体在高温时呈现为液体体在高温时呈现为液体(或或粘性体粘性体)，它也可，它也可渗入或浸入纤维表面的渗入或浸入纤维表面的缝隙缝隙等缺陷处，冷却后形成等缺陷处，冷却后形成机械结合机械结合。第73页/共150页74实际上，高温下实际上，高温下原子的活性增大原子的活性增大，

40、原子的扩散速度较室温大的多，由原子的扩散速度较室温大的多，由于于增强体与陶瓷基体的原子扩散增强体与陶瓷基体的原子扩散，在界面上更易在界面上更易形成固溶体和化合物形成固溶体和化合物。第74页/共150页75此时，此时，增强体与基体之间的界面增强体与基体之间的界面是是具有一定厚度的具有一定厚度的界面反应区界面反应区，它，它与与基体和增强体都能较好的结合基体和增强体都能较好的结合，但通，但通常是常是脆性脆性的。例如的。例如Al2O3f/SiO2系中会系中会发生反应形成发生反应形成强的化学键结合强的化学键结合。第75页/共150页76 2、界面的作用、界面的作用对于对于陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料来讲

41、，来讲，界面粘结界面粘结性能性能影响影响陶瓷基体和复合材料的陶瓷基体和复合材料的断裂行为断裂行为。对于陶瓷基复合材料的对于陶瓷基复合材料的界面界面来说，一来说，一方面应强到方面应强到足以传递轴向载荷，足以传递轴向载荷，并具有并具有高高的横向强度的横向强度；第76页/共150页77另一方面，陶瓷基复合材料的另一方面，陶瓷基复合材料的界面界面要要弱到弱到足以沿界面发生横向裂纹足以沿界面发生横向裂纹及及裂纹偏转裂纹偏转直到纤维的拔出直到纤维的拔出。因此，陶瓷基复合材料界面要有一个因此，陶瓷基复合材料界面要有一个最佳的界面强度最佳的界面强度。第77页/共150页78强的界面粘结强的界面粘结往往导致往往

42、导致脆性破坏脆性破坏，如下图如下图(a)所示，所示，裂纹可以在复合材裂纹可以在复合材料的料的任一部位形成，任一部位形成，并并迅速扩展迅速扩展至复合至复合材料的横截面，导材料的横截面，导致致平面断裂平面断裂。纤维纤维基体基体(a)强界面结合强界面结合第78页/共150页79平面断裂平面断裂主要是由于主要是由于纤维的弹纤维的弹性模量不是大大高于基体性模量不是大大高于基体，因此在，因此在断裂过程中，断裂过程中，强的界面结合强的界面结合不产生不产生额外的能量消耗额外的能量消耗。第79页/共150页80若若界面结合较界面结合较弱弱，当基体中的裂当基体中的裂纹扩展至纤维时纹扩展至纤维时，将导致将导致界面脱

43、粘界面脱粘，其后其后裂纹发生偏转裂纹发生偏转、裂纹搭桥裂纹搭桥、纤维断纤维断裂裂以致最后以致最后纤维拔纤维拔出出(图图 b)。(b)弱界面结合弱界面结合第80页/共150页81裂纹的偏转裂纹的偏转、搭桥搭桥、断裂断裂以致最后以致最后纤维纤维拔出拔出等，这些过程都要等，这些过程都要吸收能量吸收能量，从而，从而提高提高复合材料的断裂韧性复合材料的断裂韧性，避免了，避免了突然的脆性失突然的脆性失效效。第81页/共150页82 3、界面性能的改善、界面性能的改善为获得为获得最佳的界面结合强度最佳的界面结合强度，我们，我们常常希望常常希望完全避免完全避免界面间的化学反应界面间的化学反应或或尽量降低尽量降

44、低界面间的化学反应界面间的化学反应程度和范围程度和范围。第82页/共150页83在实际应用中，除选择在实际应用中，除选择纤维和基体纤维和基体在在加工和使用期间加工和使用期间能能形成稳定的热力学界面形成稳定的热力学界面外，外，最常用的方法最常用的方法就是在与基体复合之前，就是在与基体复合之前，往增强材料表面上往增强材料表面上沉积一层薄的涂层沉积一层薄的涂层。第83页/共150页84C和和BN是最常用的涂层，此外还有是最常用的涂层，此外还有SiC、ZrO2和和SnO2涂层。涂层。涂层的厚度涂层的厚度通常在通常在0.11um，涂层的涂层的选择取决于选择取决于纤维纤维、基体基体、加工加工和和服役要求服

45、役要求。第84页/共150页85纤维上的涂层除了可以改变复合材料纤维上的涂层除了可以改变复合材料界界面结合强度面结合强度外，对纤维还可起到外，对纤维还可起到保护作用保护作用，避免避免在加工和处理过程中在加工和处理过程中造成纤维的机械损造成纤维的机械损坏。坏。第85页/共150页86下图为下图为莫来石纤维莫来石纤维增强增强玻璃基体玻璃基体复合材料的复合材料的断裂行为差异断裂行为差异。第86页/共150页87莫来石纤维上未涂莫来石纤维上未涂BN涂层涂层莫来石纤维上涂有莫来石纤维上涂有BN涂层涂层从图中可看出，若纤维从图中可看出，若纤维未涂未涂未涂未涂BNBN涂层，则复合材涂层，则复合材料的断面呈现

46、为料的断面呈现为脆性的平面断裂脆性的平面断裂脆性的平面断裂脆性的平面断裂：而经：而经CVD沉积沉积0.2um的的BNBN涂层涂层涂层涂层后，断面上可见到大量的后，断面上可见到大量的纤维拔出纤维拔出纤维拔出纤维拔出。第87页/共150页88 二、陶瓷基复合材料的强韧化机理二、陶瓷基复合材料的强韧化机理界面的性质界面的性质还直接影响了陶瓷基复合还直接影响了陶瓷基复合材料的材料的强韧化机理强韧化机理。以以晶须增强陶瓷基晶须增强陶瓷基复合材料为例，来复合材料为例，来对其对其强韧化机理强韧化机理进行探讨。进行探讨。第88页/共150页89晶须晶须增强陶瓷基复合材料的强韧增强陶瓷基复合材料的强韧化机理与化

47、机理与纤维纤维增强陶瓷基复合材料大增强陶瓷基复合材料大致相同，主要是靠致相同，主要是靠晶须的拔出桥连晶须的拔出桥连与与裂纹转向机制裂纹转向机制对对强度和韧性的提高强度和韧性的提高产产生作用。生作用。第89页/共150页90研究结果表明，研究结果表明，晶须的拔出长度晶须的拔出长度存在一个存在一个临界值临界值lpo，当当晶须的某一端晶须的某一端距主裂纹距离距主裂纹距离小于这一临界值小于这一临界值时，则时，则晶须从此端拔出晶须从此端拔出，此时的，此时的拔出长度小拔出长度小于临界拔出长度于临界拔出长度lpo；第90页/共150页91如果如果晶须的两端到主裂纹的距离晶须的两端到主裂纹的距离均均大于临界拔

48、出长度大于临界拔出长度时，时，晶须在拔出晶须在拔出过程中产生断裂过程中产生断裂，断裂长度仍小于临断裂长度仍小于临界拔出长度界拔出长度lpo；第91页/共150页92界面结合强度界面结合强度直接影响了复合材料直接影响了复合材料的的韧化机制韧化机制与与韧化效果韧化效果。界面强度界面强度过高过高，晶须将与基体一晶须将与基体一起断裂起断裂，限制了晶须的拔出限制了晶须的拔出，因而也，因而也就就减小了晶须拔出机制对韧性的贡献减小了晶须拔出机制对韧性的贡献。第92页/共150页93但另一方面，但另一方面，界面强度的提高界面强度的提高有有利于利于载荷转移载荷转移，因而，因而提高了强化效果提高了强化效果。界面强

49、度界面强度过低过低、则使、则使晶须的拔出晶须的拔出功减小功减小，这，这对韧化和强化都不利对韧化和强化都不利，因，因此此界面强度存在一个最佳值界面强度存在一个最佳值。第93页/共150页94下图为下图为SiCw/ZrO2材料的材料的载荷载荷-位移位移曲线。曲线。(位移位移位移位移 um)um)载载载载荷荷荷荷(N N)从图中可以看出，有明显的从图中可以看出，有明显的锯齿效应锯齿效应，这是这是晶须拔出晶须拔出桥连机制桥连机制作用的结果。作用的结果。第94页/共150页958.2 陶瓷基复合材料的成型加工陶瓷基复合材料的成型加工8.2.1 纤维增强陶瓷基复合材料的加工纤维增强陶瓷基复合材料的加工;8

50、.2.2 晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工;8.3 陶瓷基复合材料的应用。陶瓷基复合材料的应用。第95页/共150页96纤维增强陶瓷基复合材料纤维增强陶瓷基复合材料的性的性能能取决于多种因素取决于多种因素，如，如基体基体、纤维纤维及及二者之间的结合二者之间的结合等。等。8.2.1 纤维增强陶瓷基复合材料的加工纤维增强陶瓷基复合材料的加工第96页/共150页97从从基体方面基体方面看，与看，与气孔的尺寸及数气孔的尺寸及数量量，裂纹的大小裂纹的大小以及一些以及一些其它缺陷其它缺陷有关；有关；从从纤维方面纤维方面来看，则与来看，则与纤维中的杂纤维中的杂质质、纤维的