第六章-陶瓷基复合材料的种类和性能-

1、本次主要讲解内容：本次主要讲解内容：一、基本概念和分类一、基本概念和分类二、原材料及其性能特征二、原材料及其性能特征三、三、一、基本概念和分类一、基本概念和分类陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites，简称，简称CMCs） 以陶瓷材料为基体，以高强度纤维、晶须、晶片和颗粒以陶瓷材料为基体，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。为增强体，通过适当的复合工艺所制成的复合材料。 通常也成为复相陶瓷材料（通常也成为复相陶瓷材料（Multiphase ceramics）或多）或多相复合陶瓷材料（相复合陶瓷材料（Multipha

2、se composite ceramics)1、定义、定义v 结构陶瓷基复合材料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。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。 v 功能陶瓷基复合材料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、屏外而具

3、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应而出现新的功能。应而出现新的功能。 2、分类、分类(1)、按使用性能特性分类、按使用性能特性分类 v 氧化物陶瓷基复合材料氧化物

4、陶瓷基复合材料v 非氧化物陶瓷基复合材料非氧化物陶瓷基复合材料v 玻璃基或玻璃陶瓷基复合材料玻璃基或玻璃陶瓷基复合材料v 水泥基多相复合（陶瓷）材料水泥基多相复合（陶瓷）材料 2、分类、分类(2)、按基体材料分类、按基体材料分类 v 颗粒弥散强化陶瓷基复合材料颗粒弥散强化陶瓷基复合材料包括硬质颗粒和延性颗粒包括硬质颗粒和延性颗粒v 晶须补强增韧陶瓷基复合材料晶须补强增韧陶瓷基复合材料包括短纤维补强增韧陶瓷包括短纤维补强增韧陶瓷基复合材料基复合材料v 晶片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包括人工晶片和天然片状材料材料v 长纤维补强增韧陶瓷基复合材料长纤维补强

5、增韧陶瓷基复合材料v 叠层式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包括层状复合材料和梯度陶瓷基复合材料。合材料。 2、分类、分类(3)、按增强体的形态分类、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：物）、三维（三向编织体）等陶瓷基复合材料。具体可分为：陶瓷基复合材料类型汇总表陶瓷基复合材料类型汇总表 增强体形态增强体形态（材料名称）（材料名称）基体材料种类基体材料种类（材料名称）（材料名称）最高使用温度最高使用温度（K）颗粒颗粒（

6、陶瓷、金属）晶须晶须（陶瓷）纤维纤维（连续、短纤维）（陶瓷、高熔点金属）结构复合式结构复合式 （叠层、梯度）（按设计要求选择材料）玻璃：玻璃：SiO2等玻璃陶瓷：玻璃陶瓷：LAS、MAS、CAS氧化物陶瓷氧化物陶瓷：Al2O3, MgO, ZrO2, Mullite非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷碳化物：碳化物：B4C, SiC, TiC, ZrC, Mo2C, WC氮化物：氮化物：BN, AlN, Si3N4,TiN,ZrN硼化物：硼化物：AlB2, TiB2, ZrB2水泥水泥硅酸盐化合物、铝酸盐化合物等叠层式（叠层式（叠层、梯度）（按设计要求选择材料） 860 1100 1300 1650二、原

7、材料及其性能特征二、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。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。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、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。晶须、晶板等。 陶瓷基体材料陶瓷基体材料 氧化物陶瓷氧化物陶瓷 性性 能能氧化铝氧化铝耐热、耐腐蚀、耐磨耐热、耐腐蚀、耐磨二氧化锆二氧化锆高断裂韧性、绝热高断裂韧性、绝热堇青石堇青石(Mg2Al4Si5O18)低膨胀系数、极好的抗热震性低膨胀系数、极好的抗热震

8、性钛酸铝钛酸铝低膨胀系数、绝热、极好抗热震性低膨胀系数、绝热、极好抗热震性莫来石莫来石耐热、耐腐蚀耐热、耐腐蚀氧化物复合材料氧化物复合材料高断裂韧性、高强度高断裂韧性、高强度 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷 性性 能能氮化硅氮化硅高断裂韧性、高强度、极好抗热震性、耐磨损高断裂韧性、高强度、极好抗热震性、耐磨损六方氮化硼六方氮化硼耐磨蚀、极好抗热震性、极好润滑性耐磨蚀、极好抗热震性、极好润滑性立方氮化硼立方氮化硼非常高的硬度、极好的热传导体非常高的硬度、极好的热传导体氮化铝氮化铝耐热、高热传导体耐热、高热传导体碳化硅碳化硅耐热、耐腐蚀、耐磨损、高热导体耐热、耐腐蚀、耐磨损、高热导体复合陶瓷复合陶瓷高断

9、裂韧性、高强度高断裂韧性、高强度9 陶瓷材料具有陶瓷材料具有耐高温耐高温、高强度高强度、高硬度高硬度及及耐腐蚀性好耐腐蚀性好等特点，但其等特点，但其的弱点限的弱点限制了它的广泛应用。制了它的广泛应用。10随着现代高科技的迅猛发展，要求材料随着现代高科技的迅猛发展，要求材料能在能在保持优良的综合性能。保持优良的综合性能。可较好地满足这一要求。可较好地满足这一要求。它的它的主要取决于主要取决于，其工作温度按下列基体材料依次提高：，其工作温度按下列基体材料依次提高：、，其最高工作温度可达，其最高工作温度可达1900 。11陶瓷基复合材料已陶瓷基复合材料已或即将实用或即将实用化的领域包括：化的领域包括

10、：刀具刀具、滑动构件滑动构件、航空航航空航天构件天构件、发动机制件发动机制件、能源构件能源构件等。等。12在在方面，方面， 已成功用于工业生产已成功用于工业生产制制造切削刀具造切削刀具。下图为用热压法制备的。下图为用热压法制备的SiCw/ Al2O3复合材料钻头。复合材料钻头。1314在在领域，用陶瓷基复合材料领域，用陶瓷基复合材料制作的制作的导弹的头锥导弹的头锥、火箭的喷管、航天飞火箭的喷管、航天飞机的结构件机的结构件等也收到了良好的效果。等也收到了良好的效果。15法国已将法国已将应应用于制作用于制作超高速列车的制动件超高速列车的制动件，而且取得了，而且取得了传统的制动件所无法比拟的优异的磨擦磨损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。特性，取得了满意的应用效果。16现在看来，人们已开始对陶瓷基复合材现在看来，人们已开始对陶瓷基复合材料的料的等问题进行科学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系统的研究，但这其中还有许多尚未研究情楚的问题。楚的问题。17因此