第六章-陶瓷基复合材料的种类和性能-
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
CVI工艺的优点在于：工艺温度低；适用范围广， 可制备碳化物、氮化物、氧化物、硼化物及C/C等复合 材料，材料纯度高，工艺过程构件不收缩，适于制备大 尺寸、形状复杂构件。
第6章 陶瓷基复合材料
• 6.1 陶瓷基复合材料的种类和性能 • 6.2 陶瓷基复合材料的制备工艺 • 6.3 氧化物基陶瓷复合材料 • 6.4 非氧化物基陶瓷复合材料 • 6.5 碳/碳复合材料 • 6.6 微晶玻璃基复合材料
6.1 陶瓷基复合材料的种类和性能
现代陶瓷材料具有耐高温、硬度高、耐 磨损及相对密度优良的性能轻等许多优良 的性能。
• 此外，利用反应放热合成陶瓷粉体也较多， 如自蔓延高温燃烧合成等。
2. 成型 • 陶瓷成型方法主要有：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成型等。 a) 模压成型：将粉料填充到模具内部后，通过单 向或双向加压，将粉料压成所需形状。 b) 等静压成型：一般等静压指的是湿袋式等静压 （也叫湿法等静压），就是将粉料装入橡胶或 塑料等可变形的容器中，密封后放入液压油后 水等流体介质中，加压获得所需的坯体。 c) 热压铸成型：将粉料与蜡（或其他有机高分子 粘结剂）混合后，加热使蜡（或其他有机高分 子粘结剂）熔化，使混合料具有一定的流动性， 然后将混合料加压注入模具，冷却后即可得到 致密的较硬实的坯体。
a) Cr/Al2O3复合材料 Cr与Al2O3之间的润湿性 不好，但铬粉表面易形成致密的Cr2O3，因此可 通过形成Cr2O3-Al2O3固溶体来降低它们之间的 界面能，改善润湿性。为是金属铬部分氧化，工 艺上常采取的措施有：①在烧结气氛中引人微量 的水汽或氧气；②在配料是用一部分氢氧化铝代 替氧化铝，以便在高温下分解产生出水蒸气使铬 氧化；③在配料中用少量的氧化铬代替金属铬。
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。
复合材料课件第六章 陶瓷基复合材料-1
但在微波烧结陶瓷中存在一些值得关注的特殊 现象。
1）过热点。由于微波场的不均匀分布或 材料组分不均匀导致某些部分局部明显高于 其它部分，出现过热点。
2）热应力开裂。一些热膨胀系数大而热 导率又较小的陶瓷材料在微波降温段，由于 试样中存在的温度梯度而引起的热应力开裂。
1930年，美国科学家提出利用等离子体脉冲烧结原理 1965年，脉冲电流烧结技术在美国和日本等国得到应用 1988年，日本研制出第一台工业型等离子体烧结装置 1996年，日本组织了等离子体烧结研讨会，每年召开一次 1998年，瑞典购进等离子体烧结系统，对碳化物、氧化物及 生物陶瓷等进行较多研究工作 2006年6月武汉理工大学购置了国内首台等离子体烧结装置， 此后国内多所高校及研究所相继引进该装置，成为材料制备 的全新技术
微波烧结：微波烧结是一种新型的粉末 冶金烧结致密化工艺，微波烧结是利用 微波加热来对材料进行烧结。
微波加热中出现区别与常规加热的现象有促
进物质的扩散、加快致密化进程、降低反应
温度、加快反应进程。作为一种新型加热技 术具有以下优点：1）可经济地获得2000℃高 温；2）加热速度快，升温速率可达50℃/min； 3）具有即时性特点，只要有微波辐射，物料 即刻得到加热，微波停止加热也立刻停止；4） 微波能量转换率高，可达80～90；5）与常规 烧结相比烧结温度降低，同时快速升温可以
化学制粉 优点：高纯、超细、均匀 缺点：需复杂的设备，工艺严格，成本高
液相共沉淀法 溶胶-凝胶法 冰冻干燥法 喷雾干燥法
②成型
成型后，胚体的密度越高，烧结样品的收缩率越小， 尺寸约容易控制，缺陷约少。
模压成型 热压成型 轧膜成型 注射成型
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。
复合材料-第六章陶瓷基复合材料-
3
方法。
第三节 陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料(Ceramic matric composite)是在陶瓷基 体中引入第二相材料，使之增强、增韧的多相材料。主要 以高性能的陶瓷为基体，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。
2021/3/18 增韧陶瓷刀片
增韧陶瓷阀门
4
基体
氧化物陶瓷 Al2O3、SiO2、ZrO2、MgO、等,离子键组成，熔点高，耐火 。 非氧化物陶瓷 SiC、TiC、B4C、ZrC、Si3N4、TiN、BN、TiB2和MoSi2 共价键组成，耐火、硬、耐磨。不抗氧化。
微晶玻璃 引进晶核剂，玻璃种析出大量微小晶体。 碳 2石021/墨3/18---耐高温、抗热震、导热好、弹性模量高、化学惰性5
25
2021/3/18
注浆成型
是基于多孔石膏模具能够吸收水分的物 理特性，将陶瓷粉料配成具有流动性的 泥浆，然后注入多孔模具内（主要为石 膏模），水分在被模具（石膏）吸入后 便形成了具有一定厚度的均匀泥层，脱 水干燥过程中同时形成具有一定强度的 坯体，此种方式被称为注浆成型。
26
2021/3/18
刚性颗粒复合原则：
高熔点、高硬度 最佳的尺寸、形状、分布及数量 在基体中的溶解度低，不与基体 发生反应 与基体有良好的结合强度
11
纤维/晶须复合原则：
2021/3/18
均匀分散
弹性模量匹配
与基体良好的化学相容性
膨胀系数匹配
适量的纤维体积分数
纤维直径
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2021/3/18
片材增强复合原则：
强度
分割层适当粘结 界面层有匹配的热膨胀系数
《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
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9
随着现代高科技的迅猛发展，要求材料
能在更高的温度下保持优良的综合性能。陶
瓷基复合材料可较好地满足这一要求。
它的最高使用温度主要取决于基体特性
，其工作温度按下列基体材料依次提高：玻 璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷 、碳素材料，其最高工作温度可达1900 ℃ 。
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陶瓷基复合材料已实用化或即将实用
制作的导弹的头锥、火箭的喷管、航天飞
机的结构件等也收到了良好的效果。
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法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应 用于制作超高速列车的制动件，而且取得了 传统的制动件所无法比拟的优异的磨擦磨损 特性，取得了满意的应用效果。
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2.今后面对的问题及前景展望
现在看来，人们已开始对陶瓷基复合材
料的结构、性能及制造技术等问题进行科学 系统的研究，但这其中还有许多尚未研究情
楚的问题。
16
因此，从这一方面来说，还需要陶瓷专 家们对理论问题进一步研究。 另一方素众多。
所以，如何进一步稳定陶瓷的制造工艺 ，提高产品的可靠性与一致性，则是进一步 扩大陶瓷应用范围所面临的问题。
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晶须
（陶瓷）
纤维
（连续、短纤维） （陶瓷、高熔点金属）
1650
结构复合式
（叠层、梯度） （按设计要求选择材料）
水泥
硅酸盐化合物、铝酸盐化合物等
叠层式（叠层、梯度）
（按设计要求选择材料）
二、原材料及其性能特征
陶瓷基复合材料是由基体材料和增强体材料组成。
基体材料有氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、水泥、玻璃等。 增强体材料主要以不同形态来区分，有颗粒状、纤维状、 晶须、晶板等。
陶瓷基体材料
氧化物陶瓷
氧化铝 二氧化锆 堇青石(Mg2Al4Si5O18) 钛酸铝 莫来石
性
能
耐热、耐腐蚀、耐磨 高断裂韧性、绝热 低膨胀系数、极好的抗热震性 低膨胀系数、绝热、极好抗热震性 耐热、耐腐蚀
氧化物复合材料
高断裂韧性、高强度
非氧化物陶瓷
氮化硅
六方氮化硼 立方氮化硼 氮化铝
性
能
高断裂韧性、高强度、极好抗热震性、耐磨损
通常也成为复相陶瓷材料（Multiphase ceramics）或多
相复合陶瓷材料（Multiphase composite ceramics)
2、分类
(1)、按使用性能特性分类
结构陶瓷基复合材料
主要利用其力学性能和耐高温性能，主要用作承力和次承力构件，主要特 性是轻质、高强、高刚度、高比模、耐高温、低膨胀、绝热和耐腐蚀等。
耐磨蚀、极好抗热震性、极好润滑性 非常高的硬度、极好的热传导体 耐热、高热传导体
碳化硅
复合陶瓷
耐热、耐腐蚀、耐磨损、高热导体
高断裂韧性、高强度
三、陶瓷基复合材料的应用及前景
1. 陶瓷基复合材料在工业上的应用 陶瓷材料具有耐高温、高强度、高硬度 及耐腐蚀性好等特点，但其脆性大的弱点限 制了它的广泛应用。
功能陶瓷基复合材料
主要利用其光、声、电、磁、热等物理性能的功能材料，指除力学性能以 外而具有某些物理性能（如导电、半导、磁性、压电、阻尼、吸声、吸波、屏 蔽、阻燃、防热等）的陶瓷基复合材料。主要由功能体（单功能或多功能）和 基体组成，基体不仅起到粘结和赋形的作用，同时也会对复合陶瓷整体性能有 影响。多功能体可以使复合陶瓷具有多种功能，同时还有可能由于产生复合效
本次主要讲解内容：
一、基本概念和分类 二、原材料及其性能特征 三、陶瓷基复合材料的应用及前景
一、基本概念和分类
1、定义
陶瓷基复合材料 （Ceramic Matrix Composites，简称CMCs）
以陶瓷材料为基体，以高强度纤维、晶须、晶片和颗粒 为增强体，通过适当的复合工艺所制成的复合材料。
化的领域包括：刀具、滑动构件、航空航
天构件、发动机制件、能源构件等。
11
在切削工具方面， SiCw增韧的细颗粒 Al2O3陶瓷复合材料已成功用于工业生产制 造切削刀具。下图为用热压法制备的SiCw/ Al2O3复合材料钻头。
12
SiCw/ Al2O3复合材料钻头
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在航空航天领域，用陶瓷基复合材料
增强体形态 （材料名称） 基体材料种类 （材料名称） 玻璃：SiO2等 最高使用温度 （K） 860 1100 1300
颗粒
（陶瓷、金属）
玻璃陶瓷：LAS、MAS、CAS 氧化物陶瓷：Al2O3, MgO, ZrO2, Mullite 非氧化物陶瓷 碳化物：B4C, SiC, TiC, ZrC, Mo2C, WC 氮化物：BN, AlN, Si3N4,TiN,ZrN 硼化物：AlB2, TiB2, ZrB2
颗粒弥散强化陶瓷基复合材料——包括硬质颗粒和延性颗粒
晶须补强增韧陶瓷基复合材料——包括短纤维补强增韧陶瓷
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
应而出现新的功能。
2、分类
(2)、按基体材料分类
氧化物陶瓷基复合材料 非氧化物陶瓷基复合材料 玻璃基或玻璃陶瓷基复合材料 水泥基多相复合（陶瓷）材料
2、分类
(3)、按增强体的形态分类
可分为零维（颗粒）、一维（纤维状）、二维（片状和平面织
物）、三维（三向编织体）等陶瓷基复合材料。具体可分为：