无机非金属基复合材料

无机非金属基复合材料第1页/共83页

所谓的复合材料是指把两种以上在宏观上不同的材料，合理的进行复合，在新制得的材料中，原来各材料的特性得到充分的应用，并且得到了单一材料所不具有的新特性，如果从微观上看，我们所使用的材料很少不是复合的，我们在这里所说的复合材料则是按上述定义复合得到的材料。

复合材料船体7.1概述第2页/共83页复合材料的起源可追溯到古埃及人在粘土中加入植物纤维所制成的土坯。大约100万年以前，人们开始使用以沙做骨料，用水或水泥固结的混凝土，它是现代建筑领域不可缺少的材料。混凝土具有一定的抗压强度，但比较脆，在张力作用下容易产生裂纹而破裂。在混凝土中加入钢筋，大大提高了材料的拉伸抗力，成为广泛应用的钢筋混凝土。在橡胶中加入纤维/钢丝，既保持了橡胶的柔软性，又提高了材料的强度和耐磨性能。7.1概述第3页/共83页现代复合材料的发展起源于1942年美国空军用于制造飞机构件的玻璃纤维增强和聚脂，即玻璃钢，以后提高玻璃纤维性能的工作有了很大的发展，硼纤维/碳纤维/碳化硅纤维/各种耐热氧化物纤维与晶须的相继出现，推动着复合材料的研究与开发工作。复合材料的复合目的:提高材料强度得到热性能/电性能/磁性能和其他各种性能的最优化.7.1概述第4页/共83页根据复合材料的基体的不同及发展历史:玻璃纤维增强塑料（GFRP）称作第一代复合材料硼纤维和碳纤维增强的塑料（BFRP,GFRP）称作第二代复合材料。高性能纤维增强金属与陶瓷成为第三代复合材料。硼纤维玻璃纤维碳纤维7.1概述第5页/共83页7.1.1复合材料的分类1、按基体材料分类，可分为聚合物基、陶瓷基和金属基复合材料。

2、按增强相形状分类，可分为纤维增强复合材料、粒子增强复合材料和层状复合材料。

3、按复合材料的性能分类，可分为结构复合材料和功能复合材料。SiC颗粒Al2O3片Al2O3纤维增强相三种类型无机非金属材料基复合材料主要包括陶瓷基复合材料（CMC）、碳基复合材料、玻璃基复合材料和水泥基复合材料等。7.1概述第6页/共83页无机非金属材料基复合材料还可以按其使用温度分:高温陶瓷基复合材料（它以多晶陶瓷为基体，耐受温度为1000～1400℃）;低温陶瓷基复合材料（它以玻璃及玻璃陶瓷为基体，耐受温度在1000℃以下）。尽管相对而言，无机非金属材料基复合材料目前产量还不大，但陶瓷基复合材料和碳基复合材料是耐高温及高力学性能的首选材料，例如碳碳复合材料是目前耐温最高的材料。水泥基复合材料则在建筑材料中越来越显示其重要性。下面简要介绍几类常见的无机非金属复合材料。7.1概述第7页/共83页7.1.2无机非金属材料基复合材料碳基复合材料碳碳复合材料的基体是碳，用碳纤维增强的复合材料。从光学显微镜尺度来看，碳碳复合材料由碳纤维、基体碳、碳纤维/基体碳界面层、纤维裂纹和孔隙四部分构成。优点：热膨胀系数低、导热好、耐热冲击、抗蠕变优异等优异特性。缺点：碳碳复合材料中的孔隙与显微裂纹可明显降低其力学强度和抗氧化性能。孔隙和裂纹的数量要根据碳碳复合材料的使用性能要求加以控制。7.1概述第8页/共83页用途：已发展成为核能和航空航天飞行器中不可缺少的关键材料，如飞机刹车片。利用它的生物相容性和低维性，可以制造人造肢体。飞机用刹车片汽车用刹车片7.1概述第9页/共83页重返温度高达1650℃，碳尖锥在服役期间不仅毫无损伤，而且使用一次相当于热解一次，强度会逐渐提高。尖锥是用两层的预浸布制造的。先用石墨纤维布浸泡酚醛树脂，进行高温热解，驱除气体和水分后酚醛树脂转化为石墨。这一阶段的复合材料是软胶。将此材料浸渍糠醇后再热解，浸渍三次，热解三次，使其密度、强度和模量逐次提高。再在表面涂以二氧化硅和三氧化二铝，烧结后就在表面形成一层碳化硅涂层。最后，再用硅酸四乙氧脂浸渍表面，水解、干燥后又使涂层含有一定量的二氧化硅。碳碳复合材料1986年首次用于发动机的燃烧喷管,其最显赫的应用是宇宙飞船重返大气层的尖锥。7.1概述第10页/共83页

碳碳复合材料密度只有1.3g/cm3,具有很高的比强度。其强度与模量可依据用途在较大范围内调节。普通碳碳复合材料的强度可以高达450MPa,连续纤维材料的强度为600MPa，“先进”碳碳复合材料的强度可以高达2100MPa。典型的模量值在125～175GPa的范围内。就高温强度而言，碳碳复合材料是2000℃以上最强的材料，更可贵的是，温度越高，碳材料的强度越高。但高温氧化是其弱点，基体与纤维界面的氧化更甚。7.1概述第11页/共83页金属陶瓷家族中最著名的成员是钴黏合的碳化物。碳化物与钴等金属一起球磨，一方面减少碳化物的粒度，一方面将金属涂到陶瓷表面。涂饰好的粉末按粒度分级，取所需粒度压成型坯。型坯在真空下或氢气氛中烧结。所谓烧结实质是将金属熔融，把陶瓷粒子彻底“焊”在一起。金属陶瓷金属陶瓷是金属与陶瓷的结合体。其分散相是陶瓷颗粒，多为碳化物，如碳化钛、碳化物等。基体是一种金属或几种金属的混合物，如镍、钴、铬、钼等。实际上金属起到黏合剂的作用，将坚硬的陶瓷粒子粘合在一起。7.1概述第12页/共83页金属陶瓷比任何工具钢都硬，压缩强度高于大多数工程材料，耐磨性能极佳。可作切削工具，可作任何软、硬表面的摩擦件。如果单纯使用陶瓷，因为其脆性，不能用作切削工具、模具或振动强烈的机器部件。而金属陶瓷中的金属提供了韧性，陶瓷提供了硬度与强度，这种复合产生了性能上的协同效应。金属含量越低，陶瓷粒度越细（<1um）,耐磨性能越好。所有金属陶瓷都具有室内耐腐蚀性，含有镍和铬的金属陶瓷可耐化学环境的腐蚀。7.1概述第13页/共83页无机胶凝复合材料解决的方法：加入粗、细骨料（如沙和卵石等）制成混凝土以提高水泥的强度和韧性。但随着混凝土强度的提高，它的脆性也表现的更为明显。7.1概述以水泥为代表的无机胶凝复合材料脆性特点：抗拉强度低（只有抗压强度的1/20～1/10）；其制品及构件在受拉应力系统或冲击载荷情况下，极易脆性破坏。第14页/共83页新型的无机胶凝复合材料：以混凝土或水泥砂浆为基体，在其中掺入纤维形成的复合材料，称为纤维水泥与纤维混凝土。纤维种类：包括金属纤维（如不锈钢纤维、低碳钢纤维）、无机纤维（如玻璃纤维、硼纤维、碳纤维）、合成纤维（如尼龙、聚酯、聚丙烯等纤维）、植物纤维（如竹、麻纤维）。由于钢纤维能有效提高混凝土的韧性与强度，能成批生产，价格便宜，施工方便，一直是研究和应用的重点。7.1概述第15页/共83页7.1.3复合材料特点：复合材料的组分和它们的相对含量是经人工选择和设计的;复合材料是经人工制造而非天然形成的;组成复合材料的某些组分在复合后仍保持其固有的物理和化学性质（区别于化合物和合金）;复合材料的性能取决于各组成的协同。复合材料具有新的、独特的和可用的性能，这种性能是单个组分材料性能所不及或不同的。复合材料是各组分之间被明显界面区分的多相材料。7.1概述第16页/共83页7.2.1复合材料的结构复合材料由两种以上以及它们之间的界面构成。组分材料主要指增强体和基体，它们也被称为复合材料的增强相和基体相。增强相与基体相之间的界面区域因为其特殊的结构与组成也被视为复合材料的“相”，即界面相。7.2复合材料结构第17页/共83页增强相和基体相是根据它们组分的物理和化学性质和在最终复合材料中的形态来区分的。增强相或增强体：复合材料承受外加载荷时是主要承载相，组分是细丝（连续的或短切的）、薄片或颗粒状、具有较高的强度、模量、硬度和脆性。它们在复合材料中呈分散形式，被基体相隔离包围，因此也称为分散相；基体相：是包围增强相并相对较软和韧的关联材料。按增强体的几何形态可把复合材料分为三类，即纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料、层片增强复合材料，7.2复合材料结构7.2.1复合材料的结构第18页/共83页纤维复合材料又分为连续纤维和非连续纤维（包括晶须和短切纤维）增强复合材料。连续纤维复合材料又分为单向纤维、无纬布叠层（正交、斜交）、二维织物层合、多相编织复合材料和混杂纤维复合材料。碳纤维复合材料机盖7.2复合材料结构7.2.1复合材料的结构第19页/共83页颗粒增强复合材料的增强体是不同尺寸的颗粒（球形或者非球形）。按照分散相的尺寸大小和间距又可分为弥散增强复合材料（颗粒等效直径为0.01~0.1um，颗粒间距为0.01~0.3um）和粒子增强复合材料（颗粒等效直径为1~50um，颗粒间距为1~25um）。高体份（60-70%）碳化硅颗粒,铝基复合材料电子封装件7.3复合材料结构第20页/共83页层状增强复合材料的增强体是长与宽尺寸相近的薄片。薄片增强体由天然、人造和在复合材料工艺过程中自身生长三种途径获得。天然片状增强体的典型代表是云母，人造片状增强体如有机玻璃（又称玻璃鳞片）、铝、银二硼化铝等。层状复合材料隔热的隔热7.2复合材料结构7.2.1复合材料的结构

石墨片第21页/共83页叠层复合材料指复合材料中的增强相是分层铺叠的，即按相互平行的层面配置增强相，而各层之间通过基体材料连接。叠层复合材料中的“层”，可以是前述的单向无纬布、浸胶纤维布，如玻璃纤维布、碳纤维布或棉布、合成纤维布、石棉布等。也可以是片状材料，如纸张、木材以及前述的铝箔（在混杂叠层复合材料中）。叠层复合材料在其层面方向可以提供优良的性能。7.2复合材料结构7.2.1复合材料的结构第22页/共83页（１）轻质高强，比强度和比刚度高Ａ、增强剂或者基体是比重小的物质，或两者的比重都不高，且都不是完全致密的；Ｂ、增强剂多是强度很高的纤维。

比强度（指强度与密度的比值）和比弹性模量是各类材料中最高的。7.3复合材料基本特性1、复合材料的特性

复合材料是由多种组分的材料组成，许多性能优于单一组分的材料。(2)可设计性好复合材料可以根据不同的用途要求，灵活地进行产品设计，具有很好的可设计性。第23页/共83页(4)耐腐蚀性能好聚合物基复合材料具有优异的耐酸性能、耐海水性能、也能耐碱、盐和有机溶剂。因此．它是一种优良的耐腐蚀材料，用其制造的化工管道、贮罐、塔器等具有较长的使用寿命、极低的维修费用。(3)电性能好复合材料具有优良的电性能，通过选择不同的树脂基体、增强材料和辅助材料，可以将其制成绝缘材料或导电材料。7.3复合材料基本特性不饱和聚脂树脂玻璃纤维增强模塑料第24页/共83页7.3复合材料基本特性(5)热性能良好玻璃纤维增强的聚合物基复合材料具有较低的导热系数，是一种优良的绝热材料。(6)工艺性能优良纤维增强的聚合物基复合材料具有优良的工艺性能，能满足各种类型制品的制造需要，特别适合于大型制品、形状复杂、数量少制品的制造，第25页/共83页(7)长期耐热性金属基和陶瓷基复合材料能在较高的温度下长期使用，但是聚合物基复合材料不能在高温下长期使用，即使耐高温的聚酰亚胺基复合材料，其长期工作温度也只能在300℃左右。(9)老化现象在白然条件下，由于紫外光、湿热、机械应力、化学侵蚀的作用，会导致复合材料的性能变差，即发生所谓的老化现象。

7.3复合材料基本特性第26页/共83页(1)在航空、航天方面的应用由于复合材料的轻质高强持性，使其在航空航天领域得到广泛的应用。在航空方面，主要用作战斗机的机冀蒙皮、机身、垂尾、副翼、水平尾冀、雷达罩、侧壁板、隔框、翼肋和加强筋等主承力构件。7.4复合材料的应用与研究现状A400M、波音787飞机，复合材料分别占飞机结构重量的36%和50%，第27页/共83页氮化硅结构陶瓷被用作航天飞机的防热瓦硼纤维金属基复合材料制成的火箭履轴的管道输送部件7.4.1、复合材料的应用7.4复合材料的应用与研究现状第28页/共83页美国B-2隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料由光导纤维构成的光缆7.4复合材料的应用与研究现状第29页/共83页赛车(2)在交通运输方面的应用

由复合材料制成的汽车质量减轻，在相同条件下的耗油量只有钢制汽车的1／4，而且在受到撞击时复合材料能大幅度吸收冲击能量，保护人员的安全。

7.4复合材料的应用与研究现状第30页/共83页(3)在化学工业方面的应用在化学工业方面，复合材料主要被用于制造防腐蚀制品。聚合物基复合材料具有优异的耐腐蚀性能。例如，在酸性介质中，聚合物基复合材料的耐腐蚀性能比不锈钢优异得多。(4)在电气工业方面的应用聚合物基复合材料是一种优异的电绝缘材料，被广泛地用于电机、电工器材的制造，如绝缘板、绝缘管、印刷线路板、电机护环、槽楔、高压绝缘子、带电操作工具等。7.4复合材料的应用与研究现状第31页/共83页

(5)在建筑工业方面的应用

玻璃纤维增强的聚合物基复合材料(玻璃钢)具有力学性能优异，隔热、隔声性能良好，吸水率低，耐腐蚀性能好和装饰性能好的特点，因此，它是一种理想的建筑材料。

(6)在机械工业方面的应用

复合材料在机械制造工业中，用于制造各种叶片、风机、各种机械部件如齿轮、皮带轮和防护罩等。(7)在体育用品方面的应用

在体育用品方面，复合材料被用于制造赛车、赛艇、皮艇、划桨、撑杆、球拍、弓箭、雪橇等。7.4复合材料的应用与研究现状第32页/共83页(1)降低成本由于复合材料的性能优于传统材料，如能降低复合材料的成本，其应用前景将是非常广阔的。7.4.2复合材料今后的发展方向

(2)高性能复合材料的研制高性能复合材料是指具有高强度、高模量、耐高温等特性的复合材料。

(3)功能性复合材料功能复合材料是指具有导电、超导、微波、摩擦、吸声、阻尼、烧蚀等功能的复合材料。7.4复合材料的应用与研究现状第33页/共83页(4)智能复合材料智能复合材料是指具有感知、识别及处理能力的复合材料。在技术上是通过传感器、驱动器、控制器来实现复合材料的上述能力。(5)仿生复合材料

仿照竹子从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点，成功地制备出具有明显组织梯度与性能梯度的新型梯度复合材料。7.5复合材料的应用与研究现状第34页/共83页(6)环保型复合材料

从环境保护的角度看，目前的复合材料大多注重材料性能和加工工艺性能，而在回收利用上存在与环境不相协调的问题。因此，开发、使用与环境相协调的复合材料，是复合材料今后的发展方向之—。7.4复合材料的应用与研究现状第35页/共83页为什么陶瓷材料多表现为脆性?离子键无滑移或位错共价键不能松弛应力裂纹生成及扩散所需能量小7.5陶瓷基复合材料第36页/共83页陶瓷基复合材料(Ceramicmatriccomposite)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。增韧陶瓷阀门增韧陶瓷刀片7.5陶瓷基复合材料第37页/共83页陶瓷基复合材料有:（1）异相颗粒弥散强化陶瓷复合材料（2）纤维增韧增强陶瓷复合材料（3）原位生长陶瓷复合材料（4）梯度功能陶瓷复合材料（5）纳米陶瓷复合材料7.5陶瓷基复合材料第38页/共83页陶瓷基复合材料的强韧机理多相复合材料的设计三项原则:相之间在化学上相容性相之间在物理上的相容性热膨胀系数匹配弹性模量复合材料的显微结构的设计7.5陶瓷基复合材料第39页/共83页颗粒包括氧化物和非氧化物颗粒，也可以是金属、金属间化合物颗粒。强韧化机理（1）颗粒能抑制基体的晶粒长大形成细晶。如SiC颗粒弥散在Si3N4基体中，可以在一定的程度上抑制Si3N4晶粒的长大，从而获得细晶粒的显微结构。1、颗粒弥散增韧陶瓷基复合材料SiC颗粒弥散在Si3N4基体7.5陶瓷基复合材料第40页/共83页2)微裂纹增韧影响第二相颗粒增韧效果的主要因素是基体与第二相颗粒的弹性模量、热膨胀系数以及两相的化学相容性。其中化学相容性是复合的前提。两相间不能有过度的化学反应，同时保证具有合适的界面结合强度。弹性模量只在材料受外力作用时产生微观应力再分布效应；热膨胀系数失配在第二相颗粒及周围基体内部产生残余应力场是陶瓷得到增韧的主要根源1、颗粒弥散增韧陶瓷基复合材料7.5陶瓷基复合材料第41页/共83页ZrO2从四方相到单斜相转变效应的氧化锆多晶体（TZP）陶瓷材料，在室温下有较高的强度和断裂韧性，但在高温下由于相变的消失，强度急剧下降。2、ZrO2微裂纹强化陶瓷基复合材料单斜相(m)ZrO2， 1170C

四方相(t)ZrO2；

2370C

立方相ZrO2。ZTA性能随ZrO2体积含量的变化7.5陶瓷基复合材料第42页/共83页图1相变增韧示意图

图2ZTA中应力诱变韧化导致性能随ZrO2体积含量的变化7.5陶瓷基复合材料第43页/共83页金属颗粒和金属间化合物颗粒高温性能不好，但在低温条件下可以显著地改善中低温时的韧性。增韧机理：裂纹桥联、颗粒塑性变形、颗粒拔出、裂纹偏转和裂纹终止于颗粒。3金属颗粒和金属间化合物颗粒的弥散强化裂纹终止于颗粒裂纹的分岔裂纹偏转颗粒塑性变形7.5陶瓷基复合材料第44页/共83页

桥联7.5陶瓷基复合材料第45页/共83页

拔出功增韧颗粒的拔出7.5陶瓷基复合材料第46页/共83页通过有效的分散、复合使纳米颗粒均匀弥散地保留在陶瓷基质中而得到的复合材料。一般分三类：A、基体晶粒内弥散纳米粒子第二相（高温、低温力学）B、基体晶粒间弥散纳米粒子第二相（高温、低温力学）C、基体与第二相同为纳米晶粒（加工性、超塑性）4、纳米强韧化机理7.5陶瓷基复合材料第47页/共83页晶界间晶粒内部7.5陶瓷基复合材料第48页/共83页要求：尽量满足纤维（晶须）与基体陶瓷的化学相容性和物理相容性。化学相容性是指在制造和使用温度下纤维与基体两者不发生化学反应及不引起性能退化物理相容性是指两者的膨胀系数和弹性模量匹配，通常希望纤维的膨胀系数和弹性模量高于基体，使基体的残余应力为压应力。5、纤维增韧陶瓷材料机理7.5陶瓷基复合材料第49页/共83页

纤维在基体中的不同分布方式纤维无规排列时，能获得基本各向同性的复合材料。均一方向的纤维使材料具有明显的各向异性。纤维采用正交编织，相互垂直的方向均具有好的性能。纤维采用三维编织，可获得各方向力学性能均优的材料。7.5陶瓷基复合材料第50页/共83页纤维桥联基体裂纹的应力-应变曲线航天飞机防热瓦的纤维质纤维结构7.5陶瓷基复合材料第51页/共83页用晶须作为增强相可以显著提高复合材料的强度和弹性模量，但因为价格昂贵，目前仅在少数宇航器件上采用。现在发现，晶须(如SiC和Si3N4)能起到陶瓷材料增韧的作用。ZnO晶须自增韧Si3N4陶瓷6、晶须增韧7.5陶瓷基复合材料第52页/共83页

调整陶瓷工艺或其热处理过程，使陶瓷的晶粒生长成具有一定长径比的柱状和板状形态，即原位生长，使其产生类似与晶须增强的的效果。原位生长可以避免由于等轴晶粒与外加的晶须状物料不易均匀混合的问题。（疾病危害）7、自增强陶瓷基复合材料7.5陶瓷基复合材料第53页/共83页7、自增强陶瓷基复合材料7.5陶瓷基复合材料第54页/共83页

用陶瓷涂覆金属一般都使涂层的组分做梯度变化，以消除由于陶瓷与金属热膨胀系数的巨大差异而产生的热应力，从而保证涂层对金属基底的结合和使用可靠性。8、梯度陶瓷基复合材料7.5陶瓷基复合材料第55页/共83页二、陶瓷基复合材料的界面和界面设计1、界面的粘结形式

（1）机械结合 （2）化学结合陶瓷基复合材料往往在高温下制备，由于增强体与基体的原子扩散，在界面上更易形成固溶体和化合物。此时其界面是具有一定厚度的反应区，它与基体和增强体都能较好的结合，但通常是脆性的。7.5陶瓷基复合材料第56页/共83页2、界面的作用

陶瓷基复合材料的界面一方面应强到足以传递轴向载荷并具有高的横向强度；另一方面要弱到足以沿界面发生横向裂纹及裂纹偏转直到纤维的拔出。因此，陶瓷基复合材料界面要有一个最佳的界面强度。图1陶瓷基复合材料界面示意图7.5陶瓷基复合材料第57页/共83页3、界面性能的改善为了获得最佳界面结合强度，希望避免界面化学反应或尽量降低界面的化学反应程度和范围。实际当中除选择增强剂和基体在制备和材料服役期间能形成热动力学稳定的界面外，就是纤维表面涂层处理。包括C、SiC、BN、ZrO2

和SnO2等。7.5陶瓷基复合材料第58页/共83页三、陶瓷基复合材料的性能1、室温力学性能1）拉伸强度和弹性模量对陶瓷基复合材料来说陶瓷基体的失效应变低于纤维的失效应变，因此最初的失效往往是基体中晶体缺陷引起的开裂。如图所示，材料的拉伸失效有两种：图纤维陶瓷基复合材料应力-应变曲线示意图7.5陶瓷基复合材料第59页/共83页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，阻止裂纹扩展的势垒增加，断裂韧性增加。但当纤维含量超过一定量时，纤维局部分布不均，相对密度降低，气孔率增加，其抗弯强度反而降低。图CF/LAS的断裂韧性和弯曲强度随纤维含量的变化7.5陶瓷基复合材料第60页/共83页2、高温力学性能

1）强度分别为不同温度下SiCF/MAS堇青石复合材料的力学性能变化。7.5陶瓷基复合材料第61页/共83页1）强度图1为SiCW/Al2O3复合材料的断裂韧性随温度的变化。图2是不同SiCW

含量的Al2O3复合材料的强度随温度的变化。7.5陶瓷基复合材料第62页/共83页2）热冲击性（热震性）材料在经受剧烈的温度变化或在一定起始温度范围内冷热交替作用而不致破坏的能力称为抗热震性（ThermalshockResistance），也称之为耐热冲击性或热稳定性。抗热震性与材料本身的热膨胀系数、弹性模量、导热系数、抗张强度及材料中气相、玻璃相及其晶相的粒度有关。图20%SiCW/Al2O3复合材料的抗热震性能在Al2O3中加入20Vol%的SiC晶须后，不仅强度提高了一倍，而且抗热震性得到明显提高。7.5陶瓷基复合材料第63页/共83页①氧化铝陶瓷基体

以氧化铝（Al203）为主要成分的陶瓷，氧化铝仅有一种热动力学稳定的相态，即α-Al2O3属六方晶系。氧化铝陶瓷包括高纯氧化铝，99氧化铝，95氧化铝和85氧化铝等品种，其氧化铝含量（质量分数）依次为99.9%、99%、95%、85%，烧结温度依次为1800℃

、1700℃

、1650℃

、1500℃

。α–Al2O3和3Al2O3·2SiO2

为主晶相的称为刚玉-莫来石瓷，主要原料为高岭土、氧化铝和少量膨润土，烧结温度为1350℃左右。四、陶瓷基体材料的种类、组成、结构和特性7.5陶瓷基复合材料第64页/共83页

以氮化硅（Si3N4）为主要成分的陶瓷称为氮化硅陶瓷。氮化硅陶瓷有两种形态，即α和β两种六方晶型，由于氮化硅中Si-N键结合强度高，属难烧结物质。氮化硅烧结技术有烧结氮化硅，热压氮化硅，反应合成氮化硅，化学气相沉积氮化硅等。各种制备技术所需的工艺条件各不相同，所得到的氮化硅的性能各有差异。另外氮化硅性能与添加剂的种类有关。②氮化物陶瓷基体材料7.5陶瓷基复合材料第65页/共83页7.5陶瓷基复合材料第66页/共83页

以碳化硅为主要成分的陶瓷称为碳化硅陶瓷。SiC是一种非常硬和抗磨蚀材料，以热压制造的SiC可以用来制作切割钻石的刀具。SiC还具有优异的抗腐蚀性，抗氧化性。SiC并不在自然界中存在，主要通过热压、烧结、反应烧结和化学气相沉积等技术制备，Si-C属于典型的共价键，为了提高陶瓷的致密程度，常添加MgO、Y2O3、B、C、Al等能够降低晶界能的粉末以促进烧结。③碳化物陶瓷基体7.5陶瓷基复合材料第67页/共83页7.5陶瓷基复合材料第68页/共83页四、陶瓷复合材料的制备

对于短纤维、晶须、晶片和颗粒状的陶瓷基复合材料的生产通常采用普通的的陶瓷生产工艺即粉体的制备、成型和烧结。对于连续性纤维增强体采用用泥浆浸润后热压烧结和化学气相烧结（CVI）7.5陶瓷基复合材料第69页/共83页①普通陶瓷生产工艺

为了克服粉末冶金法中各组元混合不均的问题，采用了浆体（湿态）法制备陶瓷基复合材料。 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布。这可通过调整水溶液的pH值来实现。 对浆体进行超声波震动搅拌则可进一步改善弥散性。弥散的浆体可直接浇铸成型或热（冷）压后烧结成型。适用于颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料。7.5陶瓷基复合材料第70页/共83页

晶须含量对复合材料的相对密度和力学性能的影响7.5陶瓷基复合材料第71页/共83页不同温度气氛下烧结的复合材料的抗弯强度(晶须含量为30vol%7.5陶瓷基复合材料第72页/共83页②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，还具有以下优点：增强剂的体积比可以相当大；可用多种连续纤维预制体；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。

反应烧结法制备SiC/Si3N4基复合材料工艺流程7.5陶瓷基复合材料第73页/共83页在颗粒、晶须、纤维以及具有开口气孔的增强骨架上沉积所需陶瓷基质制备陶瓷基复合材料。工艺路线：增强体制成预成型体——放入低温容器——通源气——升温——源气热分解——沉积下来的基质填满气孔。特点：得到晶体结构良好的基体，可以得到形状比较复杂的复合材料；缺点，工序时间长，预成型体的加热反应可能引起增强体的性能下降。③CVD（chemicalvapordeosition）法即气相化学沉积法。7.5陶瓷基复合材料第74页/共83页将氮化硼纤维的三维织物浸渍硼酸,使硼酸转变成氮化硼基体,然后经高纯硅溶胶加压(≈70MPa)浸渍、热压烧成制备了BNf/(BN+SiO2)复合材料,材料的最佳组成是二氧化硅2%～18%,氮化硼5%～15%。氮化硼纤维织物的纱线走向与热压作用力方向关系

导弹天线罩④浸渍法7.5陶瓷基复合材料第75页/共83页1、为什么陶瓷材料多表现为脆性?陶瓷基复合材料2、多相复合材料的设计三项原则是什么?思考题复合材料3、用作高温复合材料增强成分的纤维基本要求有哪些？4、影响复合材料性能的主要因素有哪些？因素5、简述复合材料界面形成过程第76页/共83页举例说明无机非金