陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料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。
工制备艺浆体浸渍-热压法适用于长纤维。
首先把纤维编织成所需形状，然后用陶瓷泥浆浸渍，干燥后进行烧结。
优点是加热温度较晶体陶瓷低，层板的堆垛次序可任意排列，纤维分布均匀，气孔率低，获得的强度较高。
缺点则是不能制造大尺寸的制品，所得制品的致密度较低，此外零件的形状不宜太复杂，基体材料必须是低熔点或低软化点陶瓷。
晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工与制备晶须与颗粒的尺寸均很小，只是几何形状上有些区别，用它们进行增韧的陶瓷基复合材料的制造工艺是基本相同的。
基本上是采用粉末冶金方法。
制备工艺比长纤维复合材料简便很多。
所用设备也不复杂设备。
过程简单。
混合均匀，热压烧结即可制得高性能的复合材料制造工艺也可大致分为配料-成型-烧结-精加工等步骤。
直接氧化沉积法方法：将纤维预制体置于熔融金属上面，添加有镁、硅添加剂的熔融金属铝，在氧化气氛中，不断地浸渍预制体，在浸渍过程中，熔融金属或其蒸汽与气相氧化剂反应生成氧化物。
随着时间的延长，边浸渍边氧化，最终可制得纤维增强CMC。
优点：纤维几乎无损伤、纤维分布均匀、CMC性能优异，工艺简单、效率高成本低先驱体热解法方法：将单独合成的先驱体，通过加温调节其粘度，在高压-真空联合作用下使其浸入并充满多向纤维编织坯件的空隙，在高温下使先驱体热解。
陶瓷基复合材料
CVI工艺的优点在于：工艺温度低；适用范围广， 可制备碳化物、氮化物、氧化物、硼化物及C/C等复合 材料，材料纯度高，工艺过程构件不收缩，适于制备大 尺寸、形状复杂构件。
第6章 陶瓷基复合材料
• 6.1 陶瓷基复合材料的种类和性能 • 6.2 陶瓷基复合材料的制备工艺 • 6.3 氧化物基陶瓷复合材料 • 6.4 非氧化物基陶瓷复合材料 • 6.5 碳/碳复合材料 • 6.6 微晶玻璃基复合材料
6.1 陶瓷基复合材料的种类和性能
现代陶瓷材料具有耐高温、硬度高、耐 磨损及相对密度优良的性能轻等许多优良 的性能。
• 此外，利用反应放热合成陶瓷粉体也较多， 如自蔓延高温燃烧合成等。
2. 成型 • 陶瓷成型方法主要有：模压成型、等静压成型、
热压铸成型、挤压成型、轧膜成型、流延法成 型、注射成型和直接凝固成型等。 a) 模压成型：将粉料填充到模具内部后，通过单 向或双向加压，将粉料压成所需形状。 b) 等静压成型：一般等静压指的是湿袋式等静压 （也叫湿法等静压），就是将粉料装入橡胶或 塑料等可变形的容器中，密封后放入液压油后 水等流体介质中，加压获得所需的坯体。 c) 热压铸成型：将粉料与蜡（或其他有机高分子 粘结剂）混合后，加热使蜡（或其他有机高分 子粘结剂）熔化，使混合料具有一定的流动性， 然后将混合料加压注入模具，冷却后即可得到 致密的较硬实的坯体。
a) Cr/Al2O3复合材料 Cr与Al2O3之间的润湿性 不好，但铬粉表面易形成致密的Cr2O3，因此可 通过形成Cr2O3-Al2O3固溶体来降低它们之间的 界面能，改善润湿性。为是金属铬部分氧化，工 艺上常采取的措施有：①在烧结气氛中引人微量 的水汽或氧气；②在配料是用一部分氢氧化铝代 替氧化铝，以便在高温下分解产生出水蒸气使铬 氧化；③在配料中用少量的氧化铬代替金属铬。
陶瓷基复合材料
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材料组成的复合材料。
陶瓷基体
通常具有优异的耐高温、耐腐蚀和硬度等特性，而增强材料则可以进一步提升复合材料的力学性能。
由于其独特的性能和广泛的应用领域，陶瓷基复合材料受到了广泛的关注和研究。
首先，陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能。
由于陶瓷基体本身具有高熔点
和良好的热稳定性，因此陶瓷基复合材料可以在高温环境下保持稳定的性能，这使得它在航空航天、能源和化工等领域有着重要的应用。
例如，碳纤维增强碳化硅复合材料可以在高温高压下保持优异的力学性能，因此被广泛应用于航空发动机零部件的制造。
其次，陶瓷基复合材料具有良好的耐腐蚀性能。
陶瓷基体通常具有优异的化学
稳定性，能够抵抗酸碱腐蚀和氧化腐蚀，而增强材料的加入可以进一步提升复合材料的抗腐蚀性能。
因此，陶瓷基复合材料在化工、海洋工程和环保设备等领域有着广泛的应用前景。
例如，氧化锆纤维增强氧化锆复合材料具有优异的耐腐蚀性能，被广泛应用于化工设备的制造。
此外，陶瓷基复合材料还具有优异的硬度和耐磨损性能。
陶瓷基体通常具有高
硬度和良好的耐磨损性，而增强材料的加入可以进一步提升复合材料的耐磨损性能。
因此，陶瓷基复合材料在汽车制造、机械加工和精密仪器等领域有着重要的应用。
例如，碳化硅纤维增强碳化硅复合材料具有优异的硬度和耐磨损性能，被广泛应用于机械零部件的制造。
综上所述，陶瓷基复合材料具有优异的耐高温、耐腐蚀和硬度等特性，具有广
泛的应用前景。
随着材料科学和工程技术的不断发展，相信陶瓷基复合材料将会在更多领域得到应用，并为人类社会的发展做出更大的贡献。
陶瓷基复合材料（CMC）
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
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。
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料引言。
陶瓷基复合材料是一种由陶瓷基体和其他增强材料组成的复合材料。
它具有优异的耐磨、耐腐蚀、高强度和高温稳定性等特点，因此被广泛应用于航空航天、汽车制造、化工等领域。
本文将介绍陶瓷基复合材料的组成、性能和应用，并对其未来发展进行展望。
一、陶瓷基复合材料的组成。
陶瓷基复合材料通常由陶瓷基体和增强材料组成。
陶瓷基体可以是氧化铝、碳化硅、氮化硅等陶瓷材料，而增强材料则可以是碳纤维、玻璃纤维、陶瓷颗粒等。
这些材料通过复合加工技术，如热压、注射成型等，将陶瓷基体与增强材料紧密结合，形成具有优异性能的复合材料。
二、陶瓷基复合材料的性能。
1. 耐磨性，陶瓷基复合材料具有优异的耐磨性，可以在高速、高负荷条件下保持较长的使用寿命，因此被广泛应用于机械设备的零部件制造。
2. 耐腐蚀性，由于陶瓷基复合材料具有优异的化学稳定性，可以在酸、碱等腐蚀性介质中长期稳定运行，因此在化工领域得到广泛应用。
3. 高强度，陶瓷基复合材料在高温、高压条件下依然保持优异的强度和刚性，因此被广泛应用于航空航天领域。
4. 高温稳定性，陶瓷基复合材料在高温条件下依然保持稳定的性能，因此被广泛应用于发动机、燃气轮机等高温设备的制造。
三、陶瓷基复合材料的应用。
1. 航空航天领域，陶瓷基复合材料被广泛应用于航空发动机、航天器外壳等高温、高压零部件的制造。
2. 汽车制造领域，陶瓷基复合材料被应用于汽车刹车片、离合器片等零部件的制造，以提高其耐磨性和耐高温性能。
3. 化工领域，陶瓷基复合材料被应用于化工设备的制造，以提高其耐腐蚀性和耐高温性能。
四、陶瓷基复合材料的发展展望。
随着科学技术的不断进步，陶瓷基复合材料将会在性能和应用范围上得到进一步提升。
未来，我们可以期待陶瓷基复合材料在新能源领域、生物医药领域等新兴领域的广泛应用，为人类社会的发展做出更大的贡献。
结论。
陶瓷基复合材料具有优异的耐磨、耐腐蚀、高强度和高温稳定性等特点，因此在航空航天、汽车制造、化工等领域得到广泛应用。
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料是一种由陶瓷基体和增强相组成的新型材料。
陶瓷基复合材料具有优异的耐高温、耐磨损、耐腐蚀性能，因此在航空航天、汽车制造、机械制造等领域有着广泛的应用。
本文将从材料特性、制备工艺、应用领域等方面对陶瓷基复合材料进行介绍。
首先，陶瓷基复合材料的材料特性是其具有的重要特点之一。
陶瓷基复合材料具有高温强度高、热震稳定性好、耐磨损、耐腐蚀等优异性能。
这些特性使得陶瓷基复合材料在高温、高压、腐蚀等恶劣环境下能够发挥出色的性能，因此在航空航天领域得到了广泛的应用。
其次，陶瓷基复合材料的制备工艺是影响其性能的重要因素之一。
陶瓷基复合材料的制备工艺包括原料的选择、配比、成型、烧结等多个环节。
其中，原料的选择和配比直接影响着复合材料的成分和性能，而成型和烧结工艺则决定了复合材料的内部结构和组织。
因此，制备工艺的优化对于提高陶瓷基复合材料的性能具有重要意义。
最后，陶瓷基复合材料在航空航天、汽车制造、机械制造等领域有着广泛的应用。
在航空航天领域，陶瓷基复合材料被用于制造发动机涡轮叶片、导向器、复合材料轴承等部件，以提高其耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能。
在汽车制造领域，陶瓷基复合材料被用于制造发动机零部件、刹车盘、离合器等，以提高汽车的性能和安全性。
在机械制造领域，陶瓷基复合材料被用于制造轴承、密封件、刀具等，以提高机械设备的使用寿命和性能。
总之，陶瓷基复合材料具有优异的性能和广泛的应用前景。
随着科学技术的不断进步，陶瓷基复合材料将在更多领域得到应用，并为人类社会的发展做出更大的贡献。
陶瓷基复合材料及其应用
界面相设计
优化界面相的组成和结构，提高 陶瓷基复合材料的力学性能和热 稳定性。
发展历程
起步阶段
20世纪50年代，陶瓷基复合材料开始研究和发 展。
突破阶段
20世纪70年代，随着碳纤维的发展，陶瓷基复 合材料在力学性能方面取得了重大突破。
应用阶段
20世纪80年代以后，陶瓷基复合材料在航空航天、汽车等领域得到广泛应用。
陶瓷基复合材料及其 应用
• 陶瓷基复合材料简介 • 陶瓷基复合材料的种类 • 陶瓷基复合材料的应用领域 • 陶瓷基复合材料的挑战与前景 • 案例分析
目录
01
陶瓷基复合材料简介
定义与特性
定义
陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体，与 各种增强材料复合而成的一种力学性 能优异、具有特殊功能的新型复合材 料。
02
陶瓷基复合材料的种类
氧化铝基复合材料
总结词
氧化铝基复合材料是以氧化铝为基体 ，与其他陶瓷或金属材料复合而成的 一种高性能复合材料。
详细描述
氧化铝基复合材料具有高强度、高硬 度、耐磨、耐高温和抗氧化等优异性 能，广泛应用于航空航天、汽车、能 源和化工等领域。
碳化硅基复合材料
总结词
碳化硅基复合材料是以碳化硅为基体，与其他陶瓷或金属材料复合而成的一种 高性能复合材料。
其他陶瓷基复合材料
总结词
除了上述几种常见的陶瓷基复合材料外，还有许多其他种类的陶瓷基复合材料， 如氮化硼基复合材料、碳化钛基复合材料等。
详细描述
这些陶瓷基复合材料也具有优异的力学性能和化学稳定性，在各种领域都有广泛 的应用前景。
03
陶瓷基复合材料的应用领域
航空航天
航空发动机部件
陶航空发动机的燃烧室、涡轮叶片等 关键部件。
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图5-5 当αp>αm时残余应力场引起的 裂纹偏转
图5-6 SiCp/Si3N4复合材料体系中断裂能 与SiCp体积含量的关系
图5-7 SiCp/Si3N4复合材料体系中断裂韧 性与SiCp体积含量的关系
（4）颗粒的裂纹桥联增韧 裂纹桥联发生在裂纹尖端后方，由某些结构单 元（如纤维、晶粒等）连接裂纹的两个表面， 并提供一个使裂纹面相互靠近的闭合力，使断 裂韧性（临界应力强度因子）增大。 脆性颗粒：当裂纹遇上桥联剂时，桥联剂可能 穿晶破坏，也可能出现互锁现象（即裂纹绕过 桥联剂沿晶界扩展），其他颗粒形成裂纹链。 延性颗粒：颗粒在应力作用下可能发生塑性变 形并形成裂纹桥联，使裂纹“钝化” 。当基体 与延性颗粒的热膨胀系数相等时，利用延性裂 纹桥可达到最佳增韧效果。
330
275 380
317
236 165
3.0
3.2 2.8
30～15
28～12 6～3
5.1.2 陶瓷基复合材料的增强材料
1 ．纤维增强体 （1）碳纤维 石墨纤维，高模量型，拉伸模量400GPa，拉伸强度 1.7GPa；低模量型，拉伸模量240GPa，拉伸强度 2.5GPa。 （2）SiC纤维 CVD法、有机硅聚合物前驱体法，最高使用温度达 1200℃，强度达1960～4410MPa，在最高使用温度下 强度保持率在80％以上，模量为176.4～294GPa。 （3）氧化铝系纤维 聚合物法、溶胶-凝胶。使用温度达1450℃～1600℃， 拉伸强度2000～3000MPa。 2 ．晶须 强度高，接近0.2E。常用SiC、Al2O3、Si3N4晶须。 3 ．颗粒增强体 常用SiC、Si3N4、ZrO2、TiB2颗粒。
抗弯强度/MPa 抗压强度/MPa
140
250～300 1200
180
280～350 1200
250
370～450 2500
热膨胀系数/×10-6℃-1
介电强度/（kV· -1） mm
5～5.5
25～30
5.5～5.7
15～18
6.7
25～30
（2）ZrO2陶瓷 熔点2680℃，2300℃由立方相转变为四 方相，1100～1200℃转变为单斜相，二 级相变速度快，体积膨胀7～9%，制品 开裂。添加CaO、MgO或Y2O3生成部分 稳定立方氧化锆（PSZ）断裂韧性远高 于其它结构陶瓷，俗称“陶瓷钢”，使 用温度高（2000℃以上），导热系数小。
图5-8 脆性颗粒裂纹桥联模型
图5-9 塑性颗粒裂纹桥联模型
2．相变增韧 相变增韧：在应力场存在下，由分散相的相变产生应 力场，抵消外加应力，阻止裂纹扩展达到增强、增韧 的目的。 （1）ZrO2相变：冷却时，ZrO2由四方转变成为单斜 （马氏体相变），产生14%的晶格切变和3～5%的体积 膨胀。
2230 2320 2320 2320 1090 1090 1370
370→490 370→370 340→700
32 0 106
3.2→4.5 3.2→3.9 1.2→4.5
图5-1 无限大基体球形颗粒引起的残余应力
当Δα>0时，F>0，ζr>0，ζη<0，基体径向处于拉伸状态， 切向处于压缩状态。当应力足够大时，可能产生环向 微裂纹。当裂纹遇到第二相颗粒时，并不是直接朝颗 粒扩展，而是在基体中沿着与ζη平行、与ζr垂直的方向 发展，绕过第二相颗粒，增加裂纹扩展的路径，增加 了裂纹扩展的阻力。 当Δα<0时，F<0，ζr<0，ζη>0，基体径向处于压缩状态， 切向处于拉伸状态。当应力足够大时，产生径向微裂 纹，裂纹直接朝颗粒扩展，若外应力不再增大，则裂 纹扩展终止（裂纹钉扎）。外应力继续增大，当颗粒 较小时，沿界面扩展（裂纹偏转）较容易，裂纹穿过 颗粒使颗粒开裂（穿晶开裂）较困难；当颗粒较大时， 穿晶开裂较容易，裂纹偏转较困难。 所以材料设计时，一般要求颗粒直径小于临界颗粒直 径（d<dc）。 界面断裂能γint越小，颗粒表面能γsp越小，粒径r越小， 外应力F越大，则裂纹绕过颗粒扩展的可能性越大。
2 ．非氧化物陶瓷 （1）SiC陶瓷 有α（六方）和β（立方）两种晶型，硬度大， 抗腐蚀性和抗氧化性好，高温强度高，1400℃ 仍达600MPa（表2）。
（2）Si3N4陶瓷 有α（六方）和β（立方）两种晶型，强度高 （室温抗弯强度达200MPa），抗热震性和抗 高温蠕变性能好，硬度高，耐腐蚀，抗氧化温 度达1000℃，电绝缘性好。
4V p d c 1 d
式中：K1c是微开裂区的断裂韧性，δ是常数（2～8）， Vp是第二相颗粒的体积分数。 增加第二相颗粒体积分数、加入超过dmin尺寸较大的颗 粒，可以提高应力诱导开裂增韧效果，但过高以后容 易导致微开裂的连通，反而不利。
图5-4 应力诱导微开裂及其过程区
式中：Δα=αp-αm，ΔT是温差，μ是泊松比，E是弹性模量。 在距离颗粒中心R处的基体中将产生径向应力ζr和切向应力ζη：
r r 3 0.5F ( ) 3 r F( ) R R 颗粒与基体中存在弹性应变能，弹性应变能与颗粒半径的平方成 正比。当颗粒半径大于某一临界值后，或者应力大于某一临界值 后，会产生裂纹，释放应变能。
470→680 379→485 360→478
3.8→6.0
3.1→4.5 4.6→8.9 6.5→7.3 6.5→7.8 6.5→7.2
>0 >0 >0 >0 >0 >0 <0 <0 <0
15
16 10 10 10 5.1 5.1 50
28
30
45
90 12 20 11 41 22 275
2230
表5-3 某些颗粒/陶瓷体系的dmin和dc计算值
复合体系 TiCp/SiC TiCp/Si3N4 SiCp/Si3N4 TiB2p/ Si3N4 TiB2p/SiC K1c/MPa· 1/2 m 6 7 6.7 5.3 4.5 dmin/μm 7.74 9.52 135 3.5 2.66 dc/μm 18.22 22.4 317 8.24 6.25
表2 不同制备方法的碳化硅的部分性能
弯曲强度（4点） /MPa 弹性模 量 /GPa 热膨胀 热传导率 系数 /(W· -1· m K /×10 1) 6℃-1
制备方法
25℃ 热压（加MgO） 690
烧结（Y2O3） 反应烧结（密 度2.45） 655 210
1000 ℃
1375 ℃
620
585 345
图5-2 αp>αm时复合材料的裂纹扩展路径
图5-3 αp<αm时复合材料的裂纹扩展路径
Hale Waihona Puke （2）应力诱导微裂纹区增韧 当Δα<0、d<dc时，在扩展裂纹的尖端附近出现一个微 裂纹区，称为应力诱导微开裂。 导致自发微开裂的颗粒临界直径为：
K12c 1 (1 m ) (1 p 2 dc ( EmT )2
p
A (1 p )( 2)(1 m ) 3p (1 m )
(1 2m ) E p (1 2 p ) Em
式中：K10是基体的临界断裂强度因子；D是压应力区 长度，对均匀粒径，D= λ -d，λ是相邻颗粒中心的距 q 离， 1.085 d / ；q是基体内平均应力场， 2Em p / A ； ε是由于线膨胀系数差在颗粒内部引起的应变。
（3）ZrO2相变增韧：ZrO2晶粒镶嵌在其它陶瓷基质中， 由于其它陶瓷基质对ZrO2晶粒的弹性束缚作用，四方ZrO2 可以保留至室温。如果受束缚的ZrO2晶粒周围有微裂纹或 由于外力作用使束缚力解除，ZrO2晶粒会发生晶型转变 （体积膨胀），吸收或释放了主裂纹的部分能量，减少了 主裂纹的应力集中，可提高韧性一倍。一般要求基质弹性 模量较大，ZrO2含量一般<15%。 （4）ZrO2微裂纹增韧：部分稳定ZrO2颗粒在烧结冷却过 程中，存在较粗四方相向单斜相的转变，引起体积膨胀， 在基体中产生弥散分布的裂纹，或者主裂纹扩展过程中在 其尖端过程区内形成的应力诱发相变导致的微裂纹。这些 尺寸很小的微裂纹在主裂纹尖端扩展过程中会导致主裂纹 分叉或改变方向，使主裂纹扩展阻力增大，从而抑制了主 裂纹的快速扩展，提高了材料的韧性。 ZrO2颗粒尺寸越小，颗粒分布宽度越小，微裂纹增韧效果 越好；适当的ZrO2颗粒体积分数和均匀弥散程度，提高微 裂纹增韧效果；ZrO2颗粒与基体热膨胀系数要匹配。
5.2.2 制备方法
1．冷压和烧结法 成型：压制法、浇注法、流延法、挤压法等。 烧结法：常压烧结。 特点：工艺简单，成本低，但制品质量不高， 存在裂纹、缺陷、应力等，界面反应不易控制， 致密度也不高。 2．热压烧结法 热压烧结法：在热压炉中热压烧结。 特点：烧结温度较低，制品致密度高，增强体 与基体结合好，能有效抑制界面反应，但制品 形状简单，纤维择优取向，性能各向异性，设 备投资大，较常使用。
5.1.3 陶瓷基复合材料的界面
1．界面分类 （1）机械结合：主要靠基体与纤维之间的摩擦力来实 现的。 （2）溶解和润湿结合：基体与增强材料之间通过原子 扩散和溶解形成结合，基界面是溶质的过渡带。 （3）反应结合：基体与增强材料发生化学反应，在界 面生成化合物，将两者结合在一起。 （4）混合结合：以上三种方式的结合。 2．控制界面反应的方法 （1）改变增强材料的表面性质，如涂层等。 （2）向基体中添加特定元素，降低烧结温度与缩短烧 结时间。 （3）改进复合工艺和设备。
5.2 颗粒增强陶瓷基复合材料