陶瓷基复合材料课程论文
陶瓷基复合材料综述报告(Summary report of ceramic matrix composites)
学院名称：材料科学与工程学院
专业班级：复合材料1111
学生姓名：不知道
学号：3110702345
指导教师：你猜
陶瓷基复合材料综述报告
摘要：本文综述了陶瓷基复合材料的研究现状，基体和增强增韧纤维的选择，对陶瓷基复合材料的界面、增韧技术及其制造工艺,尤其是对CVI工艺做出了较为全面的总结和介绍,最后,对陶瓷基复合材料未来发展进行了展望。
关键词：陶瓷基复合材料表；增韧技术；制造工艺；界面；发展趋势Summary report of ceramic matrix composites
Abstract: This paper reviews the research status of ceramic matrix composites, the matrix and the toughening and reinforcing fiber choice, in ceramic matrix composites, interfacial toughening technology and manufacturing process, especially made a more comprehensive summary and introduction of CVI technology, finally, the future development of Tao Ciji composites was prospected.
Keywords:ceramic matrix composite sheet; toughening technology; manufacturing process; interface; development trend
前言
陶瓷基复合材料(Ceramic matrix 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)[1]。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。因此越来越受到人们的重视。但由于陶瓷材料本身脆性的弱点，作结构材料使用时缺乏足够的可靠性。因而，改善陶瓷材料的脆性已成为陶瓷材料领域亟待解决的问题之一。文献[2]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[3]。
1 陶瓷基复合材料的基体和纤维的选择
1.1 基体材料的选择
对基体材料,要求它有较高的耐高温性能,与纤维(或晶须)之间有良好的界面相容性,同时还应考虑到复合材料制造工艺性能。可供选择的基体材料有:玻璃、玻璃-陶瓷、氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷材料。
(1)玻璃基复合材料的优点是易于制作(因燃烧过程中可通过基体的粘性流动来进行致密化),且增韧效果好。但其致命的缺点是由于玻璃相的存在容易产生高温蠕变,同时玻璃相还容易向晶态转化而发生析晶,使性能受损,使用温度也受到限制。
(2)氧化物类陶瓷是60年代以前主要使用的陶瓷材料,主要有MgO、Al2O3、SiO2、ZrO2和莫来石等,但这些材料均不宜用于高应力和高温环境中。
(3)非氧化物陶瓷,如Si3N4、SiC等由于具有较高的强度、模量和抗热震性及优异的高温机械性能而受到人们的重视,与金属材料相比,这类陶瓷材料还有密度较低等特点。
1.2 增强增韧纤维的选择
陶瓷基复合材料中最早使用的纤维是金属纤维,如W、Mo、Ta等,用来增韧Si3N4、莫来石、Al2O3和Ta2O5等,这样的陶瓷基复合材料虽然可以得到较高的室温强度,但其致命的缺点是在高温下容易发生氧化,所以又发展了SiC涂层W芯纤维[4]。用这种纤维增韧的Si3N4复合材料,断裂功可提高到3900J·m-2,但强度却仅有55 MPa (图1),纤维的抗氧化性仍未解决,而且当T为800℃时,强度会严重下降。C纤维由于有较高的强度、弹性模量和低的成本而被广泛应用于复合材料领域中,但实际中发现,在高温下C纤维与许多陶瓷基体会发生化学反应。
图1Si3N4陶瓷使用SiC涂层W芯纤维增韧前后断裂功的变化[5] Nicalon是由聚碳硅烷熔融纺丝后经热解而成的SiC纤维,其中含有过量的O 和C,而过量的C有利于CMC制造过程中在f/m界面上形成富C层,它的存在有利于增韧,但在1000℃以上它会严重氧化,使纤维性能大幅度下降,高温下这种纤维增强复合材料还会产生脆化,主要是因为纤维在高温下性能受损,f/m界面结合加强。氧化物陶瓷纤维还很少受到人们的关注,主要是因为这些纤维与许多陶瓷基体界面结合过于牢固,同时纤维本身还很容易发生晶粒长大,如果其中含有玻璃相时,则会发生高温蠕变[6],起不到良好的增韧效果。但一系列涂层技术的研究和应用,可望这类纤维的应用前景能有所改观。所以目前还迫切需要开发高性能的陶瓷基复合材料的增韧纤维。
2 陶瓷基复合材料增韧技术
2.1 纤维增韧
为了提高复合材料的韧性,必须尽可能提高材料断裂时消耗的能量。任何固体材料在载荷作用下(静态或冲击),吸收能量的方式无非是两种:材料变形和形成新的表面。对于脆性基体和纤维来说,允许的变形很小,因此变形吸收的断裂能也很少。为了提高这类材料的吸能,只能是增加断裂表面,即增加裂纹的扩展路径。纤维的引入不仅提高了陶瓷材料的韧性,更重要的是使陶瓷材料的断裂行为发生了根本性变化,由原来的脆性断裂变成了非脆性断裂。纤维增强陶瓷基复合材料的增韧机制包括基体预压缩应力、裂纹扩展受阻、纤维拔出、纤维桥联、裂纹偏转、相变增韧等[7,8]。
能用于增强陶瓷基复合材料的纤维种类较多,包括氧化铝系列(包括莫来石)、碳化硅系列、氮化硅系列、碳纤维等,除了上述系列纤维外,目前正在开发的还有
BN、TiC、B4C等复相纤维[9]。韩桂芳等[10]用浆料法结合真空浸渗工艺,制备了二维(2D)石英纤维增强多孔Si3N4-SiO2基复合材料,增加浸渗次数虽不能有效提高复合材料强度,但却使裂纹偏转因子变小,断裂模式由韧性断裂向脆性断裂转变,断口形貌由纤维成束拔出变为多级拔出。尹洪峰等[11]利用LPCVI技术制备了三维连续纤维增韧碳化硅基复合材料,实验表明当复合材料界面相厚度为0.19μm时,体积密度为2101~2105 g/cm3时,用碳纤维T300增韧后的复合材料的弯曲强度为459 MPa,断裂韧性为2010 MPa?m1/2,断裂功为25 170 J?m-2。国外学者[12,13]也研究了纤维增强陶瓷材料,并显著的提高了其断裂韧性。
纤维拔出是纤维复合材料的主要增韧机制,通过纤维拔出过程的摩擦耗能,使复合材料的断裂功增大,纤维拔出过程的耗能取决于纤维拔出长度和脱粘面的滑移阻力,滑移阻力过大,纤维拔出长度较短,增韧效果不好,如果滑移阻力过小,尽管纤维拔出较长,但摩擦做功较小,增韧效果也不好,反而强度较低。纤维拔出长度取决于纤维强度分布、界面滑移阻力。因此,在构组纤维增韧陶瓷基复合材料时,应该考虑:纤维的强度和模量高于基体,同时要求纤维强度具有一定的Weibull分布；纤维与基体之间具有良好的化学相容性和物理性能匹配；界面结合强度适中,既能保证载荷传递,又能在裂纹扩展中适当解离,又能有较长的纤维拔出,达到理想的增韧效果。
2.2 晶须增韧
陶瓷晶须是具有一定长径比且缺陷很少的陶瓷小单晶,因而具有很高的强度,是一种非常理想的陶瓷基复合材料的增韧增强体[14]。陶瓷晶须目前常用的有SiC 晶须,Si3N4晶须和Al2O3晶须。基体常用的有ZrO2,Si3N4,SiO2,Al2O3和莫来石等。黄政人等[15]采用30%(体积分数)B-SiC晶须增强莫来石,在SPS烧结条件下材料强度比热压高10%左右,为570 MPa,断裂韧性为415 MPa?m1/2比纯莫来石提高100%以上。王双喜等[16]研究发现,在2%(摩尔分数)Y2O3-超细料中加入30%(体积分数)的SiC晶须,可以细化2Y-ZrO2材料的晶粒,并且使材料的断裂方式由沿晶断裂为主变为穿晶断裂为主的混合断裂,从而显著提高了复合材料的刚度和韧性。
晶须增韧陶瓷基复合材料的主要增韧机制包括晶须拔出、裂纹偏转、晶须桥联、其增韧机理与纤维增韧陶瓷基复合材料相类似。晶须增韧效果不随温度而变化,因此,晶须增韧被认为是高温结构陶瓷复合材料的主要增韧方式。晶须增韧陶
瓷复合材料主要有2种方法[17]:(1)外加晶须法:即通过晶须分散、晶须与基体混合、成形、再经煅烧制得增韧陶瓷。如加入到氧化物、碳化物、氮化物等基体中得到增韧陶瓷复合材料,此法目前较为普遍;(2)原位生长晶须法:将陶瓷基体粉末和晶须生长助剂等直接混合成形,在一定的条件下原位合成晶须,同时制备出含有该晶须的陶瓷复合材料,这种方法尚未成熟,有待进一步探索。
晶须增韧陶瓷基复合材料与很多因素有关,首先晶须与基体应选择得当,二者的物理、化学相容性要匹配才能使陶瓷复合材料在韧性上得到提高。其次晶须的含量存在临界含量和最佳含量。Be-cher[18]研究表明:复合材料的断裂韧性随晶须含量Vf(Vf是晶须的体积含量)的增加而增大。但是,随着晶须含量的增加,由于晶须的桥联作用,使复合材料的烧结致密化困难。
2.3 相变增韧
相变增韧ZrO2陶瓷是一种极有发展前途的新型结构陶瓷,其主要是利用ZrO2相变特性来提高陶瓷材料的断裂韧性和抗弯强度,使其具有优良的力学性能,低的导热系数和良好的抗热震性。它还可以用来显著提高脆性材料的韧性和强度,是复合材料和复合陶瓷中重要的增韧剂。近十年来,具有各种性能的ZrO2陶瓷和以ZrO2为相变增韧物质的复合陶瓷迅速发展,在工业和科学技术的许多领域获得了日益广泛的应用[19]。ZrO2的增韧机制一般认为有应力诱导相变增韧、微裂纹增韧、压缩表面韧化[20]。在实际材料中究竟何种增韧机制起主导作用,在很大程度上取决于四方相向单斜相马氏体相变的程度高低及相变在材料中发生的部位。2.4 颗粒增韧
用颗粒作为增韧剂,制备颗粒增韧陶瓷基复合材料,其原料的均匀分散及烧结致密化都比短纤维及晶须复合材料简便易行。因此,尽管颗粒的增韧效果不如晶须与纤维,但如颗粒种类、粒径、含量及基体材料选择得当,仍有一定的韧化效果,同时会带来高温强度、高温蠕变性能的改善。所以,颗粒增韧陶瓷基复合材料同样受到重视,并开展了有效的研究工作。从增韧机理上分,颗粒增韧分为非相变第二相颗粒增韧、延性颗粒增韧、纳米颗粒增韧[21]。非相变第二相颗粒增韧主要是通过添加颗粒使基体和颗粒间产生弹性模量和热膨胀失配来达到强化和增韧的目的,此外,基体和第二相颗粒的界面在很大程度上决定了增韧机制和强化效果,目前使用的较多的是氮化物和碳化物等颗粒。延性颗粒增韧是在脆性陶瓷基体中
加入第二相延性颗粒来提高陶瓷的韧性,一般加入金属粒子。金属粒子作为延性第二相引入陶瓷基体内,不仅改善了陶瓷的烧结性能,而且可以以多种方式阻碍陶瓷中裂纹的扩展,如裂纹的钝化、偏转、钉扎及金属粒子的拔出等,使得复合材料的抗弯强度和断裂韧性得以提高。文献[22]指出,金属粒子增韧陶瓷的增韧效果归因于金属的塑性变形或裂纹偏转,且其韧化行为强烈取决于金属粒子的形状。当其形状是颗粒状时,增韧机制主要是裂纹偏转;而金属的塑性变形则主要发生于金属呈纤维、薄片等形状存在的复合材料中。
2.5 纳米复合陶瓷增韧
纳米技术一出现,便在改善传统材料性能方面显示出极大的优势,该方面的研究有可能使陶瓷增韧技术获得革命性突破。纳米陶瓷由于晶粒的细化,晶界数量会极大增加,同时纳米陶瓷的气孔和缺陷尺寸减小到一定尺寸就不会影响到材料的宏观强度,结果可使材料的强度、韧性显著增加。自从Niihara[23]首次在微米级Al2O3基体中加入体积分数为5%的SiC纳米颗粒并得到很高的强度后,人们对纳米颗粒复合陶瓷的研究越来越多。Al2O3/SiC纳米复合材料研究成果也最为成熟。
复合陶瓷中的纳米相以两种形式存在,一种是分布在微米级陶瓷晶粒之间的晶间(intergranular)纳米相；另一种则“嵌入”基质晶粒内部,被称为晶内(intragranular)纳米相或“内晶型”结构。两种结构共同作用产生了两个显著的效应:穿晶断裂和多重界面,从而对材料的力学性能起到重要的影响。有关纳米陶瓷复合材料的增韧强化机理目前不很清楚,说法不一,归纳起来大致有以下几种[24]: 第一种是“细化理论”,该理论认为纳米相的引入能抑制基体晶粒的异常长大,使基体结构均匀细化,是纳米陶瓷复合材料强度韧性提高的一个原因。
第二种是“穿晶理论”,该理论认为基体颗粒以纳米颗粒为核发生致密化而将纳米颗粒包裹在基体晶粒内部,因此在纳米复合材料中,存在“晶内型”结构,而纳米复合材料性能的提高与“晶内型”结构的形成及由此产生的次界面效应有关。“晶内型”结构能减弱主晶界的作用,诱发穿晶断裂,使材料断裂时产生穿晶断裂而不是沿晶断裂。
第三种是“钉扎”理论,该理论认为存在于基体晶界的纳米颗粒产生“钉扎”效应,从而限制晶界滑移和孔穴、蠕变的发生。氧化物陶瓷高温强度衰减主要是由于晶界的滑移、孔穴的形成和扩散蠕变造成的,因此“钉扎”效应是纳米颗粒改善
氧化物高温强度的主要原因。
2.6 自增韧陶瓷
如果在陶瓷基体中引入第二相材料,该相不是事先单独制备的,而是在原料中加入可以生成第二相的原料,控制生成条件和反应过程,直接通过高温化学反应或者相变过程,在主晶相基体中生长出均匀分布的晶须、高长径比的晶粒或晶片的增强体,形成陶瓷复合材料,则称为自增韧。这样可以避免两相不相容、分布不均匀问题,强度和韧性都比外来第二相增韧的同种材料高。自增韧陶瓷的增韧机理类似于晶须对材料的增韧机理,有裂纹的桥接增韧、裂纹的偏转和晶粒的拔出,其中桥接增韧是主要的增韧机理。目前,自增韧陶瓷主要有Si3N4、Sialon、Al-Zr-C、Ti-B-C、SiC、Al2O3、ZrB2/ZrC016/Zr等。但研究较多的是Si3N4、Sialon。氮化硅晶体具有生长各向异性,在高温时,其A相能够向B相转变,B-Si3N4晶体会继续长大使其显微结构发生变化。因此,可通过B-Si3N4晶粒的形核和生长来获得所需要的显微结构,从而形成自增韧Si3N4陶瓷。Sialon是Si3N4中Si、N原子被Al 及O原子置换所形成的一大类固溶体的总称,因此也可以利用Si3N4的这种相变来达到增韧的目的[25,26]。
3 陶瓷基复合材料的界面
复合材料的界面是指基体与补强剂之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。界面虽然很小，但界面的结合方式在很大程度上应了材料的性能[27,28]。
陶瓷基复合材料的界面结合方式包括化学结合、物理结合、机械结合和扩散结合，其中以化学结合为主，有时几种界面结合方式同时存在。由于在陶瓷基复合材料中存在人为的界面，而界面又起着很重要的作用，故可按所需控制界面以达到理想的效果。现阶段界面的控制方法主要有以下几种：
(1)改变补强剂表面的性质
改变补强剂的表面性质是用化学手段控制界面的方法。如在SiC晶须表面形成富碳结构的方法;在纤维表面以化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)的方法进行BN或碳涂层的方法等。这些方法的目的都是防止补强剂与基体之间的反应，从而获得最佳的界面力学特性。改变补强剂表面性质的另一个目的是改善纤维与基体之间的结合力。
(2)补强剂的表面涂层
涂层技术的应用是实用的界面控制方法之一，可以分为CVD，PVD，喷镀和喷射等。涂层的主要目的是防止成形过程中纤维与基体的反应，调节界面剪切破坏能量以提高剪切强度。
（3）向基体添加特定的元素
在用烧结法制造陶瓷基如氧化铝基等)复合材料的过程中，为了有助于烧结，常常在基体中添加一些元素，如CaO, Mg0等·有时为了使纤维与基体发生适度的反应以控制界面，也可以添加一些元素如Yz03，TiOz等)，以便在热处理过程中获得最佳界面，从而达到增韧的目的。
4 陶瓷基复合材料制造工艺
4.1传统的浆料浸渗工艺
浆料浸渗工艺目前在制造长纤维补强玻璃和玻璃-陶瓷及低熔点陶瓷基复合材料上应用最多,并且最有效,在热压烧结时温度应接近或略高于玻璃的软化点,这样有利于粘性流动的发生以促进致密化过程的进行。
4.2Sol-gel法和聚合物热解法
这种方法是近年来发展起来的, Sol-gel法是将金属醇盐在室温或略高于室温下水解,缩聚,得到溶胶和凝胶,再将其进行热处理,得到玻璃和陶瓷[29]。
4.3熔体浸渗法
熔体浸渗法在金属基复合材料方面得到了广泛应用,并且卓有成效,但迄今为止在陶瓷基复合材料方面所做的工作仍为数不多,而未得到应有的重视。这种方法只需通过浸渗处理即可得到完全致密和没有裂纹的基体,从预制件到成品的处理过程中,其尺寸基本不发生变化,适合于制作任何形状复杂的结构件。
4.4化学气相浸渗(chemical vapor infiltration简称CVI)工艺
CVI工艺是在CVD(chemical vapor deposition化学气相沉积)基础上发展起来的一种制备复合材料的新方法, CVI法能将反应物气体渗入到多孔体内部,发生化学反应并进行沉积,特别适用于制备由连续纤维增强的陶瓷基复合材料。与固相粉末烧结法和液相浸渍法相比, CVI工艺在制备陶瓷基复合材料方面有以下显著优点:能在较低温度下进行材料的制备,例如在800～1200℃下制备SiC陶瓷,而传统的粉末烧结法的烧结温度在2000℃以上;能制备硅化物、碳化物、氮化物、硼
化物和氧化物等多种陶瓷材料,并能实现在微观尺度上的成分设计,能制备形状复杂、近尺寸(near-net shapped)和纤维体积分数高的部件。由于制备过程是在较低温度下进行,并且不需外加压力,材料内部的残余应力小,纤维几乎不受损伤。
CVI的工艺方法主要有6种[30]:等温CVI(ICVI),热梯度CVI,等温强制对流CVI,热梯度强制对流CVI(FCVI),脉冲CVI和位控CVD(PC-CVD)等。在这6种方法中,最具代表性的是ICVI和FCVI两种,下面介绍这两种方法的基本原理。
(1)ICVI法:又称静态法,是把被浸渗的部件放在均热的空间,反应物气体通过扩散渗入到多孔体内,发生化学反应并进行沉积,而副产物气体再通过扩散向外散逸。为描述ICVI过程,一般以细长圆孔为模型如图2所示[31]。
图2ICVI示意图
(2) FCVI法: FCVI法由美国ORNL首先提出,是动态CVI法中最典型的方法。在纤维多孔体内施加一个温度梯度,同时施加一个反向的气体压力梯度,迫使反应气体强行通过多孔体,在温度较高处发生沉积,在此过程中,沉积界面不断由高温区向低温区推移,或在适当的温度梯度沿厚度方向均匀沉积,如图3所示[32,33]。
图3FCVI过程示意图
5 陶瓷基复合材料的发展趋势
复合材料所面临的问题是:怎样把不同的材料有效地结合起来使某些性能得到加强，同时又把成本控制在市场可接受的范围。目前，只有少数CMC达到实际应用的水平，大多数尚处于实验室研究阶段，但从其具有的优异性能和研究状况来看，CMC有着非常广阔的应用前景。因而，对CMC的未来发展趋势作一预测是非常有必要和有意义的。
(1)为了保证陶瓷基复合材料性能的可靠，除了从工艺上尽量保证陶瓷基复合材料的均一性及完整性之外，对材料性能的准确评价也是一个很重要的问题。因此，无损探伤是一项急待开展的工作。
(2)由宏观复合形式向微观复合形式发展。目前应用最多的CMC是纤维、晶须补强复合材料，补强剂尺寸较大，属于宏观复合。所谓微观复合就是均质材料在加工过程中内部析出补强剂(晶体)与剩余基体构成的原位复合材料，或用纳米级补强剂补强的纳米复合材料。
(3)由结构复合向结构功能一体化方向发展。到目前为止，研究的陶瓷基复合材料基本上是结构复合型材料。将逐步向结构功能一体化方向发展，也就是复合材料既能满足力学性能的要求，同时还具有其他物理、化学和电学性能。
(4)从一元补强、双元混杂复合向多元混杂方向发展。用纤维、晶须或颗粒补强剂的陶瓷复合材料己经取得良好的效果，同时二种补强剂双元混杂的复合材料也取得了一定进展，将会向多元混杂的方向发展。比如在混杂的纤维补强剂中还可以加入颗粒填料，二种以上的纳米颗粒同时弥散的复合材料，多元混杂有可能制备出超强度、超韧性的高性能陶瓷材料。
(5)由复合材料的常规设计向电子计算机辅助设计发展。
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陶瓷材料的力学性能 陶瓷材料 陶瓷、金属、高分子材料并列为当代三大固体材料之间的主要区别在于化学键不同。 金属：金属键高分子：共价键（主价键）范德瓦尔键（次价键） 陶瓷：离子键和共价键。普通陶瓷，天然粘土为原料，混料成形，烧结而成。 工程陶瓷：高纯、超细的人工合成材料，精确控制化学组成。 工程陶瓷的性能：耐热、耐磨、耐腐蚀、绝缘、抗蠕变性能好。 硬度高，弹性模量高，塑性韧性差，强度可靠性差。 常用的工程陶瓷材料有氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硼等。 一、陶瓷材料的结构和显微组织 1、结构特点 陶瓷材料通常是金属与非金属元素组成的化合物；以离子键和共价键为主要结合键。 可以通过改变晶体结构的晶型变化改变其性能。 如“六方氮化硼为松散的绝缘材料；立方结构是超硬材料” 2、显微组织 晶体相，玻璃相，气相 晶界、夹杂 （种类、数量、尺寸、形态、分布、影响材料的力学性能。 （可通过热处理改善材料的力学性能） 陶瓷的分类 玻璃 — 工业玻璃 (光学，电工，仪表，实验室用)；建筑玻璃；日用玻璃 陶瓷 —普通陶瓷日用，建筑卫生，电器（绝缘） ，化工，多孔 ……特种陶瓷 -电容器，压电，磁性，电光，高温 …… 金属陶瓷 -- 结构陶瓷，工具（硬质合金） ，耐热，电工 …… 玻璃陶瓷 — 耐热耐蚀微晶玻璃，光子玻璃陶瓷，无线电透明微晶玻璃，熔渣玻璃陶瓷 … 2. 陶瓷的生产 (1)原料制备（拣选，破碎，磨细，混合）普通陶瓷（粘土，石英，长石等天然材料）特种
陶瓷（人工的化学或化工原料 --- 各种化合物如氧、碳、氮、硼化合物） (2) 坯料的成形 （可塑成形，注浆成形，压制成形） (3)烧成或烧结 3. 陶瓷的性能 (1)硬度 是各类材料中最高的。 （高聚物<20HV，淬火钢500-800HV，陶瓷1000-5000HV） (2)刚度是各类材料中最高的（塑料1380MN/m2，钢MN/m2) (3)强度理论强度很高（E/10--E/5）；由于晶界的存在，实际强度比理论值低的多。 2 （E/1000--E/100）。耐压（抗压强度高），抗弯（抗弯强度高），不耐拉（抗拉强度很低比抗压强度低一个数量级）较高的高温强度。 (4)塑性：在室温几乎没有塑性。 (5) 韧性差，脆性大。是陶瓷的最大缺点。 (6) 热膨胀性低。导热性差，多为较好的绝热材料（λ=10-2～10-5w/m﹒K） (7)热稳定性 — 抗热振性（在不同温度范围波动时的寿命）急冷到水中不破裂所能承受的最高温度。陶瓷的抗热振性很低（比金属低的多，日用陶瓷 220 ℃） (8)化学稳定性 ：耐高温，耐火，不可燃烧，抗蚀（抗液体金属、酸、碱、盐） (9) 导电性 — 大多数是良好的绝缘体，同时也有不少半导体（ NiO ， Fe3O4 等） (10) 其它： 不可燃烧，高耐热，不老化，温度急变抗力低。 普通陶瓷
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、
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
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
地砖一般可分为：抛光砖、玻化砖、釉面砖、马赛克等 一、釉面砖 1、顾名思义，釉面砖就是砖的表面经过烧釉处理的砖。它基于原材料的分别，可分为两种：1) 陶制釉面砖，即由陶土烧制而成，吸水率较高，强度相对较低。其主要特征是背面颜色为红色。 2) 瓷制釉面砖，即由瓷土烧制而成，吸水率较低，强度相对较高。其主要特征是背面颜色是灰白色。 要注意的是，上面所说的吸水率和强度的比较都是相对的，目前也有一些陶制釉面砖的吸水率和强度比瓷制釉面砖好的。 2、釉面砖的釉面根据光泽的不同，还可以分为下面两种： 1) 亮光釉面砖。适合于制造"干净"的效果。 2) 哑光釉面砖。适合于制造"时尚"的效果。 3、常见问题 釉面砖是装修中最常见的砖种，由于色彩图案丰富，而且防污能力强，被广泛使用于墙面和地面之中，常见的质量问题主要有两方面： 1) 龟裂 龟裂产生的根本原因是坯与釉层间的应力超出了坯釉间的热膨胀系数之差。当釉面比坯的热膨胀系数大，冷却时釉的收缩大于坯体，釉会受拉伸应力，当拉伸应力大于釉层所能承受的极限强度时，就会产生龟裂现象。 2) 背渗 不管那一种砖，吸水都是自然的，但当坯体密度过于疏松时，就不仅是吸水的问题了，而是渗水泥的问题。即水泥的污水会渗透到表面。 4、常用规格 正方形釉面砖有152×152mm、200×200mm、长方形釉面砖有152× 200mm、200×300mm等，常用的釉面砖厚度5mm及6mm。 二、通体砖 通体砖的表面不上釉，而且正面和反面的材质和色泽一致，因此得 名。 通体砖是一种耐磨砖，虽然现在还有渗花通体砖等品种，但相对来说， 其花色比不上釉面砖。由于目前的室内设计越来越倾向于素色设计，所以 通体砖也越来越成为一种时尚，被广泛使用于厅堂、过道和室外走道等装 修项目的地面，一般较少会使用于墙面，而多数的防滑砖都属于通体砖。 通体砖常有的规格有300x300mm、400x400mm、500x500mm、600x600mm、 800x800mm等等。 三、抛光砖 抛光砖就是通体坯体的表面经过打磨而成的一种光亮的砖种。抛光砖属于通体砖的一种。相对于通体砖的平面粗糙而言，抛光砖就要光洁多了。抛光砖性质坚硬耐磨，适合在除洗手间、厨房和室内环境以外的多数室内空间中使用。在运用渗花技术的基础上，抛光砖可以做出各种仿石、仿木效果。 也许是业内的大意，也许是业内的故意，抛光砖却留下了一个致命的缺点：易脏。这是抛光砖在抛光时留下的凹凸气孔造成的，这些气孔会藏污纳垢，以致抛光砖谈污色变，甚至一些茶水倒在抛光砖上都回天无力。
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
陶瓷基复合材料的研究进展及其在航空发动机上 的应用 摘要：综述了陶瓷基复合材料(CMCs) 的研究进展。就CMCs的增韧机理、制备工艺和其在航空发动机上的应用进展作了详细介绍。阐述了CMCs研究和应用中存在的问题。最后，指出了CMCs的发展目标和方向。 关键词：陶瓷基复合材料；航空发动机；增韧机理；制备工艺 The Research Development of Ceramic Matrix Compositesand Its Application on Aeroengine Abstract:The development and research status of ceramic matrix compositeswerereviewed in this paper. The main topics include the toughening mechanisms, the preparation progressand the application on aeroengine were introduced comprehensively. Also, the problems in the research and application of CMCswere presented. Finally, the future research aims and directions were proposed. Keywords: Ceramic matrix composites, Aeroengine, Fiber toughening,Preparation progress 1引言 推重比作为发动机的核心参数，其直接影响发动机的性能，进而直接影响飞机的各项性能指标。高推重比航空发动机是发展新一代战斗机的基础，提高发动机的工作温度和降低结构重量是提高推重比的有效途径[1]。现有推重比10一级的发动机涡轮进口温度达到了1500~1700℃，如M88-2型发动机涡轮进口温度达到1577℃，F119型发动机涡轮进口温度达到1700℃左右，而推重比15~20一级发动机涡轮进口温度将达到1800~2100℃，这远远超过了发动机中高温合金材料的熔点温度。目前，耐热性能最好的镍基高温合金材料工作温度达到1100℃左右，而且必须采用隔热涂层，同时设计先进的冷却结构。在此需求之下，迫切需要发展新一代耐高温、低密度、低膨胀、高性能的结构材料[2]。在各类型新型耐高温材料中，
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。
瓷砖的分类 瓷砖按工艺分为：抛光砖、玻化砖、釉面砖、仿古砖、陶瓷锦砖、通体砖 一、抛光砖：抛光砖就是通体砖坯体的表面经过打磨/抛光处理而成的一种光亮的砖，属于通体砖的一种。相对通体砖而言，抛光砖的表面要光洁得多。抛光砖坚硬耐磨，适合在除洗手间、厨房以外的多数室内空间中使用。在运用渗花技术的基础上，抛光砖可以做出各种仿石、仿木效果。抛光砖易脏，防滑性能不很好。 ⑴、抛光砖的优点： 第一、无放射元素：天然石材属矿物质，未经高温烧结，故含有个别微量放射性元素，长期接触会对人体有害；抛光砖不会对人体造成伤害； 第二、基本可控制无色差：天然石材由于成岩时间、岩层深浅不同色差较大，抛光砖经精心调配，同批产品花色一致，基本无色差； 第三、抗弯曲强度大：天然石材由于自然形成，成材时间、风化等不尽相同，导致致密程度、强度不一；抛光砖由数千吨液压机压制，再经1200℃以上高温烧结，强度高； 第四、砖体薄、重量轻：天然石材因强度低，故加工厚度较大，笨重，增加了楼层建筑物的荷重，形成潜在威胁，成本上升，并且增加了运输、铺贴等困难。 ⑵、抛光砖的缺点： 有一个致命的缺点就是易脏，这是抛光砖在抛光时留下的凹凸气孔造成的。这些气孔会藏污纳垢，甚至一些茶水倒在抛光砖上都回天无力。也许业界意识到了这点，后来一些质量好的抛光砖在出厂时都加了一层防污层。
⑶、如何保养抛光砖： 1、定期中性清洁剂清洁表面、清除一般污渍，不可用任何强酸性的清洁剂，如洁厕净清洁洁厕净当时的清洁效果的确很好，但同时也烧坏了抛光砖的晶体层表面、使毛孔加大，从第二天开始，就变得越来越黑了，因为表层已经“烧坏”了，不抗污了。 2、中性晶面剂晶面护理。 3、特殊污渍如茶渍、果渍、咖啡渍、墨渍等.可采用高纯度的含量为27.5%以上的H2O2配合纸巾敷盖、浸泡2-3小时就能清除。 二、玻化砖：⑴、玻化砖其实就是全瓷砖。因为制造工艺的区别，其致密程度要比一般地砖更高，其表面光洁但又不需要抛光，所以不存在抛光气孔的问题。玻化砖是一种强化的抛光砖，它采用高温烧制而成。质地比抛光砖更硬更耐磨。区分玻化砖与抛光砖的主要区别就是吸水率。（吸水率越低，玻化程度越好，产品理化性能越好。）⑵、玻化砖是通体砖坯体的表面经过打磨而成的一种光亮的砖，属通体砖的一种。吸水率低于0.5%的陶瓷都称为玻化砖，抛光砖吸水率低于0.5%也属玻化砖（高于0.5%就只能是抛光砖不是玻化砖），然后将玻化砖进行镜面抛光即得玻化抛光砖，因为吸水率低的缘故其硬度也相对比较高，不容易有划痕。⑶、玻化砖是由石英砂、泥按照一定比例烧制而成，然后经打磨光亮但不需要抛光，表面如玻璃镜面一样光滑透亮，是所有瓷砖中最硬的一种，其在吸水率、边直度、弯曲强度、耐酸碱性等方面都优于普通釉面砖、抛光砖及一般的大理石。
瓷砖种类及其优缺点知 识简述 公司标准化编码 [QQX96QT-XQQB89Q8-NQQJ6Q8-MQM9N]
按国标-吸水率分类 共分为五类： 1、瓷质砖：吸水率小于等于0.5%； 2、2、炻瓷质：吸水率大于0.5%小于等于3%； 3、3、细炻质：吸水率大于3%小于等于6%； 4、 5、4、炻质砖：吸水率大于6%小于等于10%； 6、陶质砖：吸水率大于10%。 排序： 陶质砖＞10%≥炻质砖大于6%≥细炻质大于3%≥炻瓷质大于0.5≥瓷质砖 应用：客厅地面一般宜选择瓷质砖或炻瓷砖，这种砖强度和耐磨性都较高，不易吸水变形或出现裂纹； 应用：厨房和卫生间地面，选择细炻砖或炻质砖较好，这两种砖有一定的吸水率，有利于地面干燥，同时也具有较好的强度。 按铺贴位置分类 内墙砖 外墙砖 地砖 按工艺分类 陶质釉面砖 ①釉面砖 瓷质釉面砖 简析： 釉面砖 优点：色彩和图案要更丰富，防污能力也更强。 缺点：不过耐磨性却不比抛光砖，因为表面上是釉料。 应用：釉面砖一般用于厨房和卫生间 陶质釉面砖： 由陶土烧制而成， 特性：吸水率较高，一般强度相对较低，主要特征是背面为红色; 瓷质釉面砖： 由瓷土烧制而成
特性：吸水率较低，一般强度相对较高，主要特征是背面为灰白色。 区分： 光泽上又分为亚光和亮光，厨房多选择亮光 玻化砖和釉面砖的区别： 在硬度上，吸水率高于0.5%的就是釉面砖，低于0.5%的就是玻化砖。） 抛光砖 ②通体砖 （表里如一） 玻化砖 简析： 通体砖: 是不上釉的，因材质正反面都一样而得名。 通常来说，通体砖比较耐磨的，但是没有釉面砖的花色丰富。 种类上也有防滑、抛光和渗花之分。 优点： 第一．通体砖的表面不上釉，正面和反面的材质和色泽一致，因而很出名。 第二．第二．通体砖经济又实用，所以在厨房里用得比较多。 第三．通体砖是一种耐磨砖，虽然现在还有渗花通体砖等品种，因此通体砖也越来越成为一种时尚，被广泛使用于厅堂、过道和室外走道等装修。第四.通体砖很能防潮。 第五．在厨房装修地面使用通体砖时，当其沾有油渍，可以用一般的清洁剂和金属丝擦洗，不会在地面上产生任何细小划痕或者污渍。 缺点： 第一．通体砖是经打磨后，毛气孔暴露在外，油污、灰尘等容易渗入。 第二．通体砖的吸水率偏高，污物尘土渗入砖体所致，一旦渗入是擦不掉的。第三．由于砖体表面存在开放性孔隙，容易吸纳污物和划痕，使得表面发黑、发黄、失去光泽，于是“瓷砖翻新”成为清洁市场的一大难题。 第四．通体砖由于表面不上釉，因此其装饰效果较差。 应用：厅堂和过道等地面，很少有人会用在墙面上。 抛光砖： 优点：表面光洁，坚硬耐磨，在运用渗花技术的基础上，可以做出各种仿石、仿木效果，无色差，弯曲强度大，砖体薄、重量轻。 缺点：易脏，防滑性能不很好，在抛光时留下的凹凸气孔造成的。这些气孔会藏污纳垢，所以在出厂时都加了一层防污层。 应用：适合在除洗手间、厨房以外的多数室内空间中使用。
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
装饰材料种类及其特点 装饰材料是指铺设或涂装在建筑物表面，包括内、外表面起装饰效果的材料。装饰材料是集材料、工艺、造型设计、色彩、美学于一身的材料。它涉及的范围很广，不但涉及到传统的建筑材料，如石材、木材、陶瓷等，还涉及到化工建材、塑料建材、纺织建材、冶金建材等各种新型建筑材料，品种已达几万种之多，因此对其进行分类的方法也很多。 若按装饰材料的化学性质可将其划分为有机装饰材料（如建筑塑料类的壁纸、地板、胶粘剂及有机高分子涂料等）和无机装饰材料两大类。其中无机装饰材料又分为金属装饰材料（如铝合金、不锈钢、铜等）和非金属装饰材料（如饰面石材、陶瓷、玻璃等）。但实际中为使用方便起见，常接建筑物的装饰部位，来对装饰材料分类。 外墙装饰材料： 外墙装饰是建筑装饰的重要内容之一，其目的在于提高墙体的抵抗自然界中各种因素如灰尘、雨雪、冰冻、日晒等侵袭破坏的能力，并与墙体结构一起共同满足保温、隔热、隔声、防水、美化等功能要求。所以外墙装饰材料应兼顾保护墙体和美化墙体的两重功能。常用的外墙装饰材料有： 外墙涂料类：涂料是指涂敷于物体表面能与基层牢固粘结并形成完整而坚韧保护膜的材料。建筑涂料是现代建筑装饰材料较为经济的一种材料，施工简单、工期短、工效高、装饰效果好、维修方便。外墙涂料具有装饰性良好、耐污染耐老化、施工维修容易和价格合理的特点。 陶瓷类装饰材料：陶瓷外墙面砖坚固耐用，色彩鲜艳而具有丰富的装饰效果，并具有易清洗、防火、抗水、耐磨、耐腐蚀和维修费用低的优点。 建筑装饰石材：包括天然饰面石材（大理石、花岗石）和人造石材。天然饰面石材装饰效果好，耐久，但造价高。人造石材具有重量轻、强度高、耐腐蚀、价格低、施工方便等优点。玻璃制品具有控制光线调节热量、节约能源、改善建筑物环境、增加美感等优点。包括玻璃锦砖、釉面玻璃、钢化玻璃、彩色玻璃等。金属装饰板材综合经济效益显著。 碎屑饰面：包括水刷石、干粘石。剁斧石等。碎屑饰面施工方便、经济耐用。 内墙装饰材料： 内墙装饰是室内装饰的一部分，它兼顾装饰室内空．间、满足使用要求和保护结构等多种功能。常用的内墙装饰材料有：内墙涂料类：种类很多，颜色多样，装饰效果好，可满足不同的使用环境要求。镜糊类：指壁纸、墙布类装饰材料。婊糊类装饰具有颜色丰富、花样繁多、可擦洗、耐污染、粘贴方便等优点。饰面石材：天然饰面石材中用于内墙装饰的是大理石，各种人造饰面板（人造大理石、预制水磨石板）也广泛用于内墙装饰。釉面砖：常见的釉面砖有白色、彩色、印花彩色、彩色拼图及彩色壁画等多种，釉面砖表面光滑、美观、易清洁、抗水、防水。刷浆类材料：适用于内墙刷浆工程的材料有石灰浆、大白浆、色粉浆、可赛银浆等。刷浆与涂料相比，价格低廉但不耐久。内墙饰面板：有塑料贴面板、纤维板、金属饰面板、胶合板饰面板等。 地面装饰材料： 地面装饰材料应具有安全性（即地面使用时的稳定性和安全性，如阻燃、防滑、电绝缘等）、耐久性、舒适性（指行走舒适有弹性、隔声吸音等）、装饰性。常用的地面装饰材料有如下几种。 木地板：是一种传统的地面材料。木地板古朴大方、有弹性行走舒适、美观隔声、价格较高，是一种较高级的地面装饰材料。 石材：铺地用石材主要是天然大理石和花岗石。它们高雅华丽，装饰效果好，但价格贵，
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
陶瓷材料的力学性能 高分子091 项淼学号17 陶瓷材料 陶瓷、金属、高分子材料并列为当代三大固体材料 之间的主要区别在于化学键不同。 金属：金属键 高分子：共价键（主价键）+范德瓦尔键（次价键） 陶瓷：离子键和共价键。 普通陶瓷，天然粘土为原料，混料成形，烧结而成。 工程陶瓷：高纯、超细的人工合成材料，精确控制化学组成。 工程陶瓷的性能： 耐热、耐磨、耐腐蚀、绝缘、抗蠕变性能好。 硬度高，弹性模量高，塑性韧性差，强度可靠性差。 常用的工程陶瓷材料有氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硼等。 一、陶瓷材料的结构和显微组织 1、结构特点 陶瓷材料通常是金属与非金属元素组成的化合物；以离子键和共价键为主要结合键。 可以通过改变晶体结构的晶型变化改变其性能。 如“六方氮化硼为松散的绝缘材料；立方结构是超硬材料” 2、显微组织 晶体相，玻璃相，气相 晶界、夹杂 （种类、数量、尺寸、形态、分布、影响材料的力学性能。 （可通过热处理改善材料的力学性能） 陶瓷的分类 ※玻璃—工业玻璃(光学，电工，仪表，实验室用)；建筑玻璃；日用玻璃 ※陶瓷—普通陶瓷--日用，建筑卫生，电器（绝缘），化工，多孔…… 特种陶瓷--电容器，压电，磁性，电光，高温…… 金属陶瓷--结构陶瓷，工具（硬质合金），耐热，电工…… ※玻璃陶瓷—耐热耐蚀微晶玻璃，光子玻璃陶瓷，无线电透明微晶玻璃，熔渣玻璃陶瓷… 2. 陶瓷的生产 (1)原料制备（拣选，破碎，磨细，混合） 普通陶瓷（粘土，石英，长石等天然材料） 特种陶瓷（人工的化学或化工原料--- 各种化合物如氧、碳、氮、硼化合物） (2)坯料的成形（可塑成形，注浆成形，压制成形） (3)烧成或烧结 3. 陶瓷的性能 (1)硬度是各类材料中最高的。 （高聚物<20HV，淬火钢500-800HV，陶瓷1000-5000HV） (2)刚度是各类材料中最高的（塑料1380MN/m2，钢207000MN/m2) (3)强度理论强度很高（E/10--E/5）；由于晶界的存在，实际强度比理论值低的多。