华科大复合材料课件02陶瓷基复合材料

CeramicMatrixComposites2001.11主要内容绪论陶瓷基体材料陶瓷基复合材料的制造工艺陶瓷基复合材料的界面陶瓷基复合材料的性能陶瓷基复合材料的应用参考书目1.CeramicMatrixComposites K.K.Chawla,Chapman&Hall19932. 复合材料 魏月贞主编，机械工业出版社3. 现代复合材料 陈华辉等编第一章绪论1.1 复合材料简介 复合材料的定义：

复合材料是一个在化学上或物理上完全不同的相分布于一个连续相中的材料。 这个连续相就被称为基体（Matrix），分开的相则称之为增强相（Reinforce-ment）。1.1 复合材料简介

1.1 复合材料简介制备复合材料的目的：

提高重量比强度提高其高温性能提高其表面性能

提高其它性能1.2 复合材料分类 按增强相的形状：颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料（长纤维或短纤维）、层状复合材料和表面增强复合材料。 按复合效果和用途：力学型复合材料（结构复合材料）和功能型复合材料（功能材料）。 一般是根据基体材料来分类：

金属基复合材料 陶瓷基复合材料 聚合物基复合材料

1.2 复合材料分类

1.2 复合材料分类

1.3 陶瓷材料的特点

陶瓷材料也称为无机非金属材料。 陶瓷材料与金属材料的区分：

根据两种材料的电阻温度系数来区别。 陶瓷材料与有机高分子材料的区分：

可以从分子结构上来区别。高分子材料含有不连续的大分子，在分子内的碳原子是由共价键相联，分子与分子间则通过较弱的van-der-Waal或氢键结合。 陶瓷材料没有不连续的分子，是一种或多种原子的空间排列，有序为晶体，否则为非晶材料。1.3 陶瓷材料的特点

陶瓷材料可分为： 普通陶瓷(ConventionalCeramics）：砖、陶 器、瓷器等 精细陶瓷(AdvancedCeramics)：硅、铝、钛、 锆等的氧化物、氮化物和碳化物等。 陶瓷材料以高的抗压性能、很高的化学稳定性和高的熔点著称。

1.3 陶瓷材料的特点陶瓷材料的特点：

很好的耐热性 很好的化学稳定性 高的耐磨性能 低的密度 低的韧性

K1C1.3 陶瓷材料的特点

1.3 陶瓷材料的特点 断裂韧性K1C反映含裂纹材料或构件的抗裂纹扩展的能力，又称为强度因子。

陶瓷材料不象金属材料有塑性变形，因此在受机械拉伸或热冲击载荷时可能出现灾难性的失效。所以提高其韧性是陶瓷基复合材料最重要的目标。1.3 陶瓷材料的特点

使用温度1.3 陶瓷材料的特点

材料的密度1.3 陶瓷材料的特点

热膨胀系数1.3 陶瓷材料的特点

断裂韧性1.4 陶瓷基复合材料的特点

增强相与基体的模量之比相当低，为0.1-1 陶瓷基复合材料中，提高强度不是其目的，最主要 的是提高其韧性。 第二章陶瓷基体材料2.1 陶瓷基体材料的基本要求第二章陶瓷基体材料2.1 陶瓷基体材料的基本要求2.1 陶瓷基体材料的基本要求 具有良好的抗蠕变、疲劳和冲击性能 具有很好的化学稳定性，不易受到环境中温度、氧 化或还原气氛的影响，不易挥发 具有较高的韧性

能够渗入、浸润纤维束、晶须束或颗粒预成型件中 与增强相能形成良好的界面联接 在制造和使用过程中，与增强纤维不发生化学反应 不会物理损坏增强纤维2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构2.2.1陶瓷材料的化学键 原子结合键： 三种强结合力的化学键:共价键（Covalentbond)、离 子键(Ionicbond)、金属键(metallicbond)

二种弱结合键：范德华键(vander

Waalsbond)、氢键 (hydrogenbond)

陶瓷材料：离子键或共价键2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构2.2.2陶瓷材料的晶体结构 通常金属阳离子尺寸较非金属的阴离子要小，因此在陶瓷晶体中的金属阳离子经常占据的是由非金属阴离子构成的晶格中的间隙位置。 简单立方：CsCl,CsBr,CsI

面心立方：NaCl,CaO,MgO,MnO,NiO,FeO,BaO

密排六方：ZnS,Al2O32.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构2.2.2陶瓷材料的晶体结构

2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构2.2.2陶瓷材料 的晶体结构

2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构2.2.2陶瓷材料的晶体结构 陶瓷材料可能是非晶吗？2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构2.2.3几种陶瓷晶体结构介绍

MX型结构（M为金属阳离子，X为阴离子）闪锌矿结构2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构2.2.3几种陶瓷晶体结构介绍

MX型结构（M为金属阳离子，X为阴离子）

NaCl型结构MgO,NiO,TiC,VC,VN等都是这种结构，具有这种结构的化合物多数有熔点高、稳定性好的特点。2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构2.2.3几种陶瓷晶体结构介绍

MX2型结构 这种结构的典型代表是金红石结构。单位晶胞中的8个顶角和中心为阳离子，阴离子的位置则正好处于由阳离子构成的稍有变形的八面体中心。2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构2.2.3几种典型陶瓷晶体结构介绍

M2X型结构 这种结构以赤铜矿为代表。阴离子构成体心立方结构，阳离子处于间隙中。2.3 陶瓷材料的制备方法2.3.1陶瓷普通制备工艺 在普通工艺中都包括以下几个步骤：

原材料制成粉状 粉末压制成一定的形状的坯料 坯料在高温下的烧结，也可能在高温和压力下进行 加工至最终形状和尺寸

2.3 陶瓷材料的制备方法2.3.1陶瓷普通制备工艺一、热等静压工艺（HotIsostaticPressing,HIP)

压力为100-300MPa，温度可达2000℃，时间在1-8hr。2.3 陶瓷材料的制备方法2.3.1陶瓷普通制备工艺一、热等静压工艺2.3 陶瓷材料的制备方法2.3.1陶瓷普通制备工艺一、化学气相沉积工艺（ChemicalVaporDeposition,CVD)加热炉石英舟基底石英管进气口端出气口端电源线热电偶控温仪2.3 陶瓷材料的制备方法2.3.2新型陶瓷制备工艺一、溶胶-凝胶工艺 （Sol-gel）

2.3 陶瓷材料的制备方法2.3.2新型陶瓷制备工艺一、溶胶-凝胶工艺 （Sol-gel）

2.3 陶瓷材料的制备方法2.3.2新型陶瓷制备工艺一、溶胶-凝胶工艺（Sol-gel）

2.3 陶瓷材料的制备方法2.3.2新型陶瓷制备工艺一、溶胶-凝胶工艺（Sol-gel）

2.3 陶瓷材料的制备方法2.3.2新型陶瓷制备工艺二、自延高温合成工艺（Self-propagatinghightemperature synthesis,SHS）

该类工艺的又一名称为铝热燃烧反应。铝与氧化铁的放热反应释放出的热量很多，可使温度达到2500℃。

SHS的突出特点：

极高的燃烧温度（接近4000℃） 简单、低成本的设备 能精确控制其化学成分 能制备不同的形状的零件

2.3 陶瓷材料的制备方法2.3.2新型陶瓷制备工艺二、自延高温合成工艺（Self-propagatinghightemperature synthesis,SHS）2.4 一些常用陶瓷材料的介绍2.4.1 碳化硅

碳化硅（SiC）是一种非常硬而脆的材料。在还原气氛中，碳化硅具有很好的耐烧蚀与化学腐蚀能力。在氧化气氛中，碳化硅中的自由Si可能被氧化，在极高温度下，碳化硅也可能被氧化。 碳化硅主要有两种晶体结构，一种为-SiC，属于六方晶系，另一种为

-SiC，属立方晶系。多数碳化硅以-SiC为主晶相。 碳化硅并不是一种天然存在的矿物，虽然硅和碳都是地球上存在着的最丰富的元素之一。2.4 一些常用陶瓷材料的介绍2.4.1 碳化硅

主要的制备工艺有： 热压烧结法 反应烧结法 化学气相沉积法一、热压烧结法 需要添加剂：MgO,B,C,Al

需要的热压温度非常高：1900-2200℃ 压力：35Mpa

热压后的碳化硅制品必须用金刚石来打磨、修整，很贵2.4 一些常用陶瓷材料的介绍2.4.1 碳化硅二、反应烧结法 原材料为碳化硅粉、石墨和增塑剂混合料。 粉状的原材料被压制、拉挤或注射到模具中，得到坯料。 分解增塑剂。 渗入硅的固体、液体或气体到坯料中与其中的碳反应原 位形成碳化硅。

在这一工艺中，额外的2-12%硅被渗入进去，以填充形成的空隙，因而可得到致密的制件。2.4 一些常用陶瓷材料的介绍2.4.1 碳化硅

表2-3用不同工艺制备的碳化硅的典型性能2.4 一些常用陶瓷材料的介绍2.4.2 氮化硅

氮化硅（Si3N4)

是键合能很高的共价化合物。有两种晶体结构，型与型，两者均为密排六方结构，但-Si3N4的C-轴长度是

-Si3N4的两倍。主要的制备工艺有： 冷压烧结法 热压烧结法 反应烧结法 热等静压法 化学气相沉积法

2.4 一些常用陶瓷材料的介绍2.4.2 氮化硅 一、反应烧结法 将硅粉压成需要的形状，然后在1100-1400℃的高温下通入纯氮气或氮气与氢气的混合气，这时就有下列反应发生： 3Si(s)+2N2(g)Si3N4(s) 3Si(g)+2N2(g)Si3N4(s)

Si(s)+SiO22SiO(g)

第三个反应说明了在反应过程中硅的减少。 反应烧结法制备的氮化硅孔隙率较热压制品高（>10%），因此其中温下的抗氧化能力也较低，通常其强度<400MPa,一般为250MPa左右。2.4 一些常用陶瓷材料的介绍2.4.2 氮化硅 二、化学气相沉积 化学气相沉积法用来制备氮化硅的纯缘（热）或防扩散膜。 将硅烷或氯化硅在800-1100℃的温度下与氨气反应，就可制备得到氮化硅，具体的化学反应如下：

3SiH4(g)+4NH3(g)Si3N4(s)+12H2(g)

3SiCl4(g)+4NH3(g)Si3N4(s)+12HCl(g) 3SiHCl3(g)+4NH3(g)Si3N4(s)+9HCl(g)+3H2(g)

用该方法制备的氮化硅致密，但不能制备复杂的形状。2.4 一些常用陶瓷材料的介绍2.4.2 氮化硅

表2-4不同工艺制备氮化硅的性能

2.4 一些常用陶瓷材料的介绍2.4.3 氧化铝

氧化铝陶瓷也称为高铝陶瓷，主要成分为Al2O3和SiO2。Al2O3含量越高，性能越好。

Al2O3只有一种稳定的晶体结构，即

-Al2O3，呈密排六方结构。氧化铝的制备原料是工业氧化铝，加入少量的添加剂后，经压制坯料烧结而成。 氧化铝的硬度很高，有很好的耐磨性，很好的耐高温性能，在1600℃下仍能长期工作。2.4 一些常用陶瓷材料的介绍2.4.3 氧化铝

表2-5氧化铝陶瓷的主要性能2.4 一些常用陶瓷材料的介绍2.4.5 金属间化合物（Intermetallics)

金属间化合物是指所有两种或两种以上金属组成的化合物（有序的或无序的）。 最有可能应用于飞机涡轮叶片上的金属间化合物是铝镍和铁钛化合物，但其使用温度一般低于1600℃（0.8Tm)，只有一些含硅的金属间化合物的结构与耐氧化性能可能达到1600℃以上。

2.4 一些常用陶瓷材料的介绍2.4.5 金属间化合物（Intermetallics)

2.4 一些常用陶瓷材料的介绍2.4.5 金属间化合物（Intermetallics)

表2-6一些金属间化合物的性能问题： 碳元素有不同的形态，下列 形态有何区别：金刚石石墨碳黑非晶碳

第三章陶瓷基复合材料制造工艺陶瓷材料的特点决定了工艺的设计与选择第三章陶瓷基复合材料制造工艺1、熔点 5、热膨胀系数2、挥发性 6、蠕变特性3、密度 7、强度4、弹性模量 8、断裂韧性9、基体与增强相之间的相容性 化学稳定性 热相容性 与环境的相容性：内部的和外部的，外部的相容性 是指氧 化和蒸发性能第三章陶瓷基复合材料制造工艺3.1 普通工艺介绍3.1.1 粉末冶金工艺(冷压与烧结工艺) 是一种被广泛应用的工艺。适用于连续纤维、长纤维、短纤维、颗粒或晶须增强的陶瓷基复合材料。粉末制备

压制

烧结

后处理(增强相+基体(单向、双向(温度，(二次

成品+粘结剂)等静压)时间)加工)

3.1 普通工艺介绍3.1.1 粉末冶金工艺(冷压与烧结工艺)粉末制备粉体:粉体是介于致密体与胶体之间的颗粒集合物，其颗粒当量直径在0.1微米和1毫米之间。3.1 普通工艺介绍3.1.1 粉末冶金工艺(冷压与烧结工艺)陶瓷粉末制备方法

粉体的性能直接影响陶瓷的性能，制备高纯、超细、组分均匀分布、无团聚的粉体是获得优良陶瓷基复合材料的关键的第一步。 制粉的方法：

机械法：工艺简单、产量大。 化学法：可获得性能优良的高纯、超细、组分均匀的 粉料。3.1 普通工艺介绍3.1.1 粉末冶金工艺(冷压与烧结工艺)陶瓷粉末制备方法

机械法最常用的是球磨和搅拌震动磨。

化学法可分为固相法、液相法和气相法三种。

液相法是目前工业上和实验室中广泛采用的方法，主 要用于氧化物系列超细粉末的合成。 气相法多用于制备超细、高纯的非氧化物陶瓷材料。3.1 普通工艺介绍3.1.1 粉末冶金工艺(冷压与烧结工艺)压制工艺

单向或双向的模压 等静压制、振动压制、粉末轧制及粉浆浇注 压制过程中粉末行为 颗粒间位移，密度增加，压力不变 颗粒间产生磨擦位移，密度继续增加，压力升高 颗粒产生弹性变形，压制过程的本质变化，密度不再 提高，压力增加很快 颗粒发生塑性变形和脆性断裂3.1 普通工艺介绍3.1.1 粉末冶金工艺(冷压与烧结工艺)压制压力与压坯密度的变化 充填孔隙阻滞变形相对密度成形压力图3-1压坯密度随成形压力的变化ⅠⅡⅢ3.1 普通工艺介绍3.1.1 粉末冶金工艺(冷压与烧结工艺)影响压制过程的因素 粉体的物理特性，硬度、纯度、形状、松装密度 成形剂（润滑剂） 加压方式与压力的大小 加压速度3.1.1 粉末冶金(冷压烧结)烧结过程 烧结过程：是指粉末压坯的适当的温度和气氛条件下，加热一段时间内发生的变化现象和过程。3.1 普通制备工艺3.1.1 粉末冶金(冷压烧结)烧结热力学 烧结是一个体系自由能减少的过程。 缩颈增大，颗粒表面平直化而使比表面积减少 烧结体内孔隙总体积与总表面积减少 颗粒内晶格畸变消除烧结机制

粘性流动 扩散：体积扩散、表面扩散、晶界扩散 塑性流动3.1 普通制备工艺3.1 普通工艺介绍3.1.2 热压工艺(Hotpressing)

热压工艺：压力与温度同时作用于粉体，加快了粉体的致密化速度，使得产品的致密度更高，同时晶粒尺寸也更小。

浆体浸渍热压工艺： 制备增强纤维均匀排列在基体中的混合料 混合料的热压3.1 普通工艺介绍3.1.2 热压工艺(Hotpressing)

3.1 普通工艺介绍3.1.2 热压工艺(Hotpressing) 压力与加热温度是最重要的参数。3.1 普通工艺介绍3.1.2 热压工艺(Hotpressing)

需要考虑的问题：

在整个操作过程中纤维要特别小心对待，以防损坏纤维表面。 纤维张力影响到浸渍效果,但过高的张力可能导致纤维的断裂。 很高的压制压力、晶体状的基体陶瓷在与纤维机械接触以及 高温下基体与纤维的反应都有可能损坏纤维。 浆料中陶瓷粉的含量、颗粒尺寸分布、粘结剂含量以及溶剂 的种类等是很重要的参数，实际上复合材料中纤维与基体的 相对比例就是由这些参数决定的。 复合材料产品内基体中的孔隙越少越好，因此浆料中的挥发 性粘结剂应彻底去除，并且陶瓷颗粒的尺寸应小于纤维的直 径。3.1 普通工艺介绍3.1.2 热压工艺(Hotpressing)

浆体浸渍工艺的主要优点： 在预浸料中增强纤维可按不同的要求排放：定向的、交叉 的（0

/90

/0

/90

）或按一定的角度（+/-/+/-）。 加热温度低 得到的复合材料的力学性能高

缺点： 零件形状不能太复杂 基体材料必须是低熔点或低软化点陶瓷，较适合于非晶陶 瓷基体3.1 普通工艺介绍3.1.2 热压工艺(Hotpressing)

定向氧化铝纤维/玻璃陶瓷复合材料断面照片。3.1 普通工艺介绍3.1.3 热压-反应烧结工艺(Hotpressing-reactionbondingmethod)

这是由美国航空航天局（NASA）在上一世纪八十年代发展的混合了热压法与反应烧结法来制备碳化硅增强氮化硅陶瓷基体复合材料的工艺。

反应烧结工艺：

Si粉+

Si3N4

混合后成型。 95%N2+5H2%气氛、1180-1210℃预氮化1-1.5小时，必要 时可进行机械加工，达到精确尺寸。 在1350-1450℃氮化18-36小时，此时有 3Si(s)+2N2(g)Si3N4(g) 3Si(g)+2N2(g)Si3N4(g)3.1 普通工艺介绍3.1.3 热压-反应烧结工艺(Hotpressing-reactionbondingmethod)

Si(s)+SiO22SiO(g)

所有的硅都反应变成氮化硅，得到尺寸精密的制品。

值得指出的是，硅与氮发生反应，使其体积增加22%，从而使得其制品尺寸。

反应烧结工艺的优点： 纤维或晶须的体积分量可以相当大； 可用于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， 所以可避免增强纤维的损坏。 高气孔率难以避免3.1 普通工艺介绍3.1.3 热压-反应烧结工艺(Hotpressing-reactionbondingmethod)3.1 普通工艺介绍3.1.3 热压-反应烧结工艺(Hotpressing-reactionbondingmethod)

3.1 普通工艺介绍3.1.4 短纤维或晶须增强复合材料的制备工艺

连续长纤维增强的复合材料的主要特点是具有方向性。 短纤维或晶须与陶瓷浆料混合，烘干，热压。

SiC晶须 Si3N4

浆料

混合加入乙醇，球磨

过滤 干燥80℃，50h3.1 普通工艺介绍3.1.4 短纤维或晶须增强复合材料的制备工艺

湿混加入有机粘结剂

注射成型 去除粘结剂400℃，氮气

锻烧1400℃，1h,氩气，

热等静压1600℃，4h,200MPa

3.2 新型工艺介绍

所谓的新型工艺都是近二十年发展起来的，主要应用于航空航天等高技术领域的生产先进陶瓷基复合材料的工艺。3.2.1 液态浸渍法

关键是控制液态基体的流动性。3.2 新型工艺介绍3.2.1 液态浸渍法 制成的预制体都有网络孔隙，由于毛细作用陶瓷熔体可渗入这些孔隙。 施加压力或抽真空都将有利于浸渍过程的进行。可用Poisseuiue方程来计算陶瓷熔体的浸渍高度，前提是假定预制件中的孔隙呈一束束有规则间隔的平等通道：

r是圆柱型孔隙通道的半径，t为时间，

是浸渍剂的表面能，

是接触角，

是粘度。3.2 新型工艺介绍3.2.1 液态浸渍法 液态浸渍法的另一方面是可用于拉挤制备边续纤维增强的玻璃陶瓷基复合材料。3.2 新型工艺介绍3.2.1 液态浸渍法 优点： 基体陶瓷用一步简单工艺即可成型； 所得到的基体均匀性好。 缺点： 由于陶瓷材料熔点很高，因此就意味着陶瓷熔体与增强相 之间较强的化学反应倾向。 由于陶瓷熔体的高粘度，浸渍预制体较困难。 由于陶瓷基体与增强相之间热膨胀系数的差别可能导致基 体的裂纹。解决的办法是选用热膨胀系数相近的基体与增 强材料。3.2 新型工艺介绍3.2.2 直接氧化法 是通过熔融金属与气体反应直接形成陶瓷基体。3.2 新型工艺介绍3.2.2 直接氧化法

Al+空气

Al2O3 Al+氮气

AlN

最终得到的是三维含有5-30%未反应金属相互连接的陶瓷材料。如果将增强颗粒放入熔融金属表面，则会在颗粒周围形成陶瓷。

3.2 新型工艺介绍3.2.2 直接氧化法 3.2 新型工艺介绍3.2.2 直接氧化法 锆熔体与B4C直接反应制取3.2 新型工艺介绍3.2.2 直接氧化法

3.2 新型工艺介绍3.2.2 直接氧化法

此种工艺中控制反应动力学是非常重要的。因为化学反应的速率决定了陶瓷生长的速度，一般陶瓷生长速率为1mm/hr。

所生产的部件尺寸可达20cm.3.2 新型工艺介绍3.2.2 直接氧化法

3.2 新型工艺介绍3.2.2 直接氧化法

3.2 新型工艺介绍3.2.3 化学气相浸渍法(ChemicalVaporImpregnation, CVI) 简单地说CVI工艺需要： 进气系统； 一个化学气相沉积反应器，其中能够加热基底与导 入反应 气体； 尾气处理系统。

3.2 新型工艺介绍3.2.3 化学气相浸渍法(ChemicalVaporImpregnation,CVI) 3.2 新型工艺介绍3.2.3 化学气相浸渍法(ChemicalVaporImpregnation,CVI)

实际上这是一种与制备陶瓷材料相似的化学气相沉积方法。在1200-1400K的温度下：

CH3Cl3Si(g)

SiC(s)+3HCl(g) 有的时候还可以用原料气，如氧化铝基体复合材料的制备，在950-1000℃和2-3kPa的压力下:

H2(g)+CO2(g)H2O(g)+CO(g) 2AlCl3(g)+H2O(g)Al2O3(s)+6HCl(g)2AlCl3(g)+3H2(g)+3CO2(g)Al2O3(s)+3CO(g)+6HCl(g)3.2 新型工艺介绍3.2.3 化学气相浸渍法(ChemicalVaporImpregnation,CVI)3.2 新型工艺介绍3.2.3 化学气相浸渍法(ChemicalVaporImpregnation,CVI)

CVI工艺的优点： 制备的复合材料在高温下仍有好的机械性能； 可以制备大尺寸、复杂形状和近净形的部件； 适用于很多种类的陶瓷基体与增强纤维。

缺点：

速度慢、成本高3.2 新型工艺介绍3.2.3 化学气相浸渍法(ChemicalVaporImpregnation,CVI)

3.2 新型工艺介绍3.2.4 溶胶-凝胶法(Sol-Gel)

工艺步骤：

制备陶瓷基体组元溶胶； 加入增强相（颗粒、晶须、纤维等）并使其均匀分布于溶 胶中； 得到稳定均匀分布有增强相的陶瓷基体组元凝胶； 干燥，压制，烧结后即可形成复合材料。3.2 新型工艺介绍3.2.4 溶胶-凝胶法(Sol-Gel)

连续纤维增强陶瓷基复合材料示意图。3.2 新型工艺介绍3.2.4 溶胶-凝胶法 (Sol-Gel)

真空浸渍增强陶瓷基复合材料示意图。3.2 新型工艺介绍3.2.4 溶胶-凝胶法(Sol-Gel)

优点： 陶瓷基体成分容易控制； 加工温度较低； 得到的复合材料的均匀性好。 缺点： 较大的收缩率； 生产效率低。3.2 新型工艺介绍3.2.5 金属间化合物基体复合材料的制备

基本概念 金属间化合物是以金属元素或类金属元素为主要组成的二元系或多元系中出现的中间相。 第一类为常见的有序合金，如CuAu和Cu3Au即是典型的金属间化合物，主要仍为金属键。 第二类在其化学式规定成分两侧有个成分范围，但是熔点以前或是相图上的反应分解以前其原子有序排列都有是稳定的，Ni2Al3

和Ni3Al在其包晶反应分解之前都是结构稳定的化合物。 第三类金属间化合物的化学式规定成分两侧不再有成分范围。 后两类金属间化合物中多为离子键或共价健。3.2 新型工艺介绍3.2.5金属间化合物 基体复合材料 的制备

3.2 新型工艺介绍3.2.5 金属间化合物基体复合材料的制备

3.3 工艺总结第四章陶瓷基复合材料界面界面的定义：两相（增强相与基体）的界面是一个表面，通过这个表面材料的性能，如原子晶格、密度、弹性模量、热膨胀系数、拉伸强度、断裂韧性等都有明显的不连续性。复合材料的界面

复合材料中的界面面积很大； 通常情况下，增强相与基体组成的界面都没有达 到热力学平衡。

第四章陶瓷基复合材料界面4.1 复合材料内的界面面积 一块复合材料的长、宽、高别为l、w、h，其中含有N根长为l、直径为d的连续纤维，则纤维的体积分数为：

如果定义界面面积为IA，则有：IA=N·

·d·l4.1 复合材料内的界面面积

从上面二式中可得：设这块复合材料的体积为1m2

，Vf为0.25，则有4.1 复合材料内的界面面积

4.1 复合材料内的界面面积

对于颗粒增强的复合材料来说，可以计算得到：

若VP=0.254.2 复合材料内的界面晶体学性质

从晶体学角度看，界面有共格、半共格和非共格三种。

4.2 复合材料内的界面晶体学性质

4.3 浸润性

浸润性代表了一种液体在一种固体表面扩展的能力。

4.3 浸润性

当一个液滴在固体界面时，在热力学上只有

sl+lv<sv液滴才能在固体表面扩展开来。

达到平衡的条件是：

sl+lv

cos=sv

其中就是接触角：

4.3 浸润性

=0°时，液体完全浸润固体； 0°<<180°时，液体部分浸润固体；

=180°时，完全不浸润。 随着值下降，浸润的程度增加。实际上当>90°时就认为不发生液体浸润。

浸润与界面的粘结是不同的，浸润只是强粘结界面的必要条件，而非充分条件。4.4 陶瓷基复合材料界面的粘结

两相界面的粘结（粘接、粘合或粘着等）方式有多种，如静电粘结、机械作用粘结、浸润粘结、反应粘结等等。 对于陶瓷基复合材料来讲，界面的粘结形式主要有两种，即机械粘结和化学粘结。机械粘结由于基体的收缩率较大，冷却收缩后基体将增强相包裹产 生压应力。 通过渗透、高温扩散等基体渗入或浸入增强纤维的表面而 形成机械结合。4.4 陶瓷基复合材料界面的粘结界面的剪应力为：

i=i

为摩擦系数，通常，0.1-0.6

机械粘结为低能量弱粘结，其界面强度较化学粘结低。

4.4 陶瓷基复合材料界面的粘结化学粘结 通过原子或分子的扩散在界面上形成了固溶体或化合物，此时即为化学粘结。扩散控制的反应中，有其中，x是反应区的厚度，D是扩散系数，t则为时间。而且D可按照Arrhenius方程计算：4.5 陶瓷基复合材料界面的作用4.5.1 界面的作用4.5 陶瓷基复合材料界面的作用4.5 陶瓷基复合材料界面的作用4.5.2 界面的改善4.5 陶瓷基复合材料界面的作用第五章陶瓷基复合材料的性能5.1 陶瓷材料力学性能测试5.1.1 弯曲试验第五章陶瓷基复合材料的性能5.1 陶瓷材料力学性能测试5.1.2 拉伸或 弯曲试验5.1 陶瓷材料力学性能测试5.1.3 应力-应变曲线5.1 陶瓷材料力学性能测试5.1.3 应力-应变曲线5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能5.2.1 拉伸强度与弹性模量图5-4拉伸时陶瓷基复合材料的应力-应变曲线5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能5.2.1 拉伸强度与弹性模量 陶瓷基复合材料弹性模 量5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能5.2.1 拉伸强度与弹性模量 碳化硅纤维增强锂铝硅玻璃陶瓷复合材料的拉伸性能。5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能5.2.1 拉伸强度与弹性模量 碳化硅纤维增强锂铝硅玻璃陶瓷复合材料的拉伸性能。

图5-6纤维增强LAS玻璃陶瓷室温拉伸应力-应变曲线

5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能5.2.1 拉伸强度与弹性模量 用化学气相浸渍方法（CVI）制备的这一材料其拉伸强度可达159MPa，弹性模量为43GPa。。5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能5.2.2 压缩与弯曲强度碳化硅纤维增强锂铝硅玻璃陶瓷复合材料的载荷-位移曲线。压缩强度为96.8MPa，压缩弹性模量为56.6Gpa。图5-8SiC纤维增强LAS-I玻璃陶瓷的载荷-位移曲线5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能5.2.3 断裂韧性 碳化硅纤维增强锂铝硅玻璃陶瓷复合材料的断裂韧性随纤维含量的变化。5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能5.2.4 影响因素 增强相体积含量 连续纤维5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能5.2.4 影响因素 增强相体积含量 连续纤维图5-11单向增强碳纤维/玻璃陶瓷复合材料的弯曲强度与纤维体积含量的关系5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能5.2.4 影响因素 增强相体积含量 短纤维

5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能5.2.4 影响因素 密度三维编织预制体碳化硅纤维增强复合材料

5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能5.2.4 影响因素 密度

5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能5.2.4 影响因素 界面碳纤维三维编织预制体增强碳化硅基体复合材料5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能5.2.4 影响因素 颗粒粒径5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能5.2.4 影响因素 颗粒粒径5.3 陶瓷复合材料的高温力学性能5.3.1 高温强度 浆体浸渍-热压法制备的碳化硅纤维增强MgO-Al2O3-SiO2复合材料。

5.3 陶瓷复合材料的高温力学性能5.3.1 高温强度

5.3 陶瓷复合材料的高温力学性能5.3.1 高温弹性模量

5.3 陶瓷复合材料的高温力学性能5.3.1 高温断裂韧性

5.3 陶瓷复合材料的高温力学性能5.3.2 蠕变性能5.3 陶瓷复合材料的高温力学性能5.3.2 蠕变5.3 陶瓷复合材料的高温力学性能5.3.2 热冲击性（热震性）第六章陶瓷基复合材料的增韧机理 颗粒、纤维或晶须加入到陶瓷基体中，陶瓷的性能特别是韧性得到了很大的提高。

归纳起来，增韧机理有裂纹偏转、裂纹的桥联、纤维脱粘与拨出、颗粒增韧等。第六章陶瓷基复合材料的增韧机理6.1 颗粒增韧 颗粒增韧是最简单的一种增韧方法，它具有同时提高强度和韧性的优点。6.1.1 非相变第二相增韧一、微裂纹增韧

由于增强颗粒与基体的热膨胀系数失配，在第二相颗粒周围基体内部产生的应力埸是陶瓷基复合材料得到增韧的主要原因。6.1 颗粒增韧6.1.1 非相变第二相增韧一、微裂纹增韧 影响第二相颗粒复合材料增韧效果的主要因素为基体与第二相颗粒的弹性模量E、热膨胀系数

以及两相的化学相容性。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基复合材料得到增韧补强的主要原因。

在一个无限大基体中大存在第二相颗粒时，由于冷却收缩的不同，颗粒将受到一个压应力P：

P=(2

TEm)/[(1+

m)+2

(1-

p)]其中，r为球状颗粒半径，

为泊松比，

=Em/EP6.1 颗粒增韧6.1.1 非相变第二相增韧一、微裂纹增韧 忽略颗粒效应场之间的相互作用，这一内力将在距颗粒中心R处的基体中形成径向正应力

r及切向正应力

t：

r=P(r/R)3

t=-1/2P(r/R)36.1 颗粒增韧6.1.1 非相变第二相增韧一、微裂纹增韧 在颗粒及其周围基体中储存的弹性应变能分别为：

UP=2

{[P2(1-2

p)]/EP}r3 Um=

{[P2(1+

m)]/Em}r3

储存的总的应变能U为：

U=UP+Um=2kP2

r3其中，k=(1-2

p)]/EP+(1+

m)]/(2Em)

6.1 颗粒增韧6.1.1 非相变第二相增韧一、微裂纹增韧

r=P(r/R)3

t=-1/2P(r/R)3

>0(

P>m)时,

P>0,

r>0,

t<0,颗粒处于拉应力状态，基体径向处于拉伸状态，切向处于压缩状态，应力足够高时，可能产生具有收敛性的环向微裂纹。

P>m（C-压应力，T-拉应力）图6-2 应力分布及在球状颗粒 周围形成的裂纹6.1 颗粒增韧6.1.1 非相变第二相增韧一、微裂纹增韧

<0(

P<m)时,

P<0,

r<0,

t>0,颗粒处于压应力状态，基体径向受压应力，切向受到拉应力。当应力足够高时，可能产生具有发散性的径向微裂纹。

P<m（C-压应力，T-拉应力）图6-2 应力分布及在球状颗粒 周围形成的裂纹6.1 颗粒增韧6.1.1 非相变第二相增韧一、微裂纹增韧

(a)

p

m

时裂纹扩展路径6.1 颗粒增韧6.1.1 非相变第二相增韧一、微裂纹增韧

p<m

6.1 颗粒增韧6.1.1 非相变第二相增韧一、微裂纹增韧

6.1 颗粒增韧6.1.1 非相变第二相增韧二、裂纹偏转和裂纹的桥接6.1 颗粒增韧6.1.2 延性颗粒增韧 在脆性陶瓷基体中加入第二相延性颗粒可以明显提高材料的断裂韧性。 其增韧机理： 裂纹尖端形成的塑性变形区导致裂纹尖端屏蔽 延性颗粒形成的延性裂纹桥

注意：只有当延性颗粒与基体的、E相当时，才能达到最佳的增韧效果。例如，当Na-Li-Al-Si玻璃的、E值与铝相当时，加入20%的铝颗粒后复合材料的断裂能从10J/m2增加到600J/m2，提高了60倍；而当两者的、E值相差较大时，裂纹发生偏转绕过铝颗粒，其增韧效果较差。6.1 颗粒增韧6.1.3 相变增韧

相变增韧是由于第二相粒子在裂纹尖端附近发生相变而引起体积膨胀，从而降低裂纹尖端的应力集中，所以提高了复合材料的韧性。典型的例子是氧化锆颗粒加入到其它的陶瓷基体中。

氧化锆具有多种晶型，在接近熔点时为立方结构（c），冷却至约2300℃时为四方结构（t），在1200-1100℃之间转变为单斜对称结构（m）:

1170℃

2370℃ZrO2ZrO2ZrO2 (m-ZrO2)

(t-ZrO2)

(c-ZrO2)6.1 颗粒增韧6.1.3 相变增韧

其中由四方相转变为单斜相时，具有马氏体相变的特征，并伴随有3-5%的体积膨胀。ZTA：氧化锆增韧氧化铝陶瓷6.1 颗粒增韧6.1.3 相变增韧

应力诱导相变：

如果在氧化锆增强的氧化铝陶瓷中加入某些稳定氧化物（Y2O3、MgO、CaO等）则会抑制氧化锆的t-m的转变，可能制备出全部为四方氧化锆组成的氧化锆多晶陶瓷。由于四方氧化锆处于亚稳状态，当材料受到外力作用时，在应力的诱导下，四方氧化锆会转变为单斜氧化锆。相变吸收能量而阻碍了裂纹的继续扩展，因此不但提高了复合材料的韧性而且还提高了强度。6.1 颗粒增韧6.1.3 相变增韧6.1 颗粒增韧6.1.3 相变增韧 相变增韧机理： 在裂尖相变引起的体积膨胀造成的应力本身就有闭合 裂尖的作用。 裂尖的断裂能量有一部分被用于诱发相变了。 裂纹尖端区的膨胀受到周围基体材料的反作用，因此 颗粒受到压应力，当裂尖扩展到颗粒上时，这种压应 力对裂尖的扩展也有阻碍作用。 6.2 纤维晶须增韧

纤维、晶须的增韧机理有：裂纹的弯曲、裂纹的编转、裂纹的桥联、纤维脱粘和纤维的拔出。6.2 纤维晶须增韧6.2.1 裂纹的弯曲与偏转

在扩展裂纹尖端应力场中的增强相会导致裂纹发生弯曲和偏转，从而干扰应力场，导致基体的应力强度K降低，起到阻碍裂纹扩展的作用。6.2 纤维晶须增韧6.2.1 裂纹的弯曲与偏转6.2 纤维晶须增韧