陶瓷基复合材料的制备方法与工艺课件

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。

陶瓷基复合材料（CMC）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。

陶瓷基复合材料介绍一、材料定义与特性陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites，简称CMC）是一种以陶瓷为基体，复合增强体材料的高性能复合材料。

它具有高强度、高硬度、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等优异性能，被广泛应用于航空航天、汽车、能源、化工等领域。

二、基体与增强体材料陶瓷基体的主要类型包括氧化铝、氮化硅、碳化硅、氮化硼等，它们具有高熔点、高硬度、耐腐蚀等特性。

增强体材料主要包括纤维、晶须、颗粒等，它们可以显著提高陶瓷基体的强度和韧性。

三、制备工艺与技术陶瓷基复合材料的制备工艺主要包括：热压烧结法、液相浸渍法、化学气相沉积法、粉末冶金法等。

其中，热压烧结法和液相浸渍法是最常用的制备工艺。

四、增强纤维与基体的界面增强纤维与基体的界面是影响陶瓷基复合材料性能的关键因素之一。

为了提高材料的性能，需要优化纤维与基体的界面特性，包括润湿性、粘结性、化学稳定性等。

五、材料的应用领域陶瓷基复合材料具有广泛的应用领域，主要包括：航空航天领域的发动机部件、机载设备；能源领域的燃气轮机叶片、核反应堆部件；汽车领域的刹车片、发动机部件；化工领域的耐腐蚀设备、管道等。

六、发展现状与趋势随着科技的不断进步，陶瓷基复合材料的研究和应用不断深入。

目前，国内外研究者正在致力于开发低成本、高性能的陶瓷基复合材料，并探索其在更多领域的应用。

同时，研究者还在研究如何更好地控制材料的微观结构和性能，以提高材料的综合性能。

七、挑战与机遇尽管陶瓷基复合材料具有许多优异的性能，但它们的制备工艺复杂、成本高，且存在易脆性等挑战。

然而，随着科技的不断进步和新材料的发展，陶瓷基复合材料的成本逐渐降低，应用领域也在不断扩大。

同时，随着环保意识的提高和能源需求的增加，陶瓷基复合材料在能源和环保领域的应用前景广阔。

因此，陶瓷基复合材料在未来仍具有巨大的发展潜力。

纤维增强陶瓷基复合材料的制备工艺纤维增强陶瓷基复合材料因其卓越的力学性能和高温稳定性而在航空航天、汽车、能源等领域得到广泛应用。

制备这种复合材料的方法有很多，以下是其中几种常见的制备工艺：一、预制法预制法是一种制备纤维增强陶瓷基复合材料的方法，其基本步骤包括制备增强纤维预制体、浸渍陶瓷基体材料和烧结或热压等。

在预制法中，增强纤维预制体的制备是关键步骤之一。

根据所需的形状和尺寸，可以采用不同的编织技术，如机织、针织、非织造等方法制成预制体。

增强纤维的选择也至关重要，常用的有玻璃纤维、碳纤维、氧化铝纤维等。

浸渍陶瓷基体材料是将增强纤维预制体浸入陶瓷基体溶液中，使其均匀涂覆在纤维表面。

这一步可以借助浸渍、涂刷或喷涂等方法实现。

陶瓷基体材料的选择应与增强纤维相容，并具有高温稳定性、良好的力学性能和化学稳定性。

最后一步是烧结或热压，通过控制温度和压力，使陶瓷基体与增强纤维紧密结合在一起，形成致密的复合材料。

烧结或热压的条件应根据陶瓷基体和增强纤维的特性进行选择，以确保最佳的结合效果。

预制法的优点在于可以制备形状复杂的复合材料，适用于制备大型部件。

同时，增强纤维预制体的可设计性较高，可以根据实际需求调整纤维的排列和密度，从而优化复合材料的性能。

然而，预制法也存在一些局限性，如增强纤维预制体的制备较为复杂，且陶瓷基体与增强纤维之间的界面结合强度可能较低。

为了提高预制法纤维增强陶瓷基复合材料的性能，可以采取一些措施，如优化增强纤维预制体的制备工艺、选择合适的陶瓷基体材料和优化烧结或热压条件等。

此外，对界面进行改性处理也是提高复合材料性能的有效途径，如采用偶联剂、涂层等方法改善界面结合强度。

二、直接法直接法是一种将增强纤维直接混合到陶瓷基体中的制备工艺。

直接法是一种制备纤维增强陶瓷基复合材料的方法，其基本原理是将增强纤维直接与陶瓷基体材料混合在一起，然后通过热压或注射成型等方法制成复合材料。

在直接法中，首先将增强纤维（如碳纤维、玻璃纤维等）与陶瓷粉末混合在一起，形成均匀的混合物。

氧化物导电陶瓷基复合材料一、引言氧化物导电陶瓷基复合材料是一种具有良好导电性和高温稳定性的材料，广泛应用于电子、能源、环保等领域。

本文将介绍氧化物导电陶瓷基复合材料的制备方法、性能及应用。

二、制备方法1. 热压法热压法是一种常见的制备氧化物导电陶瓷基复合材料的方法。

首先将粉末混合均匀，然后在高温高压下进行热压成型。

该方法制备出的复合材料具有较高的密度和强度，但需要较长时间进行热处理。

2. 溶胶凝胶法溶胶凝胶法是一种利用溶液中的化学反应形成凝胶，然后进行干燥和煅烧得到氧化物导电陶瓷基复合材料的方法。

该方法可以制备出均匀细小的颗粒，具有较高的比表面积和孔隙度，适用于制备纳米级复合材料。

3. 机械混合法机械混合法是一种简单易行且成本较低的制备氧化物导电陶瓷基复合材料的方法。

该方法利用球磨机等设备将粉末混合均匀，然后进行热处理得到复合材料。

该方法制备出的复合材料具有较高的孔隙度和比表面积，但密度较低。

三、性能1. 导电性能氧化物导电陶瓷基复合材料具有良好的导电性能，其导电性能与复合材料中氧化物和导电粒子的含量、形态及分布有关。

在一定范围内，随着氧化物和导电粒子含量的增加，复合材料的导电性能逐渐提高。

2. 高温稳定性氧化物导电陶瓷基复合材料具有较高的高温稳定性，在高温环境下仍能保持良好的导电性能和力学强度。

该特点使其广泛应用于高温环境下的传感器、催化剂等领域。

3. 机械强度氧化物导电陶瓷基复合材料具有较高的机械强度，其机械强度与复合材料中氧化物和导电粒子的含量、形态及分布有关。

在一定范围内，随着氧化物和导电粒子含量的增加，复合材料的机械强度逐渐提高。

四、应用1. 传感器氧化物导电陶瓷基复合材料具有良好的高温稳定性和导电性能，适用于高温环境下的传感器制备。

例如，利用氧化铝和碳黑制备出氧化铝-碳黑复合材料作为高温CO传感器。

2. 催化剂载体氧化物导电陶瓷基复合材料具有较高的比表面积和孔隙度，适用于催化剂载体。