陶瓷基复合材料讲稿.pptx

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1、1陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 雷 芳电子信息材料系317室 Tel：56385387 E-mail:2 主要内容主要内容1.1 陶瓷基复合材料的陶瓷基复合材料的种类及基本性能种类及基本性能1.2 陶瓷基复合材料的陶瓷基复合材料的成型加工技术成型加工技术1.3 陶瓷基复合材料的陶瓷基复合材料的应用应用二、陶瓷分类二、陶瓷分类 陶陶瓷瓷按按其其概概念念和和用用途途不不同同，可可分分为为普普通通陶陶瓷瓷和和特特种种陶陶瓷两大类。瓷两大类。根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷制品可分为陶器和瓷器。制品可分为陶器和瓷器。陶陶器器包包括括粗粗陶陶器器、

2、普普陶陶器器和和细细陶陶器器。陶陶器器的的坯坯体体结结构构较较疏疏松松，致致密密度度较较低低，有有一一定定吸吸水水率率，断断口口粗粗糙糙无无光光，没有半透明性，断面成面状或贝壳状。没有半透明性，断面成面状或贝壳状。1.1.普通陶瓷普通陶瓷 普普通通陶陶瓷瓷即即传传统统陶陶瓷瓷，是是指指以以粘粘土土为为主主要要原原料料与与其其它它天天然然矿矿物物原原料料经经过过粉粉碎碎混混练练、成成型型、煅煅烧烧等等过过程程而而制制成成的各种制品。的各种制品。包包括括日日用用陶陶瓷瓷、卫卫生生陶陶瓷瓷、建建筑筑陶陶瓷瓷、化化工工陶陶瓷瓷、电电瓷以及其它工业用陶瓷。瓷以及其它工业用陶瓷。普通陶瓷的原料普通陶瓷的原

3、料粘土、石英和长石。粘土、石英和长石。特点特点坚硬而脆性较大，绝缘性和耐蚀性极好；坚硬而脆性较大，绝缘性和耐蚀性极好；制造工艺简单、成本低廉，用量大。制造工艺简单、成本低廉，用量大。普通日用陶瓷作日用器皿和瓷器，良好光泽度、透普通日用陶瓷作日用器皿和瓷器，良好光泽度、透明度，热稳定性和机械强度较高。明度，热稳定性和机械强度较高。普通陶瓷的特点与应用普通陶瓷的特点与应用 普通工业陶瓷有炻器和精陶。普通工业陶瓷有炻器和精陶。建筑卫生瓷建筑卫生瓷装饰板、卫生间装置及器具等；装饰板、卫生间装置及器具等；电工瓷电工瓷电器绝缘用瓷，也叫高压陶瓷电器绝缘用瓷，也叫高压陶瓷 化学化工瓷化学化工瓷化工、制药、食

4、品等工业及实验化工、制药、食品等工业及实验室中的管道设备、耐蚀容器及实验器皿室中的管道设备、耐蚀容器及实验器皿2 2特种陶瓷特种陶瓷本章讨论内容本章讨论内容 特种陶瓷是用于现代工业及尖端科学技术领域的特种陶瓷是用于现代工业及尖端科学技术领域的陶瓷制品。包括结构陶瓷和功能陶瓷。陶瓷制品。包括结构陶瓷和功能陶瓷。结构陶瓷结构陶瓷用于耐磨损、高强度、耐高温、耐用于耐磨损、高强度、耐高温、耐热冲击、硬质、高刚性、低膨胀、隔热等场所。热冲击、硬质、高刚性、低膨胀、隔热等场所。功能陶瓷功能陶瓷包括电磁功能、光学功能、生物功包括电磁功能、光学功能、生物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料。能、核功能及其它功能的

5、陶瓷材料。氧化物陶瓷（氧化物陶瓷（Al2O3、ZrO2、MgO等）等）碳化物陶瓷（碳化物陶瓷（SiC、B4C、WC等）等）氮化物陶瓷（氮化物陶瓷（Si3N4、TiN、BN等）等）新型碳化物陶瓷（新型碳化物陶瓷（C3N4等）等）硼化物陶瓷（硼化物陶瓷（TiB2、ZrB2等）等）复合陶瓷（复合陶瓷（3Al2O32SiO2(莫来石莫来石)等）等）高温结构陶瓷高温结构陶瓷高熔点氧化物、碳化物、硼化物、高熔点氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物。氮化物、硅化物。例例1 1：硼硼化化物物陶陶瓷瓷（硼硼化化铬铬、硼硼化化钼钼、硼硼化化钛钛、硼硼化化钨钨和硼化锆）和硼化锆）特点：高硬度特点：高硬度,耐化学侵

6、蚀，熔点耐化学侵蚀，熔点1800180025002500。应应用用：用用于于高高温温轴轴承承、内内燃燃机机喷喷嘴嘴，各各种种高高温温器器件件、处处理熔融非铁金属的器件等。理熔融非铁金属的器件等。例例2 2：氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷键能高而稳定的共价键晶体。键能高而稳定的共价键晶体。特点：特点：1 1、硬度高而摩擦系数低，有自润滑作用，是优良、硬度高而摩擦系数低，有自润滑作用，是优良的耐磨减摩材料；的耐磨减摩材料；2 2、氮化硅的耐热温度比氧化铝低，而抗氧化温度高于、氮化硅的耐热温度比氧化铝低，而抗氧化温度高于碳化物和硼化物，碳化物和硼化物，12001200以下具有较高的机械性能和化学以下具有较高的

7、机械性能和化学稳定性，且热膨胀系数小、抗热冲击。稳定性，且热膨胀系数小、抗热冲击。用途：可做优良的高温结构材料，耐各种无机酸（氢氟酸用途：可做优良的高温结构材料，耐各种无机酸（氢氟酸除外）和碱溶液浸蚀，优良的耐腐蚀材料。除外）和碱溶液浸蚀，优良的耐腐蚀材料。例例3 3：氧化铝陶瓷（氧化铝陶瓷（Al2O3少量少量SiO2）根据根据Al2O3含量可分为刚玉含量可分为刚玉-莫来瓷（莫来瓷（75瓷，瓷，wAl2O3=75%）刚玉瓷（刚玉瓷（95瓷，瓷，99瓷）瓷）氧化铝常见的晶体结构有三种：氧化铝常见的晶体结构有三种：-Al2O3、-Al2O3、-Al2O3 -Al2O3属于尖晶石型（立方）结构，高温

8、时不稳定，属于尖晶石型（立方）结构，高温时不稳定，在在1600转变为转变为-Al2O3，同时体积收缩，同时体积收缩1314.5%。-Al2O3 属于六方系，稳定性好，在熔点属于六方系，稳定性好，在熔点2050 之前不发生晶型之前不发生晶型转变。转变。1）高强度、高温稳定性：装饰瓷，喷嘴、火箭、导弹的导流罩）高强度、高温稳定性：装饰瓷，喷嘴、火箭、导弹的导流罩；2）高硬度、高耐磨性：切削工具，模具，磨料，轴承，人造宝石；）高硬度、高耐磨性：切削工具，模具，磨料，轴承，人造宝石；3）低低的的介介电电损损耗耗、高高电电阻阻率率、高高绝绝缘缘性性：火火花花塞塞，电电 路路基基板板，管管座；座；4）熔点

9、高、抗腐蚀：耐火材料，坩埚，炉管，热电偶保护套等；）熔点高、抗腐蚀：耐火材料，坩埚，炉管，热电偶保护套等；5）离子导电性：太阳能电池材料和蓄电池材料等。）离子导电性：太阳能电池材料和蓄电池材料等。6）生物相容性：还可用于制作人工骨骼和人造关节等。）生物相容性：还可用于制作人工骨骼和人造关节等。氧化铝陶瓷的性能与应氧化铝陶瓷的性能与应 用用例例4 4：碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷以以SiC为主要成分的陶瓷为主要成分的陶瓷特特点点：很很高高的的高高温温强强度度，1400时时抗抗弯弯强强度度仍仍在在500600MPa，工工作作温温度度可可达达1700；好好的的热热稳稳定定性性、抗抗蠕蠕变变性、耐磨性、耐蚀性

10、，良好的导热性、耐辐射性。性、耐磨性、耐蚀性，良好的导热性、耐辐射性。应用应用：制作火箭尾喷管喷嘴、浇注金属的浇道口、轴承、：制作火箭尾喷管喷嘴、浇注金属的浇道口、轴承、轴套、密封阀片、轧钢用导轮、内燃机器件、热电偶保轴套、密封阀片、轧钢用导轮、内燃机器件、热电偶保护套管、炉管、核燃料包封材料等。护套管、炉管、核燃料包封材料等。五、现代陶瓷定义五、现代陶瓷定义1 1、与传统陶瓷的区别、与传统陶瓷的区别 现代陶瓷又称为精细陶瓷。现代陶瓷又称为精细陶瓷。（1 1）原原料料许许多多是是经经过过人人工工合合成成或或者者精精制制，不不受受天天然然条件的限制；条件的限制；（2 2）突突破破传传统统陶陶瓷瓷

11、的的化化学学成成分分限限制制，用用多多种种金金属属氧氧化化物物、氮氮化化物物、碳碳化化物物、磷磷化化物物等等，有有时时直直接接用用金金属属原原素和碳、硅等非金属原素。素和碳、硅等非金属原素。与与传传统统陶陶瓷瓷相相比比，现现代代陶陶瓷瓷具具备备了了一一些些特特殊殊性性能能(热、机械、化学、电磁、光热、机械、化学、电磁、光)。定定义义：采采用用人人工工精精制制的的无无机机粉粉末末原原料料，通通过过结结构构设设计计、精精确确的的化化学学计计量量、合合适适的的成成型型方方法法和和烧烧成成制制度度而而达达到到特特定定的的功功能能，经经过过加加工工处处理理使使之之符符合合使使用用要要求求尺尺寸寸精精度的

12、无机非金属材料。度的无机非金属材料。2 2、现代陶瓷分类、现代陶瓷分类 按按电电学学性性质质：绝绝缘缘体体陶陶瓷瓷、介介电电陶陶瓷瓷、半半导导体体陶陶瓷、和导电陶瓷；瓷、和导电陶瓷；按热学性质：耐高温陶瓷、电热陶瓷。按热学性质：耐高温陶瓷、电热陶瓷。3 3、现代陶瓷材料制备特点、现代陶瓷材料制备特点 现现代代陶陶瓷瓷制制备备过过程程中中须须严严格格控控制制原原料料的的纯纯度度和和工工艺艺过程以及产品的化学组成、相组成和显微结构。过程以及产品的化学组成、相组成和显微结构。现现代代陶陶瓷瓷在在显显微微层层次次上上是是不不均均匀匀的的。显显微微结结构构包包括括晶晶粒粒、晶晶界界和和缺缺陷陷等等。为为

13、了了获获得得某某一一特特殊殊性性质质，多多晶晶陶陶瓷瓷材材料料可可以以某某一一成成分分为为主主成成分分（或或主主相相），再再人人为为地地加加入其他次要成分（或次要相）。入其他次要成分（或次要相）。化学试化学试剂剂（原料）（原料）粉料合粉料合成成成成 型型烧烧 结结陶瓷材陶瓷材料料 现代陶瓷制备主要过程现代陶瓷制备主要过程 现代陶瓷的制备有两大特点：现代陶瓷的制备有两大特点：1）必须经过粉料合成，粉料的原料是高纯度的化学试剂；）必须经过粉料合成，粉料的原料是高纯度的化学试剂；2）烧结的相态主要是固相或者只有固相。除烧结法外，也可由）烧结的相态主要是固相或者只有固相。除烧结法外，也可由类似于晶体生

14、长的方法制得。类似于晶体生长的方法制得。19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有具有耐高温耐高温、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。20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

15、，现在这方面的研究巳取得了初步进展，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。21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。221.1.1 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得多金复杂

16、得多。23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。24(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几何尺寸上增强体可分为纤维纤维(长、短纤

17、维长、短纤维)、晶须晶须和和颗粒颗粒三类。三类。8.4 8.4 陶瓷基复合材料成型方法陶瓷基复合材料成型方法陶瓷基复合材料成型方法陶瓷基复合材料成型方法传统混合和粘合液浸渍传统混合和粘合液浸渍化学合成技术化学合成技术熔融浸润技术熔融浸润技术化学反应形式化学反应形式8.4.1 8.4.1 热压烧结成型法热压烧结成型法(Hot-Pressed Sintering)概念概念热压烧结成型是使松散的或成型的陶瓷基复合材料混合物在高温下通过外加压热压烧结成型是使松散的或成型的陶瓷基复合材料混合物在高温下通过外加压力使其致密化的成型方法。加压方法为纵向力使其致密化的成型方法。加压方法为纵向(单轴单轴)加压。

18、热压时导致复合材料加压。热压时导致复合材料致密化的致密化的可能机制可能机制是基体颗粒重排、晶格扩散和包括粘滞变形的塑性流动是基体颗粒重排、晶格扩散和包括粘滞变形的塑性流动 设备设备间歇式热压炉和连续式热压炉；模具材料：结构陶瓷高强石墨；功能陶间歇式热压炉和连续式热压炉；模具材料：结构陶瓷高强石墨；功能陶瓷氮化硅、碳化硅或高温合金等材料瓷氮化硅、碳化硅或高温合金等材料 重要参数重要参数热压温度、保温时间、压力、气氛和升降温速率热压温度、保温时间、压力、气氛和升降温速率 特点特点u与无压烧结相比，能降低烧结温度，缩短保温时间，使基体晶粒较细与无压烧结相比，能降低烧结温度，缩短保温时间，使基体晶粒较

19、细能获得高致密度、高性能复合材料能获得高致密度、高性能复合材料材料性能重复性好，使用可靠，控制热压模具尺寸精度能减少复合材料加工余量材料性能重复性好，使用可靠，控制热压模具尺寸精度能减少复合材料加工余量缺点：缺点：只能制造形状简单的零件；模具消耗大，一次只能单件或少件烧只能制造形状简单的零件；模具消耗大，一次只能单件或少件烧结，成本较高；由于热压压力方向性，材料性能有方向性结，成本较高；由于热压压力方向性，材料性能有方向性8.4.2 8.4.2 热等静压烧结成型法热等静压烧结成型法(hot isostatic pressing,HIP)概念概念热等静压烧结成型是通过气体介质将高温和高压同时均匀

20、地作用于复合材热等静压烧结成型是通过气体介质将高温和高压同时均匀地作用于复合材料全部表面使之固结的工艺方法。此工艺获得的陶瓷基复合材料可基本消料全部表面使之固结的工艺方法。此工艺获得的陶瓷基复合材料可基本消除内部气孔，接近理论密度，大大改善制品性能除内部气孔，接近理论密度，大大改善制品性能 分类分类包封烧结：包封烧结：一般以石英玻璃或硼玻璃、耐高温金属为包封材料。包封前抽一般以石英玻璃或硼玻璃、耐高温金属为包封材料。包封前抽真空加热，排除内部空气，再升温加压真空加热，排除内部空气，再升温加压无包封烧结：无包封烧结：先将粉料成型和预烧封孔，使坯料成为基本无开口气孔的烧先将粉料成型和预烧封孔，使坯

21、料成为基本无开口气孔的烧结体，然后再实施热等静压烧结结体，然后再实施热等静压烧结 特点特点 热等静压主要以均匀外加应力，而不是自由能变化为烧结驱动力，可以在较低热等静压主要以均匀外加应力，而不是自由能变化为烧结驱动力，可以在较低的烧结温度，使用少量添加剂甚至不使用添加剂的条件下获得致密件的烧结温度，使用少量添加剂甚至不使用添加剂的条件下获得致密件 低温可防止第二相分解，及与基体或烧结助剂发生反应，可制备性能优异的陶低温可防止第二相分解，及与基体或烧结助剂发生反应，可制备性能优异的陶瓷基复合材料瓷基复合材料 与无压烧结相比，可降低烧结温度、缩短烧结时间，其致密化程度大大提高与无压烧结相比，可降低

22、烧结温度、缩短烧结时间，其致密化程度大大提高 与热压烧结相比，由于热等静压是均匀地将压力作用于材料各个表面，进而材与热压烧结相比，由于热等静压是均匀地将压力作用于材料各个表面，进而材料各向同性料各向同性291.1.2 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。30(1)、单向排布长纤维复合材料、单

23、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。31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：32裂纹垂直于纤维方向扩展

24、示意图裂纹垂直于纤维方向扩展示意图33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。34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。35实际

25、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。36(2)多向排布纤维增韧复合材多向排布纤维增韧复合材料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

26、。37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排布纤维增韧陶瓷增韧陶瓷基复合材料。基复合材料。38(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：39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

27、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40这种材料在这种材料在纤维排布平面的二维方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。41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。42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

28、向层压示意图43后一种复合材料可以根据后一种复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。44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。45(3)三维多向排布纤维增韧陶瓷基复合材料三维多向

29、排布纤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。46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。47X 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呈直线伸纤维呈直线伸展展，不存在，

30、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。48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。49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

31、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。增韧陶瓷基复合材料。50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。51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，Si

32、3N4及及莫来石莫来石等。等。52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。53断裂韧性断裂韧性断裂韧性断裂韧性KKICIC(MPa.m(MPa.m1/21/2)SiCSiCw w含量（含量（含量（含量（vol%vol%）弯曲强度弯曲强度弯曲强度弯曲强度 f f(MPa(MPa)SiCw含量（含量（vol%

33、）维氏硬度维氏硬度维氏硬度维氏硬度HV(GPa)HV(GPa)弹性模量弹性模量弹性模量弹性模量E E(GPa(GPa)SiCw含量（含量（vol%）ZrOZrO2 2(Y(Y2 2OO3 3)复合材料的力学性能复合材料的力学性能复合材料的力学性能复合材料的力学性能54SiCSiCw w含量（含量（含量（含量（vol%vol%）维氏硬度维氏硬度维氏硬度维氏硬度HV(GPa)HV(GPa)弹性模量弹性模量弹性模量弹性模量E E(GPa)(GPa)SiCSiCw w含量（含量（含量（含量（vol%vol%）弯曲强度弯曲强度弯曲强度弯曲强度 f f(MPa)(MPa)SiCSiCw w含量（含量（含量

34、（含量（vol%vol%）断裂韧性断裂韧性断裂韧性断裂韧性KKICIC(MPa.m(MPa.m1/21/2)AlAl2 2OO3 3+SiC+SiCw w复合材料的力学性能复合材料的力学性能复合材料的力学性能复合材料的力学性能55从上面两个图中可以看出，两从上面两个图中可以看出，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。56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

35、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。57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。58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=1MPa.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

36、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。59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。60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

37、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。61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Al2O3，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。62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。断裂强度断裂强度断裂强度断裂强度 f f(MPa)(MPa)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。63下图为下图为SiCSiCp p含量含量含量含量对对S

38、iCSiCp 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（含量（vol%vol%）断裂韧性断裂韧性断裂韧性断裂韧性KKICIC(MPa.m(MPa.m1/21/2)SiCSiCp p含量（含量（含量（含量（vol%vol%）弯曲强度弯曲强度弯曲强度弯曲强度 f f(MPa)(MPa)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。64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

39、。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。65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。66下面两个图分别给出了下面两个图分别给出了Al2O3+Zr

40、O2(Y2O3)+SiCw复合材料的复合材料的性能随性能随SiCw及及ZrO2(Y2O3)含量含量的变的变化情况。化情况。67 维氏硬度维氏硬度维氏硬度维氏硬度HV(GPa)HV(GPa)弹性模量弹性模量弹性模量弹性模量E E(GPa)(GPa)SiCSiCw w含量含量含量含量(vol%vol%)(a)(a)弹性模量弹性模量弹性模量弹性模量E E(GPa)(GPa)维氏硬度维氏硬度维氏硬度维氏硬度HV(GPa)HV(GPa)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+

41、20mol%+20mol%ZrOZrO2 2(Y(Y2 2OO3 3)+SiC)+SiCw w68AlAl2 2OO3 3+20mol%+20mol%ZrOZrO2 2(Y(Y2 2OO3 3)+SiC)+SiCw w 弯曲强度弯曲强度弯曲强度弯曲强度 f f(MPa)(MPa)SiCSiCw w含量含量含量含量(vol%vol%)断裂韧性断裂韧性断裂韧性断裂韧性KKICIC(MPa.m(MPa.m1/21/2)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69SiCw与与ZrO2复合增韧复合增韧Al2O3的

42、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%)弯曲强度弯曲强度弯曲强度弯曲强度 f f(MPa)(MPa)ZrOZrO2 2含量含量含量含量(vol%vol%)断裂韧性断裂韧性断裂韧性断裂韧性KKICIC(MPa.m(MPa.m1/21/2)70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30 ZrO2(Y2O3)时时，复合材抖的

43、，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=1.5 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。71下表则给出了莫来石及其制得的复合材料的下表则给出了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+SiC+SiCw w4524524.44.4莫来石莫来石莫来石莫来石+ZrO+ZrO2 2+SiC

44、+SiCw w5515805515805.46.15.46.1Si3N4+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。72陶瓷基复合材料的界面和强韧化机理陶瓷基复合材料的界面和强韧化机理73(1)、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：A 机械粘结机械粘结B 化学粘结化学粘结74由于由于陶瓷基复合

45、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。75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：76 r式中，式中，是摩擦系数，一般为是摩擦系数，一般为0.

46、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。77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，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。78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

47、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。79(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，来讲，界面粘结性界面粘结性能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，一方来说，一方面应强到面应强到足以传递轴向载荷，足以传递轴向载荷，并具有并具有高的横高的横向强度向强度；80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

48、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。81强的界面粘结强的界面粘结往往导致往往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82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

49、结合不产生不产生额外的能量消耗额外的能量消耗。83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84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。85(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

50、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。86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。87C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，