第二章陶瓷基复合材料49页PPT
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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(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。
金属及陶瓷基复合材料PPT
影响扩散粘结过程的主要参数是温度、压力和一定温度及压力下 维持的时间，其中温度最为重要，气氛对产品质量也有影响。
热压工艺： 1）纤维与金属基体制成复合材料预制片； 2）将预制片按设计要求裁剪成所需的形状、叠层排 布(纤维方向)，视对纤维体积含量的要求，在叠层时 添加基体箔； 3）将叠层故人模具内，进行加热加压，最终制得复 合材料或零件。
影响复合材料的性能的因素： 1、预制件的质量； 2、模具的设计； 3、预制件预热温度； 4、熔体温度； 5、压力；
液态金属搅拌铸造法
这种方法的基本原理是将颗粒直接加入到基体 金属熔体中，通过一定方式的搅拌使颖粒均匀 地分散在金属熔体中并与之复合，然后浇铸成 锭坯、铸件等。
搅拌铸造法主要问题：
爆炸焊接的特点是作用时间短、材料的温度低， 不必担心发生界面反应。
用爆炸焊接可以制造形状复杂的零件和大尺寸 的板材，需要时一次作业可得多块复合板。 此法主要用来制造金属层合板和金属丝增强金 属基复合材料，例如钢丝增强铝、铜丝或钨丝 增强钛、钨丝增强镍等复合材料。
爆炸焊接
液态法
液态法是制备金属基复合材料的主要方法：
可惰性气氛中进行，也可在大气中进行 也有用纤维织物与基体箔直接进行热压制造复合材料 及零件的。
扩散粘结法
热压温度：
温度控制在基体合金的固相线和液相线之间。 热压压力： 选用压力可在较大范围内变化，但过高容易损伤纤维，一 般控制在10MPa以下。压力的选择与温度有关，温度高、 压力可适当降低。
热压时间： 时间在10-20minin即可。 热压气氛： 热压可以在大气中进行
固态法1粉未冶金法2热压固结法也称扩散粘结法3热等静压法4热轧法5热挤压和热拉法6爆炸焊接法颗粒晶须合金粉未混合热压成品零件复合材料坯挤压轧制等颗粒晶须合金粉未混合烧结成品零件颗粒晶须合金粉未混合封装除氧热压法热压法和热等静压法亦称扩散粘结法是加压焊接的一种因此有时也称扩散焊接法
热压工艺： 1）纤维与金属基体制成复合材料预制片； 2）将预制片按设计要求裁剪成所需的形状、叠层排 布(纤维方向)，视对纤维体积含量的要求，在叠层时 添加基体箔； 3）将叠层故人模具内，进行加热加压，最终制得复 合材料或零件。
影响复合材料的性能的因素： 1、预制件的质量； 2、模具的设计； 3、预制件预热温度； 4、熔体温度； 5、压力；
液态金属搅拌铸造法
这种方法的基本原理是将颗粒直接加入到基体 金属熔体中，通过一定方式的搅拌使颖粒均匀 地分散在金属熔体中并与之复合，然后浇铸成 锭坯、铸件等。
搅拌铸造法主要问题：
爆炸焊接的特点是作用时间短、材料的温度低， 不必担心发生界面反应。
用爆炸焊接可以制造形状复杂的零件和大尺寸 的板材，需要时一次作业可得多块复合板。 此法主要用来制造金属层合板和金属丝增强金 属基复合材料，例如钢丝增强铝、铜丝或钨丝 增强钛、钨丝增强镍等复合材料。
爆炸焊接
液态法
液态法是制备金属基复合材料的主要方法：
可惰性气氛中进行，也可在大气中进行 也有用纤维织物与基体箔直接进行热压制造复合材料 及零件的。
扩散粘结法
热压温度：
温度控制在基体合金的固相线和液相线之间。 热压压力： 选用压力可在较大范围内变化，但过高容易损伤纤维，一 般控制在10MPa以下。压力的选择与温度有关，温度高、 压力可适当降低。
热压时间： 时间在10-20minin即可。 热压气氛： 热压可以在大气中进行
固态法1粉未冶金法2热压固结法也称扩散粘结法3热等静压法4热轧法5热挤压和热拉法6爆炸焊接法颗粒晶须合金粉未混合热压成品零件复合材料坯挤压轧制等颗粒晶须合金粉未混合烧结成品零件颗粒晶须合金粉未混合封装除氧热压法热压法和热等静压法亦称扩散粘结法是加压焊接的一种因此有时也称扩散焊接法
金属陶瓷基复合材料PPT课件
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5.3.2 陶瓷基复合材料的制造
制备方法:
①料浆浸渍-热压烧结法；②化学气相渗透法 ③有机先驱体热解法； ④熔融渗透法 ⑤直接氧化沉淀法； ⑥反应烧结法
(2)晶须和颗粒增强陶瓷基复合材料的制备工艺
①晶须复合材料制备工艺
a.烧结法
b.先驱体转化法
c.电泳沉积法
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② 原位生长晶须 ③ 颗粒增强陶瓷基复合材料
碳化硅保护高 温下的氧化
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5.2.4.2 性能
➢ 轻质、高强度、高硬度和耐高温； ➢ 熔点高, 高温抗氧化性能好; ➢ 化学稳定好, 耐辐射，具有较高的热辐射 率; ➢ 具有碳纤维与碳材料的突出性能; ➢ 低温下，易于氧化。
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5.2.4.3 应用
航空和航天材料;生物医学材料;坦克装 甲用耐磨材料;化工领域的抗腐蚀材料等.
耐磨零件： 碳化硅，氧化铝颗粒，晶须等
用作集电和电触头： SiC，金属丝，石墨颗粒增强铝，铜等
耐腐蚀电池极板： 石墨碳纤维增强铅合金等
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5
5.2.3 金属基复合材料
➢ 重要体系 Al2O3/(Al、Mg)
➢ 主要特点 ● 高的比强度、比模量； ● 好的韧性； ● 比聚合物高的使用温度。
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5.2.3.3 金属基复合材料 的应用
➢ Bf/Al 用作航天飞机部件; ➢ Cf/Al用作NASA空间望远镜的
天线支架;
➢ FP-Al2O3f/ (Al,Mg)用作汽车部 件和内燃机连杆等等
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铝合金在飞机上的应用
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5.3 陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料 ppt课件
陶瓷基复合材料
PPT课件
1
回顾一下：
陶瓷致命缺点：
脆性
改善韧性的有效手段：
向陶瓷材料中加入起增韧作用的第二相
增韧机制：
靠纤维（晶须）的拔出、裂纹的桥连与转向机 制对强度和韧性的提高产生作用。
PPT课件
2
10.3 陶瓷基复合材料的种类及基本性能
10.3.1 纤维增强陶瓷基复合材料
纤维增强陶瓷材料是常见的重要手段！！ 按纤维排布方式的不同，可将其分为
裂纹垂直于纤维方向扩展示意图 PPT课件
5
当外加应力进一步提高时，由于基体与纤维间
的界面离解，同时又由于纤维的强度高于基体的强
度，从而使纤维从基体中拔出。 当拔出的长度达到某一临界值时，会使纤维发 生断裂。
裂纹垂直于纤维方向扩展示意图 PPT课件
6
因此，裂纹的扩展必须克服纤维的拔出功和
纤维断裂功，结果就是使得材料的断裂变得更为
困难，从而起到了增韧的作用。
单向排布纤维增韧陶瓷只是在纤维排列方向 上的轴向性能较为优越，而其横向性能显著低于 纵向性能，所以只适用于单轴应力的场合。
PPT课件
7
二、多向排布纤维增韧复合材料
而许多陶瓷构件则要求在二维及三维方向上 均具有优良的性能，这就要进一步的制备多向排 布纤维增韧陶瓷基复合材料。
莫来石+ Si3;SiCw
452
551~580
4.4
5.4~6.7
很明显，由ZrO2+SiCw与莫来石制得的复合材料要比 单独用SiCw与莫来石制得的复合材料的性能好得多。
PPT课件 32
10.4 陶瓷基复合材料的制备
陶瓷基复合材料的制造分为两个步骤：
第一步是将增强材料掺入未固结(或粉末状)的基
PPT课件
1
回顾一下：
陶瓷致命缺点：
脆性
改善韧性的有效手段：
向陶瓷材料中加入起增韧作用的第二相
增韧机制：
靠纤维（晶须）的拔出、裂纹的桥连与转向机 制对强度和韧性的提高产生作用。
PPT课件
2
10.3 陶瓷基复合材料的种类及基本性能
10.3.1 纤维增强陶瓷基复合材料
纤维增强陶瓷材料是常见的重要手段！！ 按纤维排布方式的不同，可将其分为
裂纹垂直于纤维方向扩展示意图 PPT课件
5
当外加应力进一步提高时，由于基体与纤维间
的界面离解，同时又由于纤维的强度高于基体的强
度，从而使纤维从基体中拔出。 当拔出的长度达到某一临界值时，会使纤维发 生断裂。
裂纹垂直于纤维方向扩展示意图 PPT课件
6
因此，裂纹的扩展必须克服纤维的拔出功和
纤维断裂功，结果就是使得材料的断裂变得更为
困难，从而起到了增韧的作用。
单向排布纤维增韧陶瓷只是在纤维排列方向 上的轴向性能较为优越，而其横向性能显著低于 纵向性能，所以只适用于单轴应力的场合。
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二、多向排布纤维增韧复合材料
而许多陶瓷构件则要求在二维及三维方向上 均具有优良的性能，这就要进一步的制备多向排 布纤维增韧陶瓷基复合材料。
莫来石+ Si3;SiCw
452
551~580
4.4
5.4~6.7
很明显，由ZrO2+SiCw与莫来石制得的复合材料要比 单独用SiCw与莫来石制得的复合材料的性能好得多。
PPT课件 32
10.4 陶瓷基复合材料的制备
陶瓷基复合材料的制造分为两个步骤：
第一步是将增强材料掺入未固结(或粉末状)的基
陶瓷基复合材料的制备方法与工艺PPT课件
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第7页/共92页
此外，一些新开发的工艺如固相反 应烧结、高聚物先驱体热解、CVＤ、溶 胶—凝胶、直接氧化沉积等也可用于颗 粒弥散型陶瓷基复合材料的制备。
8
第8页/共92页
晶须补强陶瓷基复合材料的制备方法： 将晶须在液体介质中经机械或超声分散， 再与陶瓷基体粉末均匀混合，制成一定形状 的坯件，烘干后热压或热等静压烧结。
23
第23页/共92页
下图显示了在热压各向同性氧化铝纤 维增强玻璃陶瓷基复合材料时，温度和压 力随时间的变化曲线。
24
第24页/共92页
温度 温 度
压 力
压力
/ M Pa /℃
时间 / min
热压各向同性氧化铝纤维增强玻璃陶瓷基复合材 料时温度、压力随时间的变化曲线
25
第25页/共92页
浆料浸渍工艺非常适合玻璃或玻璃陶 瓷基复合材料，因为它的热压温度低于这些 晶体基体材料的熔点。
60
第60页/共92页
②热解法
热解(Pyrolysis)法就是使聚合物先驱体热 解形成陶瓷基复合材料的方法。
61
第61页/共92页
如由聚碳硅烷生产SiC陶瓷基复合材料 中，聚合物一般在热解过程中有较高的陶 瓷产量、低的收缩、好的机械性能，同时 聚合物本身容易制备。
聚合物热解法可用来生产SiCf/SiC和 Si3N4f/SiC等陶瓷基复合材料。
58
第58页/共92页
由于从凝胶转变成陶瓷所需的反应温 度要低于传统工艺中的熔融和烧结温度， 因此，在制造一些整体的陶瓷构件时，溶 胶--凝胶法有较大的优势。
59
第59页/共92页
溶胶---凝胶法与一些传统的制造工艺 结合，可以发挥比较好的作用。
如在浆料浸渍工艺中，溶胶作为纤维 和陶瓷的黏结剂，在随后除去黏结剂的工 艺中，溶胶经烧结后变成了与陶瓷基相同 的材料，有效地减少了复合材料的孔隙率。
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此外，一些新开发的工艺如固相反 应烧结、高聚物先驱体热解、CVＤ、溶 胶—凝胶、直接氧化沉积等也可用于颗 粒弥散型陶瓷基复合材料的制备。
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晶须补强陶瓷基复合材料的制备方法： 将晶须在液体介质中经机械或超声分散， 再与陶瓷基体粉末均匀混合，制成一定形状 的坯件，烘干后热压或热等静压烧结。
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下图显示了在热压各向同性氧化铝纤 维增强玻璃陶瓷基复合材料时，温度和压 力随时间的变化曲线。
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温度 温 度
压 力
压力
/ M Pa /℃
时间 / min
热压各向同性氧化铝纤维增强玻璃陶瓷基复合材 料时温度、压力随时间的变化曲线
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浆料浸渍工艺非常适合玻璃或玻璃陶 瓷基复合材料，因为它的热压温度低于这些 晶体基体材料的熔点。
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②热解法
热解(Pyrolysis)法就是使聚合物先驱体热 解形成陶瓷基复合材料的方法。
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如由聚碳硅烷生产SiC陶瓷基复合材料 中，聚合物一般在热解过程中有较高的陶 瓷产量、低的收缩、好的机械性能，同时 聚合物本身容易制备。
聚合物热解法可用来生产SiCf/SiC和 Si3N4f/SiC等陶瓷基复合材料。
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由于从凝胶转变成陶瓷所需的反应温 度要低于传统工艺中的熔融和烧结温度， 因此，在制造一些整体的陶瓷构件时，溶 胶--凝胶法有较大的优势。
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溶胶---凝胶法与一些传统的制造工艺 结合，可以发挥比较好的作用。
如在浆料浸渍工艺中，溶胶作为纤维 和陶瓷的黏结剂，在随后除去黏结剂的工 艺中，溶胶经烧结后变成了与陶瓷基相同 的材料，有效地减少了复合材料的孔隙率。
《陶瓷基复合材 》课件
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PPT课件
定的成果。
面临的挑战
高成本
陶瓷基复合材料的制备工 艺复杂，导致其成本较高， 限制了大规模应用。
性能稳定性
陶瓷基复合材料在复杂环 境下性能稳定性不足，易 受温度、湿度等外部因素 影响。
生产效率
目前陶瓷基复合材料的生 产效率相对较低，影响了 其推广和应用。
未来展望
降低成本
通过技术创新和规模化生产，降低陶瓷基复合材 料的成本，提高其市场竞争力。
制备工艺的优化
熔融浸渗法
压力辅助成型法
通过优化熔融浸渗工艺参数，如温度、 压力和时间，提高陶瓷基复合材料的 致密化程度和力学性能。
通过调整压力辅助成型的压力、温度 和时间等参数，提高复合材料的密度 和力学性能。
化学气相沉积法
优化化学气相沉积工艺参数，如反应 温度、气体流量和沉积时间，以获得 均匀、致密的陶瓷基复合材料。
04
陶瓷基复合材料的性能优化
增强相的选择与优化
增强相种类
选择合适的增强相是提高陶瓷基 复合材料性能的关键，常用的增 强相包括碳纤维、玻璃纤维、晶
须等。
增强相分散与分布
优化增强相在基体中的分散和分布， 确保其均匀分布，以提高复合材料 的整体性能。
增强相表面处理
通过表面处理技术改善增强相与基 体之间的界面结合力，提高复合材 料的力学性能。
陶瓷基复合材料的性能优化主要通过 添加增强相、调整基体组成和工艺参 数实现。
陶瓷基复合材料在高温、高强度、抗 氧化等极端环境下的应用前景广阔， 但需要解决其可靠性、寿命和成本等 问题。
对未来研究的建议
01
02
03
04
深入研究陶瓷基复合材料的微 观结构和性能之间的关系，为 材料设计和优化提供理论支持
面临的挑战
高成本
陶瓷基复合材料的制备工 艺复杂，导致其成本较高， 限制了大规模应用。
性能稳定性
陶瓷基复合材料在复杂环 境下性能稳定性不足，易 受温度、湿度等外部因素 影响。
生产效率
目前陶瓷基复合材料的生 产效率相对较低，影响了 其推广和应用。
未来展望
降低成本
通过技术创新和规模化生产，降低陶瓷基复合材 料的成本，提高其市场竞争力。
制备工艺的优化
熔融浸渗法
压力辅助成型法
通过优化熔融浸渗工艺参数，如温度、 压力和时间，提高陶瓷基复合材料的 致密化程度和力学性能。
通过调整压力辅助成型的压力、温度 和时间等参数，提高复合材料的密度 和力学性能。
化学气相沉积法
优化化学气相沉积工艺参数，如反应 温度、气体流量和沉积时间，以获得 均匀、致密的陶瓷基复合材料。
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陶瓷基复合材料的性能优化
增强相的选择与优化
增强相种类
选择合适的增强相是提高陶瓷基 复合材料性能的关键，常用的增 强相包括碳纤维、玻璃纤维、晶
须等。
增强相分散与分布
优化增强相在基体中的分散和分布， 确保其均匀分布，以提高复合材料 的整体性能。
增强相表面处理
通过表面处理技术改善增强相与基 体之间的界面结合力，提高复合材 料的力学性能。
陶瓷基复合材料的性能优化主要通过 添加增强相、调整基体组成和工艺参 数实现。
陶瓷基复合材料在高温、高强度、抗 氧化等极端环境下的应用前景广阔， 但需要解决其可靠性、寿命和成本等 问题。
对未来研究的建议
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深入研究陶瓷基复合材料的微 观结构和性能之间的关系，为 材料设计和优化提供理论支持
《陶瓷基复合材》课件
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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。
陶瓷基复合材料简介
常用的有SiC、Al2O3、Si3N4等陶瓷晶须。
3、陶瓷基复合材料的增强体
（3）颗粒： 从几何尺寸上看，颗粒在各个方向上的长度是大致
相同的，一般为几个微米。颗粒的增韧效果不如纤维和 晶须，但如果颗粒种类、粒径、含量及基体材料选择适 当，仍会有一定的韧化效果，同时还会带来高温性能的 改善。
常用的颗粒有SiC、Si3N4等。
如铝锂硅酸盐玻璃陶瓷、镁铝硅酸盐玻璃陶瓷等。
（5）其他陶瓷基体： 如硼化物陶瓷、硅化物陶瓷等。
3、陶瓷基复合材料的增强体
由于陶瓷基体中加入的增强体主要增强陶瓷的韧性， 所以陶瓷基复合材料中的增强体通常也称为增韧体。 从几何尺寸上增强体可分为纤维(长、短纤维)、晶须和 颗粒三类。
（1）长纤维: 在陶瓷基复合材料中使用得较为普遍的是碳纤维、玻
5、陶瓷基复合材料的前景展望
陶瓷基复合材料因具有高强度、高硬度、低 密度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优良的性能， 引起了人们的重视和研究，可以预见，随着对其 理论问题的不断深入探索和制备技术的不断开发 与完善，它的应用范围将不断扩大，应用前景十 分光明。
谢谢!
有Si3N4陶瓷、AlN陶瓷、BN陶瓷等。
（3）碳化物陶瓷基体： 是硅、钛及其他过渡族金属碳化物的总称。 如SiC陶瓷、ZrC陶瓷、WC陶瓷、TiC陶瓷等。
2、陶瓷基复合材料的基体
（4）玻璃和玻璃陶瓷基体： 玻璃基体：
高硅氧玻璃、硼硅玻璃、铝硅玻璃等。 玻璃陶瓷基体：
在一定条件下，玻璃可以出现结晶，并且在熔点时 由于原子有序排列，其体积会突然变小，形成结晶化的 玻璃，即玻璃陶瓷。
性等，其韧性是陶瓷中最高的，应用其耐磨损性能，可 以制作拉丝模、轴承、密封件、医用人造骨骼、汽车发 动机的塞顶、缸盖底板和汽缸内衬等
3、陶瓷基复合材料的增强体
（3）颗粒： 从几何尺寸上看，颗粒在各个方向上的长度是大致
相同的，一般为几个微米。颗粒的增韧效果不如纤维和 晶须，但如果颗粒种类、粒径、含量及基体材料选择适 当，仍会有一定的韧化效果，同时还会带来高温性能的 改善。
常用的颗粒有SiC、Si3N4等。
如铝锂硅酸盐玻璃陶瓷、镁铝硅酸盐玻璃陶瓷等。
（5）其他陶瓷基体： 如硼化物陶瓷、硅化物陶瓷等。
3、陶瓷基复合材料的增强体
由于陶瓷基体中加入的增强体主要增强陶瓷的韧性， 所以陶瓷基复合材料中的增强体通常也称为增韧体。 从几何尺寸上增强体可分为纤维(长、短纤维)、晶须和 颗粒三类。
（1）长纤维: 在陶瓷基复合材料中使用得较为普遍的是碳纤维、玻
5、陶瓷基复合材料的前景展望
陶瓷基复合材料因具有高强度、高硬度、低 密度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优良的性能， 引起了人们的重视和研究，可以预见，随着对其 理论问题的不断深入探索和制备技术的不断开发 与完善，它的应用范围将不断扩大，应用前景十 分光明。
谢谢!
有Si3N4陶瓷、AlN陶瓷、BN陶瓷等。
（3）碳化物陶瓷基体： 是硅、钛及其他过渡族金属碳化物的总称。 如SiC陶瓷、ZrC陶瓷、WC陶瓷、TiC陶瓷等。
2、陶瓷基复合材料的基体
（4）玻璃和玻璃陶瓷基体： 玻璃基体：
高硅氧玻璃、硼硅玻璃、铝硅玻璃等。 玻璃陶瓷基体：
在一定条件下，玻璃可以出现结晶，并且在熔点时 由于原子有序排列，其体积会突然变小，形成结晶化的 玻璃，即玻璃陶瓷。
性等，其韧性是陶瓷中最高的，应用其耐磨损性能，可 以制作拉丝模、轴承、密封件、医用人造骨骼、汽车发 动机的塞顶、缸盖底板和汽缸内衬等
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陶瓷材料 的晶体结构
2.2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构
陶瓷材料的晶体结构
陶瓷材料可能是非晶吗？
2.2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构
几种陶瓷晶体结构介绍 ⑴ MX型结构（M为金属阳离子，X为阴离子） ➢ 闪锌矿结构
2.2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构
几种陶瓷晶体结构介绍 ⑴ MX型结构（M为金属阳离子，X为阴离子） ➢ NaCl型结构
2.3 陶瓷材料的制备方法
2.3.1 陶瓷普通制备工艺 一、热等静压工艺（Hot Isostatic Pressing, HIP)
压力为 100 - 300 MPa，温度可达 2000 ℃，时间在1-8 hr。
2.3 陶瓷材料的制备方法
2.3.1 陶瓷普通制备工艺 一、 热 等 静 压 工 艺
2.3 陶瓷材料的制备方法
材料 电负性
TiN Si3N4 BN WC SiC 1.5 1.2 1.0 0.8 0.7
离子键性比例 0.43 0.30 0.22 0.15 0.12 共价键性比例 0.57 0.70 0.78 0.85 0.88
2.2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构
2 陶瓷材料的晶体结构 通常金属阳离子尺寸较非金属的阴离子要小，因此
2.2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构
几种典型陶瓷晶体结构介绍 ⑵ M2X型结构
这种结构以赤铜矿为代表。阴离子构成体心立方结 构，阳离子处于间隙中。
2.3 陶瓷材料的制备方法
2.3.1 陶瓷普通制备工艺 在普通工艺中都包括以下几个步骤：
⑴ 原材料制成粉状 ⑵ 粉末压制成一定的形状的坯料 ⑶ 坯料在高温下的烧结，也可能在高温和压力下进行 ⑷ 加工至最终形状和尺寸
在陶瓷晶体中的金属阳离子经常占据的是由非金属阴离 子构成的晶格中的间隙位置。
简单立方：CsCl, CsBr, CsI 面心立方：NaCl, CaO, MgO, MnO, NiO, FeO, BaO 密排六方：ZnS, Al2O3
2.2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构
陶瓷材料的晶体结构
2.2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构
2.2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构
1 陶瓷材料的化学键 原子结合键：
三种强结合力的化学键:共价键（Covalent bond)、离 子键 (Ionic bond)、金属键 (metallic bond)
二种弱结合键：范德华键 (van der Waals bond)、氢键 (hydrogen bond)
2.2.1 陶瓷基体材料的基本要求
2.2.1 陶瓷基体材料的基本要求
具有良好的抗蠕变、疲劳和冲击性能 具有很好的化学稳定性，不易受到环境中温度、氧
化或还原气氛的影响，不易挥发 具有较高的韧性 能够渗入、浸润纤维束、晶须束或颗粒预成型件中 与增强相能形成良好的界面联接 在制造和使用过程中，与增强纤维不发生化学反应 不会物理损坏增强纤维
2.1 陶瓷材料的特点
陶瓷材料可分为： ➢ 普通陶瓷 (Conventional Ceramics）：砖、陶
器、瓷器等 ➢ 精细陶瓷(Advanced Ceramics)：硅、铝、钛、 锆等的氧化物、氮化物和碳化物等。
陶瓷材料以高的抗压性能、很高的化学稳定性 和高的熔点著称。
2.1 陶瓷材料的特点
MgO, NiO, TiC, VC, VN等 都是这种结构，具有这种结 构的化合物多数有熔点高、 稳定性好的特点。
2.2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构
几种陶瓷晶体结构介绍 ⑵ MX2型结构
这种结构的典型代表是金红石结构。单位晶胞中的8 个顶角和中心为阳离子，阴离子的位置则正好处于由阳 离子构成的稍有变形 的八面体中心。
2.3.1 陶瓷普通制备工艺 一、化学气相沉积工艺（Chemical Vapor Deposition, CVD)
加热炉 石英舟 基底 石英管
进气口 端
出气口端
热电偶
电源线
控温仪
2.3 陶瓷材料的制备方法
2.3.2 新型陶瓷制备工艺 一、溶胶-凝胶工艺
2.1 陶瓷材料的特点
陶瓷材料也称为无机非金属材料。
陶瓷材料与金属材料的区分： 根据两种材料的电阻 温度系数来区别。 陶瓷材料与有机高分子材料的区分： 可以从分子结构上来区别。高分子材料含有不连续 的大分子，在分子内的碳原子是由共价键相联，分子与 分子间则通过较弱的van-der-Waal 或氢键结合。 陶瓷材料没有不连续的分子，是一种或多种原子的 空间排列，有序为晶体，否则为非晶材料。
铝合金
20 - 50
钛合金
50 - 100
低碳钢
4 – 10
陶瓷
玻璃
0 .5 – 1
氧化镁
3
氧化铝
1–3
碳化硅
2–4
氮化硅
3 -5
2.2 陶瓷基复合材料的特点
增强相与基体的模量之比相当低，为 0.1 - 1 陶瓷基复合材料中，提高强度不是其目的，最主要
的是提高其韧性。
2.2.1 陶瓷基体材料的基本要求
2.1 陶瓷材料的特点
使用温度
2.1 陶瓷材料的特点
材料的密度
2.1 陶瓷材料的特点
热膨胀系数
2.1 陶瓷材料的特点
表 2-1 一 些 材 料 典 型 断 裂 韧 性 (K 1C)值
断
材料
K 1C , M P a ·m 1/2
裂
聚合物
韧
聚乙烯
1 -2
性
尼龙
3
环氧树脂，聚酯
0 .5
金属
纯 金 属 （ 铜 、 镍 、 铝 ） 100 - 300
陶瓷材料：离子键或共价键
2.2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构
表 2-电负性
CaO MgO ZrO2 Al2O3 ZnO 2.5 2.3 2.1 2.0 1.9
离子键性比例 0.79 0.73 0.67 0.63 0.59 共价键性比例 0.21 0.27 0.33 0.37 0.41
陶瓷材料的特点：
很好的耐热性
很好的化学稳定性
高的耐磨性能
低的密度
低的韧性
K1C
2.1 陶瓷材料的特点
K 1C a(N3 m /2Pa 1/2)m
2.1 陶瓷材料的特点
断裂韧性K1C 反映含裂纹材料或构件的抗裂纹扩展 的能力，又称为强度因子。
陶瓷材料不象金属材料有塑性变形，因此在受机械 拉伸或热冲击载荷时可能出现灾难性的失效。所以提高 其韧性是陶瓷基复合材料最重要的目标。
2.2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构
陶瓷材料的晶体结构
陶瓷材料可能是非晶吗？
2.2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构
几种陶瓷晶体结构介绍 ⑴ MX型结构（M为金属阳离子，X为阴离子） ➢ 闪锌矿结构
2.2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构
几种陶瓷晶体结构介绍 ⑴ MX型结构（M为金属阳离子，X为阴离子） ➢ NaCl型结构
2.3 陶瓷材料的制备方法
2.3.1 陶瓷普通制备工艺 一、热等静压工艺（Hot Isostatic Pressing, HIP)
压力为 100 - 300 MPa，温度可达 2000 ℃，时间在1-8 hr。
2.3 陶瓷材料的制备方法
2.3.1 陶瓷普通制备工艺 一、 热 等 静 压 工 艺
2.3 陶瓷材料的制备方法
材料 电负性
TiN Si3N4 BN WC SiC 1.5 1.2 1.0 0.8 0.7
离子键性比例 0.43 0.30 0.22 0.15 0.12 共价键性比例 0.57 0.70 0.78 0.85 0.88
2.2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构
2 陶瓷材料的晶体结构 通常金属阳离子尺寸较非金属的阴离子要小，因此
2.2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构
几种典型陶瓷晶体结构介绍 ⑵ M2X型结构
这种结构以赤铜矿为代表。阴离子构成体心立方结 构，阳离子处于间隙中。
2.3 陶瓷材料的制备方法
2.3.1 陶瓷普通制备工艺 在普通工艺中都包括以下几个步骤：
⑴ 原材料制成粉状 ⑵ 粉末压制成一定的形状的坯料 ⑶ 坯料在高温下的烧结，也可能在高温和压力下进行 ⑷ 加工至最终形状和尺寸
在陶瓷晶体中的金属阳离子经常占据的是由非金属阴离 子构成的晶格中的间隙位置。
简单立方：CsCl, CsBr, CsI 面心立方：NaCl, CaO, MgO, MnO, NiO, FeO, BaO 密排六方：ZnS, Al2O3
2.2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构
陶瓷材料的晶体结构
2.2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构
2.2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构
1 陶瓷材料的化学键 原子结合键：
三种强结合力的化学键:共价键（Covalent bond)、离 子键 (Ionic bond)、金属键 (metallic bond)
二种弱结合键：范德华键 (van der Waals bond)、氢键 (hydrogen bond)
2.2.1 陶瓷基体材料的基本要求
2.2.1 陶瓷基体材料的基本要求
具有良好的抗蠕变、疲劳和冲击性能 具有很好的化学稳定性，不易受到环境中温度、氧
化或还原气氛的影响，不易挥发 具有较高的韧性 能够渗入、浸润纤维束、晶须束或颗粒预成型件中 与增强相能形成良好的界面联接 在制造和使用过程中，与增强纤维不发生化学反应 不会物理损坏增强纤维
2.1 陶瓷材料的特点
陶瓷材料可分为： ➢ 普通陶瓷 (Conventional Ceramics）：砖、陶
器、瓷器等 ➢ 精细陶瓷(Advanced Ceramics)：硅、铝、钛、 锆等的氧化物、氮化物和碳化物等。
陶瓷材料以高的抗压性能、很高的化学稳定性 和高的熔点著称。
2.1 陶瓷材料的特点
MgO, NiO, TiC, VC, VN等 都是这种结构，具有这种结 构的化合物多数有熔点高、 稳定性好的特点。
2.2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构
几种陶瓷晶体结构介绍 ⑵ MX2型结构
这种结构的典型代表是金红石结构。单位晶胞中的8 个顶角和中心为阳离子，阴离子的位置则正好处于由阳 离子构成的稍有变形 的八面体中心。
2.3.1 陶瓷普通制备工艺 一、化学气相沉积工艺（Chemical Vapor Deposition, CVD)
加热炉 石英舟 基底 石英管
进气口 端
出气口端
热电偶
电源线
控温仪
2.3 陶瓷材料的制备方法
2.3.2 新型陶瓷制备工艺 一、溶胶-凝胶工艺
2.1 陶瓷材料的特点
陶瓷材料也称为无机非金属材料。
陶瓷材料与金属材料的区分： 根据两种材料的电阻 温度系数来区别。 陶瓷材料与有机高分子材料的区分： 可以从分子结构上来区别。高分子材料含有不连续 的大分子，在分子内的碳原子是由共价键相联，分子与 分子间则通过较弱的van-der-Waal 或氢键结合。 陶瓷材料没有不连续的分子，是一种或多种原子的 空间排列，有序为晶体，否则为非晶材料。
铝合金
20 - 50
钛合金
50 - 100
低碳钢
4 – 10
陶瓷
玻璃
0 .5 – 1
氧化镁
3
氧化铝
1–3
碳化硅
2–4
氮化硅
3 -5
2.2 陶瓷基复合材料的特点
增强相与基体的模量之比相当低，为 0.1 - 1 陶瓷基复合材料中，提高强度不是其目的，最主要
的是提高其韧性。
2.2.1 陶瓷基体材料的基本要求
2.1 陶瓷材料的特点
使用温度
2.1 陶瓷材料的特点
材料的密度
2.1 陶瓷材料的特点
热膨胀系数
2.1 陶瓷材料的特点
表 2-1 一 些 材 料 典 型 断 裂 韧 性 (K 1C)值
断
材料
K 1C , M P a ·m 1/2
裂
聚合物
韧
聚乙烯
1 -2
性
尼龙
3
环氧树脂，聚酯
0 .5
金属
纯 金 属 （ 铜 、 镍 、 铝 ） 100 - 300
陶瓷材料：离子键或共价键
2.2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构
表 2-电负性
CaO MgO ZrO2 Al2O3 ZnO 2.5 2.3 2.1 2.0 1.9
离子键性比例 0.79 0.73 0.67 0.63 0.59 共价键性比例 0.21 0.27 0.33 0.37 0.41
陶瓷材料的特点：
很好的耐热性
很好的化学稳定性
高的耐磨性能
低的密度
低的韧性
K1C
2.1 陶瓷材料的特点
K 1C a(N3 m /2Pa 1/2)m
2.1 陶瓷材料的特点
断裂韧性K1C 反映含裂纹材料或构件的抗裂纹扩展 的能力，又称为强度因子。
陶瓷材料不象金属材料有塑性变形，因此在受机械 拉伸或热冲击载荷时可能出现灾难性的失效。所以提高 其韧性是陶瓷基复合材料最重要的目标。