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1、第五章第五章 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料（CeramicMatrixComposites）复习参考资料v邹祖讳，材料与科学技术丛书邹祖讳，材料与科学技术丛书(第第13卷卷)：复合材料：复合材料的结构与性能，科学出版社，的结构与性能，科学出版社，1999，P155-203v贾广成，陶瓷基复合材料导论，冶金工业出版社，贾广成，陶瓷基复合材料导论，冶金工业出版社，2002v周玉，陶瓷材料学，哈尔滨工业大学出版社，周玉，陶瓷材料学，哈尔滨工业大学出版社，1995v穆柏春，陶瓷材料的强韧化，冶金工业出版社，穆柏春，陶瓷材料的强韧化，冶金工业出版社，2002本章主要内容：本章主要内容：一、基本概念和分类
2、一、基本概念和分类二、原材料及其特性二、原材料及其特性三、设计理论和强韧化机理三、设计理论和强韧化机理四、陶瓷基复合材料的制备技术四、陶瓷基复合材料的制备技术五、纤维增强陶瓷基复合材料五、纤维增强陶瓷基复合材料六、晶须增韧陶瓷基复合材料六、晶须增韧陶瓷基复合材料七、仿生结构陶瓷基复合材料七、仿生结构陶瓷基复合材料一、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（CeramicMatrixComposites，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
3、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（Multiphaseceramics）或多或多相复合陶瓷材料（相复合陶瓷材料（Multiphasecompositeceramics)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
4、理性能的功能材料，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
5、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晶晶须须补补强强增增韧韧陶陶瓷瓷基基复复合合材材料料包包括括短短纤纤维维补补强强增增韧韧陶陶瓷瓷基基复合材料复合材
6、料v晶晶片片补补强强增增韧韧陶陶瓷瓷基基复复合合材材料料包包括括人人工工晶晶片片和和天天然然片片状状材材料料v长纤维补强增韧陶瓷基复合材料长纤维补强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
7、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（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
8、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、原材料及其特性二、原材料及其特性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。1、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
9、、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
10、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裂韧性、高强度高断裂韧性、高强度几种常用的陶瓷基体材料简介：几种常用的陶瓷基体材料简介：氧化铝（氧化铝（Al2O3）二氧化锆（二氧化锆（ZrO2）莫来石（莫来石（3Al2O3 2SiO2）氮化硅（氮化硅（Si3N4，Sialon）碳化硅（碳化硅（SiC）玻璃陶瓷（玻璃陶瓷（LAS、MAS、CAS）1、氧化铝陶瓷（、氧化铝陶瓷（Al2O3,alumina）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氧化
11、铝含量可分为7575瓷、瓷、8585瓷、瓷、9595瓷、瓷、9999瓷和高纯氧化铝瓷等。瓷和高纯氧化铝瓷等。主晶相为主晶相为-Al2O3，属，属六方晶系，体积密度为六方晶系，体积密度为3.9g/cm3左右，熔点左右，熔点达达2050。氧化铝有多种变体，其中主要有氧化铝有多种变体，其中主要有、型。除型。除-Al2O3外，其它均外，其它均为不稳定晶型。为不稳定晶型。-Al2O3为为低温型，具有低温型，具有FCC结构，在结构，在9501200范范围内可转化为围内可转化为-Al2O3，体积收缩约体积收缩约13%。在氧化铝陶瓷制备过程中，。在氧化铝陶瓷制备过程中，一般先将原料预烧，一般先将原料预烧，使使
12、-Al2O3转化为转化为-Al2O3。氧化铝陶瓷制备时常用的助烧剂有氧化铝陶瓷制备时常用的助烧剂有TiO2、MgO等。等。氧化铝瓷的主要性能氧化铝瓷的主要性能名称名称刚玉莫来石瓷刚玉莫来石瓷刚玉瓷刚玉瓷刚玉瓷刚玉瓷牌号牌号75瓷瓷95瓷瓷99瓷瓷Al2O3含量，含量，wt759599主晶相主晶相-Al2O3 3Al2O3 2SiO2-Al2O3-Al2O3密度密度,g/cm33.2-3.43.53.9抗拉强度抗拉强度,MPa140180250抗弯强度抗弯强度,MPa250-300280-350370-450抗压强度抗压强度,MPa120020002500膨胀系数膨胀系数,10-6/5-5.55
13、.5-7.56.7介电强度介电强度,KV/mm25-3015-1825-30v氧化铝的硬度约为氧化铝的硬度约为20GPa20GPa，仅次于金刚石、立方氮化仅次于金刚石、立方氮化硼和碳化硅，有很好的耐磨性。硼和碳化硅，有很好的耐磨性。v耐高温性能好，高氧化铝含量的刚玉瓷可在耐高温性能好，高氧化铝含量的刚玉瓷可在16001600高高温下长期使用，而且蠕变小。温下长期使用，而且蠕变小。v氧化铝还具有很好的耐腐蚀性和电绝缘性。氧化铝还具有很好的耐腐蚀性和电绝缘性。v但氧化铝脆性较大，抗热震性差，不能承受环境温度但氧化铝脆性较大，抗热震性差，不能承受环境温度的突然变化。的突然变化。氧化铝瓷的其它性能氧化
14、铝瓷的其它性能：2、氧化锆陶瓷（、氧化锆陶瓷（ZrO2,zirconia）以氧化锆为主成分的陶瓷材料。以氧化锆为主成分的陶瓷材料。ZrO2有三种晶型：单斜相有三种晶型：单斜相(m)、四方相四方相(t)及立方相及立方相(c)。在在1170时单斜相转变为四方相，此可逆转变同时伴随着时单斜相转变为四方相，此可逆转变同时伴随着79%的体积变化，使的体积变化，使陶瓷烧成时容易开裂，故须加入适量的陶瓷烧成时容易开裂，故须加入适量的CaO、MgO、CeO2或或Y2O3等氧等氧化物作为稳定剂。化物作为稳定剂。加入适量的稳定剂后，加入适量的稳定剂后，t相可以部分或全部以亚稳定状态存在于室温，相可以部分或全部以亚
15、稳定状态存在于室温，分别称为部分稳定氧化锆（分别称为部分稳定氧化锆（PSZ）或）或四方相氧化锆多晶体（四方相氧化锆多晶体（TZP）。）。利用利用t-ZrO2m-ZrO2的的马氏体相变，可以用来增韧陶瓷材料，即氧马氏体相变，可以用来增韧陶瓷材料，即氧化锆增韧陶瓷材料（化锆增韧陶瓷材料（ZTC）。）。ZrO2陶瓷的特点是呈弱酸性或惰性，导热系数小（在陶瓷的特点是呈弱酸性或惰性，导热系数小（在1001000范范围内，导热围内，导热系数系数=1.72.0W/(m K)，其推荐使用温度为其推荐使用温度为20002200，主要用于耐火坩埚、炉子和反应堆的绝热材料、金属表面的热障涂层等。主要用于耐火坩埚、炉
16、子和反应堆的绝热材料、金属表面的热障涂层等。(1)、PSZ（PartiallyStabilizedZirconia）当当ZrO2中加入适量的稳定剂时，形成的由中加入适量的稳定剂时，形成的由c-ZrO2和一部分和一部分t-ZrO2组组成的双相成的双相ZrO2陶瓷，其中陶瓷，其中c-ZrO2相是稳定的，而相是稳定的，而t-ZrO2相是相是亚稳定的，亚稳定的，在外力作用下有可能诱发在外力作用下有可能诱发tm的的转变，从而起到增韧作用。转变，从而起到增韧作用。Mg-PSZ是最重要的部分稳定氧化锆陶瓷。一般是将含摩尔分数是最重要的部分稳定氧化锆陶瓷。一般是将含摩尔分数6%10%MgO的的ZrO2粉体成型后于粉体成型后于17001850（立方相区）烧结，控（立方相区）烧结，控制冷却速度快速冷却至制冷却速度快速冷却至c+t双相区后等温时效；或直接冷却至室温后在双相区后等温时效；或直接冷却至室温后在进行时效处理，使进行时效处理，使t相在过饱和相在过饱和c相中析出。相中析出。Mg-PSZ陶瓷分为两类：一类是在陶瓷分为两类：一类是在14001500处理后得到的高强型，处理后得到的高强型，抗弯强度为抗弯强度
