第五章 陶瓷基复合材料的性能
浅谈陶瓷基复合材料的分类及性能特点
浅谈陶瓷基复合材料的分类及性能特点蒋永彪（贵州省机械工业学校，贵州贵阳550000）1陶瓷基复合材料分类陶瓷基复合材料，根据增强体分成两大类：连续增强的复合材料和不连续增强的复合材料，如表1所示。
其中，连续增强的复合材料包括一方向，二方向和三方向纤维增强的复合材料，也包括多层陶瓷复合材料；不连续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Si 3N 4中等轴晶的基体中分布一些晶须状β-Si 3N 4晶粒起到增韧效果。
纳米陶瓷既可以是添加纳米尺寸的增强体复合材料，也可以是自身晶粒尺寸纳米化及增强。
表1陶瓷基复合材料分类陶瓷基符合材料也可以根据基体分成氧化物基和非氧化物基符合材料。
氧化物基复合材料包括玻璃、玻璃陶瓷、氧化物、复合氧化物等，弱增强纤维也是氧化物，常称为全氧化物复合材料。
非氧化物基复合材料以SiC ，Si 3N 4，MoS 2基为主。
2陶瓷基复合材料的力学特性陶瓷本体具有耐高温、抗氧化、高温强度高、抗高温蠕变性好、高硬度、高耐磨损性、线膨胀系数小、耐化学腐蚀等优点，但也存在致命的弱点（脆性），它不能承受激烈的机械冲击和热冲击，这限制了它的应用。
可通过控制晶粒、相变韧化、纤维增强等手段制成复合材料，陶瓷基复合材料具有了更高的熔点、刚度、硬度和高温强度，并具有抗蠕变、疲劳极限好、高抗磨性，在高温和化学侵蚀的场合下能承受大的载荷等优点，使其在航空、航天等众多领域有着广泛的应用前景。
2.1陶瓷基复合材料的主要物理和化学性能（1）热膨胀。
复合材料有纤维、界面和基体构成，因此热膨胀的相容性是非常重要的。
虽然线膨胀系数彼此相同是最为理想的，但是几乎实现不了。
通常用线膨胀系数来表征材料的热膨胀，晶体的线膨胀系数存在各向异性，因此，线膨胀系数的各向异性造成的热应力常常是导致多晶体材料从烧结温度冷却下来即发生开裂的原因。
在陶瓷基复合材料里，一般希望增强体承压缩的残余应力，这样即使是弱界面，也不会发生界面脱黏。
陶瓷基先进复合材料的高温力学性能研究
陶瓷基先进复合材料的高温力学性能研究陶瓷基先进复合材料（ceramic matrix composites，CMCs）是一种重要的新型结构材料，具有优异的高温力学性能。
本文将对陶瓷基先进复合材料的高温力学性能进行研究，探讨其原因和影响因素。
一、陶瓷基先进复合材料的高温力学性能陶瓷基先进复合材料由陶瓷基体和增强相组成，其中陶瓷基体具有高温抗氧化性、耐高温蠕变性和低热膨胀系数等优良性能，增强相具有高强度和高模量等特点。
因此，陶瓷基先进复合材料在高温环境下具有出色的力学性能。
在高温下，陶瓷基先进复合材料通常表现出较低的热膨胀系数和较高的耐热疲劳性能。
其低热膨胀系数可以降低在不同温度下材料的热应力，减少热应力引起的开裂和破坏；而耐热疲劳性能指材料在高温循环加载下的抗裂纹扩展和断裂性能，能够保证材料长期在高温下稳定工作。
此外，陶瓷基先进复合材料还具有较高的强度和模量。
其高强度可以使材料在高温条件下具有更好的承载能力和抗拉伸性能，从而保证使用时的可靠性；而高模量可以提高材料的刚性和抗变形性能，降低在高温下的塑性变形。
二、影响陶瓷基先进复合材料高温力学性能的因素1.组分和制备工艺：陶瓷基先进复合材料的组分和制备工艺直接影响其力学性能。
合适的组分能够使不同相之间的界面结合更加牢固，提高材料的强度和韧性；而合理的制备工艺可以降低材料的孔隙率、提高微观组织的均匀性，从而改善材料的高温力学性能。
2.界面行为：界面在陶瓷基先进复合材料的高温力学性能中起着重要的作用。
强化相和基体之间的界面结合状态会影响材料的强度和断裂韧性。
良好的界面结合可以抑制裂纹的扩展，提高材料的高温抗拉伸能力。
3.氧化行为：陶瓷基先进复合材料在高温环境下容易发生氧化反应，导致材料的氧化损伤。
氧化层的形成会影响材料的力学性能，尤其是材料的抗氧化性能。
因此，控制氧化行为可以有效改善材料的高温力学性能。
三、陶瓷基先进复合材料的应用前景陶瓷基先进复合材料由于其卓越的高温力学性能，在航空航天、能源、汽车和机械等领域具有广阔的应用前景。
陶瓷基复合材料标准论文
张峰Z09016133陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料概述：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。
陶瓷基复合材料制造工艺1 粉末冶金法工艺流程：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）烧结适用于颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料2浆体法（湿态法）为了克服粉末冶金法中各组元混合不均的问题，可采用浆体（湿态）法制备颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料。
其混合体为浆体形式。
混合体中各组元保持散凝状。
即在浆体中呈弥散分散采用浆体浸渍法也可制备连续纤维增韧陶瓷基复合材料3反应烧结法用此方法制备陶瓷基复合材料，除基体材料几乎无收缩外，还具有以下优（1）增强剂的体积比可以相当大；（2）可用多种连续纤维预制体；（3）大多数陶瓷基复合材料的反应烧结温度低于陶瓷的烧结温度，因此可避免纤维的损伤。
此方法最大的缺点是高气孔率难以避免。
4、液态浸渍法用此方法制备陶瓷基复合材料，化学反应熔体粘度、熔体对增强材料的浸润性是首要考虑的问题，这些因素直接影响着材料的性能。
陶瓷熔体可通过毛细作用渗入增强剂预制体的孔隙。
施加压力或抽真空将有利于浸渍过程。
假如预制体中的孔隙呈一束束有规则间隔的平行通道，则可用Poisseuiue方程计算出浸渍高度h：h = √（γr t cosθ）/ 2η式中r 是圆柱型孔隙管道半径；t 是时间；γ是浸渍剂的表面能；θ是接触角；η是粘度。
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。
陶瓷基复合材料综述
不同金属、陶瓷基体和陶瓷基复合材料的断裂韧性比较
整体陶瓷
颗粒增韧
相变增韧
材
料
AlB2BO B3B
SiC
AlB2BOB 3B/Ti C
SiB3BNB4B /TiC
ZrOB2B/ MgO
ZrOB2B/Y B2BOB3
B
ZrOB2B/ AlB2B O3B
断裂韧性
MPa/mP1/2 2.7~4.2
P
4.5~ 6.0
烧结
(温度， 时间)
后处理
(二次 加工)
成品
2.1 传统普通工艺
2.1.1 粉末冶金工艺 (冷压与烧结工艺)
粉末制备
表 3-1 颗粒形状和粉末生产方式
粉体: 粉体是介于致密体与 胶体之间的颗粒集合物，其 颗粒当量直径在 0.1 微米和 1 毫米之间。
颗粒形状
球状 液滴状 板片状 碟状 角状 树枝状 多孔海绵状 不规则形状
很明显，传统的单一材料无法满足以上综合要 求，当前作为单一的金属、陶瓷、聚合物等材料虽 然仍在不断日新月异地发展，但是以上这些材料由 于其各自固有的局限性而不能满足现代科学技术发 展的需要。
复合材料的发展历史
6000年前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑复 合材料。
水泥复合材料已广泛地应用于高楼大厦和河堤大坝 等的建筑，发挥着极为重要的作用；20世纪40年代，美 国用碎布酚醛树脂制备枪托、代替木材，发展成为玻璃 纤维增强塑料（玻璃钢）这种种广泛应用的较现代化复 合材料。
气相法多用于制备超细、高纯的非氧化物陶瓷材料。
2.1 传统普通工艺
2.1.1 粉末冶金工艺 (冷压与烧结工艺) 压制工艺 单向或双向的模压 等静压制、振动压制、粉末轧制及粉浆浇注
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料论文2015年5月５日摘要：陶瓷基复合材料主要以高性能陶瓷为基体.通过加入颗粒、晶须、连续纤维和层状材料等增强体而形成的复合材料。
如碳化硅、氮化硅、氧化铝等，具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量轻和价格低等优点。
陶瓷基复合材料的研究还处于较初级阶段，我国对陶瓷基复合材料的研究则刚刚起步不久。
关键词：陶瓷基复合材料基体增强体强韧化机理制备技术前言: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。
正文一、陶瓷基复合材料基本概述陶瓷基复合材料的基体为陶瓷。
如碳化硅、氮化硅、氧化铝等,具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量轻和价格低等优点。
化学键往往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；其它常用纤维是玻璃纤维和硼纤维。
纤维增强陶瓷基复合材料是改善陶瓷材料韧性的重要手段。
目前常用的晶须是ＳiＣ和Ａ12Ｏ3,常用的基体则为A12O3,ZrO２,SiＯ２,Si３Ｎ4以及莫来石等。
晶须具有长径比，含量较高时，桥架效应使致密化困难，引起了密度的下降导致性能下降。
颗粒代替晶须在原料的混合均匀化及烧结致密化方面均比晶须增强陶瓷基复合材料要容易。
常用的颗粒也是SiC、Ｓi3N４和Ａ12O3等。
陶瓷基复合材料发展迟滞，发展过程中也遇到了比其它复合材料更大的困难。
陶瓷基复合材料
Ceramic-matrix
注意事项 ： （1）料浆应能与纤维表面保持良好润湿。料浆中包括：陶瓷基体粉末、 载液(通常是蒸馏水)和有机粘接剂，有时还加入某些促进剂和基体润湿 剂。为使纤维表面均匀粘附料浆，要求陶瓷粉体粒径小于纤维直径，并 能悬浮于载液和粘接剂混合的溶液中。 （2）纤维应选用容易分散的、捻数低的丝束，保持其表面清洁无污染。 在操作过程中尽量避免纤维损伤，并注意排除气泡。 （3）热压烧结应按预定规律(即热压制度)升温和加压。在热压过程中， 将发生基体颗粒重新分布、烧结和在外压作用下的粘性流动等过程，最 终获得致密化的陶瓷基复合材料。很多陶瓷基复合材料体系在热压过程 中往往没有直接发生化学反应，主要通过系统表面能减少的驱动，使疏 松粉体熔结而致密化。 存在的问题： （1）纤维和陶瓷粉末不容易复合成型。 （2）烧结时由于基体收缩或热压烧结时无粘性流动，会使颗粒和纤维 之间的机械作用而损伤纤维。 （3）目前，直径小于0.1微米-1微米的粉末很难买到。并且，其中的夹 杂物不易排除。同时，细的粉末在制造复合材料过程中又不易分散。 （4）在热压时会损伤纤维结构。
Ceramic-matrix
注意事项：
（1）与高聚物先驱体转化法不同的是，溶胶—凝胶工艺的先驱体是在溶液浸 进纤维编织坯件后在原位合成的。 （2）采用溶胶—凝胶法制备复合材料可以先制备复合凝胶体，即将复合的各 相以原子或分子级进行均匀混合形成复合溶胶和凝胶化，得到高纯、超细、均 相、分子级或包裹式的复合陶瓷粉末，再经成型、烧结而形成复合材料的基体 或者通过控制溶剂的蒸发速度将复合的溶胶凝胶化后，直接烧结成陶瓷基复合 材料。 （3）如果第二相是粉末或纤维，则可浸在适当的溶液中，通过形核和成长， 使溶液形成溶胶，均匀包围粉末和纤维，经凝胶化处理和热解后即形成陶瓷基 复合材料的基体。 （4）溶胶—凝胶法制备陶瓷基复合材料的质量保证关键主要有：选择合适的 先驱体反应物，控制溶液的浓度和pH值、气氛、分散剂、选用胶溶剂、去除 团聚以及使各相处于良好的分散状态等。
陶瓷基复合材料的性能
5.3 陶瓷复合材料的高温力学性能
5.3.1 高温断裂韧性
5.3 陶瓷复合材料的高温力学性能
5.3.2 蠕变性能
5.3 陶瓷复合材料的高温力学性能
5.3.2 蠕变
5.3 陶瓷复合材料的高温力学性能
5.3.2 热冲击性（热震性）
名称 Vf 复合方式 杨氏模量，GPa
(%)
实验值 预测值
LAS 0
-
86
LAS-1 46 单向 133
143
LAS-2 46 单向 130
143
LAS-2 44 单向 136
141
LAS-1 50 交叉 118 LAS-3 40 三维编织 79-111
碳化硅纤维的弹性模量 Ef = 210 GPa
5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能
5.2.2 压缩与弯曲强度 碳化硅纤维增强锂铝硅玻璃陶瓷复合材料的载荷-位移曲线。 压缩强度为 96.8 MPa，压缩弹性模量为 56.6 Gpa。
图 5-8 SiC纤维增强LAS-I玻璃陶瓷的载荷-位移曲线
5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能
5.2.3 断裂韧性 碳化硅纤维增强锂铝硅玻璃陶瓷复合材料的断裂韧性随纤
第五章 陶瓷基复合材料的性能
5.1 陶瓷材料力学性能测试
5.1.1 弯曲试验
第五章 陶瓷基复合材料的性能
5.1 陶瓷材料力学性能测试
5.1.2 拉伸或 弯曲试验源自5.1 陶瓷材料力学性能测试
5.1.3 应力-应变曲线
5.1 陶瓷材料力学性能测试
5.1.3 应力-应变曲线
5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能
5.2.4 影响因素 颗粒粒径
5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能
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碳化硅纤维的弹性模量 Ef = 210 GPa
第五章 陶瓷基复合材料的性能
5.1 陶瓷材料力学性能测试
5.1.1 弯曲试验
第五章 陶瓷基复合材料的性能
5.1 陶瓷材料力学性能测试
5.1.2 拉伸或 弯曲试验
5.1 陶瓷材料力学性能测试
5.1.3 应力-应变曲线
5.1 陶瓷材料力学性能测试
5.1.3 应力-应变曲线
5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能
5.3.1 高温弹性模量
5.3 陶瓷复合材料的高温力学性能
5.3.1 高温断裂韧性
5.3 陶瓷复合材料的高温力学性能
5.3.2 蠕变性能
5.3 陶瓷复合材料的高温力学性能
5.3.2 蠕变
5.3 陶瓷复合材料的高温力学性能
5.3.2 热冲击性（热震性）
5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能
5.2.4 影响因素 增强相体积含量 连续纤维
5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能
5.2.4 影响因素 增强相体积含量 连续纤维
图 5-11 单向增强碳纤维 /玻璃陶瓷复合材料的弯 曲强度与纤维体积含量 的关系
5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能
5.2.4 影响因素 增强相体积含量 短纤维
5.2.4 影响因素 颗粒粒径
5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能
5.2.4 影响因素 颗粒粒径
5.3 陶瓷复合材料的高温力学性能
5.3.1 高温强度 浆体浸渍-热压法制备的碳化硅纤维增强MgO-Al2O3-SiO2 复合材料。
5.3 陶瓷复合材料的高温力学性能
5.3.1 高温强度
5.3 陶瓷复合材料的高温力学性能
5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能
5.2.2 压缩与弯曲强度 碳化硅纤维增强锂铝硅玻璃陶瓷复合材料的载荷-位移曲线。 压缩强度为 96.8 MPa，压缩弹性模量为 56.6 Gpa。
图 5-8 SiC纤维增强LAS-I玻璃陶瓷的载荷-位移曲线
5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能
5.2.3 断裂韧性 碳化硅纤维增强锂铝硅玻璃陶瓷复合材料的断裂韧性随纤 维含量的变化。
5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能
5.2.4 影响因素 密度
三维编织预制体
碳化硅纤维增强 复合材料
5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能
5.2.4 影响因素 密度
5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能
5.2.4 影响因素 界面
碳纤维三维编织
预制体增强碳化 硅基体复合材料
5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能
5.2.1 拉伸强度与弹性模量
图 5-4 拉伸时陶瓷基复合材料的应力-应变曲线
5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能
5.2.1 拉伸强度与弹性模量 陶瓷基复合材料 弹性模 量
5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能
5.2.1 拉伸强度与弹性模量 碳化硅纤维增强锂铝硅玻璃陶瓷复合材料的拉伸性能。
表 5 – 1 SiC 纤维增强 LAS 复合材料的杨氏模量
5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能
5.2.1 拉伸强度与弹性模量 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ化硅纤维增强锂铝硅玻璃陶瓷复合材料的拉伸性能。
图 5-6 纤维增强LAS玻 璃陶瓷室温拉伸应力-应 变曲线
5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能
5.2.1 拉伸强度与弹性模量 用化学气相浸渍方法（CVI）制备的这一材料其拉伸强度 可达 159 MPa，弹性模量为 43 GPa。 。