陶瓷基复合材料的制备方法与工艺课件
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(CMC
(70-350MPa)
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第三节 陶瓷粉末的烧结
粉末状物料在压制成型后，含有大量气孔，颗粒 之间接触面积较小，强度也比较低。经过高温作 用后，坯体中颗粒相互烧结，界面逐渐扩大成为 晶界，最后数个晶粒结合在一起，产生再结晶与 聚集再结晶，使晶粒长大。气孔体积缩小，大部 分甚至全部从体坯中排出，体收缩而致密，强度 增加，成坚固整体。上述整个过程叫烧结过程。
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烧结作用力分析
表面张力产生的作用于ABCD表面上切线方向的力， 可由表面张力定义求出
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由表可以看出，曲面压力随颗粒半径之降低而 增加，随曲面圆内角θ之减小而降低，亦即随 烧结之进行而降低。所以颗粒越细，曲面压力 越大，颈部成长越快。颈部长大表面积减小， 表面能也降低。
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三、烧结机理
(一)颗粒的粘附作用
（7）氮化硅的电绝缘性也很好
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三、碳化硅陶瓷
由反应烧结法（α-SiC+C粉 烧结）和 热压烧结（SiC+促进剂）法制备 特点： 较高的高温强度 较高的热导率 较好的热稳定性、耐磨性、耐腐蚀性和 抗蠕变性
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四、玻璃陶瓷
含有大量微晶体的玻璃称为微晶玻璃或 玻璃陶瓷。常用的玻璃陶瓷有锂铝硅 （Al2LOi23O-S-iAOl22O，3M-SAiOS)2两，L个AS体）系和。镁铝硅(MgO-
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模量
40
断裂韧性
没有增强时，断裂韧性随温度升高而降低，有晶须 增强后，因纤维拔出，在高温随温度升高而增大 41
2.蠕变
在高温或高应力的作用下，玻璃发生粘性流动， 应变急剧增大 42
3．热冲击性（热震性)
第7章陶瓷基复合材料
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
第六章 陶瓷基复合材料
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3、化学气相浸渗法 (Chemical Vapor Infiltration，简称CVI法）
定义：
反应物以气体的形式渗入到纤维预制体的内部并发
生化学反应，形成陶瓷固体沉积在预制体表面，使预
制体逐渐致密形成陶瓷基复合材料的一种工艺。
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CVI的突出优点是：
能在较低温度进行高温材料的制备，SiC陶瓷的烧结温度通常 高达2000℃以上，而采用CVI法则能在900－1100℃的温度下 制备出高纯度的SiC陶瓷：
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CVI法制备的Cf/SiC陶瓷基复合材料的显微结构
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4、反应性熔体浸渗法 (Reactive Melt Infiltration，简称RMI法)
在采用RMI法制备SiC陶瓷基复合材料过程中， 将Si熔化后，在毛细管力的作用下Si熔体渗入到以 多孔C/C材料内部，并同时与基体碳发生化学反应 生成SiC陶瓷基体。
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。
SiC具有很高的热传导能力，较好的热稳定性、耐 磨性、耐腐蚀性和抗蠕变性。
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4、玻璃陶瓷（glass-ceramics）
某些玻璃经热处理后可以晶化形成大量的微晶体。这种含
抗弯强度MPa
弹性模量Gpa 断裂韧性K1C，MPam1/2
473±30
247±16 3.7±0.7
454±42
188±18 15.6±1.2
热膨胀系数
(室温-1000℃)10-3/℃
4.62
2.51
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（3）纤维/碳化硅陶瓷基复合材料 SiC基CMC的密度2～2.5g/cm3，仅为高温合金和铌
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。
陶瓷基复合材料的制备方法
结、冷却过程后，从窑的另一端取出成品。
4．精加工
由于高精度制品的需求不断增多，因此在烧结
后的许多制品还需进行精加工。 精加工的目的是为了提高烧成品的尺寸精度和 表面平滑性，前者主要用金刚石砂轮进行磨削加工， 后者则用磨料进行研磨加工。
以上是陶瓷基复合材料制备工艺的几个主要步
韧陶瓷基复合材料。
由于晶须的尺寸很小，从宏观上看与粉末一样，
因此在制备复合材料时，只需将晶须分散后与基体粉
末混合均匀，然后对混好的粉末进行热压烧结，即可
制得致密的晶须增韧陶瓷基复合材料。
目前常用的是SiC，Si3N4 ，Al2O3 晶须，常用的基 体则为Al2O3，ZrO2，SiO2，Si3N4及莫来石等。 晶须增韧陶瓷基复合材料的性能与基体和晶须的 选择、晶须的含量及分布等因素有关。
易造成烧成后的生坯变形或开裂、只能适用于形
状比较简单的制件。
采用橡皮模成型法是用静水压从各个方向均 匀加压于橡皮模来成型，故不会发生生坯密度不 均匀和具有方向性之类的问题。
由于在成型过程中毛坯与橡皮模接触而压成
生坯，故难以制成精密形状，通常还要用刚玉对 细节部分进行修整。
另一种成型法为注射成型法。从成型过程上看，
据需要的厚度将单层或若干层进行热压烧结成型，如
下图所示。
纤维 层 基体
纤维布层压复合材料示意图 这种材料在纤维排布平面的二维方向上性能优越，而在垂 直于纤维排布面方向上的性能较差。 一般应用在对二维方向上有较高性能要求的构件上。
另一种是纤维分层单向排布，层间纤维成一定角度，
如下图所示。 纤维层
基体
Z
三向C/C编织结构示意图 Y
这种三维多向编织结构还可以通过调节
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。
复合材料第六章陶瓷基复合材料-陶瓷基复合材料的制备工艺
① ② ③ ④
原料（陶瓷粉末、增强剂、粘结剂和助烧剂） 均匀混合（球磨、超声等） 冷压成形 （热压）烧结。
关键：均匀混合、烧结过程防止体积收缩而产生裂纹。
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2.2.2 浆体法（湿态法）
工艺特点：各组元保持散凝状，在浆体中呈弥散分布， 克服粉末冶金法中各组元混合不均的问题 控制手段：调整pH值、对浆体进行超声波震动搅拌 适用对象：颗粒、晶须、短纤维增韧陶瓷基复合材料 浆体浸渍法：可制备连续纤维增韧陶瓷基复合材料 （纤维分布均匀，气孔率低）
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（2）等静压成型
工艺：将粉料装入橡胶或塑料等可变形容器中，密封后放 入液压油或水等流体介质中，加压获得所需坯体。 优点：不需胶粘剂、坯体密度均匀性好、有良好烧结性能 缺点：坯体形状和尺寸可控性太差、生产效率低、 难于自动化批量生产。
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（3）热压铸成型
工艺：粉料和蜡混合并加热使蜡熔化（使具有流动性）， 混合料加压注入模具并冷却（坯体致密且较硬实）
氧化产物空隙管道的液吸作用使得熔融金属不断供到生长前沿
Al + 空气 Al2O3
Al + 氮气 AlN
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2.2.6 溶胶–凝胶法（Sol–Gel）
溶胶： Sol，微小颗粒（直径100nm）的悬浮液 凝胶：Gel，水分减少的溶胶（比溶胶粘度大的胶体） Sol–Gel法：金属有机或无机化合物经溶液、溶胶、凝胶、 干燥、热处理生成氧化物或其它化合物固体。 Sol–Gel法制备SiO2陶瓷原理： Si(OR)4 + 4 H2O Si(OH)4 + 4 ROH （水解） Si(OH)4 SiO2 + 2 H2O
优
缺
点：工艺简单、产量大、设备简单，成本低。