第六章-陶瓷基复合材料

第六章陶瓷基复合材料(CeramicMatrixComposites)本章主要内容：一、基本概念和分类二、原材料及其特性三、陶瓷基复合材料的制备技术四、纤维增强陶瓷基复合材料五、碳/碳复合材料2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。通常也称为复相陶瓷材料(Multiphase

ceramics)或多相复合陶瓷材料

(Multiphase

composite

ceramics)一、基本概念和分类1、定义32、分类

4(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，主要用作承力构件，具有轻质、高强、高刚度、耐高温、低膨胀和耐腐蚀等主要特性。※

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微晶玻璃陶瓷基复合材料※

碳/碳复合材料52、分类

6(3)、按增强体的形态分类※

颗粒增强陶瓷基复合材料——包括刚性颗粒和延性颗粒※

纤维(晶须)增强陶瓷基复合材料——包括长、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

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

。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。几种常用的陶瓷基体材料简介：氧化铝

(Al₂O₃)二氧化锆

(ZrO₂),莫

来

石(

3Al₂O₃2SiO₂,Mullite)氮化硅

(Si₃N₄),

碳化硅

(SiC)玻璃陶瓷二、原材料及其特性以氧化铝为主成分的陶瓷材料。氧化铝含量越高，性能越好。按氧化铝含量可分为75瓷、85瓷、95瓷、99瓷和高纯

氧化铝瓷等。主晶相为α-Al₂O₃,属六方晶系，密度为3.9g/cm³左右，熔点达2050℃。1、氧化铝陶瓷

(Al₂

O₃,alumina)氧化铝瓷的主要性能9名称刚玉一莫来石瓷刚玉瓷刚玉瓷牌号75瓷95瓷99瓷Al₂O₃含量，wt%759599主晶相α-Al₂O₃3Al₂O₃

·2SiO₂α-Al₂O₃α-Al₂O₃密度，

g/cm³3.2-3.43.53.9抗拉强度，MPa140180250抗弯强度，MPa250-300280-350370-450抗压强度，MPa120020002500膨胀系数，×10-61℃5-5.55.5-7.56.7介电强度，KV/mm25-3015-1825-3010氧化铝瓷的其它性能：※

硬度高(~20GPa),仅次于金刚石和碳化硅，有很好的耐磨性。※

耐高温性能好，高氧化铝含量的刚玉瓷可在1600℃高温下长期使用，而且蠕变小。※

很好的耐腐蚀性和电绝缘性。但氧化铝脆性较大，抗热震性差，不能承受环境温度的突然变化。方晶系。α

-相在高温下(~1650℃)可转变为β

-相。α-Si₃N₄多为等轴状晶粒，有利于材料的硬度和耐磨性；β-Si₃N₄多为长柱状晶粒，有利于材料的强度

和韧性。2、

氮化硅陶瓷

(Si₃

N₄,

silicon

nitride)11以

Si₃N₄

为主晶相的陶瓷材料。Si₃N₄有两种晶型，α-Si₃N₄

和β-Si₃N₄,均属于六以SiC为主要成分的陶瓷材料。SiC变体很多，但作为陶瓷材料的主要有两种晶体结构，一种是α-SiC,属六方晶系；一种是β-SiC,属

立方晶系，具有半导体特性。SiC

具有很高的热传导能力，较好的热稳定性、耐磨性、耐腐蚀性和抗蠕变性。3、碳化硅陶瓷

(SiC,Silicon

Carbide)12某些玻璃经热处理后可以晶化形成大量的微晶体。这种含有大量微晶体的玻璃称为微晶玻璃或玻璃陶瓷。玻璃陶瓷中的微晶体一般取向杂乱，微晶尺寸在0.01-0.1μm,体积结晶率达50-98%。常用的玻璃陶瓷有锂铝硅

(Li₂O-Al₂O₃-SiO₂

,LAS)

玻璃陶瓷、镁铝硅

(MgO-Al₂O₃-SiO₂,MAS)玻璃陶瓷等。LAS玻璃陶瓷的热膨胀系数几乎为零。MAS

玻璃陶瓷具有高硬耐

磨的特性。4、玻璃陶瓷

(glass-ceramics)三、陶瓷基复合材料的制备技术1、料浆浸渗-热压烧结法2、直接氧化沉积法3、化学气相浸渗法4、反应性熔体浸渗法141、料浆浸渗-热压烧结法

15

(Slurry

Infiltration

and

Hot-Pressinp)连续纤维进给浸浆从滚柱上取下②堆垛加热烧去粘结剂个加温加压切断料浆浸渗

一

热压烧结法的优点：※

烧结时间短，制造成本低※

复合材料的致密度和性能高※

尤其适合纤维增强的玻璃陶瓷基复合材料不足之处；8

复合材料的形状受限不适合于固相烧结的材料体系利用熔融金属氧化来制备陶瓷基复合材料的一种方法，这种工艺最早是由美国Lanxide公司发明的，

故又称LANXIDE法，其制品已经用作坦克防护装甲材

料

。它是将纤维预制体置于熔融金属上，金属液1200~1400℃的高温下被空气氧化生成陶瓷，沉积和包裹

在纤维周围，而形成纤维增韧陶瓷基复合材料。2、

直接氧化沉积法(Direct

Oxidating

Deposition)反应气预制体熔化的金属预制体复合材料熔融金属二已浸渍的预制体一沉积方向18直接氧化沉积法的优点：※

工艺相对简单对纤维损伤小，※

可以制备复杂形状的零部件不足之处；心

不可避免地有金属残存，影响材料的高温性能；

只限于制备氧化铝基陶瓷和抗高温氧化性强的

纤

维材料3、化学气相浸渗法

20(ChemicalVaporInfiltration,简称CYI法)定义：反应物以气体的形式渗入到纤维预制体的内部并发生化学反应，形成陶瓷固体沉积在预制体表面，使预制体逐渐致密形成陶瓷基复合材料的一种工艺。石墨：具有耐高温、抗热震、导热好、弹性模量

高、耐磨、化学惰性等性能，是优异的适合于惰

性气体环境和烧蚀环境的高温材料。但韧性差，

对裂纹敏感。■

C/C复合材料：既能保持碳(石墨)原来的优良

性能外，又能克服它的缺点，大大提高了韧性和

强度，降低了热膨胀系数，尤其是因为相对密度小，具有很高的比强度和比模量。5.1C/C

复合材料的发展出材料的发展与需求相联系□

耐烧蚀材料需求：飞船返回舱和航天飞机的鼻嘴

最高温度分别为1800℃和1650℃。

C/C

具有高烧

蚀热、低的烧蚀率、抗热冲击和超热环境下具有

高强度等优点。可耐受10000℃的驻点温度。是

超热环境中高性能的理想烧蚀材料。■

高温耐磨材料需求：

C/C

是唯一能在极高温度下使用的摩阻材料，且密度仅为1.7～1.9

g/cm³。C/C复合材料的性能与纤维的类型、增强方向、制造条件以及基体碳的微观结构等密切相关。可

供使用的C

纤维有人造丝(粘胶)基、PAN基和沥

青基C纤维。■

力学性能■

热物理性能■

烧蚀性能■

化学稳定性5.2C/C复合材料的特性5.2.1

力学性能24密度小；高的比强度、比模量

；良好的高温力学

性能，对热应力不敏感；优异的耐摩擦性能。室温：单向度C/C拉伸强度可达700MPa

。(

通■

高温：1627℃时仍能保持室温强度，甚至有所提

高，这是目前工程材料中唯一能保持这一特性的材料；

2500℃才能测出塑形变形，是当今在太空环境下使用

的高温力学性能最好的材料。■

对热应力不敏感：

一旦产生裂纹，不会像陶瓷那

样严重的力学性能损失。耐磨性：

摩擦系数小，具有优异的耐磨擦磨损性

能，是各种耐磨和摩擦部件的最佳候选材料。用钢材强度500

600MPa)5.2.2

物理性能25□

热膨胀性能低：常温下为-0.4～1.8×10-6/K,

仅为金属材料的1/5～1/10;导热系·数高：室温时约为0.38～0.45熔点高：4100℃。cal/cms℃

(铁：0.

13)。5.2.3烧蚀性能烧蚀：导弹和飞行器在高温高压大气层热流的冲刷下，由于材料发生热解、气化、升华、辐

射等物理和化学过程，引起材料表面质量迁移

(材料消耗)的现象。这种材料表面的质量迁

移带走大量热量，从而达到耐高温的目的，即

烧蚀性能。C/C

的烧蚀均匀、烧蚀凹陷浅，能良好地保持制件外形；烧蚀热高。

27C/C

的升华温度高达3600

℃,在这样的高温度下，通过表面升华、辐射除去大量热量，使传递到

材料内部的热量相应地减少。不同材料的有效烧蚀热的比较材料C/C聚丙乙烯尼龙/酚醛高硅氧/酚醛有效烧蚀热(kcal/kg)11000~

14000173024904180化学稳定性高；抗氧化性能差C/C

除含有少量的氢、氮和微量金属元素外，几乎

99%以上都是元素C,

因此它具有和C

一样的化学稳定性。■耐腐蚀性：C/C

像石墨一样具有耐酸、碱和盐的化

学稳定性；■氧化性能：C/C

在常温下不与氧作用，开始氧化温

度为400℃

,高于600℃会严重氧化。提高其耐氧化性方法—成型时加入抗氧化物质或表面加碳化硅涂

层。5.2.4化学稳定性生物相容性好：是人体骨骼、关节、颅盖骨补块、牙床的优良替代材料；■

安全性和可靠性高：若用于飞机，其可靠性为传统材料的数十倍。飞机用铝合金构件从产生

裂纹至破断的时间是1mim,

而

C/C

是51mim。5.2.5其他性能29世界各国均把C/C复合材料用作先进飞行器高温区的主要热结构材料，其次是作为飞机和汽车等的刹车材料。■

军事、航天飞行器中的应用■

刹车材料方面应用■

其他应用5.3

C/C复合材料的应用305.3.1军事、航天飞行器上的应用31主要用能做烧蚀材料和热结构材料，尺寸稳定性良好。其中最重要的用途是做洲际

导弹弹头的鼻锥、固体火箭喷管、航天飞

机的鼻锥帽和机翼前缘。C/C

在航天飞机上的应用部位

32C/C

在航天飞机上应用部位航天飞机表面温度5.3.2刹车材料方面的应用□

利用其优异的耐摩擦性能。用于飞机、高速火车及

汽车刹车片。■

法国欧洲动力公司大量生产C/C

刹车片，用作飞机

(如幻影式战斗机)、汽车(如赛车)和高速火车

的刹车材料。■

波音747上使用C/C

刹车装置，大约使机身质量减

轻了816.5kg。■

日本C/C

用作飞机刹车材料已有10

年的历史。日本

协和式超音速客机共8个轮，刹车片约用300

kgC/C

复合材料，可使飞机减轻450kg。用作F-1赛车刹车

片，可使其减轻11