岳建设等：反应烧结制备多孔β-SiAlON? 493 ?第40卷第4期
网络互穿型碳化硅陶瓷/铁基复合材料制备及其耐磨性能
王倩1，刘桂武1，郑开宏2，李林2，王娟2，乔冠军1
(1. 西安交通大学，金属材料强度国家重点实验室，西安 710049；2. 广州有色金属研究院材料加工研究所，广州 510651)
摘要：通过酚醛树脂固化、碳化及原位硅化的技术制备复杂形状SiC陶瓷，并利用金属浇注工艺制备出了以高锰钢、高铬铸铁为基体的2种网络互穿型SiC陶瓷/金属复合材料。借助湿式橡胶轮摩擦磨损试验机和UMT-3多功能摩擦磨损试验机测试该2种复合材料及2种基体的摩擦学性能，并采用扫描电子显微镜分析了复合材料和基体磨损后的表面形貌。结果表明：由于SiC陶瓷体的强度、硬度比金属基体高，导致在磨损过程中2种基体材料的磨损量较大，且在复合材料表面形成微凸起，使得复合材料的耐磨性能明显提高；SiC陶瓷/高铬铸铁复合材料的耐磨性优于SiC陶瓷/高锰钢复合材料，但SiC陶瓷/高锰钢复合材料的界面结合更好。
关键词：金属基复合材料；碳化硅；高锰钢；高铬铸铁；摩擦磨损
中图分类号：TB333 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2012)04–0493–05
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Preparation and Wear Resistance of SiC/Fe Composites with Interpenetrating Structure
WANG Qian1，LIU Guiwu1，ZHENG Kaihong2，LI Lin2，WANG Juan2，QIAO Guanjun1
(1. State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials, Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710049, China; 2. Institute for
Materials Processing, Guangzhou Research Institute for Non-ferrous Metal Research, Guangzhou 510650, China)
Abstract: SiC ceramic with the complex shape was prepared via the curing of phenol–formaldehyde resin, carbonization and in-situ siliconization. Two kinds of interpenetrating SiC/metal (i.e., high manganese steel and high chromium cast iron) composites were fabricated by metal casting. The tribological properties of the two composites were investigated by a wet rubber wheel grinding fric-tion tester and a UMT-3 multi-specimen test system. The surface morphologies of the two composites and the two metal matrices after abrasion were analyzed by scanning electron microscopy. The wear loss of the metal matrices was more than those of the respective composites. The micro-protrudes formed on the surfaces due to the addition of SiC ceramic, which has a higher strength and hardness, compared to the metal matrices. As a result, the wear resistances of the two composites were improved. The wear resistance of the SiC/iron composite was higher than that of the SiC/steel composite. However, the SiC/steel composite displayed a better interfacial bonding.
Key words: metal matrix composite; silicon carbide; high manganese steel; high chromium cast iron; friction and wear
SiC陶瓷增强金属基复合材料中SiC的均匀性及其服役过程中的可靠性是目前应用中要解决的主要难点。SiC陶瓷颗粒或晶须作为增强体在金属基复合材料中通常存在各向异性和难以实现高体积分数等问题。目前以三维网络结构SiC陶瓷为增强体的金属基复合材料已引起人们的关注[1–2]。这种复合材料的增强体与基体之间相互贯穿、渗透，具有特殊的物理化学性能和机械性能。通过制作不同几何形状的网络结构陶瓷增强体，可提高复合材料中增强体的体积分数，获得与金属良好的润湿性，抵制由于润湿性不好而导致的裂纹扩展[3–5]。由于网络结构中陶瓷增强体与金属基体材料相互渗透、包覆，在磨损时高硬度的陶瓷增强体对基体起到屏蔽保护作用，使其不会首先被磨掉。同时，金属基体会对
收稿日期：2011–11–19。修订日期：2011–12–26。
基金项目：国家自然科学基金(51172177)；广东豪美铝业有限公司特派员工作站项目(2010B09050034)；广东省重大科技专项
(2010A080407007；2009A080304010)资助。
第一作者：王倩(1987—)，女，硕士研究生。
通信作者：刘桂武(1976—)，男，副教授。Received date:2011–11–19. Revised date: 2011–12–26.
First author: WANG Qian (1987–), female, Master candidate.
E-mail: wang.q@https://www.doczj.com/doc/299152321.html,
Correspondent author: LIU Guiwu (1976–), male, associate professor. E-mail: gwliu76@https://www.doczj.com/doc/299152321.html,
第40卷第4期2012年4月
硅酸盐学报
JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY
Vol. 40，No. 4
April，2012
2013-02-28 09:59
https://www.doczj.com/doc/299152321.html,/kcms/detail/11.2310.TQ.20130228.0959.201204.493_001.html
根据材料复合情况的不同, 可分为整体和表面复合两大类。 粉末冶金法：颗粒增强铁基复合材料多采用成熟的粉末冶金法来制备, 即将增强体与基体合金粉末混合后冷压或热压烧结, 也可用热等静压工艺。制造过程的温度相对于液相法来说较低, 基体与增强物都呈固态，界面反应不严重, 产品可做到少余量或无余量, 从而减少机加工, 提高材料利用率。但该法不适合生产形状复杂和大型的零件, 且由于其工艺及装备复杂、生产周期长、成本高, 阻碍了它的应用和发展。 铸造法：（外加增强体颗粒法）这种方法就是将固态的增强体颗粒逐步加入并混合于液态金属中制得金属基复合材料。但增强相往往会因与基体密度不同而产生凝聚、上浮或下沉, 难以均匀分布, 为此得采用粉料供给器均匀加入增强相材料或采用超声波、机械搅拌或半固态铸造法等。虽然该方法的设备与工艺相对简单, 但制件中容易形成气孔、夹杂, 增强体分布不均匀, 界面易发生反应等。该方法要求增强体与基体之间必须具有良好的润湿性, 否则会出现增强体与基体结合不良, 造成界面剥落。 原位反应复合法：是一种新型的金属基复合材料制备方法, 与以上两种复合工艺相比, 它的增强体颗粒尺寸较细小, 表面无污染, 与基体的结合为冶金结合, 避免了与基体浸润不良的问题; 具有工艺简单、成本低的特点。将原位反应复合法与铸造技术相结合, 可制得形状复杂、尺寸大的构件, 直接得到近净形化的制品。此法虽在金
属基复合材料尤其是轻金属基复合材料的制备工艺中占有举足轻重的地位,但直到近几年才见到有关该法用于制备铁基复合材料的报道。 高温自蔓延合成：Self Propagating High Temperature Systhesis,简称SHS。反应迅速( 0. 1~15cm/ s) 表面复合技术： A铸渗法：铸渗法是铸件表面合金化的一种方法, 即在铸型型壁上涂( 或贴) 覆具有一定配比的合金粉末膏剂( 也称涂覆层或膏块) , 当浇注成形时, 金属液浸透涂料的毛细孔隙, 高温的液态母材金属与合金粉末之间产生强烈热作用( 合金粉末溶解、熔化或发生化学反应) 并进行物质互渗, 以此改变铸件表层的结构和性能。该方法是在铸件表面原位生成复合层, 具有原位反应复合法的优点, 因而具有较大的发展优势。但铸渗法的复合层厚度难以控制是其致命的缺点。 B铸造烧结法：铸造烧结技术是近几年发展起来的一种新型制备表面复合材料的技术。它将一定配比的合金粉末所制成的压坯贴在铸型表面, 利用浇注过程金属液的热量在压坯中产生巨大的热流密度, 引发压坯中高温化学反应, 生成大量的陶瓷颗粒, 同时完成压坯的烧结致密化, 从而在铸件表面烧结反应生成表面复合材料。该方法借鉴了铸渗法在浇注过程中原位实现表面复合化这种简单工艺过
陶瓷基复合材料在航天领域的应用 概念：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。陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品。其最高使用温度主要取决于基体特征。 一、陶瓷基复合材料增强体 用于复合材料的增强体品种很多，根据复合材料的性能要求，主要分为以下几种 纤维类增强体 纤维类增强体有连续长纤维和短纤维。连续长纤维的连续长度均超过数百。纤维性能有方向性，一般沿轴向均有很高的强度和弹性模量。 颗粒类增强体 颗粒类增强体主要是一些具有高强度、高模量。耐热、耐磨。耐高温的陶瓷等无机非金属颗粒，主要有碳化硅、氧化铝、碳化钛、石墨。细金刚石、高岭土、滑石、碳酸钙等。主要还有一些金属和聚合物颗粒类增强体，后者主要有热塑性树脂粉末 晶须类增强体
晶须是在人工条件下制造出的细小单晶，一般呈棒状，其直径为~1微米，长度为几十微米，由于其具有细小组织结构，缺陷少，具有很高的强度和模量。 金属丝 用于复合材料的高强福、高模量金属丝增强物主要有铍丝、钢丝、不锈钢丝和钨丝等，金属丝一般用于金属基复合材料和水泥基复合材料的增强，但前者比较多见。 片状物增强体 用于复合材料的片状增强物主要是陶瓷薄片。将陶瓷薄片叠压起来形成的陶瓷复合材料具有很高的韧性。 二、陶瓷基的界面及强韧化理论 陶瓷基复合材料(CMC)具有高强度、高硬度、高弹性模量、热化学稳定性等优异性能，被认为是推重比10以上航空发动机的理想耐高温结构材料。界面作为陶瓷基复合材料重要的组成相，其细观结构、力学性能和失效规律直接影响到复合材料的整体力学性能，因此研究界面特性对陶瓷基复合材料力学性能 的影响具有重要的意义。 界面的粘结形式 （1）机械结合（2）化学结合 陶瓷基复合材料往往在高温下制备，由于增强体与基体的原子扩散，在界面上更易形成固溶体和化合物。此时其界面是具有一定厚度的反应区，它与基体和增强体都能较好的
浅论陶瓷复合材料的研究现状及应用前景 董超2009107219金属材料工程 摘要 本文主要对陶瓷复合材料的研究现状及应用前景进行了研究，并对当今陶瓷复合材料发展面临的问题进行了概括，希望对陶瓷复合材料的进一步发展起到一定的作用。 本文首先对Al2O3陶瓷复合材料和玻璃陶瓷复合材料的研究进展及发展前景进行了详细的研究。然后对整个陶瓷复合材料的发展趋势及存在的问题进行了分析，得出了在新的时期陶瓷复合材料主要向功能、多功能、机敏、智能复合材料、纳米复合材料、仿生复合材料方向发展；目前复合材料面临的主要问题是基础理论研究问题和新的设计和制备方法问题。 关键词：Al2O3陶瓷复合材料玻璃陶瓷复合材料研究现状应用前景 1. 前言 以粉体为原料，通过成型和烧结等所制得的无机非金属材料制品统称为陶瓷。陶瓷的种类繁多，根据陶瓷的化学组成、性能特点、用途等不同，可将陶瓷分为普通陶瓷和特殊陶瓷两大类。而在许多重要的应用及研究领域，特殊陶瓷是主要研究对象。 陶瓷复合材料是特殊陶瓷的一种。在高技术领域内，对结构材料要求具有轻质高强、耐高温、抗氧化、耐腐蚀和高韧性的特点。陶瓷具有优良的综合机械性能，耐磨性好、硬度高、以及耐热性和耐腐蚀性好等特点。但是它的最大缺点是脆性大。近年来，通过往陶瓷中加入或生成颗粒、晶须、纤维等增强材料，使陶瓷的韧性大大地改善，而且强度及模量也有一定提高。因此引起各国科学家的重视。本文主要介绍了各种陶瓷复合材料的研究现状及其应用前景，并对陶瓷复合材料近年来的发展进行综述。 2.研究现状 随着现代科学技术快速发展，新型陶瓷材料的开发与生产发展异常迅速，新理论、新工艺、新技术和新装备不断出现，形成了新兴的先进无机材料领域和新兴产业。科学技术的发展对材料的要求日益苛刻，先进复合材料已成为现代科学技术发展的关键，它的发展水平是衡量一个国家科学技术水平的一个重要指标，因此世界各国都高度重视其研究和发展。 复合材料的可设计性大，能满足某些对材料的特殊要求，特别是在航空航天技术领域的应用得到迅速发展。陶瓷复合材料的研究，根本目的在于提高陶瓷材料的韧性，提高其可靠性，发挥陶瓷材料的优势，扩大应用领域。本文就几类典型的陶瓷复合材料介绍其研究现状。 2.1Al2O3陶瓷复合材料的研究进展及发展前景 Al2O3陶瓷作为常见陶瓷材料，既具有普通陶瓷耐高温、耐磨损、耐腐蚀、
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910182170.9 (22)申请日 2019.03.11 (71)申请人 肖剑 地址 215000 江苏省苏州市姑苏区钮家巷 与西大园交叉口北150米裕祺园1207 (72)发明人 肖剑 (51)Int.Cl. B22F 3/10(2006.01) B22F 3/14(2006.01) B22F 9/04(2006.01) C22C 47/14(2006.01) C22C 49/08(2006.01) C22C 49/14(2006.01) D01F 9/16(2006.01) D01F 1/10(2006.01) C22C 101/10(2006.01) (54)发明名称 一种微纳米级炭纤维增强的铁基复合材料 及其制备方法 (57)摘要 本发明公开了一种微纳米级炭纤维增强的 铁基复合材料及其制备方法，属于金属材料技术 领域。本发明将稻壳纤维与盐酸混合处理；将一 次处理稻壳纤维，二沉池污泥，蔗糖，水混合密闭 发酵，加入硝酸铁溶液和乙酸铜，滴加草酸钾溶 液，加入尿素溶液调节pH；将二次处理稻壳纤维 与改性壳聚糖液，搅拌混合，加入硝酸钙溶液，冻 融循环；将三次处理稻壳纤维置于炭化炉中，逐 级升温，炭化，得改性稻壳纤维；将改性稻壳纤 维，有机硅树脂，固化剂，纳米铁粉，乳化剂，有机 酸，牡蛎壳粉，淀粉，去离子水，混合球磨，得球磨 料，将球磨料热压成型，脱模，得坯料，将坯料置 于烧结炉中，逐级升温，充氮烧结，得铁基复合材 料。本发明提供的铁基复合材料具有优异的力学 性能。权利要求书2页 说明书11页CN 109940161 A 2019.06.28 C N 109940161 A
第四节 陶瓷基复合材料（CMC） 1.1概述 工程中陶瓷以特种陶瓷应用为主，特种陶瓷由于具有优良的综合机械性能、耐磨性好、硬度高以及耐腐蚀件好等特点，已广泛用于制做剪刀、网球拍及工业上的切削刀具、耐磨件、 发动机部件、热交换器、轴承等。陶瓷最大的缺点是脆性大、抗热震性能差。与金属基和聚合物基复合材料有有所不同的，是制备陶瓷基复合材料的主要目的之一就是提高陶瓷的韧性。特别是纤维增强陶瓷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6—1列出了由颗粒、纤维及晶须增强陶瓷复合材料的断裂韧性和临界裂纹尺寸大小的比较。很明显连续纤维的增韧效果最佳，其次为品须、相变增韧和颗粒增韧。无论是纤维、晶须还是颗粒增韧均使断裂韧性较整体陶瓷的有较大提高，而且也使临界裂纹尺寸增大。
陶瓷基复合材料的基体为陶瓷，这是一种包括范围很广的材料，属于无机化合物纳构远比金属与合金复杂得多。使用最多的是碳化硅、氮化硅、氧化铝等，它们普遍具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量轻和价格低等优点。陶瓷材料中的化学键往注是介于离子键与共价键之间的混合键。 陶瓷基复合材料中的增强体通常也称为增韧体。从几何尺寸上可分为纤维(长、短纤维)、晶须和颗粒三类。碳纤维是用来制造陶瓷基复合材料最常用的纤
维之一。碳纤维主要用在把强度、刚度、重量和抗化学性作为设计参数的构件，在1500霓的温度下，碳纤维仍能保持其性能不变，但对碳纤维必须进行有效的保护以防止它在空气中或氧化性气氛中被腐蚀，只有这样才能充分发挥它的优良性能。其它常用纤维是玻璃纤维和硼纤维。陶瓷材料中另一种增强体为晶须。晶须为具有一定长径比(直径o 3。1ym，长30—lMy”)的小单晶体。从结构上看，晶须的特点是没有微裂纹、位偌、孔洞和表面损伤等一类缺陷，而这些缺陷正是大块晶体中大量存在且促使强度下降的主要原因。在某些情况下，晶须的拉伸强度可达o．1Z(Z为杨氏模量)，这已非常接近十理论上的理想拉伸强度o．2Z。而相比之下．多晶的金属纤维和块状金属的拉伸强度只有o．025和o．o01f。在陶瓷基复合材料使用得较为普遍的是SiC、Al2O3、以及Si3N4N晶须。颗粒也是陶瓷材料中常用的一种增强体，从几何尺寸上看、它在各个方向上的长度是大致相同的，—般为几个微米。通常用得较多的颗粒也是SiC、Al2O3、以及Si3N4N。颗粒的增韧效果虽不如纤维和晶须，但如恰当选择颗粒种类、粒径、含量及基体材料，仍可获得一定的韧化效果，同时还会带来高温强度，高温蠕变性能的改善。所以，颗粒增韧复合材料同样受到重视并对其进行了一定的研究。 在陶瓷材料中加入第二相纤维制成的复合材料是纤维增强陶瓷基复合材料，这是改善陶瓷材料韧性酌重要手段，按纤维排布方式的不同，又可将其分为单向排布长纤维复合材料和多向排布纤维复合材料。单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料的显著特点是它具有各向异性，即沿纤维长度方向上的纵向性能要大大高于其横向性能。在这种材料中，当裂纹扩展遇到纤维时会受阻．这样要使裂纹进一步扩展就必须提高外加应力。图7—15为这一过程的示意图。当外加应力进一步提高时．由于基体与纤维间的界面的离解，同时又由于纤维的强度高于基体的强
碳化硅陶瓷性能及制造工艺 碳化硅（SiC）陶瓷，具有抗氧化性强，耐磨性能好，硬度高，热稳定性好，高温强度大，热膨胀系数小，热导率大以及抗热震和耐化学腐蚀等优良特性。因此，已经在石油、化工、机械、航天、核能等领域大显身手，日益受到人们的重视。例如，SiC陶瓷可用作各类轴承、滚珠、喷嘴、密封件、切削工具、燃汽涡轮机叶片、涡轮增压器转子、反射屏和火箭燃烧室内衬等等。 SiC陶瓷的优异性能与其独特结构密切相关。SiC是共价键很强 的化合物，SiC中Si-Ｃ键的离子性仅１２％左右。因此，SiC强度高、弹性模量大，具有优良的耐磨损性能。纯SiC不会被ＨＣｌ、ＨＮＯ３、Ｈ２ＳＯ４和ＨＦ等酸溶液以及ＮａＯＨ等碱 溶液侵蚀。在空气中加热时易发生氧化，但氧化时表面形成的 ＳｉＯ２会抑制氧的进一步扩散，故氧化速率并不高。在电性 能方面，SiC具有半导体性，少量杂质的引入会表现出良好的导电性。此外，SiC还有优良的导热性。 SiC具有α和β两种晶型。β－SiC的晶体结构为立方晶系，Si和Ｃ分别组成面心立方晶格；α－SiC存在着４Ｈ、１５Ｒ和６Ｈ等１００余种多型体，其中，６Ｈ多型体为工业应用上最为普遍的一种。在
SiC的多种型体之间存在着一定的热稳定性关系。在温度低于１６００℃时，SiC以β－SiC形式存在。当高于１６００℃时，β－SiC缓慢转变成α－SiC的各种多型体。４Ｈ－SiC在２０００℃左右容易生成；１５Ｒ和６Ｈ多型体均需在２１００℃以上的高温才易生成；对于６Ｈ－SiC，即使温度超过２２００℃，也是非常稳定的。SiC中各种多型体之间的自由能相差很小，因此，微量杂质的固溶也会引起多型体之间的热稳定关系变化。 现就SiC陶瓷的生产工艺简述如下： 一、SiC粉末的合成： SiC在地球上几乎不存在，仅在陨石中有所发现，因此，工业上应用的SiC粉末都为人工合成。目前，合成SiC粉末的主要方法有：１、Ａｃｈｅｓｏｎ法： 这是工业上采用最多的合成方法，即用电将石英砂和焦炭的混合物加热至２５００℃左右高温反应制得。因石英砂和焦炭中通常含有Ａｌ和Ｆｅ等杂质，在制成的SiC中都固溶有少量杂质。其中，杂质少的呈绿色，杂质多的呈黑色。 ２、化合法： 在一定的温度下，使高纯的硅与碳黑直接发生反应。由此可合
高温结构陶瓷基复合材料的研究现状与展望 摘要概述了国外航空发动机用高温结构陶瓷基复合材料的研究与应用现状及发展趋势,分析了目前研究中存在的问题及其解决办法,确定了今后的研究目标与方向。 关键词陶瓷基复合材料高温结构材料力学性能应用 1 前言 为了提高航空发动机的推重比和降低燃料消耗,最根本的措施是提高发动机的涡轮进口温度,而涡轮进口温度与热端部件材料的最高允许工作温度直接相关。50 至60 年代,发动机热端部件材料主要是铸造高温合金,其使用温度为800～900 ℃;70 年代中期,定向凝固超合金开始推广,其使用温度提高到 接近1000 ℃; 进入80 年代以后,相继开发出了高温单晶合金、弥散强化超合金以及金属间化合物等,并且热障涂层技术得到了广泛的应用,使热端部件的使用温度提高到1200～1300 ℃,已接近这类合金 熔点的80 % ,虽然通过各种冷却技术可进一步提高涡轮进口温度,但作为代价降低了热效率,增加了结 构复杂性和制造难度,而且对小而薄型的热端部件难以进行冷却,因而再提高的潜力极其有限[1 ] 。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首选材料。 近20 年来,世界各工业发达国家对于发动机用高温结构陶瓷基复合材料的研究与开发一直十分重视,相继制定了各自的国家发展计划,并投入了大量的人力、物力和财力,对这一新型材料寄予厚望。如美国NASA 制定的先进高温热机材料计划(HITEMP) 、DOE/ NASA 的先进涡轮技术应用计划(ATTAP) 、美国国家宇航计划(NASP) 、美国国防部关键技术计划以及日本的月光计划等都把高温结构陶瓷基复合材料作为重点研究对象,其研制目标是将发动机热端部件的使用温度提高到1650 ℃或更高[2 ,3 ] ,从而提高发动机涡轮进口温度,达到节能、减重、提高推重比和延长寿命的目的,满足军事和民用热机的需要。 2 国内外应用与研究现状 由于陶瓷材料具有高的耐磨性、耐高温和抗化学侵蚀能力,国外目前已将其应用于发动机高速轴承、活塞、密封环、阀门导轨等要求转速高和配合精度高的部件。在航空发动机高温构件的应用上,到目前为止已报道的有法国将CVI 法SiC/Cf 用于狂风战斗机M88 发动机的喷嘴瓣以及将SiC/ SiCf 用于幻影2000 战斗机涡轮风扇发动机的喷管内调节片[4 ] 。 此外,有许多陶瓷基复合材料的发动机高温构件正在研制之中。如美国格鲁曼公司正研究跨大气层高超音速飞机发动机的陶瓷材料进口、喷管和喷口等部件,美国碳化硅公司用Si3N4/ SiCW制造导弹发动机燃气喷管,杜邦公司研制出能承受1200～1300 ℃、使用寿命达2000h 的陶瓷基复合材料发动机部件等[5 ,6 ] 。目前导弹、无人驾驶飞机以及其它短寿命的陶瓷涡轮发动机正处在最后研制阶段,美国空军材料实验室的研究人员认为[7 ] ,1204～1371 ℃发动机用陶瓷基复合材料已__经研制成功。由于提高了燃烧温度,取消或减少了冷却系统,预计发动机热效率可从目前的26 %提高到46 %。英国罗—罗公司认为,未来航空发动机高压压气机叶片和机匣、高压与低压涡轮盘及叶片、燃烧室、加力燃烧室、火焰稳定器及排气喷管等都将采用陶瓷基复合材料。预计在21 世纪初, 陶瓷基复合材料的使用温度可提高到1650 ℃或更高。 3 研究方向与发展趋势 陶瓷虽然具有作为发动机热端结构材料的十分明显的优点,但其本质上的脆性却极大地限制了它的推广应用。为了克服单组分陶瓷材料缺陷敏感性高、韧性低、可靠性差的缺点,材料科学工作者进行了大量的研究以寻找切实可行的增韧方法[8 ,9 ] 。增韧的思路经历了从“消除缺陷”或减少缺陷尺寸、减少缺陷数量,发展到制备能够“容忍缺陷”,即对缺陷不敏感的材料。目前常见的几种增韧方式主要有相变增韧、颗粒(晶片) 弥散增韧、晶须(短切纤维) 复合增韧以及连续纤维增韧补强等。此外还可通过材料结构的改变来达到增韧的目的,如自增韧结构、仿生叠层结构以及梯度功能材料等。由于连续纤
复合材料的种类、定义 复合材料的定义 复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。复合材料的组分材料虽然保待其相对独立性。但复合材料的性能却不是组分材料性能的简单加和，而是有着重要的改进.在复合材料中，通常有一相为连续相。称为基体;另一相为分散相，称为增强相(增强体)。分散相是以独立的形态分布在整个连续相中的。两相之间存在着相界面。分欣相可以是增强纤维，也可以是顺村状成弥散的坡料。 从上述的定义中可以看出。复合材料可以是一个连续物理相与一个连续分散相的复合。也可以是两个或者多个连续相与一个或多个分散相在连续相中的复合，复合后的产物为固体时才称为复合材料。若复合产物为液体或气体时，就不能称为复合材料。复合材料既可以保持原材料的某些特点，又能发挥组合后的新特征.它可以根据需要进行设什。从而最合理地达到使用所要求的性能。 复合材料的分类 随着材料品种不断增加，人们为了更好地研究和使用材料，需要对材料进行分类.材料的分类方法较多。如按材料的化学性质分类，有金属材料、非金属材料之分;如按物理性质分类,有绝缘材料、磁性材料、透光材料、半导体材料、导电材料等。按用途分类，有航空材料、电工材料、建筑材料、包装材料等。 复合材料的分类方法也很多。常见的有以下几种。 按基体材料类型分类 聚合物基复合材料以有机聚合物(主要为热固性树脂、热塑性树脂及橡胶)为基体制 成的复合材料。 金属从复合材料以金属为基体制成的复合材料，如铝墓复合材料、铁基复合材料等。 无机非金属基复合材料以陶瓷材料(也包括玻璃和水泥)为基体制成的复合材料。 按增强材料种类分类 玻璃纤维复合材料。 碳纤维复合材料。 有机纤维(芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、高强度聚烯烃纤维等)复合材料。 金属纤维(如钨丝、不锈钢丝等)复合材料。 陶瓷纤维(如氧化铝纤维、碳化硅纤维、翩纤维等)复合材料。 此外，如果用两种或两种以上的纤维增强同一基体制成的复合材料称为“混杂复合材料”。混杂复合材料可以看对免戈趁两种或多种单一纤维复合材料的相互复合，即复合材料的“复合材料”。 按增强材料形态分类 连续纤维复合材料作为分散相的纤维，每根纤维的两个端点都位于复合材料的边
碳化硅工艺流程 碳化硅（SiC）陶瓷，具有抗氧化性强，耐磨性能好，硬度高，热稳定性好，高温强度大，热膨胀系数小，热导率大以及抗热震和耐化学腐蚀等优良特性。因此，已经在石油、化工、机械、航天、核能等领域大显身手，日益受到人们的重视。例如，SiC陶瓷可用作各类轴承、滚珠、喷嘴、密封件、切削工具、燃汽涡轮机叶片、涡轮增压器转子、反射屏和火箭燃烧室内衬等等。 SiC陶瓷的优异性能与其独特结构密切相关。SiC是共价键很强的化合物，SiC中Si-C键的离子性仅12％左右。因此，SiC强度高、弹性模量大，具有优良的耐磨损性能。纯SiC 不会被HCl、HNO3、H2SO4和HF等酸溶液以及NaOH等碱溶液侵蚀。在空气中加热时易发生氧化，但氧化时表面形成的SiO2会抑制氧的进一步扩散，故氧化速率并不高。在电性能方面，SiC具有半导体性，少量杂质的引入会表现出良好的导电性。此外，SiC还有优良的导热性。 SiC具有α和β两种晶型。β－SiC的晶体结构为立方晶系，Si和C分别组成面心立方晶格；α－SiC存在着4H、15R和6H等100余种多型体，其中，6H多型体为工业应用上最为普遍的一种。在SiC的多种型体之间存在着一定的热稳定性关系。在温度低于1600℃时，SiC以β－SiC形式存在。当高于1600℃时，β－SiC缓慢转变成α－SiC的各种多型体。4H－SiC在2000℃左右容易生成；15R和6H多型体均需在2100℃以上的高温才易生成；对于6H－SiC，即使温度超过2200℃，也是非常稳定的。SiC中各种多型体之间的自由能相差很小，因此，微量杂质的固溶也会引起多型体之间的热稳定关系变化。 现就SiC陶瓷的生产工艺简述如下： 一、SiC粉末的合成： SiC在地球上几乎不存在，仅在陨石中有所发现，因此，工业上应用的SiC粉末都为人工合成。目前，合成SiC粉末的主要方法有： 1、Acheson法： 这是工业上采用最多的合成方法，即用电将石英砂和焦炭的混合物加热至2500℃左右高温反应制得。因石英砂和焦炭中通常含有Al和Fe等杂质，在制成的SiC中都固溶有少量杂质。其中，杂质少的呈绿色，杂质多的呈黑色。 2、化合法：
第27卷第2期 硅 酸 盐 通 报 Vo.l 27 No .2 2008年4月 BULLETI N OF T HE C H INESE CERA M IC S OC IET Y Apr i,l 2008 连续陶瓷基复合材料的研究现状及发展趋势 陈维平,黄 丹,何曾先,王 娟,梁泽钦 (华南理工大学机械工程学院,广州 510640) 摘要:连续陶瓷基复合材料(C4材料)是近年来出现的一种具有全新复合增强方式的陶瓷/金属复合材料。在这种 复合材料中,基体陶瓷增强相具有三维连通的内部结构,因而起增韧作用的金属填充在陶瓷骨架的空隙中,其在空 间上也是三维连通的。实现这种复合结构需要不同于传统的复合材料成型与制备技术。这种复合结构使得连续 陶瓷基复合材料能够将陶瓷与金属各自的性能特点与优点更多的保留在最终的复合材料中;同时,还表现出了与 传统复合材料(颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料等)不同的性能特性,具有广泛的应用前景。 关键词:连续陶瓷基复合材料;C4材料;三维连通 中图分类号:TQ174.758.2 文献标识码:A 文章编号:100121625(2008)022******* R esearch and Developm en t Per spective of C o 2con ti nuous C era m ic C o m posites C HE N Wei 2ping,H U A NG Dan,HE Ce ng 2xian,W A NG Juan,LIA NG Z e 2qin (School ofM echan icalE ngi neeri ng ,Sou t h Ch i na Un i versit y ofT echndogy ,Guangzhou 510640,Ch i na) Abstr act :Co 2conti n uous cera m ic co mposites (C4materials )are a ne w class of cera m ic /meta l co mposites w it h ne w ly rei n f orce men t manner ,where the reinf orc i n g cera m ic phase ,as t h e base of the co mposite ,is characterized as the t h ree 2di m ensional i n terpenetrati n g str ucture ;and the m etallic phase is filled i n t h e i n terspaces of the cera m ic net w or k,as the ductile phase of the co mposite .So me untraditi o na l f or m i n g and fabricating technol o gies f or the co mposites are required due to the spec i a l co 2conti n uous i n ter nal structure .The i n terna l structure of i n ter penetrati o n deter m i n es co 2conti n uous cera m ic co mposites can retain more f eatures and advantages of cera m ic and meta l respectively in the fi n al co mposite ,and also ,perf o r m the diff erent characteristics f ro m the traditi o na l co mposites (such as particle re i n f orced co mposites and fi b er reinf orced co mposites)so that this class of co mposites gain the extensive app li c ation perspectives . K ey w ord s :co 2continuous cera m ic co mposite ;C4m aterials ;three 2di m ensional i n terpenetrating 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50575076);广东省自然科学基金重点资助项目(粤科基办[2003]07号);教育部博士点基金资助 项目(20040510107) 作者简介:陈维平(19502),男,教授,博士生导师.主要从事高性能金属/陶瓷复合材料的研究.E 2m a i :l m e wpchen@sc u t .edu .cn 1 连续陶瓷基复合材料 连续陶瓷基复合材料(co 2continuous cera m ic co mposites),简称为C4材料,指的是陶瓷增强体具有三维连通骨架结构的陶瓷基复合材料。这种三维网络陶瓷(骨架)/铝合金复合材料由美国俄亥俄州大学的研究人员Bresli n 等发现,他们将这种复合类型的新材料称为连续陶瓷复合材料(co 2continuous cera m ic
铁基耐磨复合材料研制 0前言 随着现代工业的迅速发展，在全球面临资源、能源与环境严峻挑战的今天，摩擦学在节能、节材、环保以及支撑和保障高新科技的发展中发挥了不可替代的作用。对机械产品的性能要求越来越高。很多机械零部件要在高温、高压、高速或高度自动化的条件下长期稳定地工作，因而对材料的性能提出很高的要求。机件表面由于长期的工作会发生不同程度的磨损和腐蚀，表面的磨损和腐蚀不仅影响机件的正常工作运行，而且不利于工件的维护和保养。由于磨损所造成的损失十分惊人，据统计，机械零件的失效主要有磨损、断裂和腐蚀三种形式，而磨损失效却占60%—80%，因此磨损问题引起人们高度重视，为有效的防止机件表面的磨损和腐蚀，目前一般采用表面防护措施延缓和控制表面的破坏。因而研究磨损机理和提高耐磨性的措施，将有效地节约材料和能量，提高机械装备的使用性能，延长使用寿命，减少维修费用，以降低由于磨损造成的损失，这对于国民经济建设的发展是一件具有重要意义的工作。 1复合材料 复合材料(Composite materials)，是以一种材料为基体(Matrix)，另一种材料为增强体(reinforcement)组合而成的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。composite由两个或多个不同物理相组成的一种固体材料。 复合材料由于其优良的综合性能，特别是其性能的可设计性被广泛应用于航空航天、国防、交通、体育等领域，复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量
引言 复合材料是由两种或两种以上物质组成，材料中各组分保持自己的化学性质不变，而复合材料本身具有两种材料的性质，甚至具有其组成元素所不具有的新的性质。因此复合材料将是以后的发展方向。铁是最常用的功能材料，改善和提高铁基体的性质具有很大的研究价值。将低密度、高刚度和高强度的增强体颗粒加入到铁基体中，在降低材料密度的同时，提高了它的弹性模量、硬度、耐磨性和高温性能，可应用于刀具及耐磨零件等工业领域。 １、国外铁基复合材料的发展 本论文项目为中国地质大学（北京）大学生创新性实验计划项目 铁基复合材料的研究进展综述 耿学文１，２ 赵洪波１，３ 樊振军１ １、中国地质大学（北京）实验物理教学示范中心 １０００８３２、中国地质大学材料科学与工程学院 １０００８３３、中国地质大学工程技术学院 １０００８３ １９５９年，文献［１］利用粉末冶金工艺制备了Ａｌ２Ｏ３颗粒增强Ｆｅ基复合材料。试验证明氧化物分散在铁基体中能提高铁基体的抗蠕变性能。这是首次对铁基复合材料进行的研究。 １９７１年，文献［２］制备了Ａｌ２Ｏ３颗粒弥散强化铁基复合材料，通过电子显微镜观察了颗粒与基体的界面结合情况，发现表面活性元素可有效降低界面能。 １９７５年，文献［３］采用粉末冶金法制备了ＴｉＣ颗粒增强铁基复合材料，采用粉末烧结成形工艺。发现ＴｉＣ颗粒的加入提高了材料的硬度、强度和耐磨性，同时证明颗粒的体积分数将很大程度上决定了材料的性能。 １９８３年，文献［４］采用粉末冶金法将炭黑、Ｖ粉（或Ｔｉ粉或Ｃｒ粉）与铁粉混合，在１３００～２０００Ｋ温度间烧结成形，获得了原位ＶＣ／Ｆｅ（Ｔｉ／Ｆｅ或Ｃｒ３Ｃ２／Ｆｅ）铁基复合材料。研究显示，ＶＣ／Ｆｅ和ＴｉＣ／Ｆｅ比 Ｃｒ３Ｃ２／Ｆｅ容易烧结，且性能优于Ｃｒ３Ｃ２／Ｆｅ ，其硬度和耐磨性很高，可用于制作刀具。 １９９０年，文献［５］将ＴｉＣ陶瓷颗粒加入Ｆｅ－Ｃ合金熔体中，并外加电磁搅拌，制备了ＴｉＣ／Ｆｅ复合材料。研究发现复合材料的显微结构与合金熔体的成分、外加ＴｉＣ的体积分数及颗粒尺寸、混合温度与时间及冷却速率都有关。并指出复合材料的耐磨性能随着ＴｉＣ体积分数的增加而增加，随着颗粒尺寸和颗粒间距的增大而降低。 １９９６年，英国诺丁汉大学和英国ＬＳＭ公司的研究者利用高温自蔓延烧结工艺（Ｓｅｌｆ Ｐｒｏｐａｇａ－ｔｉｎｇ Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｙｓｔｈｅｓｉｓ，简称ＳＨＳ）制备了（Ｗ，Ｔｉ）Ｃ／Ｆｅ复合材料，碳化物呈球形，直径在１～１０μｍ之间，在基体中分布均匀。且可根据使 用性能的要求调整碳化物的质量分数。 １９９９年，文献［６］采用高能电子束辐射工艺，成功制备了ＴｉＣ／Ｆｅ表面复合材料。他们将ＴｉＣ颗粒与熔剂材料（ＭｇＯ－ＣａＯ）混合制成的粉末涂覆于碳钢基体上，用高能电子束辐射，使粉末与基体表面熔化，ＴｉＣ颗粒在随后的冷却过程中沉淀并与基体牢固地结合。研究发现熔剂的最佳质量分数为１０％～２０％，颗粒在表面分散均匀，复合材料层厚度可达２．５ｍｍ。试验表明材料的硬度和耐磨性提高很多。 ２００７年，文献［７］利用粉末冶金技术，使ＦｅＶ和石墨体系在真空烧结炉中发生碳化反应，生成ＶＣ颗粒分布均匀、颗粒圆整、致密度高的铁基复合材料；通过ＳＥＭ、ＸＲＤ、磨损实验表明，复合材料具有良好的耐磨性能，且ＶＣ颗粒分布均匀，与基体结合良好。 ２、制备方法 ２．１粉末冶金成形 粉末冶金是一种制取金属粉末以及采用成形和烧结工艺将金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）制成制品的工艺技术。随着技术的发展，各种新工艺相继出现并得到广泛的应用，这里简单介绍两种： ２．１．１温压技术 温压技术的原理是：将加有特殊润滑剂的预制金属粉末和模具等加热至１３０～１５０℃，并将温度波动控制在±２．５℃以内，然后进行压制、烧结而制得金属粉末冶金结构零件。该工艺只通过一次压制便可生产出高密度、高强度、低成本的粉末冶金零件。 ２．１．２流动温压技术 流动温压技术是德国Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ应用材料研究所研发出来的粉末冶金新技术［８］。该工艺是在粉末压制、温压成形工艺的基础上，结合金属粉末注射成形工艺的优点而提出来的一种新型粉末冶金零部件成形技术。其突出优点在于加入了合适比例的微细粉末、加大了润滑剂的含量，从而使得粉末的流动性能、填充能力和成型能力得到了明显的提高，当零件模型有与压力方向垂直的部位或是带孔洞、螺纹等形状的复杂形状时，这种成形方法显示了它的优越性，不需要进行再加工［９］。 ２．２金属粉末注射成形
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。
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
河南农业大学机电工程学院《非金属材料》课程论文 陶瓷基复合材料 姓名： 学号： 专业班级： 论文方向： 任课教师：
陶瓷基复合材料 摘要：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。 陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品。其最高使用温度主要取决于基体特征。陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意的使用效果。 正文： 陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意的使用效果。 连续纤维补强陶瓷基复合材料(简称CFCC)是将耐高温的纤维植入陶瓷基体中形成的一种高性能复合材料。由于其具有高强度和高韧性,特别是具有与普通陶瓷不同的非失效性断裂方式,使其受到世界各国的极大关注。连续纤维增强陶瓷基复合材料已经开始在航天航空、国防等领域得到广泛应用。20世纪70年代初,J Aveston[2]在连续纤维增强聚合物基复合材料和纤维增强金属基复合材料研究基础上,首次提出纤维增强陶瓷基复合材料的概念,为高性能陶瓷材料的研究与开发开辟了一个方向。随着纤维制备技术和其它相关技术的进步,人们逐步开发出制备这类材料的有效方法,使得纤维增强陶瓷基复合材料的制备技术日渐成熟。20多年来,世界各国特别是欧美以及日本等对纤维增强陶瓷基复合材料的制备工艺和增强理论进行了大量的研究,取得了许多重要的成果,有的已经达到实用化水平。如法国生产的“Cerasep”可作为“Rafale”战斗机的喷气发动机和“Hermes”航天飞机的部件和内燃机的部件[4];SiO2纤维增强SiO2复合材料已用作“哥伦比亚号”和“挑战者号”航天飞机的隔热瓦[5]。由于纤维增强
陶瓷基复合材料 陶瓷基复合材料沈卫平一、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而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）。 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。 图–陶瓷基复合材料的力–位移曲线表–不同金属、陶瓷基体和陶瓷基复合材料的断裂韧性比较材料整体陶瓷颗粒增韧相变增韧AlBBOBBSiCAlBBOBBTiCSiBBNBBTiCZrOBBMgOZrOBBYBBOB BZrOBBAlBBOB断裂韧性MPamPP~~~~~~裂纹尺寸大小, m~~~~~~表–不同金属、陶瓷基体和陶瓷基复合材料的断裂韧性比较材料晶须增韧纤维增韧SiCAlOSiC硼硅玻璃SiC锂铝硅玻璃铝钢断裂韧性MPamPP~~~~~裂纹尺寸大小,m~二、陶瓷基复合材料的制备工艺、粉末冶金法原料（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。 关键是均匀混合和烧结过程防止体积收缩而产生裂纹。
二、陶瓷基复合材料的制备工艺、浆体法（湿态法）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）。 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–浆体法制备陶瓷基复合材料示意图、反应烧结法（图）用此方法制备陶瓷基复合材料除基体材料几乎无收缩外还具有以下优点：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。 此方法最大的缺点是高气孔率难以避免。 图–反应烧结法制备SiCSiN基复合材料工艺流程、液态浸渍法（图）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。