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第7章陶瓷基复合材料汇总

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第七章陶瓷基体复合材料

第七章陶瓷基体复合材料

连续长纤维增强陶瓷复合材料的韧性、强度和模量都 有不同程度增强，而且制备工艺复杂，不容易均匀分 布。
短纤维（晶须）增强复合材料可以明显改善韧性，但 强度提高不够显著。晶须具有长径比，当其含量较高 时，因其桥架效应而使致密化变得因难，引起了密度 的下降并导致性能的下降。
复合材料的性能与基体的气孔率、界面结合有很大的 关系
二、ห้องสมุดไป่ตู้压烧结法
热压是目前制备纤维增强陶瓷基复合材料最常 用的方法，是压力与温度同时作用于粉体，加 快了粉体的致密化速度，使得产品的致密度更 高，同时晶粒尺寸也更小。主要包括以下两个 步骤：①增强相渗入没有固化的基体中；②固 化的复合材料被热压成型。
f(MPa)
Al2O3+ SiCw
复
SiCw含量（vol%）
SiCw含量（vol%）
合 材
维 氏
料
硬
弹 性
的
度
力
模 量
E(GPa)
学
性
能
SiCw含量（vol%）
从上面的讨论知道，由于晶须具有长 径比，因此，当其含量较高时，因其桥架 效应而使致密化变得因难，从而引起了密 度的下降并导致性能的下降。
氮化硅是一种出色的耐腐蚀材料，可用作坩锅， 热电欧保护管，金属冶炼炉的内衬材料。有极高 的热稳定性和中等的机械强度，可以用作火箭喷 嘴、导弹发射台和尾气喷管以及燃气轮叶片。
氮化硅原子自扩散系数非常小，制备难，近年来 人们开始研究添加氧化铝形成的氮化硅固溶体形 成Sialon陶瓷（赛隆，含有Si、Al、O、N四种元 素）。
工业陶瓷中碳化硅有黑色和绿色两种，黑色是碳过 量，绿色是硅过量
2）氮化硅陶瓷
氮和硅的唯一化合物。有α 、β 两中晶型，α 属于低 温型，在1400～1600℃时转变为β型（高温稳定型）。 两种变体均属于六方晶系，但c方向上α 型晶格常数 β型的2倍。两种晶型密度很相近，相变时几乎不发 生体积变化 。理论密度为3.184g/cm3，布氏硬度99 级，分解温度1900℃，α型膨胀系数为3.0×10-6/℃, β 型热膨胀系数为3.6×10-6/℃。20℃时电阻率为 1013~14Ω∙cm。机械强度高，尤其是高温机械强度。 化学稳定性好，抗氧化能力强

《陶瓷基复合材料》课件

《陶瓷基复合材料》课件

参考文献与资料
综述性论文
这类论文对陶瓷基复合材料的制备技术、性能及应用进行了全面的概述，有助于读者对该领域有一个整体的了解。
研究性论文
这类论文主要报道了最新的研究成果，包括新的制备技术、性能优化以及新型陶瓷基复合材料的开发等。
对比性论文
这类论文对不同制备方法、不同材料体系、不同工艺参数的陶瓷基复合材料进行了对比分析，有助于读者了解各种因素对材料性能的影响。
混料
将称量好的材料放入混料机中进行混合，确保均匀分布。
压制成型
将混合好的材料放入压片机中压制成型，获得所需形状和尺寸的样品。
烧结
将成型后的样品放入高温炉中进行烧结，获得陶瓷基复合材料。
性能测试
对制备好的陶瓷基复合材料进行性能测试，如硬度、强度、韧性等。
结果分析
根据实验数据和结果，分析陶瓷基复合材料的结构与性能关系，总结实验结论。
环境稳定性
航空航天领域：陶瓷基复合材料因其轻质、高强度和耐高温性能，广泛应用于航空航天领域的发动机部件、热结构部件和机舱内部件。例如，用于制造飞机涡轮叶片的碳化硅基复合材料。
陶瓷基复合材料的研究前沿与展望
纳米陶瓷材料
利用纳米技术制备的陶瓷材料具有优异的力学性能和高温稳定性，是当前研究的热点。
陶瓷基复合材料的增韧技术
这类著作对陶瓷基复合材料的各个方面进行了全面而深入的介绍，内容涵盖了制备、性能、应用等多个方面。
综合类著作
这类著作主要针对陶瓷基复合材料的某一特定方面进行深入探讨，如制备技术、增强相选择等。
专题类著作
这类著作主要作为高校教材使用，内容系统、详细，适合学生阅读和学习。
教材类著作
01
02
03
感谢观看

第七章 陶瓷基复合材料

第七章 陶瓷基复合材料

航空航天领域，用陶瓷基复合材料制作
的导弹的头锥、火箭的喷管等也收到了
良好的效果。
法国已将长纤维增强碳化硅复合材 料应用于制作超高速列车的制动件， 具有优异的磨擦磨损特性。
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普通使用的燃气轮机高温部件: 镍基台金或钴基合金 可使汽轮机的进口温度高达1400 ℃ ，但这些合金的耐高温极限受到了 其熔点的限制，因此采用陶瓷材料来代替高温合金已成了目前研究的 一个重点内容。
界面强度过低、则使晶须的拔出功减小，这对韧化和强化都不利，因
此界面强度存在一个最佳值。
有明显的锯齿效应，这是晶须拔出桥连机制作用的结果。
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7.2 陶瓷基复合材料的成型加工
7.2.1 纤维增强陶瓷基复合材料的加工 基体方面：与气孔的尺寸及数量，裂纹的大小以及一些其它缺陷有关；
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7.1.2 纤维增强陶瓷基复合材料
1、单向排布长纤维复合材料
单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料的显著特点：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。 裂纹的扩展必须克服
由于纤维的加入而产
生的拔出功和纤维断 裂功，使得材料的断 裂更为困难，起到增 韧的作用。
纤维成一定角度，根据构件
的形状用纤维浸浆缠绕的方 法做成所需要形状的壳层状 构件。
增韧机理
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三维多向排布纤维增韧陶瓷基复合材料
三维多向编织纤维增韧陶瓷是为了满足某些情况的性能要求而设计的。
这种材料最初是从宇航用三向C/C复合材料开始的，现已发展到三向石英/ 石英等陶瓷复合材料。 由于每束纤维呈直线伸展，不存在相 互交缠和绕曲，因而使纤维可以充分

第7章陶瓷基复合材料

第7章陶瓷基复合材料
加入适量的稳定剂后，t相可以部分或全部以亚稳定状态存在于室 温，分别称为部分稳定氧化锆（PSZ）或四方相氧化锆多晶体（TZP）。
利用t-ZrO2m-ZrO2的马氏体相变，可以用来增韧陶瓷材料，即 氧化锆增韧陶瓷材料（ZTC）。
ZrO2陶瓷的特点是呈弱酸性或惰性，导热系数小（在100~1000℃ 范围内，导热系数=1.7~2.0W/(mK)，其推荐使用温度为2000~2200℃， 主要用于耐火坩埚、炉子和反应堆的绝热材料、金属表面的热障涂层等。
20~40 － －
5、碳化硅陶瓷（SiC, Silicon Carbide）
以SiC为主要成分的陶瓷材料。
碳化硅（SiC）变体很多，但作为陶瓷材料的主要有两种晶体结构， 一种是-SiC，属六方晶系；一种是-SiC，属立方晶系，具有半导体特 性。多数碳化硅陶瓷是以-SiC为主晶相。
1、氧化铝陶瓷（Al2O3, alumina）
以氧化铝为主成分的陶瓷材料。氧化铝含量越高，性能越好。按 氧化铝含量可分为75瓷、85瓷、95瓷、99瓷和高纯氧化铝瓷等。
主晶相为-Al2O3，属六方晶系，体积密度为3.9 g/cm3左右，熔点 达2050℃。
氧化铝有多种变体，其中主要有、型。除-Al2O3外，其它均 为不稳定晶型。-Al2O3为低温型，具有FCC结构，在950~1200℃范围 内可转化为-Al2O3，体积收缩约13%。在氧化铝陶瓷制备过程中， 一般先将原料预烧， 使-Al2O3转化为-Al2O3。
基复合材料
❖ 晶片补强增韧陶瓷基复合材料——包括人工晶片和天然片状
材料
❖ 长纤维补强增韧陶瓷基复合材料 ❖ 叠层式陶瓷基复合材料——包括层状复合材料和梯度陶瓷基复
合材料。
陶瓷基复合材料类型汇总表

第7章 陶瓷基复合材料

第7章 陶瓷基复合材料

ZrO2含量(vol%)
Al2O3+20mol%SiCw+ZrO2(Y2O3)
SiCw与ZrO2复合增韧Al2O3的强度与断裂韧性
23
下表则给出了莫来石及其制得的复合材料的
强度与韧性。
材料 莫来石 f (Mpa) 244 KIC (MPa.M1/2) 2.8
莫来石+ SiCw 莫来石+ ZrO2+SiCw
29
(N)
(位移 m)
7.2 陶瓷基复合材料的成型加工
7.2.1 纤维增强陶瓷基复合材料的加工;
7.2.2 晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工; 7.3 陶瓷基复合材料的应用。
30
7.2.1 纤维增强
性能：基体、纤维及二者之间的结合等
基体：与气孔的尺寸及数量，裂纹的大小以及一些其它缺 陷有关； 纤维：与纤维中的杂质、纤维的氧化程度、损伤及其他固 有缺陷有关；
6
玻璃纤维
玻璃球
玻 璃 玻璃球再熔化 纤 维 生 连续纤维 上浆 产 流 程 纱线 图
绕线筒
7
硼纤维
多相的，无定形； 用化学沉积法将无定形硼沉积在钨丝或者碳纤
维上形成的；
在实际结构的硼纤维中，由于缺少大晶体结构，
使其纤维强度下降到只有晶体硼纤维一半左右；
8
晶须
晶须没有微裂纹、位错、孔洞和表面损伤等缺陷， 因此强度比大块晶体高； 研究较多的是SiC、A12O3及Si3N4晶须
36
陶瓷与金属的一个重要区别也在于它对制造工艺
中的微小变化特别敏感，而这些微小的变化在最终
烧成产品前是很难察觉的。
陶瓷制品一旦烧结结束，发现产品的质量有问题
时则为时已晚。 由于工艺路线很长，要查找原因十分困难。这就

陶瓷基复合材料

陶瓷基复合材料

3、莫来石陶瓷（3Al2O3· 2SiO2, mullite）
莫来石一般是由人工合成的。工业上多用天然高铝矾土、粘土或工 业氧化铝等为原料，常用烧结或电熔法合成莫来石熔块，然后破碎成各 种粒度的莫来石粉料。一般合成温度高于1700℃。
实验室一般用化学法（如Sol-gel法）合成高纯、超细的莫来石粉体。
晶须
（陶瓷）
纤维
（连续、短纤维） （陶瓷、高熔点金属）
1650
结构复合式
（叠层、梯度） （按设计要求选择材料）
水泥
硅酸盐化合物、铝酸盐化合物等
叠层式（叠层、梯度）
（按设计要求选择材料）
二、原材料及其特性
陶瓷基复合材料是由基体材料和增强体材料组成。
基体材料有氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、水泥、玻璃等。 增强体材料主要以不同形态来区分，有颗粒状、纤维状、 晶须、晶板等。
表面强化增韧
陶瓷材料的断裂往往是从表面拉应力超过断裂 应力开始的。由于ZrO2陶瓷烧结体表面存在基 体的约束较少，t-ZrO2容易转变为m-ZrO2，而 内部t-ZrO2由于受基体各方向的压力保持亚稳 定状态。因此表面的m-ZrO2比内部的多，而转 变产生的体积膨胀使材料表面产生残余的压应 力，可以抵消一部分外加的拉应力，从而造成 表面强化增韧。
莫来石质陶瓷通常是在1550~1600℃下常压烧结而成，纯莫来石陶 瓷通常要在1750℃左右才能烧结。
加入适量的稳定剂后，t相可以部分或全部以亚稳定状态存在于室 温，分别称为部分稳定氧化锆（PSZ）或四方相氧化锆多晶体（TZP）。
利用t-ZrO2m-ZrO2的马氏体相变，可以用来增韧陶瓷材料，即 氧化锆增韧陶瓷材料（ZTC）。 ZrO2陶瓷的特点是呈弱酸性或惰性，导热系数小（在100~1000℃ 范围内，导热系数=1.7~2.0W/(mK)，其推荐使用温度为2000~2200℃， 主要用于耐火坩埚、炉子和反应堆的绝热材料、金属表面的热障涂层等。

第七章陶瓷基复合材料

第七章陶瓷基复合材料
• 陶瓷基复合材料的性能除于基体和增强材料的种类有关外， 也与增强材料的加入量有较大关系，特别是晶须材料，加 入太少时，增强效果小，加入太多时，由于晶须的顶立和 架桥左右，使得复合材料的致密化困难，导致复合材料的 强度降低。
• 7.1.4陶瓷基复合材料的界面强韧化机理 • 偏转、拔出、脱粘、桥联
• 7.2.1纤维增强陶瓷基复合材料的制备 1.泥浆浇铸法
• 在泥浆中把纤维分散，然后浇铸到石膏模具中一定时间后 脱模，修坯干燥后烧成。
• 工艺简单、生产成本低，产品性能不是很好。
2.热压烧结法 • 将纤维切短后，与基体粉末混合均匀，再用热压或无压烧
结的方法制得高性能的复合材料。 • 产品性能较好，难于制备形状复杂的产品，生产成本较高。
• 2.多向排列纤维复合材料
• 二维多向排列，复合材料在二维方向上性 能比较一致；
• 三维多向排列，复合材料在三维方向上性 能接近。
• 多向排列纤维复合材料的增韧机理与单向 排列相同。
• 7.1.3晶须和颗粒增强陶瓷基复合材料 • 晶须尺寸较小，宏观上与粉末相似，在制备复合材料时，
只需将晶须或颗粒增强材料与基体材料的粉末混合均匀， 然后进行热压或无压烧结，即可得到比较致密的陶瓷基复 合材料。
氮化物陶瓷（氮化硅、氮化铝、氮化硼等）； 碳化物陶瓷（碳化硅、碳化钛、碳化硼等）。
• 2.增强材料
• 性状：长、短纤维、晶须、颗粒材料。
• 纤维材料：碳纤维、玻璃纤维、硼纤维等。
• 晶须材料：氧化铝、碳化硅、氮化硅、碳化硼、石墨等。
• 颗粒材料：等积形颗粒，一般直径为几微米左右，材质 以碳化硅、氮化硅为多，颗粒增强效果不如晶须或纤维， 但其加入比例可达到较大值，故对复合材料的性能的改 变也较大。

复合材料学(第七章陶瓷基复合材料)

复合材料学(第七章陶瓷基复合材料)

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 0.3-lμm ， 长 30100μm)的小单晶体。从结构上看，晶须的特 点是没有微裂纹、位错、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 0.1E(E 为杨氏模 量)，这已非常接近于理论上的理想拉伸强度 0.2E 。 而相比之下，多晶的金属纤维和块状 金属的拉伸强度只有0.02E和0.001E。 自发现百余种不同材料构成的晶须以来， 人们对其已给予了特别的关注。因为它们具 有最佳的热性能、低密度和高杨氏模量。
2．陶瓷复合材料的增强体 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，下面分别加以介绍。 碳纤维是用来制造陶瓷基复合材料最常 用的纤维之一。碳纤维可用多种方法进行生 产，工业上主要采用有机母体的热氧化和石 墨化。其生产过程包括三个主要阶段，第一 阶段在空气中于 200℃-400℃进行低温氧化， 第二阶段是在惰性气体中在 1000℃左右进行 碳化处理 ，第三 阶段则 是在惰 性气体中于 2000℃以上的温度作石墨化处理。
接方式，可把硅酸盐晶体分成五种结构类型， 如表7-3所示，这里也不再继续详细讨论。
陶瓷材料除了形成各种晶体结构以外，有 些还可形成原子或离子排列没有周期性规律的 非晶态物质。图7-12为晶体与非晶体结构的 两维示意图。 可以看出，图 (a)的晶体结构的 原子排列可以用单 位晶胞的周期性重 复堆积来表示，而 图 (b)的非晶态结 构却不能用单位晶 胞的周期性重复来表示。晶体与非晶体可用x 射线衍射、中子衍射或电子衍射的方法来鉴别 。
在陶瓷基复合材料中使用得较为普遍的是 SiC，Al2O3及Si3N4晶须。 陶瓷材料中的另一种增强体为颗粒。从 几何尺寸上看，它在各个方向上的长度是大 致相同的，一般为几个微米。通常用得较多 的颗粒也是 SiC ， Si3N4 等。颗粒的增韧效果 虽不如纤维和晶须，但如颗粒种类、粒径、 含量及基体材料选择适当仍会有一定的韧化 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 到重视陶瓷基复合材料的基体与增强体

《陶瓷基复合材料》课件

《陶瓷基复合材料》课件
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料结合了陶瓷和其他材料的优点，具有出色的力学、热学和电 学性能，是一种重要的先进材料。
什么是陶瓷基复合材料？
定义
陶瓷基复合材料是将陶瓷作为基质，与其他材料（如金属、聚合物等）混合制成的材料。
ห้องสมุดไป่ตู้特点
具有高硬度、高强度、耐高温、抗腐蚀等优良性能，可满足各种工业领域的需求。
陶瓷基复合材料的制备方法
结论
陶瓷基复合材料的优点
高强度、高硬度、耐高温、 抗腐蚀等特点使其成为各行 业重要的材料选择。
为何有利于工业发展
在提升产品性能和降低成本 方面具有巨大潜力，能推动 产业升级。
未来应如何发展？
加强技术研究、推动产学研 合作，不断创新和提升陶瓷 基复合材料的性能和应用范 围。
电子行业
用于集成电路、芯片封装等电子器件，提供优异的 绝缘和散热性能。
其他领域
如能源、化工、医疗等领域都有广泛的应用。
陶瓷基复合材料的发展前景
1
技术难点及解决方法
面临制备工艺、材料选择等方面的挑战，需要深入研究和创新技术。
2
未来发展趋势
预计在新能源、高端装备制造等领域有更广泛的应用，为工业发展带来新机遇。
热性能
耐高温性能出众，可 在高温环境下保持稳 定。
电性能
具备优异的绝缘性和 导电性能，适用于各 种电子器件。
其他性能
如耐腐蚀性、低摩擦 系数等特殊性能，广 泛应用于特定领域。
陶瓷基复合材料的应用
航空航天领域
用于制造发动机叶片、航天器外壳等关键部件，提 供高温和高强度的支撑。
汽车工业
应用于制动系统、排气系统等部件，提高汽车的性 能和耐久性。
1 热压法

《陶瓷基复合材 》课件

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后处理
对烧成后的陶瓷复合材料进行 表面处理、切割、研磨等加工 ，以满足不同需求。
制备工艺的影响因素
原料的纯度和粒度
烧成温度和时间
气氛环境
添加剂的作用
原料的纯度和粒度对陶瓷基复 合材料的性能有着重要影响。 高纯度和细粒度的原料可以获 得更好的材料性能。
烧成温度和时间是制备工艺中 的关键因素，它们决定了陶瓷 基复合材料的结构和性能。
陶瓷基复合材料具有低膨胀系数和优良的 电绝缘性能，可用于电子元件的封装和连 接等领域。
02
陶瓷基复合材料的制备工艺
制备工艺的种类
热压烧结法
将陶瓷粉末在高温和压力下烧结成致密块体 的方法。
无压烧结法
在无外加压力的条件下，利用烧结助剂促进 陶瓷粉末烧结的方法。
熔融浸渗法
将熔融的金属或玻璃浸渗到多孔陶瓷基体中 ，形成复合材料的方法。
陶瓷基复合材料的应用领域
航空航天领域
汽车工业
陶瓷基复合材料具有轻质、高强、耐高温 等优点，广泛应用于航空航天器的热防护 系统、发动机部件等领域。
陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能和 化学稳定性，可用于汽车发动机部件、排 气管等领域。
能源领域
电子工业
陶瓷基复合材料具有良好的隔热性能和耐 腐蚀性能，可用于高温燃气轮机、核反应 堆等能源设备的制造。
化学气相沉积法
利用化学反应，将气体中的元素在陶瓷表面 沉积成固体，形成复合材料的方法。
制备工艺的流程
混合
将称量好的原料和添加剂进行 混合，使其成为致密的陶 瓷复合材料。
配料
根据配方要求，将各种原料和 添加剂进行精确称量。
成型
将混合好的原料放入模具中， 进行压制成型。
低热膨胀系数

陶瓷基复合材料综述

陶瓷基复合材料综述

陶瓷基复合材料综述陶瓷基复合材料是指以陶瓷材料为基体，通过添加其他材料或者通过热处理等方式形成的一种具有复合结构的新型材料。

陶瓷基复合材料具有许多优异的性能，包括高温稳定性、高硬度、高抗磨损性和良好的化学稳定性等。

本文将对陶瓷基复合材料的制备方法、性能以及应用方面进行综述。

一、陶瓷基复合材料的制备方法陶瓷基复合材料的制备方法可以分为两大类：一种是在陶瓷基体中添加其他材料，如纳米颗粒、纤维、碳纳米管等；另一种是通过热处理等方式改变陶瓷基体的结构和性能。

其中，添加其他材料的方法主要包括浸渍法、溶胶凝胶法、等离子熔融法等；热处理方法主要包括烧结、热压、热等静压等。

二、陶瓷基复合材料的性能陶瓷基复合材料具有许多独特的性能，其主要包括高温稳定性、高硬度、高抗磨损性和良好的化学稳定性。

其中，高温稳定性是指材料在高温下仍然能够保持物理和化学性能的稳定性。

高硬度则是指材料的硬度较高，能够抵抗外界的划痕和磨损。

高抗磨损性则是指材料能够在摩擦和磨损等条件下保持其表面的完整性和光洁度。

化学稳定性则是指材料对酸、碱、盐等化学介质的稳定性较好，不易发生腐蚀和溶解。

三、陶瓷基复合材料的应用方面由于陶瓷基复合材料具有优异的性能，因此在许多领域都得到了广泛的应用。

其中，陶瓷基复合材料在航空航天领域中被广泛应用于火箭发动机喷管、刹车盘等高温部件中。

此外，在能源领域，陶瓷基复合材料可以用于制备高效的催化剂、光催化剂和固态电解质等。

在汽车制造领域，陶瓷基复合材料可以应用于汽车刹车系统、传动系统和发动机部件等。

此外，陶瓷基复合材料还可以用于制备耐磨、耐蚀和高温结构件，如轴承、密封件和切割工具等。

综上所述，陶瓷基复合材料具有许多优异的性能，包括高温稳定性、高硬度、高抗磨损性和良好的化学稳定性等。

通过添加其他材料或者通过热处理等方式改变陶瓷基体的结构和性能，可以制备出具有不同功能和应用的陶瓷基复合材料。

由于其广泛的应用前景，陶瓷基复合材料在材料科学领域中受到了广泛的研究和开发。

《陶瓷基复合材》课件

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2
陶瓷基复合材料的问题及挑战
陶瓷基复合材料在制备过程中存在工艺复杂、成本高等问题，需要进一步解决和 改进。
结论
陶瓷基复合材料的综合性能评价
综合考虑陶瓷基复合材料的力学性能、热学性能、耐久性等方面，可以评价其综合性能水平。
陶瓷基复合材料的发展前景
陶瓷基复合材料在高科技领域有着广阔的应用前景，将为科学技术的发展提供重要支持。
参考文献
1. 文献1 2. 文献2 3. 文献3
陶瓷基复合材料的组成包括陶瓷基体和增强材料，其结构形式可以是颗粒增强、 纤维增强等。
性能测试
1 陶瓷基复合材料的力学性能测试
力学性能测试包括强度、硬度、韧性等方面的评估，以确保陶瓷基复合材料的可靠性和 耐久性。
2 陶瓷基复合材料的热学性能测试
热学性能测试包括热导率、热膨胀系数等方面的评估，以确保陶瓷基复合材料在高温环 境下的稳定性。
应用案例
陶瓷基复合材料在航天领域的应用
陶瓷基复合材料在航天器结构、导航系统和热保护 层等方面发挥重要作用。
陶瓷基复合材料在医疗领域的应用
陶瓷基复合材料应用于仿生器官、骨修复、人工关 节等方面，为医疗技术的发展带来新的突破。
进一步研究
1
陶瓷基复合材料的未来发展趋势
随着科学技术的不断进步，陶瓷基复合材料将会在性能、制备技术等方面取得更 大突破。
陶瓷基复合材 PPT课件
研究陶瓷基复合材料是为了探索新型材料的结构与性能，本PPT课件将介绍陶 瓷基复合材料的概述、制备方法、性能测试、应用案例、未来发展趋势以及 参考文献。Leabharlann 概述什么是陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料是一种由陶瓷基体和其他增强物质组成的复合材料，具有优异的力学和热学 性能。

第7章 陶瓷基复合材料

第7章 陶瓷基复合材料
9
裂纹扩展遇到纤维时受阻， 裂纹扩展遇到纤维时受阻，基体与纤维 间的界面的离解，纤维从基体中拔出， 间的界面的离解，纤维从基体中拔出， 纤维发生断裂， 纤维发生断裂，主裂纹还将沿纤维断裂 位置的不同而发生裂纹转向。 位置的不同而发生裂纹转向。
10
2．多向排布纤维增韧复合材料 ． 单向排布纤维增韧陶瓷只是在纤维排列方向上的纵向性能较为优越， 单向排布纤维增韧陶瓷只是在纤维排列方向上的纵向性能较为优越，而 其横向性能则显著低于纵向性能。只适用于单轴应力的场合。 其横向性能则显著低于纵向性能。只适用于单轴应力的场合。许多陶瓷 构件要求在二维及三维方向上均具有优良的性能， 构件要求在二维及三维方向上均具有优良的性能，需研究多向排布纤维 增韧陶瓷复合材料。 增韧陶瓷复合材料。 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。这种复合材料中纤维的排布方式存两 种。一种是将纤维编织成纤维布，浸渍浆料后根据需要的厚度将单层或 一种是将纤维编织成纤维布， 若干层进行热压烧结成型，如图 所示。 若干层进行热压烧结成型，如图7—17所示。 所示
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17
另一类界面则是在增韧体与基体之间形成一层 中间反应层，中间层将基体与韧体结合起来。 中间反应层，中间层将基体与韧体结合起来。 有利于复合材料的致密化。增韧相与基体无固 有利于复合材料的致密化。 定的取向关系。 定的取向关系。可通过界面反应来控制界面非 晶层的厚度， 晶层的厚度，并可通过对晶须表面涂层处理或 加入不同界面层形成物质控制反应层的强度， 加入不同界面层形成物质控制反应层的强度， 从而适当控制界面结合强度使复合材料获得预 期的性能，但非晶层的存在对材料的高温性能 期的性能， 不利。 不利。
1
7.1 陶瓷基复合材料的种类及基本性能 陶瓷材料的韧化问题成了近年来陶瓷工 作者们研究的一个重点问题。 作者们研究的一个重点问题。探索出了 若干种韧化陶瓷的途径。 若干种韧化陶瓷的途径。其中往陶瓷材 料中加入起增韧作用的第二相而制成陶 瓷基复合材料即是一种重要方法。 瓷基复合材料即是一种重要方法。

复合材料学(第七章 陶瓷基复合材料)

复合材料学(第七章 陶瓷基复合材料)
从上面的讨论知道，由于晶须具有长径 比，因此当其含量较高时，因其桥架效应而 使致密化变得困难， 从而引起了密度的下降
并导致性能的下降。为了克服这一弱点，可 采用颗粒来代替晶须制成复合材料，这种复 合材料在原料的混合均匀化及烧结致密化方 面均比晶须增强陶瓷基复合材料要容易。
当所用的颗粒为SiC，TiC时，基体材料 采用最多的是A12O3，Si3N4。目前，这些复 合材料已广泛用来制造刀具。
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 0.3-lμm ， 长 30100μm)的小单晶体。从结构上看，晶须的特 点是没有微裂纹、位错、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0.1E(E为杨氏模 量)，这已非常接近于理论上的理想拉伸强度
0.2E。而相比之下，多晶的金属纤维和块状
金属的拉伸强度只有0.02E和0.001E。
自发现百余种不同材料构成的晶须以来， 人们对其已给予了特别的关注。因为它们具 有最佳的热性能、低密度和高杨氏模量。
在陶瓷基复合材料中使用得较为普遍的是 SiC，Al2O3及Si3N4晶须。
陶瓷材料中的另一种增强体为颗粒。从
2．陶瓷复合材料的增强体
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，下面分别加以介绍。
碳纤维是用来制造陶瓷基复合材料最常 用的纤维之一。碳纤维可用多种方法进行生 产，工业上主要采用有机母体的热氧化和石 墨化。其生产过程包括三个主要阶段，第一 阶段在空气中于200℃-400℃进行低温氧化， 第二阶段是在惰性气体中在1000℃左右进行 碳化处理，第三阶段则是在惰性气体中于 2000℃以上的温度作石墨化处理。

第7章 陶瓷基复合材料

第7章 陶瓷基复合材料

氮化硼和氮化钛陶瓷
氮化硼陶瓷 BN有两种晶型：六方BN结构，性能与石墨相似， BN有两种晶型：六方BN结构，性能与石墨相似， 因此有白石墨之称。HBN硬度不高，是 因此有白石墨之称。HBN硬度不高，是 唯一易于机 械加工的陶瓷。高温（1500～2000℃)高压（6 械加工的陶瓷。高温（1500～2000℃)高压（6－ 9×103MPa ）下可转化为立方BN(CBN）。CBN的硬度 ）下可转化为立方BN(CBN）。CBN的硬度 接近于金刚石，是极好的耐磨材料。 氮化硼陶瓷的生产工艺用两种，即冷等静压成 型→ 1700～2000 ℃烧结，或在2000℃热压烧结。 1700～ ℃烧结，或在2000℃热压烧结。
氮化钛陶瓷 TiN是一种新型的结构材料，硬度大（显微 TiN是一种新型的结构材料，硬度大（显微 硬度为2100kg 硬度为2100kg · mm-2 )高熔点（2950℃）、化 高熔点（2950℃）、化 学稳定性好，而且金黄色金属光泽。是一种很好 的耐火耐磨材料及受人欢迎的代金装饰材料。 TiN还有导电性，可用作熔盐电极以及电触 TiN还有导电性，可用作熔盐电极以及电触 头等材料；TiN具有较高的超导临界温度，还是 头等材料；TiN具有较高的超导临界温度，还是 一种优良的超导材料。 常用的制备方法有：直接氮化，TiO2碳还原 常用的制备方法有：直接氮化，TiO 以及CVD法 以及CVD法
碳化硅陶瓷
以SiC为主要成分的陶瓷。 SiC为主要成分的陶瓷。 具有很高的高温强度， 1400℃ 具有很高的高温强度 ， 在 1400℃ 时抗弯强度仍保持在 500～600MPa，工作温度可达1700℃；有很好的热稳定性、 500～600MPa，工作温度可达1700℃；有很好的热稳定性、抗 蠕变性、耐磨性、耐蚀性，良好的导热性、耐辐射性。 蠕变性、耐磨性、耐蚀性，良好的导热性、耐辐射性。 由于碳化硅表面有一层薄氧化膜，因此很难烧结， 由于碳化硅表面有一层薄氧化膜，因此很难烧结，需添 加烧结助剂促进烧结，常加的助剂有硼、 加烧结助剂促进烧结，常加的助剂有硼、碳、铝等。 铝等。 用于制作火箭尾喷管喷嘴、浇注金属的浇道口、轴承、轴套、 用于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、热电偶保护套管、 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、燃气轮机叶片及轴承，泵的密封圈、 核燃料包封材料、燃气轮机叶片及轴承，泵的密封圈、 拉丝成型模具等。 拉丝成型模具等。

《复合材料教学》7陶瓷基复合材料

《复合材料教学》7陶瓷基复合材料
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3)原位化学反应法
原位化学反应技术已经被广泛用于制 造整体陶瓷件，同样该技术也可以用于制 造陶瓷基复合材料，已广泛应用的有CVD 和CVI工艺。
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① CVD法
CVD法就是利用化学气相沉积技术， 通过一些反应性混合气体在高温状态下反 应，分解出陶瓷材料并沉积在各种增强材 料上形成陶瓷基复合材料的方法。
断裂韧性 MPa/m1/2
裂纹尺寸 大小, m
整体陶瓷
颗粒增韧
Al203
Al203/Ti Si3N4/T ZrO2/MgO
SiC C
iC
2.7~ 4.2
1.3~ 36
4.5 4.2~ ~ 4.5 6.0
41~ 36~ 74 41
4. 5 9~12
41
165~ 292
相变增韧
ZrO2/Y2 O3
ZrO2/ Al203
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渗透法的主要缺点
①如果使用高熔点的陶瓷，就可能在陶 瓷和增强材料之间发生化学反应；
②陶瓷具有比金属更高的熔融黏度，因 此对增强材料的渗透相当困难；
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③增强材料和基体在冷却后，由于不 同的热膨胀系数会引起收缩产生裂纹。
因此，为了避免这种情况，要尽量选 用热膨胀系数相近的增强材料和基体。
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2)直接氧化法(Lanxide法)
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② CVI法
将化学气相沉积技术运用在将大量陶瓷 材料渗透进增强材料预制坯件的工艺就称 为化学气相渗透工艺。
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从这两种工艺技术来说，CVD法首先被 开发并应用于一些陶瓷纤维的制造和C/C复 合材料的制备；
CVI方法在CVD技术上发展起来并被广 泛应用于各种陶瓷基复合材料。
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下图是CVI的工艺示意图，
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第七章 陶瓷基复合材料
（Ceramic Matrix Composites）
一、基本概念和分类
1、定义
陶瓷基复合材料 （Ceramic Matrix Composites，简称CMCs）
以陶瓷材料为基体，以高强度纤维、晶须、晶片和颗粒 为增强体，通过适当的复合工艺所制成的复合材料。
通常也称为复相陶瓷材料（Multiphase ceramics）或多 相复合陶瓷材料（Multiphase composite ceramics)
耐磨蚀、极好抗热震性、极好润滑性 非常高的硬度、极好的热传导体 耐热、高热传导体
耐热、耐腐蚀、耐磨损、高热导体 高断裂韧性、高强度
几种常用的陶瓷基体材料简介：
氧化铝（Al2O3） 二氧化锆（ZrO2） 莫来石（3Al2O32SiO2） 氮化硅（Si3N4，Sialon） 碳化硅（SiC） 玻璃陶瓷（LAS、MAS、CAS）
基复合材料
❖ 晶片补强增韧陶瓷基复合材料——包括人工晶片和天然片状
材料
❖ 长纤维补强增韧陶瓷基复合材料 ❖ 叠层式陶瓷基复合材料——包括层状复合材料和梯度陶瓷基复
合材料。
陶瓷基复合材料类型汇总表
增强体形态 （材料名称）
颗粒
（陶瓷、金属）
晶须
（陶瓷）
纤维
（连续、短纤维） （陶瓷、高熔点金属）
结构复合式
（叠层、梯度） （按设计要求选择材料）
基体材料种类 （材料名称） 玻璃：SiO2等
玻璃陶瓷：LAS、MAS、CAS
氧化物陶瓷：Al2O3, MgO, ZrO2, Mullite
非氧化物陶瓷 碳化物：B4C, SiC, TiC, ZrC, Mo2C, WC 氮化物：BN, AlN, Si3N4,TiN,ZrN 硼化物：AlB2, TiB2, ZrB2
1、氧化铝陶瓷（Al2O3, alumina）
以氧化铝为主成分的陶瓷材料。氧化铝含量越高，性能越好。按 氧化铝含量可分为75瓷、85瓷、95瓷、99瓷和高纯氧化铝瓷等。
主晶相为-Al2O3，属六方晶系，体积密度为3.9 g/cm3左右，熔点 达2050℃。
氧化铝有多种变体，其中主要有、型。除-Al2O3外，其它均 为不稳定晶型。-Al2O3为低温型，具有FCC结构，在950~1200℃范围 内可转化为-Al2O3，体积收缩约13%。在氧化铝陶瓷制备过程中， 一般先将原料预烧， 使-Al2O3转化为-Al2O3。
氧化物陶瓷
氧化铝 二氧化锆 堇青石(Mg2Al4Si5O18) 钛酸铝 莫来石 氧化物复合材料
非氧化物陶瓷
氮化硅
六方氮化硼 立方氮化硼
氮化铝 碳化硅 复合陶瓷
性能
耐热、耐腐蚀、耐磨
高断裂韧性、绝热
低膨胀系数、极好的抗热震性
低膨胀系数、绝热、极好抗热震性
耐热、耐腐蚀
高断裂韧性、高强度
性
能
高断裂韧性、高强度、极好抗热震性、耐磨损
2、分类
(1)、按使用性能特性分类
❖ 结构陶瓷基复合材料
主要利用其力学性能和耐高温性能，主要用作承力和次承力构件，主要特 性是轻质、高强、高刚度、高比模、耐高温、低膨胀、绝热和耐腐蚀等。
❖ 功能陶瓷基复合材料
主要利用其光、声、电、磁、热等物理性能的功能材料，指除力学性能以 外而具有某些物理性能（如导电、半导、磁性、压电、阻尼、吸声、吸波、屏 蔽、阻燃、防热等）的陶瓷基复合材料。主要由功能体（单功能或多功能）和 基体组成，基体不仅起到粘结和赋形的作用，同时也会对复合陶瓷整体性能有 影产生复合效 应而出现新的功能。
250-300 1200 5-5.5 25-30
刚玉瓷
95瓷 95
-Al2O3
3.5 180 280-350 2000 5.5-7.5 15-18
刚玉瓷
99瓷 99
-Al2O3
3.9 250 370-450 2500 6.7 25-30
氧化铝瓷的其它性能 ：
❖ 氧化铝的硬度约为20GPa，仅次于金刚石、立方氮化 硼和碳化硅，有很好的耐磨性。
水泥
硅酸盐化合物、铝酸盐化合物等
叠层式（叠层、梯度）
（按设计要求选择材料）
最高使用温度 （K） 860 1100 1300
1650
二、陶瓷基体
陶瓷基复合材料是由基体材料和增强体材料组成。 基体材料有氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、水泥、玻璃等。 增强体材料主要以不同形态来区分，有颗粒状、纤维状、 晶须、晶板等。
加入适量的稳定剂后，t相可以部分或全部以亚稳定状态存在于室 温，分别称为部分稳定氧化锆（PSZ）或四方相氧化锆多晶体（TZP）。
利用t-ZrO2m-ZrO2的马氏体相变，可以用来增韧陶瓷材料，即 氧化锆增韧陶瓷材料（ZTC）。
ZrO2陶瓷的特点是呈弱酸性或惰性，导热系数小（在100~1000℃ 范围内，导热系数=1.7~2.0W/(mK)，其推荐使用温度为2000~2200℃， 主要用于耐火坩埚、炉子和反应堆的绝热材料、金属表面的热障涂层等。
2、分类
(2)、按基体材料分类
❖ 氧化物陶瓷基复合材料 ❖ 非氧化物陶瓷基复合材料 ❖ 玻璃基或玻璃陶瓷基复合材料 ❖ 水泥基多相复合（陶瓷）材料
2、分类
(3)、按增强体的形态分类
可分为零维（颗粒）、一维（纤维状）、二维（片状和平面织 物）、三维（三向编织体）等陶瓷基复合材料。具体可分为：
❖ 颗粒弥散强化陶瓷基复合材料——包括硬质颗粒和延性颗粒 ❖ 晶须补强增韧陶瓷基复合材料——包括短纤维补强增韧陶瓷
❖ 耐高温性能好，高氧化铝含量的刚玉瓷可在1600℃高 温下长期使用，而且蠕变小。
❖ 氧化铝还具有很好的耐腐蚀性和电绝缘性。 ❖ 但氧化铝脆性较大，抗热震性差，不能承受环境温度
的突然变化。
2、氧化锆陶瓷（ZrO2, zirconia）
以氧化锆为主成分的陶瓷材料。
ZrO2有三种晶型：单斜相(m)、四方相(t)及立方相(c)。在1170℃时 单斜相转变为四方相，此可逆转变同时伴随着7~9%的体积变化，使陶 瓷烧成时容易开裂，故须加入适量的CaO、MgO、CeO2或Y2O3等氧化 物作为稳定剂。
氧化铝陶瓷制备时常用的助烧剂有TiO2、MgO等。
氧化铝瓷的主要性能
名称
牌号 Al2O3含量，wt％
主晶相
密度, g/cm3 抗拉强度, MPa 抗弯强度, MPa 抗压强度, MPa 膨胀系数, 10-6/℃ 介电强度, KV/mm
刚玉－莫来石瓷
75瓷 75
-Al2O3 3Al2O32SiO2
3.2-3.4 140