陶瓷基复合材料

1、company logo 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料click to add your text company logo 陶瓷基复合材料，通常根据增强体分成两类：陶瓷基复合材料，通常根据增强体分成两类：连续纤维连续纤维增强的复合材料和增强的复合材料和不连续纤维不连续纤维增强的复合材料，如图增强的复合材料，如图7-117-11所示。所示。其中，其中，连续纤维连续纤维增强的复合材料包括增强的复合材料包括一维一维方向、方向、二维二维方向和方向和三维三维方向纤维增强的复合材料，也包括方向纤维增强的复合材料，也包括多层多层陶陶瓷复合材料；瓷复合材料；不连续纤维不连续纤维增强的复合材料包括增强的复合材

2、料包括晶须、晶须、晶片和颗粒晶片和颗粒的第二组元增强体和的第二组元增强体和自身增强体自身增强体，如，如sin4sin4中等轴晶的基体中分布一些晶须状中等轴晶的基体中分布一些晶须状 - -sin4sin4晶粒可起到晶粒可起到增强效果。增强效果。5.15.1陶瓷基复合材料分类陶瓷基复合材料分类company logo 5.15.1陶瓷基复合材料分类陶瓷基复合材料分类company logo 由于增强体形状的不同，因此，陶瓷基复合材料显由于增强体形状的不同，因此，陶瓷基复合材料显微结构各有其特点。图微结构各有其特点。图7-277-27示出复合材料组织模型示出复合材料组织模型图。图。5.55.5陶瓷基

3、复合材料的显微组织陶瓷基复合材料的显微组织company logo 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料中常用的中常用的增强体及特性陶瓷增强体及特性陶瓷基基复合材料中的增强体通常也称为复合材料中的增强体通常也称为增韧体增韧体。 从几何尺寸上可将纤维从几何尺寸上可将纤维( (长、短纤维长、短纤维) )分为晶分为晶须和颗粒，常用的纤维增强材料有须和颗粒，常用的纤维增强材料有氧化铝纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、碳纤维和有机聚合物碳化硅纤维、氮化硅纤维、碳纤维和有机聚合物先驱体先驱体制备的陶瓷纤维等。制备的陶瓷纤维等。 使用得较为普遍的晶须是使用得较为普遍的晶须是sicsic、a1203a1203

4、和和si3n4.si3n4. 5. 25. 2陶瓷基复合材料中常用的增强体及特性陶瓷基复合材料中常用的增强体及特性company logo 陶瓷材料中另一种增强体为颗粒。陶瓷材料中另一种增强体为颗粒。颗粒颗粒的的增韧效果虽不如纤维和晶须，但用颗粒增强的增韧效果虽不如纤维和晶须，但用颗粒增强的陶瓷基复合材料，陶瓷基复合材料，各向同性各向同性，同时如果颗粒的，同时如果颗粒的种类、粒径、含量及基体材料种类、粒径、含量及基体材料选择适当选择适当，仍会，仍会有有一定的增韧效果一定的增韧效果，所以，颗粒增韧复合材料，所以，颗粒增韧复合材料同样会得到广泛应用。表同样会得到广泛应用。表7-37-3列出了四种增

5、强列出了四种增强纤维的性能。纤维的性能。5. 25. 2陶瓷基复合材料中常用的增强体及特性陶瓷基复合材料中常用的增强体及特性company logo 5. 25. 2陶瓷基复合材料中常用的增强体及特性陶瓷基复合材料中常用的增强体及特性company logo 纤维增强陶瓷基复合材料是纤维增强陶瓷基复合材料是改善陶瓷韧性改善陶瓷韧性的重要手的重要手段，按纤维在陶瓷基体中排布方式的不同，又可将其段，按纤维在陶瓷基体中排布方式的不同，又可将其分为纤维单向增强和多向增强复合材料。分为纤维单向增强和多向增强复合材料。 单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料具有单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料具有各向异性各向异性，

6、即沿即沿纤维长度方向纤维长度方向的的纵向性能纵向性能大大大大高于横向性能高于横向性能。这。这种纤维的定向排布是根据实际构件的使用要求确定的，种纤维的定向排布是根据实际构件的使用要求确定的，即主要即主要使用纵向性能使用纵向性能，长纤维增韧陶瓷复合材料除性，长纤维增韧陶瓷复合材料除性能的各向异性外，一般具有良好的能的各向异性外，一般具有良好的抗热震性抗热震性，因而在，因而在航天器放热部件上有广泛的应用前景。航天器放热部件上有广泛的应用前景。 5. 35. 3纤维增强陶瓷基复合材料纤维增强陶瓷基复合材料1.1.单向长纤维增强复合材料单向长纤维增强复合材料company logo （1）纤维纤维定向排

7、布定向排布而具有明显的而具有明显的各向异各向异性性（2 2）纤维排布）纤维排布纵向上纵向上的性能显著的性能显著高于横高于横向向；（3 3）在实际构件中主要使用其纤维排布）在实际构件中主要使用其纤维排布方向上的性能；方向上的性能；（4 4）长纤维复合材料的制备要解决纤维）长纤维复合材料的制备要解决纤维表面与基体的表面与基体的润湿问题润湿问题。（5 5）必要时纤维）必要时纤维表面表面要进行要进行处理处理以以提高提高界面结合质量界面结合质量，同时还必须考虑，同时还必须考虑力学力学相容性及热失配相容性及热失配问题。问题。1.1.纤维、颗粒弥散增强陶瓷基复合材料纤维、颗粒弥散增强陶瓷基复合材料(1(1）

8、长纤维增韧陶瓷基复合材料）长纤维增韧陶瓷基复合材料company logo 图图7-127-12给出了这种材料中裂纹平面给出了这种材料中裂纹平面垂直于垂直于纤维时的纤维时的裂纹扩展裂纹扩展示意图。当裂纹扩展遇到纤维时，裂纹受示意图。当裂纹扩展遇到纤维时，裂纹受到阻碍，欲使裂纹继续扩展必须到阻碍，欲使裂纹继续扩展必须提高提高外加应力。随外加应力。随着着外加应力水平的提高外加应力水平的提高，由于基体与纤维界面，由于基体与纤维界面脱粘脱粘，且且纤维的强度高于基体的强度纤维的强度高于基体的强度，开始产生，开始产生纤维的拔纤维的拔出出。5. 35. 3纤维增强陶瓷基复合材料纤维增强陶瓷基复合材料comp

9、any logo 拔出的拔出的长度达到某一临界值时长度达到某一临界值时( (此临界值决定于界面此临界值决定于界面的结合强度和纤维本身的强度的结合强度和纤维本身的强度) )，纤维发生断裂纤维发生断裂。因。因此裂纹扩展必须克服由于纤维的加入而产生的此裂纹扩展必须克服由于纤维的加入而产生的拔出功拔出功及纤维及纤维断裂功断裂功，即断裂韧性应表示为，即断裂韧性应表示为式中：式中：k kicic为为复合材料强度复合材料强度；k kic0ic0为为基体断裂强度基体断裂强度；w wfpfp为为纤维拔出功纤维拔出功, ,w wffff为断裂功为断裂功。际上在断裂过程中并非。际上在断裂过程中并非在同一裂纹平面，因

10、而主裂纹沿纤维断裂位置的不同在同一裂纹平面，因而主裂纹沿纤维断裂位置的不同发生发生裂纹转向裂纹转向。5. 35. 3纤维增强陶瓷基复合材料纤维增强陶瓷基复合材料company logo 图图7-137-13给出了这类材料断口侧面以给出了这类材料断口侧面以示示裂纹转向裂纹转向。这同样会使。这同样会使裂纹扩屈裂纹扩屈阻力增加阻力增加，从而使，从而使韧性进一步提高韧性进一步提高。综上所述，单向排布长纤维增韧陶综上所述，单向排布长纤维增韧陶瓷基复合材料中瓷基复合材料中韧性的提高韧性的提高来自来自三三方面的贡献方面的贡献，即，即纤维拔出、纤维断纤维拔出、纤维断裂及纤维转向裂及纤维转向。长纤维复合材料的。

11、长纤维复合材料的强度一般用混合定则来表示，即强度一般用混合定则来表示，即 式中：式中： c c为复合材料强度；为复合材料强度； m m为为基体强度；基体强度； f f为纤维的强度；为纤维的强度；vfvf为纤维的体积分数。由于两相的性为纤维的体积分数。由于两相的性能及界面的性质不同，因此应用此能及界面的性质不同，因此应用此定则时会有一定偏差，必要时需加定则时会有一定偏差，必要时需加以修正。以修正。5. 35. 3纤维增强陶瓷基复合材料纤维增强陶瓷基复合材料company logo 图图7-147-14给出了纤维增韧玻给出了纤维增韧玻璃复合材料的断裂功及弯璃复合材料的断裂功及弯曲强度随纤维体积分数

12、的曲强度随纤维体积分数的变化。可以看出，变化。可以看出，随纤维随纤维体积分数的增加，断裂功体积分数的增加，断裂功及强度都显著提高。及强度都显著提高。5. 35. 3纤维增强陶瓷基复合材料纤维增强陶瓷基复合材料company logo 单向纤维增韧陶瓷单向纤维增韧陶瓷只是在纤维排列方向上的纵只是在纤维排列方向上的纵向性能优越，而横向性能显著低于纵向性能，所向性能优越，而横向性能显著低于纵向性能，所以只适用于以只适用于单向应力单向应力的场合。但许多陶瓷构件则的场合。但许多陶瓷构件则要求要求在二维及三维在二维及三维方向上均要求有高性能，而单方向上均要求有高性能，而单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料显然不

13、能满足要向排布纤维增韧陶瓷基复合材料显然不能满足要求，于是便产生了求，于是便产生了多向长纤维增韧多向长纤维增韧陶瓷基复合材陶瓷基复合材料。料。 5. 35. 3纤维增强陶瓷基复合材料纤维增强陶瓷基复合材料（2 2）多向长纤维增强复合材料）多向长纤维增强复合材料company logo (1)(1)二维多向排布纤维二维多向排布纤维( (纤维纤维布布) )增韧陶瓷基复合材料。增韧陶瓷基复合材料。 这种复合材料中纤维的这种复合材料中纤维的排布方式有两种。一种是将排布方式有两种。一种是将纤维编织成纤维布，浸渍浆纤维编织成纤维布，浸渍浆料后根据需要的厚度将料后根据需要的厚度将若干若干层或单层层或单层进行

14、进行热压烧结成型热压烧结成型( (图图7-15)7-15)。这种材料在纤维。这种材料在纤维排布平面的二维方向上性能排布平面的二维方向上性能优越，而在优越，而在垂直于纤维排布垂直于纤维排布面方向面方向上的性能较差。上的性能较差。5. 35. 3纤维增强陶瓷基复合材料纤维增强陶瓷基复合材料company logo （2)2)三维多向排布纤维增韧三维多向排布纤维增韧陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料。要求构件在三维方向上甚至更多维数方向上均有较要求构件在三维方向上甚至更多维数方向上均有较高的性能，因而产生了三维多向及三维以上多维多高的性能，因而产生了三维多向及三维以上多维多向编织纤维增韧陶瓷基复合材料。

15、向编织纤维增韧陶瓷基复合材料。这种材料的研究与应用最初是从这种材料的研究与应用最初是从航天用航天用c cc c复合材复合材料料开始的。现已发展到开始的。现已发展到三向石英三向石英/ /石英等陶瓷基石英等陶瓷基复复合材料。合材料。5. 35. 3纤维增强陶瓷基复合材料纤维增强陶瓷基复合材料company logo 图图7-177-17为为三向正交三向正交c cc c纤维纤维编编织结构示意图。它是按直角坐织结构示意图。它是按直角坐标将多束纤维分层交替编织而标将多束纤维分层交替编织而成，由于成，由于每束纤维呈直线伸展每束纤维呈直线伸展，不存在不存在相互交缠和挠曲相互交缠和挠曲，因而，因而使纤维足以充

16、分发挥使纤维足以充分发挥最大的结最大的结构强度构强度。5. 35. 3纤维增强陶瓷基复合材料纤维增强陶瓷基复合材料company logo 短纤维增韧复合材料既有短纤维增韧复合材料既有颗粒增韧复合材料颗粒增韧复合材料那样简单的制备工艺，又在一定程度上保留了那样简单的制备工艺，又在一定程度上保留了长纤维复合材料性能上的特点长纤维复合材料性能上的特点，因而，近年来，因而，近年来发展很快。其中以晶须作为增韧体的复合材料发展很快。其中以晶须作为增韧体的复合材料的研究倍受重视。的研究倍受重视。 sicsic晶须是使用最普遍的增韧体。目前被广晶须是使用最普遍的增韧体。目前被广泛应用的材料有泛应用的材料有s

17、icwsicwzro2zro2、sicwsicwa1203a1203、sicsicsi3n4si3n4、sicwsicwsi02si02等。等。 1.1.纤维、颗粒弥散增强陶瓷基复合材料纤维、颗粒弥散增强陶瓷基复合材料（3 3）短纤维）短纤维( (晶须晶须) )增韧复合材料增韧复合材料company logo 这种复合材料的制备工艺是将这种复合材料的制备工艺是将长纤维剪切长纤维剪切短短(3mm)(3mm)，然后，然后分散分散并与基体粉末混合均匀后，并与基体粉末混合均匀后，再用再用热压烧结热压烧结的方法即可制得高性能的复合材的方法即可制得高性能的复合材料。料。5. 4 5. 4 短纤维晶须及颗粒

18、增韧增强陶瓷基复合材料短纤维晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料1.1.短纤维增韧陶瓷基复合材料短纤维增韧陶瓷基复合材料company logo 这种短纤维增强体，在与原料粉末混合时，这种短纤维增强体，在与原料粉末混合时，取取向向是是无序随机无序随机的，但在冷压成型及热压烧结时，短的，但在冷压成型及热压烧结时，短纤维则由于在纤维则由于在基体压实与致密化过程基体压实与致密化过程中中纤维沿压力纤维沿压力方向转动方向转动，导致短纤维沿加压面，导致短纤维沿加压面择优取向择优取向。 因而也就产生了因而也就产生了一定程度一定程度的的各向异性各向异性。沿。沿加压加压面面方向上的性能方向上的性能优于优于垂直加压面

19、方向上的性能。垂直加压面方向上的性能。5. 4 5. 4 短纤维晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料短纤维晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料1.1.短纤维增韧陶瓷基复合材料短纤维增韧陶瓷基复合材料company logo 图图7-187-18给出了给出了c c纤维增纤维增韧玻璃陶瓷复合材料中韧玻璃陶瓷复合材料中短纤维的分布示意图。短纤维的分布示意图。另外，在制备过程中也另外，在制备过程中也可使短纤维实现可使短纤维实现定向排定向排列列，如采用，如采用流延成型法流延成型法可使纤维实现可使纤维实现取向排列取向排列。5. 4 5. 4 短纤维晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料短纤维晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合

20、材料company logo 图图7-317-31示出示出sicwsicw zro2 zro2 复合材料的显复合材料的显微组织，由于是采用微组织，由于是采用热压方法热压方法制备，所以制备，所以晶须的排列有一定的晶须的排列有一定的择优取向。择优取向。 1.1.纤维、颗粒弥散增强陶瓷基复合材料纤维、颗粒弥散增强陶瓷基复合材料company logo 图图7-197-19为复合材料为复合材料断裂功断裂功与与碳纤维碳纤维体积分数体积分数之间的关系。之间的关系。可以看出：在可以看出：在适当适当的纤维体的纤维体积分数时，复合材料的断裂积分数时，复合材料的断裂功有显著提高；并且当功有显著提高；并且当纤维纤维

21、取向排布时取向排布时，可在高纤维体，可在高纤维体积分数时得到积分数时得到更高的断裂功更高的断裂功，而而无序分布时无序分布时，峰值较小峰值较小，且峰的且峰的位置左移位置左移。5. 4 5. 4 短纤维晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料短纤维晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料company logo 近年来近年来晶须晶须代替代替短纤维短纤维增韧陶瓷基复合材增韧陶瓷基复合材料发展很快并取得了很好的韧化效果。陶瓷料发展很快并取得了很好的韧化效果。陶瓷晶须目前常用的是晶须目前常用的是sicsic、al2o3al2o3和和si3n4si3n4晶须。晶须。基体常用的有基体常用的有al2o3 al2o3 、si3

22、n4si3n4、zrozro、sio2sio2和和莫来石莫来石等。等。5. 4 5. 4 短纤维晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料短纤维晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料2.2.晶须增韧陶瓷基复合材料晶须增韧陶瓷基复合材料company logo 图图7-207-20及图及图7-2l7-2l给出给出zr022zr022( (摩尔摩尔)y203+sicw)y203+sicw及及al2o3 +sicwal2o3 +sicw陶瓷复合材料的性能与陶瓷复合材料的性能与sicwsicw体积分体积分数之间的关系，可以看出两种数之间的关系，可以看出两种复合材料弹性模量、复合材料弹性模量、硬度及断裂韧性硬度及断裂韧

23、性随着随着sicwsicw体积分数增加体积分数增加而而提高提高。 5. 4 5. 4 短纤维晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料短纤维晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料company logo 对对al2o3al2o3基复合材料，随基复合材料，随sicwsicw体积分数体积分数的增加的增加单调单调上升上升；而对而对zr02zr02基体，在基体，在1010( (体积分数体积分数)sicw)sicw时时弯曲强弯曲强度度出现峰值出现峰值，随后有所下降随后有所下降，但仍，但仍高于基体强度高于基体强度。这是由于这是由于sicsic体积分数高时造成体积分数高时造成热失配过大热失配过大，同时，同时致密化困难引起密

24、度下降致密化困难引起密度下降，从而，从而界面强度降低界面强度降低，使得使得复合材料强度下降复合材料强度下降。 5. 4 5. 4 短纤维晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料短纤维晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料company logo 5. 4 5. 4 短纤维晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料短纤维晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料company logo sicsic晶须增韧晶须增韧陶瓷基复合材料的陶瓷基复合材料的强韧化机理强韧化机理大体与大体与纤维增韧纤维增韧陶瓷基复合材料相同，即主要靠晶须的陶瓷基复合材料相同，即主要靠晶须的拔拔出，桥连出，桥连与与裂纹转向裂纹转向机制对强度和韧性的提高产生机制

25、对强度和韧性的提高产生突出贡献。图突出贡献。图7-227-22给出晶须增韧机制示意图。给出晶须增韧机制示意图。5. 4 5. 4 短纤维晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料短纤维晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料company logo 研究结果表明，对研究结果表明，对拔出桥连拔出桥连机制机制，晶须的，晶须的拔出长度拔出长度存在一存在一个个临界值临界值l lp p 。（1 1）当晶须的当晶须的某一端距主裂纹某一端距主裂纹距离距离小于小于这一这一临界值临界值时，则时，则晶晶须须从此端从此端拔出拔出，此时，此时，拔出长拔出长度度临界拔出长度临界拔出长度l lpopo；（2 2）如果晶须的如果晶须的两端到

26、主裂纹两端到主裂纹的距离的距离均均大于大于临界拔出长度临界拔出长度时，时，晶须晶须拔出过程中产生断裂拔出过程中产生断裂，断，断裂位置在临界拔出长度范围内，裂位置在临界拔出长度范围内，所以，此时也有：所以，此时也有：拔出长度拔出长度临界拔出长度临界拔出长度l lpo po 。5. 4 5. 4 短纤维晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料短纤维晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料company logo 界面结合强度界面结合强度直接影响复合材料的直接影响复合材料的韧化机制韧化机制与与韧化效韧化效果果。 界面强度过高界面强度过高，晶须将与基体，晶须将与基体一起断裂一起断裂，限制晶须限制晶须的拔出的拔出，因而

27、，因而减小减小了晶须拔出对韧性的贡献，但界面结了晶须拔出对韧性的贡献，但界面结合强度的合强度的提高提高有利于有利于转移载荷转移载荷，因而，因而提高了强化效果提高了强化效果； 界面强度过低界面强度过低，则，则晶须拔出功减小晶须拔出功减小，对韧化和强化，对韧化和强化都不利，因此界面结合强度应有一个都不利，因此界面结合强度应有一个最佳值最佳值。 5. 4 5. 4 短纤维晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料短纤维晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料company logo 晶须与短纤维相比，具有一定的长径比，因晶须与短纤维相比，具有一定的长径比，因此复合材料的制备过程，当此复合材料的制备过程，当晶须体积分数

28、较高晶须体积分数较高时，时，由于其由于其桥架效应而使致密化变得困难桥架效应而使致密化变得困难，导致性能导致性能下降下降。而用而用颗粒颗粒作为增韧剂，制作颗粒增韧陶瓷基复合作为增韧剂，制作颗粒增韧陶瓷基复合材料，其原料混合材料，其原料混合均匀化及烧结致密化均匀化及烧结致密化都比短纤都比短纤维及晶须简便易行。维及晶须简便易行。5. 4 5. 4 短纤维晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料短纤维晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料3.3.颗粒增韧陶瓷基复合材料颗粒增韧陶瓷基复合材料company logo 因此，尽管颗粒的增韧效果不如晶须与纤维，因此，尽管颗粒的增韧效果不如晶须与纤维，但如但如颗粒种类、粒径

29、、体积分数及基体材料颗粒种类、粒径、体积分数及基体材料选选择得当，仍有一定择得当，仍有一定韧化效果韧化效果，同时会带来，同时会带来高温高温强度、高温蠕变强度、高温蠕变性能的改善。所以，颗粒增韧性能的改善。所以，颗粒增韧陶瓷基复合材料同样受到重视。陶瓷基复合材料同样受到重视。5. 4 5. 4 短纤维晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料短纤维晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料3.3.颗粒增韧陶瓷基复合材料颗粒增韧陶瓷基复合材料company logo 这种复合材料这种复合材料各向同性各向同性，制，制备及加工方法简单，加入颗备及加工方法简单，加入颗粒可以根据需要改善基体的粒可以根据需要改善基体的力学性能

30、或物理性能。图力学性能或物理性能。图7-7-2929给出给出zrozro2p2pa1203a1203复合材复合材料的显微组织，其中料的显微组织，其中白色粒白色粒子子为为zrozro2p2p，小小的的zr02zr02粒子分粒子分布在布在a1203a1203晶粒晶粒内部内部，大大的的zr02zr02粒子分布在粒子分布在a1203a1203晶界晶界上。上。zr02zr02粒子对基体起到粒子对基体起到相变增相变增韧韧和和裂纹转向韧化裂纹转向韧化作用。作用。1.1.纤维、颗粒弥散增强陶瓷基复合材料纤维、颗粒弥散增强陶瓷基复合材料颗粒弥散增强复合材料颗粒弥散增强复合材料company logo 图图7-2

31、47-24是是sicsicp psi2n4si2n4复合材料的性能与复合材料的性能与sicsicp p体积分数的体积分数的关系。可见在关系。可见在sicsicp p体积分数体积分数为为5 5时时强度强度及及韧性韧性达到了达到了最高最高值值。5. 4 5. 4 短纤维晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料短纤维晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料3.3.颗粒增韧陶瓷基复合材料颗粒增韧陶瓷基复合材料company logo 当用的当用的颗粒颗粒为为sicsic、tictic等等时，时，基体基体材料采用的是材料采用的是a1a12 20 03 3和和sisi3 3n n4 4等。这些复等。这些复合材料已被用来制

32、作陶瓷合材料已被用来制作陶瓷刀具。刀具。 图图7-237-23给出了给出了sicsicp p/a1/a12 20 03 3复合材料的性能随复合材料的性能随sicsicp p体体积分数的变化关系。积分数的变化关系。5. 4 5. 4 短纤维晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料短纤维晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料3.3.颗粒增韧陶瓷基复合材料颗粒增韧陶瓷基复合材料company logo 从以上的讨论得知，晶须与颗粒增韧陶瓷的韧化作用从以上的讨论得知，晶须与颗粒增韧陶瓷的韧化作用各有优缺点，为了对各有优缺点，为了对优缺点进行互补优缺点进行互补，人们想到了将，人们想到了将两者共同使用，以便达到最佳效果

33、。关于这方面的研两者共同使用，以便达到最佳效果。关于这方面的研究工作已进行了大量研究工作，如利用究工作已进行了大量研究工作，如利用sicwsicw的拔出桥的拔出桥连连与与裂纹转向机制裂纹转向机制及及zro2zro2粒子的相变增韧机制粒子的相变增韧机制的的共同共同增韧作用增韧作用，使韧化效果进一步提高。，使韧化效果进一步提高。5. 4 5. 4 短纤维晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料短纤维晶须及颗粒增韧增强陶瓷基复合材料4.4.晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料company logo 图图7-257-25及图及图7-267-26给出了给出了alal2 20 03 3+ +

34、 zrozro2 2(y(y2 20 03 3)+sic)+sicw w复合材料的性能随复合材料的性能随zrozro2 2(y(y2 20 03 3) )及及sicsicw w体积分数的变化，体积分数的变化，可以看出，其可以看出，其强度和韧性强度和韧性的变化的变化趋势为：随趋势为：随sicwsicw及及zro2zro2 (y203) (y203)体体积分数的积分数的增加增加，性能均呈上升性能均呈上升趋趋势，在势，在2020sicwsicw及及3030 zro2(y203)zro2(y203)时，复合材料的时，复合材料的 f f达达1200mpa1200mpa，k kicic达达10mpam10

35、mpam1/21/2以上。以上。比比单纯晶须单纯晶须韧化的韧化的a1203+sicwa1203+sicw复复合材料的性能合材料的性能( ( f f为为634mpa634mpa， k kicic为为5.5mpam5.5mpam1/21/2) )有明显提高，这有明显提高，这充分体现了充分体现了复合韧化强化复合韧化强化的效果。的效果。4.4.晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料company logo 图图7-327-32给出给出sicwsicwa1203a1203复合材料复合材料的显微组织。的显微组织。(4(4）颗粒与短纤维复合增韧复合材料）颗粒与短纤维复合增韧复合材料1.1.

36、纤维、颗粒弥散增强陶瓷基复合材料纤维、颗粒弥散增强陶瓷基复合材料company logo 图图 7 - 3 37 - 3 3 示 出示 出 ( z r o 2 ( z r o 2 p+sicw)p+sicw)a1203a1203复合复合材料的显微组织，这材料的显微组织，这种组织同时兼有种组织同时兼有zrozro2p2p相变增韧相变增韧及及短纤维增短纤维增韧作用韧作用，因而使韧性，因而使韧性显著提高。该类复合显著提高。该类复合材料还有材料还有(sicw(sicw十十sicp)sicp)a1203a1203、(sicp+sicw)(sicp+sicw)si3n4si3n4、(sicp(sicp十十

37、sicw)sicw)zro2zro2等。等。 (4(4）颗粒与短纤维复合增韧复合材料）颗粒与短纤维复合增韧复合材料1.1.纤维、颗粒弥散增强陶瓷基复合材料纤维、颗粒弥散增强陶瓷基复合材料company logo 4.4.晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料表表7-47-4莫来石及其制得的复合材料的强度与韧性莫来石及其制得的复合材料的强度与韧性company logo （1 1）机械结合）机械结合 （2 2）化学结合）化学结合 陶瓷基复合材料往往在高温下制备，由于增强陶瓷基复合材料往往在高温下制备，由于增强体与基体的体与基体的原子扩散原子扩散，在界面上更易形成，在界面上更易形

38、成固溶体和固溶体和化合物化合物。此时其界面是具有。此时其界面是具有一定厚度的反应区一定厚度的反应区，它，它与基体和增强体都能较好的结合，但通常是与基体和增强体都能较好的结合，但通常是脆性脆性的。的。5.6 5.6 陶瓷基复合材料的界面和界面设计陶瓷基复合材料的界面和界面设计1. 1. 界面的粘结形式界面的粘结形式company logo 陶瓷基复合材料的界面陶瓷基复合材料的界面一方面一方面应强到足以传应强到足以传递递轴向载荷轴向载荷并具有高并具有高的的横向强度横向强度；另一方另一方面面要要弱到足以沿界面弱到足以沿界面发生横向裂纹及裂纹发生横向裂纹及裂纹偏转直到纤维的拔出偏转直到纤维的拔出。 2

39、.2.界面的作用界面的作用company logo （1 1）非相变第二相颗粒增韧）非相变第二相颗粒增韧 假设假设第二相颗粒第二相颗粒与与基体基体不存在不存在化学反应化学反应，热膨胀系数失配热膨胀系数失配在第二相在第二相颗粒颗粒及及周围基体内周围基体内部产生部产生残余应力场残余应力场是陶瓷得到是陶瓷得到增韧增韧的的主要根主要根源之一源之一。 3.3.增韧机理增韧机理1 1）颗粒增韧）颗粒增韧company logo 当当 p p m m时，当时，当颗粒颗粒处处于于拉应力状态拉应力状态，而，而基体基体径向处于拉伸状态径向处于拉伸状态、切切向处于压缩状态向处于压缩状态时，可时，可能产生具有能产生具

40、有收敛性的环收敛性的环向微裂向微裂；裂纹在基体中裂纹在基体中发展发展，增加增加了了裂纹扩展裂纹扩展路径路径，因而，因而增加增加了裂纹了裂纹扩展的阻力扩展的阻力。 1 1）颗粒增韧）颗粒增韧company logo 当当 p p m m时，若时，若颗粒在某一裂纹面内颗粒在某一裂纹面内，则裂纹向颗，则裂纹向颗粒扩展时将首先直接达到粒扩展时将首先直接达到颗粒与基体的界面颗粒与基体的界面。此时。此时如果如果外力不再增加外力不再增加，则裂纹就在此，则裂纹就在此钉扎钉扎，这就是，这就是裂裂纹钉扎增韧机理纹钉扎增韧机理的本质。的本质。 若若外加应力进一步增大外加应力进一步增大，裂纹继续扩展裂纹继续扩展，或穿

41、，或穿颗粒颗粒发生穿晶断裂发生穿晶断裂，或，或绕过颗粒绕过颗粒，沿沿颗粒与基体的颗粒与基体的界面扩展界面扩展，裂纹发生偏转裂纹发生偏转。即使发生偏转，因。即使发生偏转，因偏转偏转程度较小程度较小，界面断裂能低于基体断裂能界面断裂能低于基体断裂能，增韧的，增韧的幅幅度也较小度也较小。 1 1）颗粒增韧）颗粒增韧company logo 裂纹扩展路径裂纹扩展路径company logo 在在脆性陶瓷脆性陶瓷基体中加入基体中加入第二相延性颗粒第二相延性颗粒能明显能明显提提高高材料的材料的断裂韧性断裂韧性。 其增韧机理包括由于其增韧机理包括由于裂纹尖端形成的塑性变形区裂纹尖端形成的塑性变形区导致导致裂

42、纹尖端屏蔽裂纹尖端屏蔽以及由以及由延性颗粒延性颗粒形成的形成的延性裂纹延性裂纹桥桥。 当当基体基体与延性颗粒的与延性颗粒的 和和e e值相等值相等时，利用延性裂时，利用延性裂纹桥可达纹桥可达最佳增韧效果最佳增韧效果。但当。但当 和和e e值相差足够大值相差足够大时，时，裂纹发生偏转绕过金属颗粒裂纹发生偏转绕过金属颗粒，增韧效果较差增韧效果较差。（2 2）延性颗粒增韧）延性颗粒增韧company logo 将将纳米颗粒纳米颗粒加入到陶瓷中时，材料的加入到陶瓷中时，材料的强度和韧性大大改善强度和韧性大大改善。 增强颗粒与基体颗粒的增强颗粒与基体颗粒的尺寸匹配尺寸匹配与与残残余应力余应力是纳米复合材

43、料中的是纳米复合材料中的重要增强重要增强、增增韧机理韧机理。（3 3）纳米颗粒增强增韧）纳米颗粒增强增韧company logo 当将当将氧化锆颗粒氧化锆颗粒加入其它陶瓷基体中时，氧化加入其它陶瓷基体中时，氧化锆的锆的相变相变使陶瓷的使陶瓷的韧性增加韧性增加。单斜相单斜相(m) zro(m) zro2 2 四方相四方相(t) zro(t) zro2 2 立方相立方相zrozro2 2 1170 1170 c 2370c 2370 c c t tm m转变具有转变具有马氏体的特征马氏体的特征，伴随有伴随有3 35%5%的的体积膨胀体积膨胀。这一。这一相变温度相变温度正处在正处在室温与烧结温度室温

44、与烧结温度之之间，对间，对材料的韧性和强度材料的韧性和强度有很大影响。有很大影响。 （4 4）相变增韧）相变增韧 company logo 如果在如果在ztazta（zrozro2 2 /al/al2 2o o3 3）中加入某些）中加入某些稳定氧化稳定氧化物物（如（如y y2 2o o3 3等），则会等），则会拟制拟制zrozro2 2的的t tm m相变相变。 当从制备当从制备温度冷却温度冷却下来时，通过下来时，通过控制晶粒尺寸控制晶粒尺寸( (小小于室温相变临界尺寸于室温相变临界尺寸) )，可以制备出，可以制备出全部或部分为四方全部或部分为四方相相(t)zro(t)zro2 2组成的组成的

45、氧化锆多晶陶瓷氧化锆多晶陶瓷。 此时此时四方四方zrozro2 2处于亚稳态处于亚稳态，当材料，当材料受外力作用受外力作用时，时，在在应力的诱导应力的诱导下，发生下，发生t tm m相变相变。相变吸收能量相变吸收能量而而阻阻碍裂纹的继续扩展碍裂纹的继续扩展，同时，同时相变颗粒发生体积膨胀相变颗粒发生体积膨胀，并，并在其在其周围产生大量的微裂纹周围产生大量的微裂纹，阻碍了主裂纹的扩展阻碍了主裂纹的扩展。因而不但提高了材料的因而不但提高了材料的强度强度而且提高了而且提高了韧性韧性。（4 4）相变增韧）相变增韧 company logo 相变增韧示意图相变增韧示意图 zta中应力中应力诱变韧化诱变韧

46、化导致性能导致性能随随zro2体积含量体积含量的变化关系图的变化关系图 （4 4）相变增韧）相变增韧 company logo （1 1）裂纹偏转）裂纹偏转 由于纤维周围的由于纤维周围的应力场应力场，基体中的，基体中的裂纹一般难以裂纹一般难以穿过纤维穿过纤维，相对而言它，相对而言它更易绕过纤维更易绕过纤维并尽量并尽量贴近纤维贴近纤维表面扩展表面扩展，即，即裂纹偏转裂纹偏转。 裂纹偏转裂纹偏转可绕着增强体可绕着增强体倾斜发生偏转倾斜发生偏转或或扭转偏转扭转偏转。偏转后裂纹偏转后裂纹受的受的拉应力拉应力往往往往低于偏转前的裂纹低于偏转前的裂纹，而且，而且裂纹的扩裂纹的扩展路径增长展路径增长，裂纹扩

47、展中，裂纹扩展中需消耗更多的能量需消耗更多的能量因而因而起到增韧作用起到增韧作用。3.3.增韧机理增韧机理2 2）纤维、晶须增韧）纤维、晶须增韧company logo 裂纹偏转增韧原理裂纹偏转增韧原理 a a：裂纹倾斜偏转；：裂纹倾斜偏转；b b：裂纹扭转偏转；：裂纹扭转偏转； c c：增强剂长径比对裂纹：增强剂长径比对裂纹 扭转偏转的影响。扭转偏转的影响。company logo 复合材料在复合材料在纤维脱粘纤维脱粘后产生了后产生了新的表面新的表面，因此，因此需需要能量要能量。尽管。尽管单位面积的表面能很小单位面积的表面能很小，但所有脱粘，但所有脱粘纤维纤维总的表面能则很大总的表面能则很大

48、。 （2 2）脱粘（）脱粘（debonding)debonding)company logo 纤维拔出纤维拔出是指是指靠近裂纹尖端靠近裂纹尖端的纤维在外应力作用下的纤维在外应力作用下沿着它和基体的沿着它和基体的界面滑出的现象界面滑出的现象。 纤维首先纤维首先脱粘才能拔出脱粘才能拔出。纤维拔出会使。纤维拔出会使裂纹尖端应裂纹尖端应力松弛力松弛，从而，从而减缓了裂纹的扩展减缓了裂纹的扩展。纤维拔出需。纤维拔出需外力做功，外力做功，因此起到增韧作用因此起到增韧作用。 纤维拔出能纤维拔出能总总大于大于纤维脱粘能纤维脱粘能，纤维拔出的增韧效纤维拔出的增韧效果要比纤维脱粘更强果要比纤维脱粘更强。因此，纤维

49、拔出是更重要的增韧。因此，纤维拔出是更重要的增韧机理。机理。 （3 3）纤维拔出（）纤维拔出（pull outpull out）company logo company logo 对于对于特定位向和分布的纤维特定位向和分布的纤维，裂纹很难偏转裂纹很难偏转，只能，只能沿着原来的扩展方向继续扩展。这时沿着原来的扩展方向继续扩展。这时紧靠裂纹尖端处紧靠裂纹尖端处的的纤维并未断裂纤维并未断裂，而是在，而是在裂纹两岸搭起小桥裂纹两岸搭起小桥，使，使两岸连在两岸连在一起一起。这会在裂纹表面产生一个。这会在裂纹表面产生一个压应力压应力，以，以抵消外加应抵消外加应力的作用力的作用，从而使裂纹难以进一步扩展，起

50、到增韧作用。，从而使裂纹难以进一步扩展，起到增韧作用。 另外：另外：桥接机制桥接机制适用于适用于可阻止裂纹尖端、裂纹表面相对可阻止裂纹尖端、裂纹表面相对运动运动的任何显微结构特征（颗粒、晶须）。的任何显微结构特征（颗粒、晶须）。（4 4）纤维桥接（）纤维桥接（fiber bridgefiber bridge）company logo company logo 陶瓷基复合材料的制造通常分陶瓷基复合材料的制造通常分两个步骤：两个步骤： 首先首先将将增强材料增强材料掺入掺入未固结未固结的的( (或粉末状的或粉末状的) )基体基体材料中，然后使材料中，然后使基体固结基体固结。普遍采用的技术是。普遍采用

51、的技术是料浆浸料浆浸渍工艺，然后再热压烧结渍工艺，然后再热压烧结。或者连续纤维编织制成预。或者连续纤维编织制成预成型坯件，再进行化学气相沉积、化学气相渗透或直成型坯件，再进行化学气相沉积、化学气相渗透或直接氧化沉积，制成连续纤维增韧陶瓷基复合材料。接氧化沉积，制成连续纤维增韧陶瓷基复合材料。 连续纤维增强陶瓷基复合材料的主要制造方法有连续纤维增强陶瓷基复合材料的主要制造方法有料浆浸渍及热压烧结法料浆浸渍及热压烧结法、原位化学反应法原位化学反应法、直接氧化直接氧化沉积法、先驱体热解法、熔融浸溶法和反应烧结法沉积法、先驱体热解法、熔融浸溶法和反应烧结法。5.65.6陶瓷基复合材料的制造陶瓷基复合材

52、料的制造company logo 料浆浸渍法是使料浆浸渍法是使纤维增强材料纤维增强材料经过盛有料浆的容器，经过盛有料浆的容器，浸渍浆料浸渍浆料后，再后，再缠绕到卷筒上缠绕到卷筒上，经过，经过烘干烘干、切断制成已、切断制成已浸渍的无纬布浸渍的无纬布。再将这种无纬布剪裁成一定规格的带条。再将这种无纬布剪裁成一定规格的带条或其他形式，放入模具内，合模加压，加热制成坯体，或其他形式，放入模具内，合模加压，加热制成坯体，然后再经然后再经高温去胶和烧结制高温去胶和烧结制得复合材料。料浆浸渍与热得复合材料。料浆浸渍与热压烧结工艺制备连续纤维增韧陶瓷基复合材料的工艺流压烧结工艺制备连续纤维增韧陶瓷基复合材料的

53、工艺流程如图程如图7-347-34所示。所示。(1(1）料浆浸渍与热压烧结工艺）料浆浸渍与热压烧结工艺company logo 料浆浸渍法是制备玻璃和玻璃陶瓷料浆浸渍法是制备玻璃和玻璃陶瓷广泛采用广泛采用的的工艺方法，采用料浆浸渍及热压烧结法制备的工艺方法，采用料浆浸渍及热压烧结法制备的sicsic纤维复合材料，其弯曲强度和断裂韧性分别达到纤维复合材料，其弯曲强度和断裂韧性分别达到700mpa700mpa和和17mpam17mpam1/21/2。 这种方法的这种方法的优点优点是是纤维取向可以自由调节纤维取向可以自由调节，缺点缺点是不能制造大尺寸的制品，而且所得制品的是不能制造大尺寸的制品，而且

54、所得制品的致密度较低致密度较低。5.65.6陶瓷基复合材料的制造陶瓷基复合材料的制造(1(1）料浆浸渍与热压烧结工艺）料浆浸渍与热压烧结工艺company logo 在具有在具有贯通间隙贯通间隙的的增强体坯件增强体坯件或或纤维编纤维编织骨架织骨架中中沉积沉积陶瓷基体制备陶瓷基复合陶瓷基体制备陶瓷基复合材料的方法，工艺为纤维编织骨架坯件材料的方法，工艺为纤维编织骨架坯件置于置于化学气相沉积炉内化学气相沉积炉内，通人沉积反应，通人沉积反应的源气，在沉积温度下热解或发生反应，的源气，在沉积温度下热解或发生反应，生成所需的陶瓷基材料，生成所需的陶瓷基材料，沉积在坯件的沉积在坯件的孔隙中，并逐步填满孔隙

55、中，并逐步填满。化学气相沉积温。化学气相沉积温度为度为1100-15001100-1500，cvdcvd法可用于制备法可用于制备c/cc/c、c cf fbnbn、sicsicf fc cf f、si3n4si3n4b4cb4c等等体系的复合材料。图体系的复合材料。图7-357-35为化学气相沉为化学气相沉积工艺原理示意图。与热压法相比，化积工艺原理示意图。与热压法相比，化学气相沉积法的学气相沉积法的优点优点是：在制备过程中是：在制备过程中纤维受到的纤维受到的机械损伤和化学损伤小机械损伤和化学损伤小，可，可以制备组成可调的梯度功能复合材料。以制备组成可调的梯度功能复合材料。它的它的不不足是：效

56、率低，成本高；坯件的足是：效率低，成本高；坯件的间隙在化学气相沉积法过程中间隙在化学气相沉积法过程中易堵塞或易堵塞或形成闭孔形成闭孔，难以制成高致密度复合材料难以制成高致密度复合材料. .(2(2）化学气相沉积法）化学气相沉积法(cvd)(cvd)company logo 此法适用熔融金属此法适用熔融金属直接直接与与氧化剂氧化剂产生氧化反应来制产生氧化反应来制备陶瓷基复合材料的方法，其工艺过程为：备陶瓷基复合材料的方法，其工艺过程为： 首先将纤维增强材料首先将纤维增强材料预成型坯体预成型坯体置于置于熔融金属熔融金属上面，添加有上面，添加有添加剂的熔融金属添加剂的熔融金属，在，在氧化氧化气氛中，

57、气氛中，便不断地便不断地浸渍预成型坯体浸渍预成型坯体，在浸渍过程中，熔融，在浸渍过程中，熔融金金属属或其或其蒸气蒸气与气相氧化剂发生反应，便生成与气相氧化剂发生反应，便生成氧化物氧化物。随时间的延长，随时间的延长，边浸渍边氧化边浸渍边氧化，最后可制得，最后可制得纤维增纤维增强陶瓷基复合材料强陶瓷基复合材料。直接氧化沉积法工艺简单、直接氧化沉积法工艺简单、生产效率高、成本低，生产效率高、成本低，且纤维无损伤且纤维无损伤。所制备的复合材料性能优良，具有。所制备的复合材料性能优良，具有高强、高韧和耐高温特性。高强、高韧和耐高温特性。3)直接氧化沉积法(dod)company logo 图图7-367

58、-36为直接氧化沉积法工艺为直接氧化沉积法工艺原理示意图。原理示意图。此工艺常以此工艺常以铝为母体金属铝为母体金属，以，以镁和硅为添加剂镁和硅为添加剂，氧化气氛为，氧化气氛为空气，反应温度为空气，反应温度为12001200一一1400.1400.也可选用其他金属为也可选用其他金属为母体，通过反应温度和添加剂母体，通过反应温度和添加剂的调节，制备其他陶瓷基复合的调节，制备其他陶瓷基复合材料或调节复合材料的性能。材料或调节复合材料的性能。用此工艺制造的用此工艺制造的碳化硅碳化硅纤维增纤维增强强氧化铝氧化铝复合材料，在复合材料，在1200 1200 弯曲强度和断裂韧性分别达弯曲强度和断裂韧性分别达到

59、到350mpa350mpa和和18mpam18mpam1/21/2，而室，而室温弯曲强度和断裂韧性分别达温弯曲强度和断裂韧性分别达到到450mpa450mpa和和21mpam21mpam1/21/2。3)直接氧化沉积法(dod)company logo 晶须晶须( (短纤维短纤维) )增强增强陶瓷基复合材料的制造方法陶瓷基复合材料的制造方法是：先将晶须或短纤维在是：先将晶须或短纤维在液体介质液体介质中经机械或中经机械或超声超声分散分散，再与陶瓷基体粉末均匀混合，制成一定形状，再与陶瓷基体粉末均匀混合，制成一定形状的的坯件坯件，烘干后，烘干后热压热压或或累等静压烧结累等静压烧结。此外，。此外，c

60、vdcvd、cvicvi、固相反应烧结、直接氧化沉积等工艺也适合于、固相反应烧结、直接氧化沉积等工艺也适合于制备晶勿制备晶勿( (短纤维短纤维) )增强陶瓷基复合材料。增强陶瓷基复合材料。 成型方法成型方法常采用加压渗滤法、高温致密化法、常采用加压渗滤法、高温致密化法、先驱饲热解法和化学气相沉积法等。烧结方法则采先驱饲热解法和化学气相沉积法等。烧结方法则采用热压烧结、反应烧结、热等静压用热压烧结、反应烧结、热等静压(hip)(hip)烧结、微波烧结、微波烧结。烧结。2.2.晶须(短纤维)增强陶瓷基复合材料的制造company logo 热压烧结热压烧结是将晶须是将晶须( (短纤维短纤维) )与