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1、Ceramic-matrix Materials consisting of a ceramic or carbon fiber surrounded by a ceramic matrix, usually SiC (silicon carbide). Filter Candles Ceramic-matrix 一、高性能陶瓷材料和陶瓷基复合材料简介 二、陶瓷基体材料 三、增强体材料 四、主要的复合工艺（略） 五、陶瓷基复合材料力学性能 Ceramic-matrix 陶瓷材料的优点 1.优异的耐高温性能成为备受重视的新型高温材料。 2.陶瓷材料具有高强度、高硬度、高刚性、耐磨损、耐腐蚀 冲刷
2、、化学稳定性好。密度低(比金属材料轻)、热膨胀系数 小。 3.被认为是二十一世纪航空航天、汽车引擎等高温部件最有 希望的候选材料。世界各技术先进国家都把结构陶瓷看作是 对未来工业革命有重大作用的高技术新材料而给以重点研究 和发展。并相继开展了陶瓷汽车发动机、柴油机和航空发动 机等大规模高温陶瓷热机研究计划。 Ceramic-matrix 陶瓷材料的缺点 1.脆性大是致命缺陷和问题。 2.可靠性不高。 3.由于本体陶瓷材料固有的结构，决定了它对裂纹的敏感性 ，缺乏能量吸收机制。外加能量全部集中于裂纹尖端的扩 展，扩展速度极其迅速，所以材料是在无预兆情况下发生 瞬时灾难性玻坏。 Ceramic-m
3、atrix 陶瓷基复合材料的特点 1、克服陶瓷材料脆性的方法 （1）在微裂纹扩展过程中，产生有其他能量消耗的机构，使 外加载荷的一部分或大部分能量被吸收而不是集中作用于微裂 纹的扩展，以使裂纹的扩展速度降低。 （2）在材料中设置能阻碍微裂纹扩展的机构，如使微裂纹桥 接、转向或分支，以延缓和阻止微裂纹的进步扩大。 采用添加第二相制备的陶瓷基复合材料（颗粒增强、短纤维 增强、晶须增强和连续纤维增强等体系）是解决陶瓷材料脆性 的主要方法。主要原因就在于它可以显著提高陶瓷基体材料的 韧性。 Ceramic-matrix 2、连续纤维增强的陶瓷基复合材料（简称CFRCMC）主要的优良性能 （1）当材料受
4、载，微裂纹扩展时，高强度、高模量纤维能够通过各种耗 能途径，如使微裂纹桥接、转向或分支以阻止裂纹的进一步扩展，当 纤维断裂拔出又吸收部分应变能，从而大大提高了材料的韧性和抗冲 击性能，防止材料发生灾难性的破坏，克服了单一陶瓷材料脆性断裂 的缺点。 （2）高强度、高模量纤维能承担一部分外加载荷，增加了材料的强度和 刚度。 （3）大大提高了材料的工作温度提高了材料耐高温、低膨胀、热稳定性 好、热绝缘性能好等优点。提高了燃烧效率，可以取消冷却系统，进 一步达到减轻各部位重量、提高发动机推重比的效果。 （4）使陶瓷基复合材料可以应用到航空、航天的耐高温结构材料上，例 如：火箭发动机、火箭、导弹的防热锥
5、套、发动机的涡轮叶片。 Ceramic-matrix 3、今后的发展趋势 细而强且耐高温纤维的开发（包括石英纤维、碳纤维 等）。 成型工艺的改进：较低温成型，减少界面反应，减少 纤维损伤。 三维纺织织造技术和预制件的应用。 界面设计和界面工程的研究。 3D woven Ceramic-matrix 陶瓷基体材料主要以结晶和非结晶两种形态的化合物形式 存在，按照组成化合物的元素不同，可以分为： 1、氧化物陶瓷：氧化铝Al2O3、氧化锆ZrO2、氧化锑TiO2 、二氧化硅SiO2、氧化镁MgO等。 2、碳化物陶瓷：碳化硅SiC、碳化硼B4C、碳化锑TiC等。 3、氮化物陶瓷：氮化硼BN、氮化硅Si
6、3N4等。 二、陶瓷基体材料 Ceramic-matrix 陶瓷 密度 gcm-3 熔点 弹性模量 GPa 强度 MPa 热膨胀系数 10-6/K 断裂韧性K1c MPam1/2 Al2O33.92050380250-3007-81-3 SiC3.24203104.52.2-3.4 Si3N43.13104103.12.5-3.5 MgO3.6285021097-1303.6-13.8 3Al2O3 2SiO23.218501405.33.0-4.0 硼硅酸盐玻璃2.3601003.5 苏打-石灰玻璃2.5601008.9 铝硅酸锂玻璃2.0100100-1501.5 莫来石143835.3
7、铝硅酸镁玻璃2.6-2.8120110-1702.5-5.5 一些陶瓷材料的物理和机械性能： Ceramic-matrix （一）对增强材料的要求 具有较高的熔点。 制成复合材料后，系统在高温下不应分解、相变和蠕变。 制成复合材料后，系统在高温下不应发生微结构变化或晶界杂质偏聚 而造成的性能劣化。 不能发生氧化反应，而使性能下降。 和陶瓷具有物理相容性，包括：弹性模量、热膨胀系数的相容性，不 能造成失配。 和陶瓷具有化学相容性，包括：具有较好的、稳定的界面反应中间物 ，不能产生有害的中间相。 具有可以控制的界面反应和界面效应。在成型过程中，界面上不可避 免地发生物理化学反应。但这种反应以不损伤
8、纤维强度为限度。由于 纤维非常细，反应产生的影响很厉害，至使许多复合材料系统的强度 、刚度性能达不到混合定律预报的结果。 三、增强材料 Ceramic-matrix 1、晶须 碳化硅晶须，还有氧化铝晶须、氮化硅晶须等。 2、颗粒 颗粒在陶瓷基复合材料中主要通过裂纹屏蔽效应起到增强 基体的作用。颗粒的增强效果由其在复合材料中的体积分 数、分布的均匀程度、颗粒直径以及粒径分布等因素决定 。主要有：氮化硅颗粒、碳化硅颗粒等。 3、纤维 主要的纤维有：玻璃纤维、石英纤维、碳纤维、碳化硅纤 维、氧化铝纤维、硼纤维等。 4、织物 包括二维织物、三维织物。 （二）主要增强材料形式 Ceramic-matri
9、x 三、主要复合工艺 就一般的陶瓷基复合材料的制备工艺而言，因不同的增 强材料有很大的差异。颗粒增强陶瓷基复合材料的制备基 本上与本体陶瓷相近。晶须和短纤维增强陶瓷基复合材料 需要考虑体系流变性对其定向排列的影响。对于长纤维或 织物增强陶瓷基复合材料有着特殊要求，即：尽量保持纤 维排布方向和恒定性，减少纤维的机械损伤和高温强度的 降解。长纤维或织物增强陶瓷基复合材料的制备工艺 （一）料浆浸渍（slurry maceration）及热压烧结法 （二）溶胶-凝胶法 （三）化学气相渗透（CVI，Chemical Vapor Infiltration）法 （四）先驱有机聚合物转化法 Ceramic-m
10、atrix （一）料浆浸渍（slurry maceration）及热压烧结法 料浆浸渍及热压烧结法是最早用于制备连续纤维增强陶瓷基复合材料的方法， 其基本原理是：将具有可烧结性的基体原料粉末与连续纤维用浸渍工艺制成坯 件，然后在高温下加压烧结，使基体材料与纤维结合制成复合材料。 泥浆(或稀 浆)浸渍 （1）让纤维通过盛有有机结合剂和粉末 利兹的料浆的容器，浸挂料浆后缠绕在卷筒 上； （2）烘干，使溶剂挥发 ，沿卷筒母线切 断，取下后得到无纬布； （3）将无纬布剪裁成一定规格的条带或 片，在模具中叠排，即成为预 成型坯件。 （4）合模后加压加温，经高温去胶和烧 结得到复合材料制件。 （5）当绕丝
11、 卷筒具有制件要求的形状时 ，可以作为阳模，在它上面缠绕 浸渍料浆的 纤维 后，直接放人阴模中热压烧结 制成复合 材料制件，则称为料浆浸渍缠绕 成型工艺 。 Ceramic-matrix 注意事项 ： （1）料浆应能与纤维表面保持良好润湿。料浆中包括：陶瓷基体粉末、 载液(通常是蒸馏水)和有机粘接剂，有时还加入某些促进剂和基体润湿 剂。为使纤维表面均匀粘附料浆，要求陶瓷粉体粒径小于纤维直径，并 能悬浮于载液和粘接剂混合的溶液中。 （2）纤维应选用容易分散的、捻数低的丝束，保持其表面清洁无污染。 在操作过程中尽量避免纤维损伤，并注意排除气泡。 （3）热压烧结应按预定规律(即热压制度)升温和加压。
12、在热压过程中， 将发生基体颗粒重新分布、烧结和在外压作用下的粘性流动等过程，最 终获得致密化的陶瓷基复合材料。很多陶瓷基复合材料体系在热压过程 中往往没有直接发生化学反应，主要通过系统表面能减少的驱动，使疏 松粉体熔结而致密化。 存在的问题： （1）纤维和陶瓷粉末不容易复合成型。 （2）烧结时由于基体收缩或热压烧结时无粘性流动，会使颗粒和纤维之 间的机械作用而损伤纤维。 （3）目前，直径小于0.1微米-1微米的粉末很难买到。并且，其中的夹 杂物不易排除。同时，细的粉末在制造复合材料过程中又不易分散。 （4）在热压时会损伤纤维结构。 Ceramic-matrix （二）溶胶-凝胶法(sol-ge
13、l) 溶胶凝胶(sol-gel)工艺广泛用于制备玻璃和玻璃陶瓷。将该工 艺用于制备陶瓷基复合材料的过程是： （1）增强体可用颗粒或由增强纤维排列或织造成预制件。 （2）将含有多种组分的溶液浸渗纤维编织预成型件。 （3）通过物理或化学方法使分子或离子成核，形成溶胶。在一定 条件下经过凝胶化处理，获得多组分的凝胶体。 （4）再经热解使之形成陶瓷基体。 硅酸乙酯TEOS，Si（OC2H5）4+水水解，缩聚反应。 溶剂：乙醇；催化剂：盐酸；生成，SiO2凝胶 Ceramic-matrix 溶胶凝胶法的特点 （1）溶胶凝胶法的优点是：复合组分纯度高，分散性好，可广 泛用于制备颗粒(包括纳米粒子)陶瓷、(
14、纤维颗粒)陶瓷复合材 料。 （2）所得陶瓷基复合材料性能良好。 （3）溶胶凝胶法可用作其他制备工艺的陶瓷基复合材料致密化 的补充工艺。 溶胶凝胶法与高聚物先驱体转化法联用可制备CSiC- A12O3混杂基体陶瓷复合材料。先将碳纤维编织坯件(例如纤维分布 比例为x：y：z；6：1：1)在N2气保护下浸渍聚碳硅烷的二乙烯基苯 溶液(即PCS+DVB，二者比例为100：40)，然后在高纯N2气中热解， 基体转化为碳化硅。经过多次浸渍、热解，制得未完全致密的3D CSiC复合材料。该复合材料的孔隙率小到一定 程度，就可以进 一步用溶胶凝胶法致密化。 具体步骤是：浸渍用异丙醇铝、盐酸和去离子水配制的AI
15、OOH溶液 ，然后凝胶并在1000-1200裂解，形成的A12O3填充于3D-CSiC复 合材料的孔 隙，使复合材料致密化。重复浸渍、凝胶及裂解过程 ，最后得到混杂基体的3D-CSiC- A12O3陶瓷基复合材料，而且， A12O3还对复合材料形成了整体包覆。 Ceramic-matrix 注意事项： （1）与高聚物先驱体转化法不同的是，溶胶凝胶工艺的先驱体是在溶液浸 进纤维编织坯件后在原位合成的。 （2）采用溶胶凝胶法制备复合材料可以先制备复合凝胶体，即将复合的各 相以原子或分子级进行均匀混合形成复合溶胶和凝胶化，得到高纯、超细、均 相、分子级或包裹式的复合陶瓷粉末，再经成型、烧结而形成复合
16、材料的基体 或者通过控制溶剂的蒸发速度将复合的溶胶凝胶化后，直接烧结成陶瓷基复合 材料。 （3）如果第二相是粉末或纤维，则可浸在适当的溶液中，通过形核和成长， 使溶液形成溶胶，均匀包围粉末和纤维，经凝胶化处理和热解后即形成陶瓷基 复合材料的基体。 （4）溶胶凝胶法制备陶瓷基复合材料的质量保证关键主要有：选择合适的 先驱体反应物，控制溶液的浓度和pH值、气氛、分散剂、选用胶溶剂、去除 团聚以及使各相处于良好的分散状态等。 存在的问题： （1）在基体干燥时会导致过多的缩孔，产生干燥应力，形成基体裂纹。 （2）需加压和高温处理，又会严重损伤纤维。特别对三维编织结构预制件 ，在加压方向上的纤维受到的损害更大。 （3）该工艺过程较复杂，且不适于部分非氧化物陶瓷基复合材料的制备 Ceramic-matrix 化学气相渗透是制备陶瓷基复合材料(CMC)的一种重要工艺方法。 CVI的
