陶瓷基复合材料2017

2、成型
有了良好的粉体，成型就成了获得 高性能陶瓷复合材料的关键，一般成型 后坯体的密度越高，则烧成中的收缩越 小，制品的尺寸精度越容易控制。陶瓷 的成型方法主要有：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 在表面能减少的推动力下 通过扩散、晶粒长大、气孔和晶界逐渐减少而致 密化的过程。而这一过程是一个复杂的物理、化 学变化的过程，是多种机制组合作用的结果。陶 瓷常采用的烧结方法有：普通烧结、热致密化方 法、反应烧结、微波烧结及放电等离子烧结。 烧结机制可归纳为：1）黏性流动；2）蒸发 与凝聚；3）体积扩散；4）表面扩散；5）晶界 扩散；6）塑性流动等。
a 纤维 是具有较大长径比的材料，是最早
应用的增强体。 碳纤维 有机纤维经固相反应转变而成的 一种多晶纤维状聚合物碳，是一种无机非 金属材料
纤 维
玻璃纤维 非晶型无机纤维，主要成分为二 氧化硅与Ca、B、Na、Al、Fe等的氧化物
硼纤维 通过在钨丝或涂炭或涂鸦的石英纤 维（直径一般为3.5μm～50μm）上沉积不定型 原子硼形成的一种无机复合纤维
C60
碳 纤 维
纳米碳管
金刚石
石墨
玻璃纤维为无定型结构，无远程 有序特征，三维网络结构，具有各向 同性。
加入Na2O
玻璃的无定型结构
硼纤维 通过在芯材(钨丝、碳丝或涂炭或涂鸦
的石英纤维，直径一般为3.5μm～50μm)上沉 积不定型的原子硼形成的一种无机复合纤维， 直径100μm～200μm。
第六章、陶瓷基复合材料
一、概述
二、陶瓷基复合材料的结 构
三、陶瓷基复合材料的种 类 四、陶瓷基复合材料的制 备
五、陶瓷基复合材料未来 趋势
一、概述
陶瓷是氧化物、碳化物、氮化物和硅酸盐等无机化 合物的总称，包括玻璃、家用瓷器、砖瓦等日常用品。 随着人类文明的进步，开发出了各种新型陶瓷，其中一 部分为实现力-电、湿-电、热-电等功能的功能陶瓷，而 另一部分则为满足强度、耐高温、耐磨损等力学性能的 结构陶瓷。 20世纪70年代初期，结构陶瓷作为一种新型高温材 料受到广泛的重视，因为陶瓷具有高熔点、低密度、抗 氧化、抗腐蚀、耐高温和耐磨损等特点，然而由于陶瓷 有共价键或离子键构成，因此具有本质的高强度和低延 性，故而需要改善其韧性，但只有依靠非本质的的韧化 机制才能实现，即将两种或两种以上陶瓷显微结构的组 元复合起来，这就是陶瓷基复合材料
颗粒也是一种有效的增强体之一，主 要用于金属基、聚合物和陶瓷基复合材 料的增强体。在基体中的体积分数一般 在：15％～30％；特殊时，也可以为 5％～
75％
增强体根据 刚性颗粒 一般为陶瓷颗粒，常见
的有：SiC、TiC、WC、BN、石墨等
分 类
变形性能
延性颗粒 主要是金属颗粒，加
入陶瓷中可增强其韧性
1、粉体制备
粉体主要用于基体及增强体中的增韧颗粒。
机械制粉 球磨
分工 分艺 布简 不单 均、 但 组 超性 细能 、优 组良 分的 均高 匀纯 、
粉 体 制 备
化学制粉
搅动振动磨
1）固相法 盐类分解法、高 温自蔓延合成法（SHS） 2）液相法 主要用于氧化物 系列超细粉体的合成 3）气相法 多用于制备超细 高纯的非氧化物粉体
1）氧化物陶瓷基复合材料
类
型
2）非氧化物陶瓷基复合材料
3、按基体材料分
3）微晶玻璃基复合材料 4）碳/碳复合材料
四、陶瓷基复合材料的制备
陶瓷基复合材料主要包括：颗粒、纤维（晶须） 和陶瓷层片增强陶瓷基复合材料，但这三种材料的制 备工艺不尽相同。 一般由以下几个环节组成：
粉体制备
预处理
增强体（纤维、晶须或陶瓷 层片）制备 成型 烧结
二、陶瓷基复合材料的结构
1.陶瓷基复合材料的基体
陶瓷常分为硅酸盐、氧化物和非氧化物三类：
1）硅酸盐陶瓷以SiO2为主，外加Al2O3， MgO，BeO，ZrO2等玻璃相。 2）氧化物陶瓷是以晶体相为主，仅含少量的玻璃 相。常用的有：Al2O3、ZrO2、TiO2、BeO等 3）非氧化物陶瓷包括以石墨或金刚石结构存在的 碳；氮化物（BN、SiN4等）；碳化物（SiC、TiC 等）；硼化物（TiB2、ZrB2等）；硅化物（MoSi2 等）其中，作为高温结构陶瓷Si3N4和SiC最为重要。
子的配位、弹性模量、密度、热膨胀系数等不 连续的区域叫 界面
结合方式：机械结合、物理结合、化学结合和扩
散结合。其中以化学结合为主，有时几种结合方 式同时存在。
三、陶瓷基复合材料的种类
1、按材料作用分 （1）结构陶瓷基复合材料，用 于制造各种受力零部件 （2）功能陶瓷基复合材料，具有 各种特殊性能（光、电、磁、热、 生物、阻尼、屏蔽等） ① 颗粒增强陶瓷基复合材料； 2、按增强材料形态分 ② 纤维（晶须）增强陶瓷基复 合材料； ③ 片材增强陶瓷基复合材料
五、陶瓷基复合材料的未来趋势
① 多层陶瓷基复合材料 用石墨或碳等剪切开裂的材料 作为陶瓷的中间层，使裂纹沿界面偏析，从而提高断裂 韧性的多层复合材料； ② 纳米复合材料 其中典型的一个是以SiC纳米增强颗粒 增强Al2O3复合材料，另一种则是碳化硅纳米颗粒增强氮 化硅（Si3N4）复合材料； ③ 功能梯度复合材料 其产生和发展的基础是以计算机辅 助材料设计和先进复合材料技术，材料的构成要素（结 构、组成等）沿着厚度方向从一侧向另一侧连续变化， 从而达到材料性质和功能也随之呈梯度变化。 ④ 连续纤维增强复合材料 以连续长纤维为增强材料 ，金 属、陶瓷等为基体材料制备而成。
外生型：颗粒的制备与基体无关，是通过一定的
合成工艺制备而成的
根据其生产 内生型：选定的反应体系在基体材料中，一定
方式的不同
条件下通过化学反应原位生成，基体可参与或不 参与化学反应
3、陶瓷基复合材料的 界面
复合材料是两种或两种以上不同组分材料以 微观或宏观的形式复合而成的多相材料，而组 分材料间存在着结合层（区域），而在该区域 内的材料特性，即元素的浓度、晶体结构、原
其中，陶瓷材 料中的硅酸盐结 构较为复杂,普遍 特点是存在 [Si04]4-结构单元， 重要的有锆英石 和镁橄榄石。
镁 橄 榄 石
锆 英 石
2、陶瓷基复合材料的增强体
陶瓷基复合材料的增强体通常也称为增韧 体，虽然陶瓷材料具有耐高温、硬度高、耐磨损、 耐腐蚀及相对密度轻等特点，但他的致命弱点就 是脆性，这一弱点使得陶瓷材料的使用受到很大 限制，其中，陶瓷基复合材料的增韧体一般分为 三种：纤维、晶须和颗粒。
特点： 高强度、高模量、高硬度
b 晶须 指直径小于3μm的单晶体生长
的短纤维，与纤维相比存在的区别是：
① 单晶，缺陷少、强度高、模量大；
②直径小（﹤0.1μm）；
③ 长径比大（L/d﹥数十）；
氧化物晶须：Al203
陶瓷晶须
主要有两大类：
非氧化物晶须：SiC
金属晶须：Cu、Cr、Fe、Ni等
C 颗粒增强体