第十四章陶瓷基复合材料
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陶瓷基复合材料
图10-7 纤维陶瓷基复合材 料应力-应变曲线示意图 料应力 应变曲线示意图
2）断裂韧性 纤维拔出与裂纹偏转 是复合材料韧性提高的主 要机制。纤维含量增加， 要机制。纤维含量增加， 阻止裂纹扩展的势垒增加， 阻止裂纹扩展的势垒增加， 断裂韧性增加。 断裂韧性增加。但当纤维 含量超过一定量时， 含量超过一定量时，纤维 局部分布不均， 局部分布不均，相对密度 降低，气孔率增加， 降低，气孔率增加，其抗 弯强度反而降低（ 10弯强度反而降低（图108）。
图10-8 CF/ LAS的断裂韧性和弯 的断裂韧性和弯 曲强度随纤维含量的变化
2、高温力学性能 强度、 1）强度、韧性
两图分别为不同温度下SiC 两图分别为不同温度下SiCF/ MAS(MgO.AL２O３.SiO２ )复合材料的力学 性能变化。室温下，复合材料的抗弯强度比基体材料高约10 10倍 性能变化。室温下，复合材料的抗弯强度比基体材料高约10倍，弹性模量 提高约2 复合材料的抗弯强度至700℃保持不变， 700℃保持不变 提高约2倍。复合材料的抗弯强度至700℃保持不变，然后强度随温度升高 而急剧增加；但弹性模量却随着温度升高从室温的137GPa降到850℃ 137GPa降到850℃的 而急剧增加；但弹性模量却随着温度升高从室温的137GPa降到850℃的80 GPa。这一变化与材料中残余玻璃相随温度升高的变化相关。 GPa。这一变化与材料中残余玻璃相随温度升高的变化相关。
图10-6 FCVI法制备纤维 法制备纤维 陶瓷基复合材料示意图
FCVI的传质过程是通过对流来实现。 FCVI的传质过程是通过对流来实现。可用来制备厚壁部 的传质过程是通过对流来实现 件。但不适于制作形状复杂的部件。 但不适于制作形状复杂的部件。 此外,在FCVI过程中，基体沉积是在一个温度范围内， 此外, FCVI过程中，基体沉积是在一个温度范围内， 过程中 必然会导致基体中不同晶体结构的物质共存， 必然会导致基体中不同晶体结构的物质共存，从而产生内应 力并影响材料的热稳定性。 力并影响材料的热稳定性。
陶瓷基复合材料
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5. 4 短纤维＼晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料
图7-18给出了C纤维增
韧玻璃陶瓷复合材料中 短纤维的分布示意图。 另外，在制备过程中也
可使短纤维实现定向排
列，如采用流延成型法
可使纤维实现取向排列。
1.纤维、颗粒弥散增强陶瓷基复合材料
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图7-31示出SiCw／
ZrO2 复合材料的显
微组织，由于是采用
热压方法制备，所以
晶须的排列有一定的
择优取向。
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5. 4 短纤维＼晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料
图7-19为复合材料断裂功与
碳纤维体积分数之间的关系。 可以看出：在适当的纤维体 积分数时，复合材料的断裂 功有显著提高；并且当纤维
取向排布时，可在高纤维体
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5. 4 短纤维＼晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料
3.颗粒增韧陶瓷基复合材料 图7-24是SiCP／Si2N4复合材料的性能与SiCP体积分数的
1.纤维、颗粒弥散增强陶瓷基复合材料
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(1）长纤维增韧陶瓷基复合材料
（1）纤维定向排布而具有明显的各向异
性 （2）纤维排布纵向上的性能显著高于横 向； （3）在实际构件中主要使用其纤维排布 方向上的性能； （4）长纤维复合材料的制备要解决纤维 表面与基体的润湿问题。 （5）必要时纤维表面要进行处理以提高 界面结合质量，同时还必须考虑力学 相容性及热失配问题。
瓷复合材料；不连续纤维增强的复合材料包括晶须、
晶片和颗粒的第二组元增强体和自身增强体，如 SiN4 中等轴晶的基体中分布一些晶须状 -SiN4 晶粒可起到 增强效果。
《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
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。
第十四章--陶瓷基复合材料PPT课件
制备方法：反应烧结、常压烧结、热压烧结等。
.
47
性能特点： 优异的高温强度，可保持到1600℃； 热传导能力高，仅次于氧化铍陶瓷； 抗磨损性高、摩擦系数低，良好的耐腐蚀
性，低热膨胀系数，适宜的力学性能。 缺点：断裂韧性较低且在任何温度下都很
脆。
.
53
14.3 增强体
1.纤维 2.晶须 3.颗粒
.
18
.
19
.
20
.
21
.
22
主要性能： 硬度很高，2000MPa，仅次于金刚石、氮化 硼、碳化硅 耐磨性好 耐腐蚀性强：由于铝氧之间键合力很大，氧化 铝又具有酸碱两重性。 电绝缘性好 抗热震性能差，不能承受环境温度的突然变化
.
23
2、氧化锆陶瓷
以氧化锆(ZrO2)为主要成分的陶瓷称为氧 化锆陶瓷。
.
54
碳纤维
1、碳纤维是指纤维中含碳量95%左右的碳纤维和含 碳量99%左右的石墨纤维。制造陶瓷基复合材料最 常用的纤维之一。
2、原料:
人造丝（粘胶纤维） 聚丙烯腈PAN(主要原料) 沥青
.
55
3、制造
热牵伸法
预氧化
碳化
.
石墨化
58
碳化
石墨化
.
59
.
60
4、性能特点
• 强度和模量高、密度小，和碳素材料一样具有很 好的耐酸性。
➢ 耐磨性，轴承、密封件和替代人骨(如髋关节)等 ➢ 低热传导性，汽车发动机中作活塞顶、缸盖底板
和汽缸内衬。 ➢ 氧化锆增韧氧化物陶瓷基体，制成韧性较基体材
料高的复合材料。 ➢ 氧化锆的韧性在所有陶瓷中是最高的。
.
30
二、氮化物陶瓷
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性能特点： 优异的高温强度，可保持到1600℃； 热传导能力高，仅次于氧化铍陶瓷； 抗磨损性高、摩擦系数低，良好的耐腐蚀
性，低热膨胀系数，适宜的力学性能。 缺点：断裂韧性较低且在任何温度下都很
脆。
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14.3 增强体
1.纤维 2.晶须 3.颗粒
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主要性能： 硬度很高，2000MPa，仅次于金刚石、氮化 硼、碳化硅 耐磨性好 耐腐蚀性强：由于铝氧之间键合力很大，氧化 铝又具有酸碱两重性。 电绝缘性好 抗热震性能差，不能承受环境温度的突然变化
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2、氧化锆陶瓷
以氧化锆(ZrO2)为主要成分的陶瓷称为氧 化锆陶瓷。
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碳纤维
1、碳纤维是指纤维中含碳量95%左右的碳纤维和含 碳量99%左右的石墨纤维。制造陶瓷基复合材料最 常用的纤维之一。
2、原料:
人造丝（粘胶纤维） 聚丙烯腈PAN(主要原料) 沥青
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3、制造
热牵伸法
预氧化
碳化
.
石墨化
58
碳化
石墨化
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59
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4、性能特点
• 强度和模量高、密度小，和碳素材料一样具有很 好的耐酸性。
➢ 耐磨性，轴承、密封件和替代人骨(如髋关节)等 ➢ 低热传导性，汽车发动机中作活塞顶、缸盖底板
和汽缸内衬。 ➢ 氧化锆增韧氧化物陶瓷基体，制成韧性较基体材
料高的复合材料。 ➢ 氧化锆的韧性在所有陶瓷中是最高的。
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二、氮化物陶瓷
《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添加剂组成的复合材料。
其综合性能优异，因此在航空航天、电子器件、能源领域等多个领域得到广泛应用。
本文将介绍陶瓷基复合材料的制备方法、性能及应用，并对其未来发展进行展望。
一、制备方法陶瓷基复合材料的制备方法多种多样，主要包括烧结法、溶胶-凝胶法、机械合金化法等。
首先，烧结法是最常用的制备陶瓷基复合材料的方法之一。
该方法将陶瓷粉末与其他添加剂混合，并通过高温下的烧结过程将其烧结成坚固的材料。
这种方法制备的复合材料具有较高的结晶度和致密性。
其次，溶胶-凝胶法是一种制备陶瓷基复合材料的新方法。
该方法通过将金属盐、有机物等混合，形成胶体溶胶，然后通过热处理使其成为凝胶，并进一步高温热处理得到致密材料。
这种方法制备的复合材料具有较高的纯度和均匀性。
最后，机械合金化法是一种通过粉末冶金技术制备陶瓷基复合材料的方法。
该方法将陶瓷颗粒与添加剂一起经过球磨、混合等机械处理，使其均匀分散，并通过热处理得到复合材料。
这种方法制备的复合材料具有较高的强度和断裂韧性。
二、性能陶瓷基复合材料具有一系列优异的性能，主要包括高温稳定性、硬度高、抗腐蚀性好等。
首先，陶瓷基复合材料具有较好的高温稳定性。
由于陶瓷基复合材料的陶瓷基体具有较高的熔点和热稳定性，因此能够在高温环境下保持较好的性能，不易发生烧结变形等问题。
其次，陶瓷基复合材料具有较高的硬度。
陶瓷基体的硬度往往比金属基体或聚合物基体要高，因此陶瓷基复合材料在硬度方面具有优势。
这使得该材料在需要高硬度的应用中表现出色，如切割工具、磨料等领域。
再次，陶瓷基复合材料具有良好的抗腐蚀性。
由于陶瓷基体的本身特性，该材料在酸碱等腐蚀性环境中有很好的稳定性，不易受到腐蚀侵蚀。
这使得陶瓷基复合材料在化工、生物医药等领域得到广泛应用。
三、应用陶瓷基复合材料在很多领域都有广泛的应用。
下面将介绍几个典型的应用领域。
首先，陶瓷基复合材料在航空航天领域具有重要应用。
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。
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。
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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
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第十四章 陶瓷基复合材料加工工艺
本章主要内容：
14.1 概述 14.2 陶瓷基体 14.3 增强体 14.4 增韧机理 14.5 制备方法
14.1 概述
一、陶瓷的定义
陶瓷是以无机非•金陶属瓷天的然定矿义物或化工产品为原料， 经原料处理、成•型陶、瓷干的燥分、类烧成等工序制成的产品
•陶瓷脆性的本质 二、陶瓷的分类 •改善途径
呈现出永久塑性变形。 • 摩擦系数小，具有润滑性、导电性高。 • 价格高； • 抗氧化能力较差，在高温下有氧存在时会生成二
氧化碳。
碳纤维
碳纤维板
碳纤维编织环
碳纤维编织布
碳管
碳纤维齿轮
碳纤维结构件
C/C轴承止推环
碳纤维高尔夫球杆
碳纤维自行车
碳化硅纤维
碳化硅纤维是以碳和硅为主要组分的一种陶瓷 纤维，具有良好的高温性能、高强度、高模量 和化学稳定性。
主要性能： 硬度很高，2000MPa，仅次于金刚石、氮化 硼、碳化硅 耐磨性好 耐腐蚀性强：由于铝氧之间键合力很大，氧化 铝又具有酸碱两重性。 电绝缘性好 抗热震性能差，不能承受环境温度的突然变化
2、氧化锆陶瓷
以氧化锆(ZrO2)为主要成分的陶瓷称为氧 化锆陶瓷。
理论密度为5.89 g/cm3，熔点为2715℃。
晶相不同，可分为：•氧化物陶瓷 刚玉瓷：以α-Al2O3••为氮 碳主化化晶物物相。陶陶高瓷瓷纯刚玉瓷牌号75、85、95
和99，它们的纯度和熔点均依次提高。 刚玉-莫来石瓷：以α-Al2O3和3Al2O3·2SiO2为主晶相 莫来石瓷：以3Al2O3·2SiO2为主晶相
Al2O3含量变化对陶瓷性能的影响
难烧结物质。
硅化物
根据制备方法不同，将氮化硅陶瓷分为反应 烧结氮化硅陶瓷(RBSN)、热压烧结氮化硅陶瓷 (HPSN) 。
（1）反应烧结法
预料成，型一：般硅陶••粉α15瓷为-S~的原i330N成料v4o和型，l%方或β-气法硅Si制粉孔3N成与率4混所Si合3需N物形4粉状混；合物为原 预氮化：氮•气21中.7预%氮体化积1-膨1.5胀h，氮化温度1100-
传统陶瓷（普通陶瓷）
现代陶瓷（特种陶瓷）
三、陶瓷脆性的本质
很强的离子键或共价键合 较少可活动的滑移系 晶体堆垛不完整
脆
提高韧性
对表面伤痕和内部裂纹非常敏感
四、改善途径
纤维、晶须、颗粒
复合化增韧：加入增强相引入各种增韧机制增加 裂纹扩展阻力，从而增加断裂过程消耗的能量，提 高断裂韧性 KIC 。
1、碳纤维是指纤维中含碳量95%左右的碳纤维和含 碳量99%左右的石墨纤维。制造陶瓷基复合材料最 常用的纤维之一。
2、原料: 人造丝（粘胶纤维） 聚丙烯腈PAN(主要原料) 沥青
3、制造
热牵伸法
预氧化
碳化
石墨化
碳化
石墨化
4、性能特点 • 强度和模量高、密度小，和碳素材料一样具有很
好的耐酸性。 • 热膨胀系数小，甚至为负值； • 耐高温蠕变性能，一般碳纤维在1900℃以上才
主要性能特点
强度高 硬度高
综合性 热压烧结>反应烧结
耐磨性好，摩擦系数小
耐腐蚀性好
电绝缘性好
抗热震性，抗高温蠕变性比其它陶瓷好
2、赛隆（Sialon）
Sialon ( silicon aluminum oxynitride)
Sialon材料： Si3N4 中的Si和N被Al或(Al+ M) (M为金属离子)及O置换所形成的一大类固溶体。
FSZ(Fully Stabilized Zirconia) 全稳定氧化锆
PSZ(Partially Stabilized Zirconia) 部分稳定氧化锆
TZP(Tetragonal Zirconnia Polycrytal) 单相多晶四方氧化锆
ZTA——氧化锆增韧氧化铝
主要性能：
➢ 耐磨性，轴承、密封件和替代人骨(如髋关节)等 ➢ 低热传导性，汽车发动机中作活塞顶、缸盖底板
晶体结构与Si3N4类似(理想的Si3N4 结构是 [SiN4]四面体)通过共角的形式形成的空间骨架。
三、碳化物陶瓷
以碳化硅(SiC)为主要成分的陶瓷称为碳化硅陶瓷 。
SiC有α-和β-两种晶型。α-SiC为高温晶型，六方 纤锌矿结构；β-SiC为低温晶型，立方结构。
Si-C键属于典型的共价键结合。SiC分解温度为 2600℃，密度为3.17g/cm3。
马
单斜m－ZrO2 5.65
氏
体
1170℃
相
变
四方t－ZrO2 6.1
2370℃
立方c－ZrO2 6.27
2715℃ 液相
最常用的稳定剂 ： ➢ 氧化镁，代表性的组分含量为8mol％MgO； ➢ 氧化钙，典型组分为15mol％CaO； ➢ 氧化钇，典型组分为2~3mol%Y2O3； ➢ 氧化铈，典型组分为12~20mol％CeO。
和汽缸内衬。 ➢ 氧化锆增韧氧化物陶瓷基体，制成韧性较基体材
料高的复合材料。 ➢ 氧化锆的韧性在所有陶瓷中是最高的。
二、氮化物陶瓷
1、氮化硅陶瓷（Si3N4）：
共价键化合物•非，氧属六化方物晶陶系瓷，有α和β两种晶
型结构，两种晶型的氮化化学成物分和密度相同，均
是六方体。
碳化物
由于Si-N高度共价硼的化化物学键结合强度高，属
相变增韧：裂纹尖端的应力场引起裂纹尖端附近 的晶体结构发生相变，使该局部区域发生体积膨胀 ，基体裂纹闭合，改善陶瓷材料的断裂韧性。
ZrO2
整体陶瓷与陶瓷基复合材料的力—位移曲线
断裂韧性和临界裂纹大小的比较
14.2 陶瓷基体
一、氧化物陶瓷
1、氧化铝陶瓷：以氧化铝(Al2O3)为主要成分的陶瓷。根据主
制备方法：反应烧结、常压烧结、热压烧结等。
性能特点： 优异的高温强度，可保持到1600℃； 热传导能力高，仅次于氧化铍陶瓷； 抗磨损性高、摩擦系数低，良好的耐腐蚀
性，低热膨胀系数，适宜的力学性能。 缺点：断裂韧性较低且在任何温度下都很
脆。
14.3 增强体
1.纤维 2.晶须 3.颗粒
碳纤维
1200℃；•不收缩烧结
二次氮化：1400-1420℃二次氮化18-36h，直到所有 的硅都变成氮化硅。
（2）热压烧结法 加温和单方向加压的制造工艺。
原料：Si3N4粉，加入少量添加剂(如 MgO等)，混合均匀后，装入由感应加热 的石墨模具中，在30MPa，保温1-4 小时。
本章主要内容：
14.1 概述 14.2 陶瓷基体 14.3 增强体 14.4 增韧机理 14.5 制备方法
14.1 概述
一、陶瓷的定义
陶瓷是以无机非•金陶属瓷天的然定矿义物或化工产品为原料， 经原料处理、成•型陶、瓷干的燥分、类烧成等工序制成的产品
•陶瓷脆性的本质 二、陶瓷的分类 •改善途径
呈现出永久塑性变形。 • 摩擦系数小，具有润滑性、导电性高。 • 价格高； • 抗氧化能力较差，在高温下有氧存在时会生成二
氧化碳。
碳纤维
碳纤维板
碳纤维编织环
碳纤维编织布
碳管
碳纤维齿轮
碳纤维结构件
C/C轴承止推环
碳纤维高尔夫球杆
碳纤维自行车
碳化硅纤维
碳化硅纤维是以碳和硅为主要组分的一种陶瓷 纤维，具有良好的高温性能、高强度、高模量 和化学稳定性。
主要性能： 硬度很高，2000MPa，仅次于金刚石、氮化 硼、碳化硅 耐磨性好 耐腐蚀性强：由于铝氧之间键合力很大，氧化 铝又具有酸碱两重性。 电绝缘性好 抗热震性能差，不能承受环境温度的突然变化
2、氧化锆陶瓷
以氧化锆(ZrO2)为主要成分的陶瓷称为氧 化锆陶瓷。
理论密度为5.89 g/cm3，熔点为2715℃。
晶相不同，可分为：•氧化物陶瓷 刚玉瓷：以α-Al2O3••为氮 碳主化化晶物物相。陶陶高瓷瓷纯刚玉瓷牌号75、85、95
和99，它们的纯度和熔点均依次提高。 刚玉-莫来石瓷：以α-Al2O3和3Al2O3·2SiO2为主晶相 莫来石瓷：以3Al2O3·2SiO2为主晶相
Al2O3含量变化对陶瓷性能的影响
难烧结物质。
硅化物
根据制备方法不同，将氮化硅陶瓷分为反应 烧结氮化硅陶瓷(RBSN)、热压烧结氮化硅陶瓷 (HPSN) 。
（1）反应烧结法
预料成，型一：般硅陶••粉α15瓷为-S~的原i330N成料v4o和型，l%方或β-气法硅Si制粉孔3N成与率4混所Si合3需N物形4粉状混；合物为原 预氮化：氮•气21中.7预%氮体化积1-膨1.5胀h，氮化温度1100-
传统陶瓷（普通陶瓷）
现代陶瓷（特种陶瓷）
三、陶瓷脆性的本质
很强的离子键或共价键合 较少可活动的滑移系 晶体堆垛不完整
脆
提高韧性
对表面伤痕和内部裂纹非常敏感
四、改善途径
纤维、晶须、颗粒
复合化增韧：加入增强相引入各种增韧机制增加 裂纹扩展阻力，从而增加断裂过程消耗的能量，提 高断裂韧性 KIC 。
1、碳纤维是指纤维中含碳量95%左右的碳纤维和含 碳量99%左右的石墨纤维。制造陶瓷基复合材料最 常用的纤维之一。
2、原料: 人造丝（粘胶纤维） 聚丙烯腈PAN(主要原料) 沥青
3、制造
热牵伸法
预氧化
碳化
石墨化
碳化
石墨化
4、性能特点 • 强度和模量高、密度小，和碳素材料一样具有很
好的耐酸性。 • 热膨胀系数小，甚至为负值； • 耐高温蠕变性能，一般碳纤维在1900℃以上才
主要性能特点
强度高 硬度高
综合性 热压烧结>反应烧结
耐磨性好，摩擦系数小
耐腐蚀性好
电绝缘性好
抗热震性，抗高温蠕变性比其它陶瓷好
2、赛隆（Sialon）
Sialon ( silicon aluminum oxynitride)
Sialon材料： Si3N4 中的Si和N被Al或(Al+ M) (M为金属离子)及O置换所形成的一大类固溶体。
FSZ(Fully Stabilized Zirconia) 全稳定氧化锆
PSZ(Partially Stabilized Zirconia) 部分稳定氧化锆
TZP(Tetragonal Zirconnia Polycrytal) 单相多晶四方氧化锆
ZTA——氧化锆增韧氧化铝
主要性能：
➢ 耐磨性，轴承、密封件和替代人骨(如髋关节)等 ➢ 低热传导性，汽车发动机中作活塞顶、缸盖底板
晶体结构与Si3N4类似(理想的Si3N4 结构是 [SiN4]四面体)通过共角的形式形成的空间骨架。
三、碳化物陶瓷
以碳化硅(SiC)为主要成分的陶瓷称为碳化硅陶瓷 。
SiC有α-和β-两种晶型。α-SiC为高温晶型，六方 纤锌矿结构；β-SiC为低温晶型，立方结构。
Si-C键属于典型的共价键结合。SiC分解温度为 2600℃，密度为3.17g/cm3。
马
单斜m－ZrO2 5.65
氏
体
1170℃
相
变
四方t－ZrO2 6.1
2370℃
立方c－ZrO2 6.27
2715℃ 液相
最常用的稳定剂 ： ➢ 氧化镁，代表性的组分含量为8mol％MgO； ➢ 氧化钙，典型组分为15mol％CaO； ➢ 氧化钇，典型组分为2~3mol%Y2O3； ➢ 氧化铈，典型组分为12~20mol％CeO。
和汽缸内衬。 ➢ 氧化锆增韧氧化物陶瓷基体，制成韧性较基体材
料高的复合材料。 ➢ 氧化锆的韧性在所有陶瓷中是最高的。
二、氮化物陶瓷
1、氮化硅陶瓷（Si3N4）：
共价键化合物•非，氧属六化方物晶陶系瓷，有α和β两种晶
型结构，两种晶型的氮化化学成物分和密度相同，均
是六方体。
碳化物
由于Si-N高度共价硼的化化物学键结合强度高，属
相变增韧：裂纹尖端的应力场引起裂纹尖端附近 的晶体结构发生相变，使该局部区域发生体积膨胀 ，基体裂纹闭合，改善陶瓷材料的断裂韧性。
ZrO2
整体陶瓷与陶瓷基复合材料的力—位移曲线
断裂韧性和临界裂纹大小的比较
14.2 陶瓷基体
一、氧化物陶瓷
1、氧化铝陶瓷：以氧化铝(Al2O3)为主要成分的陶瓷。根据主
制备方法：反应烧结、常压烧结、热压烧结等。
性能特点： 优异的高温强度，可保持到1600℃； 热传导能力高，仅次于氧化铍陶瓷； 抗磨损性高、摩擦系数低，良好的耐腐蚀
性，低热膨胀系数，适宜的力学性能。 缺点：断裂韧性较低且在任何温度下都很
脆。
14.3 增强体
1.纤维 2.晶须 3.颗粒
碳纤维
1200℃；•不收缩烧结
二次氮化：1400-1420℃二次氮化18-36h，直到所有 的硅都变成氮化硅。
（2）热压烧结法 加温和单方向加压的制造工艺。
原料：Si3N4粉，加入少量添加剂(如 MgO等)，混合均匀后，装入由感应加热 的石墨模具中，在30MPa，保温1-4 小时。