陶瓷基体材料和高性能陶瓷基复合材料

《陶瓷基体材料和高性能陶瓷基复合材料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《陶瓷基体材料和高性能陶瓷基复合材料（343页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学7 7 陶瓷基体和高性能陶瓷陶瓷基体和高性能陶瓷基复合材料基复合材料国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学7 陶瓷基体和高性能陶瓷基复合材料7.1 高性能复合材料的陶瓷基体材料7.2 高性能陶瓷基复合材料 国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学7.1 高性能复合材料的陶瓷基体材料(ceramic matrix materials of HPCM)7.1.1 陶瓷的键合与结构7.1.2 陶瓷的强度7.1.3 现代陶瓷的晶体结构7.1.4 常用陶瓷基体材料国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学7.1.1 陶瓷的键

2、合与结构7.1.1.1 陶瓷的键合及特点7.1.1.2 陶瓷的缺点国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学7.1.1 陶瓷的键合与结构（bonding and structure of ceramics）什么是陶瓷？什么是陶瓷？以无机非金属天然矿物构成的化工产品为以无机非金属天然矿物构成的化工产品为原料，经原料处理、成形、干燥、烧成等原料，经原料处理、成形、干燥、烧成等工序制成的产品，分陶器和瓷器工序制成的产品，分陶器和瓷器(pottery and porcelain)两大类，合称为陶瓷。两大类，合称为陶瓷。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学陶瓷的键合与结构19711

3、971年，美国兴起年，美国兴起“陶瓷热陶瓷热”，在，在“脆性脆性材料计划材料计划”中研制出包含中研制出包含104104个陶瓷零件个陶瓷零件的示范型涡轮发动机，使其进口温度提高的示范型涡轮发动机，使其进口温度提高200200，功率提高功率提高30%30%，燃耗降低，燃耗降低7%7%。19791979年，发动机进口温度达到年，发动机进口温度达到13711371( (ACTT101)101)。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学陶瓷的键合与结构陶瓷分为两类：陶瓷分为两类：传统（通用）陶瓷传统（通用）陶瓷(tradition or convention ceramic)现代（或特种）陶瓷

4、现代（或特种）陶瓷(modern or special ceramic)作为高性能陶瓷基复合材料基体材料的一作为高性能陶瓷基复合材料基体材料的一般是般是现代陶瓷现代陶瓷。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学陶瓷的键合与结构何谓现代陶瓷？何谓现代陶瓷？原料原料：微米、亚微米级的高纯人工合成氧、碳、微米、亚微米级的高纯人工合成氧、碳、氮、硼、硅、硫等无机非金属物质化合物。氮、硼、硅、硫等无机非金属物质化合物。成型方法成型方法：热压铸、压力浇注、干压、冷等热压铸、压力浇注、干压、冷等静压、注射、流延法、气相沉积、浸渍等。静压、注射、流延法、气相沉积、浸渍等。烧成烧成：烧结（热压、无压、

5、热等静压、冷等静烧结（热压、无压、热等静压、冷等静压、反应、气氛加压、重力、微波、自蔓延、压、反应、气氛加压、重力、微波、自蔓延、等离子）。一般要求在真空或惰性气氛中进行。等离子）。一般要求在真空或惰性气氛中进行。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学陶瓷的键合与结构现代陶瓷的性能现代陶瓷的性能：具有多功能（压电、铁电、导：具有多功能（压电、铁电、导电、半导体、磁性、湿敏、气敏、压敏等）、高电、半导体、磁性、湿敏、气敏、压敏等）、高硬度、高弹性模量、低密度、耐高温、抗腐蚀、硬度、高弹性模量、低密度、耐高温、抗腐蚀、绝缘、热膨胀系数低、环境耐久性。但强度不高、绝缘、热膨胀系数低、环境

6、耐久性。但强度不高、脆、断裂应变小、断裂韧性低、抗热和力学冲击脆、断裂应变小、断裂韧性低、抗热和力学冲击性差、对内部缺陷和表面缺陷敏感。性差、对内部缺陷和表面缺陷敏感。现代陶瓷应用现代陶瓷应用于高温结构、宝石、刀具、磁、电、于高温结构、宝石、刀具、磁、电、光、声、生物、机械、电子、宇航、绝缘等领域。光、声、生物、机械、电子、宇航、绝缘等领域。如如Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 7.1.1.1 陶瓷的键合及特点（1 1）陶瓷的键合）陶瓷的键合（bonding of ceramic)除玻璃外的陶瓷材料都具有晶体结构。与除玻璃外的陶瓷材料

7、都具有晶体结构。与金属不同的是，陶瓷以金属不同的是，陶瓷以离子键结合离子键结合（ionic bond ）为主，也有一些为主，也有一些共价键结合共价键结合（covalent bond）。陶瓷是由共价键和离子键以混合周期排列陶瓷是由共价键和离子键以混合周期排列方式形成的连续成分单元。如方式形成的连续成分单元。如SiC。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学陶瓷的键合及特点（2 2）陶瓷的特点）陶瓷的特点化学稳定性高化学稳定性高（chemical very stable ），发发掘出的陶瓷可用于考古掘出的陶瓷可用于考古（archeology)；高熔点、高弹性模量高熔点、高弹性模量（hig

8、h melting point, high elastic modulus）；位错和原子不易运动位错和原子不易运动（low dislocation and atomic mobility），即塑性变形性差；，即塑性变形性差；高硬度、低密度高硬度、低密度（high hardness, low density）。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学Table 7-1 Selected properties of some ceramics国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学表表7-2陶瓷的典型性能国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学7.1.1.2 陶瓷的缺

9、点（1）缺点缺点（drawbacks）脆性大脆性大（high brittleness），断裂模式，断裂模式是灾难性破坏是灾难性破坏(failure mode: catastrophic fracture)强度度可靠性差强度度可靠性差（poor reliability of strength）国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（2）可靠性指标：强度（Indexes of Reliability: Strength） F=YKc/c1/2式中，式中，Y:无无量量纲纲常常数数，取取决决于于缺缺陷陷的的几几何何形形状状（不不是是尺尺寸寸 ） 、 应应 力力 场场 和和 试试 样样 的的

10、 几几 何何 形形 状状 （ a dimensionless constant dependent on the geometry (not size) of the flaw and the geometry of the stress field and the sample）;c:裂纹尺寸裂纹尺寸（the flaw size）;Kc:断裂韧性断裂韧性（the fracture toughness）。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学可靠性指标：强度 F=Y E/c(1- 2)1/2式中，式中， :断裂表面能断裂表面能（the fracture surface energy

11、）;E:杨氏模量杨氏模量（ the Youngs modulus）; :泊松比泊松比（ the Poisson ratio）。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学7.1.2 陶瓷的强度（Strength of Ceramic）7.1.2.1 改善陶瓷强度的两个途径7.1.2.2 改善断裂韧性Kc的方法国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学7.1.2.1 改善陶瓷强度的两个途径（Two ways to improve strength）下降裂纹长度下降裂纹长度（c ）固体内含有裂纹是材料微观结构的本征特性固体内含有裂纹是材料微观结构的本征特性（intrinsic fea

12、tures of microstructural ），因为材料中的微观夹杂、气孔和微裂纹等缺陷因为材料中的微观夹杂、气孔和微裂纹等缺陷都可能成为裂纹源都可能成为裂纹源; ;在材料结构服役期间，对表面裂纹如划伤、擦在材料结构服役期间，对表面裂纹如划伤、擦伤十分敏感伤十分敏感（sensitive to surface damage in service）国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学改善陶瓷强度的两个途径提高断裂韧性提高断裂韧性（K c ）主要是通过各种机制来增加裂纹的扩展阻主要是通过各种机制来增加裂纹的扩展阻力力（resistance to crack propagation

13、），从而消耗能量，达到提高从而消耗能量，达到提高K c的目的；的目的；通过选择增强体的种类、形态、数量、尺通过选择增强体的种类、形态、数量、尺寸和位向等各种结构因素来改善寸和位向等各种结构因素来改善K c。通过基体的相变效应来增加韧性。通过基体的相变效应来增加韧性。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学7.1.2.2 改善断裂韧性Kc的方法（Methods to improve Kc）(1) (1) 消耗能量机制消耗能量机制（Energy release mechanism）裂纹偏转或裂纹分叉裂纹偏转或裂纹分叉（crack deflection or branching)；裂纹被桥

14、联裂纹被桥联（crack bridging）；相变增韧相变增韧（phase transformation）。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学改善断裂韧性Kc的方法(1)消耗能量机制图7-1 纤维增强陶瓷基复合材料的裂纹偏转和桥联（Crack Deflection and Bridging of the Fiber Reinforced CMCs）国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学图7-2 纤维增强陶瓷基复合材料的增韧机制：纤维拔出、界面解离、裂纹桥联。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学改善断裂韧性Kc的方法(2)各种结构影响因素(2)(2)各种

15、结构影响因素各种结构影响因素（miscellaneous）组元的体积分数组元的体积分数；第二相的形态，即颗粒状、片状或纤维状第二相的形态，即颗粒状、片状或纤维状；第二相组元的尺寸，即直径、长度和长径第二相组元的尺寸，即直径、长度和长径比比；纤维轴相对于加载方向的取向纤维轴相对于加载方向的取向。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学改善断裂韧性Kc的方法（3）相变增韧（3 3）相变增韧）相变增韧（Phase Transformation）基体中裂纹尖端的应力场引起裂纹尖端附近的基体中裂纹尖端的应力场引起裂纹尖端附近的基体发生相变，亦称应力诱导相变，当相变造基体发生相变，亦称应力诱导相

16、变，当相变造成体积膨胀时，它会挤压裂纹使之闭合。从而成体积膨胀时，它会挤压裂纹使之闭合。从而改善断裂韧性。改善断裂韧性。氧化锆（氧化锆（ZrO2）具有相变增韧特点。具有相变增韧特点。相变增韧不是高温增韧机制。相变增韧不是高温增韧机制。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学7.1.3 陶瓷和玻璃陶瓷的晶体结构7.1.3.1 现代陶瓷的晶体结构7.1.3.2 玻璃相7.1.3.3 间隙相和固溶体国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学7.1.3.1 现代陶瓷的晶体结构(Crystal structure of Modern Ceramic)陶瓷的显微结构由结晶相和玻璃相组成，

17、其比陶瓷的显微结构由结晶相和玻璃相组成，其比例随品种而异。现代陶瓷晶体结构主要包括：例随品种而异。现代陶瓷晶体结构主要包括：简单立方结构简单立方结构密排立方结构密排立方结构密排六方结构密排六方结构 晶胞中的间隙有晶胞中的间隙有5 5种种：立方体间隙、八面：立方体间隙、八面体间隙、四面体间隙、三角形间隙和哑铃形间体间隙、四面体间隙、三角形间隙和哑铃形间隙。隙。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学图7-3 晶胞中的间隙形式国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学现代陶瓷的晶体结构（1）简单立方（1 1）简单立方）简单立方（simple cubic）氯化铯氯化铯（CsCl）结

18、构结构Cl-和和Cs+各自构成立方点阵，并相互占据对方的各自构成立方点阵，并相互占据对方的六面体（立方体）间隙。六面体（立方体）间隙。简单立方结构的陶瓷不常见。简单立方结构的陶瓷不常见。属于简单立方属于简单立方（CsCl型型）结构的陶瓷主要有：结构的陶瓷主要有：CsBr、CsI、CsCl、RbI（常压下不存在）。常压下不存在）。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学图7-4 CsCl型晶体结构国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学现代陶瓷的晶体结构（2）密排立方结构（2 2）密排立方）密排立方（Close packed cubic）结构结构密排立方密排立方结构包括：结构

19、包括：氯化钠型氯化钠型（NaCltype）闪锌矿（立方硫化锌）型闪锌矿（立方硫化锌）型(cubicZnS) type萤石（氟化钙）型萤石（氟化钙）型fluorite(CaF2)type逆萤石型逆萤石型（athwart fluorite type）尖晶石型尖晶石型spineles type(AB2O4) - -方石英型方石英型( - cristobalite type）国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学现代陶瓷的晶体结构（2）密排立方结构1）NaCl型的结构型的结构Cl-（半径大）呈面心立方点阵；半径大）呈面心立方点阵；Na+占据面心立方的八面体间隙。占据面心立方的八面体间隙。属

20、于属于NaCl型的结构陶瓷型的结构陶瓷主要有主要有：MgO、CaO、FeO、NiO、MnO、BaO、CdO、TiN、LaN、SiN、CrN、ZrN、TiC、NaCl。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学图7-5 密排立方结构（NaCl型结构）示意图国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学现代陶瓷的晶体结构（2）密排立方结构2）闪锌矿闪锌矿(ZnS)型结构型结构S-占据面心立方点阵的结点；占据面心立方点阵的结点；Zn2+占据面心立方四面体间隙占据面心立方四面体间隙（4/8）。）。属于属于AB型化合物。型化合物。属于闪锌矿属于闪锌矿(ZnS)型结构的陶瓷型结构的陶瓷主要有主

21、要有：CBN、CaAs、 -SiC、AlP、InSb、ZnS。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学图7-6 密堆立方结构闪锌矿(ZnS)型结构示意图国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学现代陶瓷的晶体结构（2）密排立方结构3）萤石（氟石）型萤石（氟石）型(CaF2)结构结构Ca2+ +（半径大）占据面心立方点阵的结点位置；（半径大）占据面心立方点阵的结点位置；F-占据面心立方全部四面体间隙占据面心立方全部四面体间隙（8/8）。）。属于萤石（氟石）型结构的陶瓷主要是阳离子原属于萤石（氟石）型结构的陶瓷主要是阳离子原子半径较大的氟石型晶体：如子半径较大的氟石型晶体：如Zr

22、O2、ThO2、CeO2、CaF2。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学图7-7 萤石（氟石）型(CaF2)结构Ca2+F-国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学现代陶瓷的晶体结构（2）密排立方结构4）逆萤石型结构）逆萤石型结构当阳离子半径小于阴离子时形成的萤石当阳离子半径小于阴离子时形成的萤石型结构。型结构。属于逆萤石型结构的陶瓷主要有属于逆萤石型结构的陶瓷主要有：Li2O、K2O、Na2O、Rb2O。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学现代陶瓷的晶体结构（2）密排立方结构5)5)尖晶石型尖晶石型（spineles type)结构结构直径大的直径大的O

23、2-占据面心立方的结点占据面心立方的结点；Mg2+占据面心立方四面体间隙占据面心立方四面体间隙（1/8）；）；Al3+占据面心立方的八面体间隙占据面心立方的八面体间隙（1/2）；）；在在8 8个相邻的立方体中，个相邻的立方体中，A、B块相间排列；块相间排列；在在A中，有两个中，有两个Mg2+，而而在在B中中没有没有Mg2+；在在A中中的的Al3+与与B B中中的的Al3+的的不重复，其位置相互错不重复，其位置相互错开。开。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学现代陶瓷的晶体结构（2）密排立方结构具有尖晶石型结构的陶瓷有具有尖晶石型结构的陶瓷有：MgAl2O4、MnAl2O4、FeA

24、l2O4等。等。缺位尖晶石：如缺位尖晶石：如 -Al2O3(Al2/3Al2O4)。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学A块B块图7-8 尖晶石(MgAl2O4)型晶体结构国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学现代陶瓷的晶体结构（2）密排立方结构6 6） - -方石英结构方石英结构直径小的直径小的Si4+占据面心立方的结点和占据面心立方的结点和4 4个个小立方体的中心；小立方体的中心；O2-在两个在两个Si4+中间。中间。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学图7-9 -方石英结构Si4+O2-国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学现代陶瓷的晶

25、体结构（2）密排立方结构图7-10 -方石英结构国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学现代陶瓷的晶体结构（3）密排六方结构（3 3）密排六方）密排六方（haxagonal close-packed）结构结构刚玉型刚玉型（Corundun type） -Al2O3纤锌矿（六方硫化锌）型纤锌矿（六方硫化锌）型(haxagonalZnS，简记为简记为h-ZnStype）砷化镍型砷化镍型nickel arsenid(NiAs) type国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学现代陶瓷的晶体结构（3）密排六方结构1 1）刚玉结构）刚玉结构O2-呈六方排列呈六方排列；Al3+占据八面

26、体间隙（占据八面体间隙（2/32/3）每一个每一个hcphcp晶晶胞中有胞中有4 4个个Al3+；A A、B B层由层由O2-组成组成，C1、C2和和C3层层Al3+，占占2/3。具有刚玉结构的陶瓷主要有具有刚玉结构的陶瓷主要有： -Al2O3、 -Fe2O3、Cr2O3、Ti2O3、V2O3、Ga2O3、Rh2O3、FeTiO3、LiSbO3。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学图7-11 密排六方结构（刚玉结构）示意图C1C2C3O2-Al3+国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学现代陶瓷的晶体结构（3）密排六方结构2）纤锌矿纤锌矿（h-ZnS)结构结构S2-呈密

27、排六方结构；呈密排六方结构；Zn2+占据密排六方结构的四面体间隙占据密排六方结构的四面体间隙（4/8）；）；具有纤锌矿结构的陶瓷主要有具有纤锌矿结构的陶瓷主要有：h-BN、h-ZnS、AlN、BeO、ZnO。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学图7-12 密排六方结构纤锌矿（h-ZnS)结构示意图S2-国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学现代陶瓷的晶体结构（3）密排六方结构3 3）砷化镍）砷化镍(NiAs)型结构型结构Ni2+占据密排六方晶格结构；占据密排六方晶格结构；将密排六方晶格看成重叠的两个六方棱柱，将密排六方晶格看成重叠的两个六方棱柱，As2-在上、下棱柱中

28、心层排布，但俯视时却不重在上、下棱柱中心层排布，但俯视时却不重叠。叠。具有具有砷化镍砷化镍型结构的陶瓷主要有型结构的陶瓷主要有：FeS、FeSe、CoSe、NiAs。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学图7-13 密排六方结构砷化镍(NiAs)型结构示意图国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学7.1.3.2 玻璃相玻璃相玻璃相(glass phase)的作用的作用 ：在在陶陶瓷瓷结结构构中中，结结晶晶相相占占95%98%，其其余为玻璃相。余为玻璃相。通通过过在在熔熔化化加加工工过过程程中中加加入入形形核核剂剂（通通常常是是TiO2和和ZrO2）并并控控制制结结晶晶，就

29、就能能获获得得晶粒直径小于晶粒直径小于1 m的细晶粒组织。的细晶粒组织。玻玻璃璃相相中中的的质质点点无无规规则则排排列列（近近程程有有序序），属于过冷液体。属于过冷液体。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学玻璃相玻璃相处于晶界，是影响陶瓷性能的重要玻璃相处于晶界，是影响陶瓷性能的重要显微组成。因此，提高晶界的结晶化程度显微组成。因此，提高晶界的结晶化程度非常重要。非常重要。提高晶界的结晶化程度、减少玻璃相的研提高晶界的结晶化程度、减少玻璃相的研究称为究称为晶界工程晶界工程(grain boundary engineering)。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学7

30、.1.3.3 间隙相和固溶体（Interstitial phase and solid solutions）固溶体很少间隙型，因为正常的间隙位置固溶体很少间隙型，因为正常的间隙位置已被溶质原子填满。已被溶质原子填满。引入溶质原子后，扰乱了电中性，只能由引入溶质原子后，扰乱了电中性，只能由空位来调节平衡电荷。如空位来调节平衡电荷。如FeO是是NaCl型型结构结构，Fe2+与与O2-离子数量相等，当由两离子数量相等，当由两个个Fe3+代替代替Fe2+时时，将形成一个铁离子空将形成一个铁离子空位。位。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学7.1.4 常用陶瓷基体材料7.1.4.1 氧化物

31、陶瓷7.1.4.2 氮化物陶瓷7.1.4.3 碳化物及碳陶瓷7.1.4.4 玻璃陶瓷及其他陶瓷国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学7.1 氧化物陶瓷（Oxide Ceramics） （1 1）氧化铝）氧化铝（Al2O3）陶瓷陶瓷(Alumina ceramic)以氧化铝为主要成分的陶瓷称为氧化铝陶以氧化铝为主要成分的陶瓷称为氧化铝陶瓷。瓷。根据主晶相不同，氧化铝陶瓷可分为：根据主晶相不同，氧化铝陶瓷可分为：刚玉瓷刚玉瓷刚玉刚玉莫来石瓷莫来石瓷莫来石瓷莫来石瓷国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学氧化物陶瓷1 1）刚玉瓷）刚玉瓷(Corundum)主晶相主晶相为为 -A

32、l2O3，稳定晶型，稳定晶型，六方晶系。六方晶系。性能：熔点性能：熔点2050，密度密度g/cm3， 低低， 高，导热性好，抗热震性高，抗击穿电高，导热性好，抗热震性高，抗击穿电压值高，绝缘性好，耐碱和氢氟酸（室压值高，绝缘性好，耐碱和氢氟酸（室温）。温）。高纯刚玉瓷牌号高纯刚玉瓷牌号99958575 99958575 （熔熔点降低方向）。点降低方向）。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学氧化物陶瓷2 2）刚玉）刚玉莫来石瓷莫来石瓷(Corundum-Mullite)主晶相为主晶相为 -Al2O3-3Al2O32SiO2,热膨胀系数热膨胀系数 =410-6/(20100)。3 3

33、）莫来石瓷）莫来石瓷(Mullite)主晶相为主晶相为3Al2O32SiO2,斜方晶系。斜方晶系。熔点熔点1810，密度密度3.23g/cm3,含适量粘土，含适量粘土，具有可塑性。具有可塑性。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学氧化物陶瓷氧化铝的性能氧化铝的性能：耐热、电绝缘、高硬度、：耐热、电绝缘、高硬度、化学稳定和低价格。化学稳定和低价格。氧化铝陶瓷的应用氧化铝陶瓷的应用：高温工程中用于高温：高温工程中用于高温管、板、模具、钠灯透明管、耐磨件（如管、板、模具、钠灯透明管、耐磨件（如导轮和喷嘴）、机械密封件和切削刀具。导轮和喷嘴）、机械密封件和切削刀具。国防科学技术大学航天与材

34、料工程学院高性能复合材料学在莫来石基在莫来石基质中分布的质中分布的柱状和粒状柱状和粒状刚玉，其间刚玉，其间少许少许Al2TiO5，几乎没有，几乎没有玻璃相。玻璃相。图7-14国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学氧化物陶瓷（2）氧化锆氧化锆（ZrO2）陶瓷陶瓷（Zirconia ceramic)以氧化锆以氧化锆（ZrO2）为主要成分的陶瓷称为主要成分的陶瓷称为氧化锆陶瓷。为氧化锆陶瓷。g/cmg/cm3 3, , 熔点为熔点为26802680。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学氧化物陶瓷ZrO2由熔点冷却结晶为由熔点冷却结晶为立方相立方相(c)，至，至2370转变为

35、转变为四方相四方相(t),再至再至1070存在存在四方相四方相单单斜斜相相(m)(m)转变，属于马氏体相变，并伴随有转变，属于马氏体相变，并伴随有3%3%4%4%体积膨胀，烧结时容易引起开裂。体积膨胀，烧结时容易引起开裂。因此常采用因此常采用CaO、MgO或或Y2O3作稳定剂，使氧作稳定剂，使氧化锆冷至室温仍全部或部分保持稳定的立方相，化锆冷至室温仍全部或部分保持稳定的立方相，称为稳定的称为稳定的ZrO2。如如Ca-PSZ,Y-PSZ,Mg-PSZ等。等。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学氧化物陶瓷全部稳定氧化锆全部稳定氧化锆(TZP)是指相组成由绝对零度至是指相组成由绝对零度

36、至凝固区域都为单相。但抗热震性差，在工程上凝固区域都为单相。但抗热震性差，在工程上较少使用。较少使用。部分稳定氧化锆部分稳定氧化锆(PSZ)是在立方相中加入适量的是在立方相中加入适量的合金元素（即稳定剂）后，还保留一部分可产合金元素（即稳定剂）后，还保留一部分可产生生tm相变的单斜相氧化锆，使其抗热震性得相变的单斜相氧化锆，使其抗热震性得到改善，成为一类重要的工程陶瓷。到改善，成为一类重要的工程陶瓷。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学氧化物陶瓷氧化锆具有高强度、高硬度和高的耐化学腐蚀氧化锆具有高强度、高硬度和高的耐化学腐蚀性；性；氧化锆的韧性在所有的陶瓷中是最高的。氧化锆的韧性

37、在所有的陶瓷中是最高的。应用其耐磨损性能，制作拉丝模、轴承、密封应用其耐磨损性能，制作拉丝模、轴承、密封件和替代人骨等；件和替代人骨等；在汽车发动机中作活塞顶、缸盖底板和汽缸内在汽车发动机中作活塞顶、缸盖底板和汽缸内衬。衬。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 氮化物陶瓷氮化物陶瓷主要是氮与过渡族金属（如氮化物陶瓷主要是氮与过渡族金属（如钛钒、铌、锆、钽和铪）的化合物。钛钒、铌、锆、钽和铪）的化合物。另一类是另一类是赛隆赛隆（sialon）(Si-Al-O-N)陶陶瓷，它在氮化硅中固溶进铝和氧，但仍瓷，它在氮化硅中固溶进铝和氧，但仍保持保持Si3N4结构的氮化物陶瓷。结构的氮化物

38、陶瓷。主要介绍氮化硅、氮化硼和氮化铝陶瓷主要介绍氮化硅、氮化硼和氮化铝陶瓷国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学氮化物陶瓷（1）氮化硅）氮化硅（Si3N4）陶瓷陶瓷(silicon nitride ceramic）氮化硅是共价键化合物，属六方晶系，氮化硅是共价键化合物，属六方晶系，具有具有 - -晶型和晶型和 - -晶型两种结构。其化学晶型两种结构。其化学成分和密度相同，均是六方体。成分和密度相同，均是六方体。不同的是：不同的是： - -型的型的c c轴大约是轴大约是 - -型的两倍。型的两倍。g/cmg/cm3 3。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学氮化物陶瓷由于

39、由于Si-N高度共价的化学键结合强度高，高度共价的化学键结合强度高，属属难烧结物质难烧结物质。根据制备方法不同将氮化硅陶瓷分为根据制备方法不同将氮化硅陶瓷分为反应反应烧结氮化硅陶瓷烧结氮化硅陶瓷和和热压烧结氮化硅陶瓷。热压烧结氮化硅陶瓷。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学1）反应烧结氮化硅（RBSN）反应烧结氮化硅反应烧结氮化硅(reaction sintering silicon nitride,RBSN)的制备的制备过程过程: :硅粉与氮化硅粉混合硅粉与氮化硅粉混合（mix powderSiand Si3N4）预成型预成型（pre-moulding）预氮化预氮化（pre-n

40、itridation ）(1200)二次氮化二次氮化（again nitridation ）(13501450)。得到得到-Si3N4和和 -Si3N4的的混合物混合物。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学反应烧结氮化硅（RBSN）氮化硅形成时伴随有氮化硅形成时伴随有21.7%的体积膨胀的体积膨胀（have volume expand with 21.7% during reaction )，与正常的烧结体积，与正常的烧结体积收缩收缩（volume shrinkage during sinter）几乎相互抵消，故称为不收缩烧几乎相互抵消，故称为不收缩烧结工艺结工艺。这种产品称为这

41、种产品称为无收缩氮化硅无收缩氮化硅（without shrinkageSi3N4）。）。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学反应烧结氮化硅（RBSN）反应烧结氮化硅也可通过硅粉氮化来制反应烧结氮化硅也可通过硅粉氮化来制备，氮化反应强烈放热。反应式为备，氮化反应强烈放热。反应式为3Si+2N2Si3N4RBSN的显微结构由针状的的显微结构由针状的-Si3N4、等、等轴状的轴状的 -Si3N4、游离硅、杂质和气孔、游离硅、杂质和气孔（15%30%）组成。）组成。 m1.0 m,后者尺寸为后者尺寸为50 m。大气孔的。大气孔的形成与杂质相有关。形成与杂质相有关。国防科学技术大学航天与材

42、料工程学院高性能复合材料学2）热压氮化硅（HPSN）热压氮化硅热压氮化硅(heat pressing silicon nitride,HPSN)是采用同时加温和单轴加压是采用同时加温和单轴加压的制造工艺制成的氮化硅陶瓷。加热方式为的制造工艺制成的氮化硅陶瓷。加热方式为感应加热，采用石墨模具。工艺过程为感应加热，采用石墨模具。工艺过程为粉末粉末Si3N4+1wt%MgO放入石墨坩埚放入石墨坩埚（graphite crucible） 烧结烧结（sintering）(16501850,1530MPa，14h)。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学热压氮化硅（HPSN）加入加入MgO的作

43、用的作用:MgO与与SiO2膜作用膜作用生成熔融硅酸镁生成熔融硅酸镁（melting silicon acid magnesium） 使氮化硅高度致密化使氮化硅高度致密化（high densification extent ），达到理论密度达到理论密度(academic density)的的99%。抗拉强度抗拉强度 =8001000MPa国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学热压氮化硅（HPSN）热压氮化硅只局限于制备形状简单的（如热压氮化硅只局限于制备形状简单的（如圆柱形）实体坯件。圆柱形）实体坯件。热压氮化硅制品必须经过机械加工才能达热压氮化硅制品必须经过机械加工才能达到要求的

44、形状和尺寸。到要求的形状和尺寸。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学3 3）赛隆）赛隆(sialon)选择一种组分能使添加剂溶入氮化硅晶格选择一种组分能使添加剂溶入氮化硅晶格形成单相固溶体，称为氮化硅的形成单相固溶体，称为氮化硅的“合金化合金化”。在加入氧化铝的热压氮化硅中，在加入氧化铝的热压氮化硅中， -Si3N4晶格中的晶格中的Si4+和和N3-可被可被Al3+和和O2-所取代。所取代。以以(Si,Al)(O,N)四面体为结构单元形成一四面体为结构单元形成一系列包括玻璃相和晶相的新材料。称为赛系列包括玻璃相和晶相的新材料。称为赛隆隆(sialon)。国防科学技术大学航天与材料

45、工程学院高性能复合材料学赛隆(sialon) -sialon单位晶胞的组成为单位晶胞的组成为MxSi12-(m+n)Slm+nOnN16-n其中，其中，x2;m和和n表明结构中取代的程度。表明结构中取代的程度。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷的性能特点：氮化硅陶瓷的性能特点： 10-6/K)高强度高强度（high strength）;高高弹性模量弹性模量（high elastic modulus）;耐磨耐磨（milling resistance）;耐耐腐蚀腐蚀（well corrosion resistance）;抗氧化抗氧化（well oxidation

46、 resistance），至至1200不发生氧化且强度不下降不发生氧化且强度不下降 。国防科学技术大学航天与材料工程学院国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（2 2）氮化硼陶瓷）氮化硼陶瓷以氮化硼以氮化硼(BN)为主要成分的陶瓷称为氮化为主要成分的陶瓷称为氮化硼陶瓷硼陶瓷(boron nitride ceramic)氮化硼是共价键化合物，有立方和六方两氮化硼是共价键化合物，有立方和六方两种晶型结构。种晶型结构。六方晶系六方晶系BN具有类似石墨的层状结构。具有类似石墨的层状结构。有润滑性且硬度低，故称有润滑性且硬度低，故称“白石墨白石墨”；立方晶系立方晶系BN与金刚石硬度相近，但比

47、金与金刚石硬度相近，但比金刚石更耐高温和更抗氧化。刚石更耐高温和更抗氧化。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学氮化硼陶瓷常用的六方常用的六方BN陶瓷用高温热压法制备。陶瓷用高温热压法制备。通过不同的原料和添加剂可以调节通过不同的原料和添加剂可以调节BN陶陶的性能。的性能。适合于在适合于在900以下的氧化气氛中和在以下的氧化气氛中和在2800以下的氮气和惰性气氛中使用。以下的氮气和惰性气氛中使用。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学氮化硼陶瓷BN陶瓷的性能陶瓷的性能:莫氏硬度为莫氏硬度为2；升华分解温度为升华分解温度为3000；g/cm3；强度和模量均较低；强度和模量

48、均较低；热膨胀系数低（约热膨胀系数低（约6 10-6/K），热稳定性好；），热稳定性好；耐酸、碱、金属、砷化镓和玻璃熔渣侵蚀；耐酸、碱、金属、砷化镓和玻璃熔渣侵蚀；对大多数金属和玻璃熔体不反应。对大多数金属和玻璃熔体不反应。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（3）氮化铝陶瓷以氮化铝以氮化铝(AlN)为主要成分的陶瓷称为氮化铝陶为主要成分的陶瓷称为氮化铝陶瓷瓷(aluminum nitride ceramic)。AlN属于六方晶系纤锌矿结构，其属于六方晶系纤锌矿结构，其N原子为六方原子为六方密堆结构，面密堆结构，面Al原子占据原子占据1/2四面体间隙位置。四面体间隙位置。制备氮化

49、铝陶瓷的方法是以氮化铝粉为原料，加制备氮化铝陶瓷的方法是以氮化铝粉为原料，加入入CaO、和、和Y2O3和稀土氧化物作为添加剂，干压和稀土氧化物作为添加剂，干压成型或流延成型成为薄片后再冲压，最后在氮气成型或流延成型成为薄片后再冲压，最后在氮气中、中、16501900烧结。烧结。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学氮化铝陶瓷氮化铝陶瓷的性能：氮化铝陶瓷的性能：熔点熔点2400；升华温度为；升华温度为2450；g/cm3;36.09) 10-6/K;wt%Y2O3添加剂时，热导率可到添加剂时，热导率可到160w/(mK);能耐能耐2200至至20的急冷急热；的急冷急热；耐熔融铝、砷化

50、镓侵蚀。耐熔融铝、砷化镓侵蚀。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学7.1.4.3 碳化物及碳陶瓷碳化物碳化物陶瓷是硅、钛及其他过渡族金属碳陶瓷是硅、钛及其他过渡族金属碳化物的总称（如碳化硅、碳化锆、碳化铬、化物的总称（如碳化硅、碳化锆、碳化铬、碳化钨、碳化钛和碳）。碳化钨、碳化钛和碳）。碳碳也是陶瓷基复合材料的一类重要基体材也是陶瓷基复合材料的一类重要基体材料。料。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学碳化物及碳陶瓷（1）碳化硅陶瓷 （1）碳化硅陶瓷 以碳化硅（SiC）为主要成分的陶瓷称为碳化硅陶瓷(silicon carbide ceramic）。SiC有-、-两种

51、晶型。 - SiC为高温型，六方纤锌矿结构；- SiC为低温型，立方结构。Si-C键属于典型的共价键结合。g/cm3。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷的制造方法主要有反应烧结、碳化硅陶瓷的制造方法主要有反应烧结、常压烧结、液相烧结和热等静压烧结。常压烧结、液相烧结和热等静压烧结。利用化学气相沉积和高温自蔓延燃烧合成利用化学气相沉积和高温自蔓延燃烧合成以及有机先驱体高温热解转化法也可以形以及有机先驱体高温热解转化法也可以形成碳化硅陶瓷。成碳化硅陶瓷。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷的特点：碳化硅陶瓷的特点：高硬度高硬度（

52、highhardness）;优异的抗氧化性优异的抗氧化性（skyscraping oxidation resistance），强度保持到，强度保持到1600;良好的耐腐蚀性良好的耐腐蚀性（well corrosion resistance）;热膨胀系数低热膨胀系数低（ -SiC为为 10-6/K, -SiC为为 10-6/K）；）；国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学碳化硅陶瓷的特点最佳的力学性能最佳的力学性能（optimal mechanics performance）;导电和导热性导电和导热性（Conductivity and conductance heat）；抗磨损性高，

53、摩擦系数低。抗磨损性高，摩擦系数低。碳化硅陶瓷的碳化硅陶瓷的缺点缺点：在高温和所有环境下在高温和所有环境下都很脆都很脆（high brittleness at high temperature and any environment）国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学碳化物及碳陶瓷（2）碳化锆陶瓷（2 2）碳化锆）碳化锆陶瓷陶瓷以碳化锆以碳化锆(ZrC)为主晶相的陶瓷称为碳化为主晶相的陶瓷称为碳化锆陶瓷锆陶瓷(zirconium carbide ceramic)。ZrC属面心立方晶格，熔点属面心立方晶格，熔点3530，密度密度为为g/cm3,热膨胀系数为热膨胀系数为 10-6/

54、K,弹性模量弹性模量为为GPa,开始强烈氧化温度为开始强烈氧化温度为11001400。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学碳化锆陶瓷碳化锆陶瓷的制造：碳化锆陶瓷的制造：以碳还原氧化锆以碳还原氧化锆(ZrO2）制得）制得ZrC粉末；粉末；再将粉末预成型体高温烧结得到再将粉末预成型体高温烧结得到ZrC陶瓷。陶瓷。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学碳化物及碳陶瓷（3）碳化铬陶瓷（3 3）碳化铬）碳化铬陶瓷陶瓷以碳化铬以碳化铬(Cr3C2)为主晶相的陶瓷称为碳化铬陶为主晶相的陶瓷称为碳化铬陶瓷瓷(chromium carbide ceramic)碳化铬属斜方晶系（菱面体）

55、，熔点为碳化铬属斜方晶系（菱面体），熔点为1895，密度为密度为g/cm3,热膨胀系数较高热膨胀系数较高 10-6/K),高温高温抗氧化性好（在空气中抗氧化性好（在空气中1100/4h强度不降），强度不降），弹性模量高弹性模量高(380GPa)。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学碳化铬陶瓷碳化铬陶瓷的制造：碳化铬陶瓷的制造：用碳化铬用碳化铬(Cr2O3)和炭黑在惰性或还原气和炭黑在惰性或还原气氛中氛中合成碳化铬粉末合成碳化铬粉末；再将碳化铬粉末的预成型体进行再将碳化铬粉末的预成型体进行高温烧结高温烧结得到碳化铬陶瓷。得到碳化铬陶瓷。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材

56、料学碳化物及碳陶瓷（4）碳化钨陶瓷(4)(4)碳化钨碳化钨陶瓷陶瓷以碳化钨以碳化钨（WC）为主晶相的陶瓷称为碳化钨陶为主晶相的陶瓷称为碳化钨陶瓷瓷(tungsten carbide ceramic)碳化钨属六方晶系，熔点为碳化钨属六方晶系，熔点为2720，密度大密度大g/cm3)，热膨胀系数小热膨胀系数小 10-6/K)，弹性模量低弹性模量低(69GPa),抗氧化性能较差。抗氧化性能较差。WC粉末采用钨酐粉末采用钨酐(WO3)还原碳化法制备。还原碳化法制备。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学碳化物及碳陶瓷（5）碳化钛陶瓷（5 5）碳化钛）碳化钛(TiC)陶瓷陶瓷碳化钛属于面心立

57、方结构碳化钛属于面心立方结构(NaCl型型)碳化钛的熔点为碳化钛的熔点为3160g/cm3弹性模量为弹性模量为322GPa。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学碳化钛陶瓷TiC粉末用粉末用氧化钛氧化钛(TiO2)与与炭黑炭黑在惰性或在惰性或还原性气氛中合成。还原性气氛中合成。碳化钛陶瓷是碳化钛陶瓷是超硬工具材料超硬工具材料，也可与，也可与TiN、WC或或Al2O3混合制成各类复合陶瓷工具、混合制成各类复合陶瓷工具、刀具和模具材料。刀具和模具材料。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学7.1.4.4 玻璃陶瓷和其他陶瓷（1）玻璃和玻璃陶瓷（2）其他陶瓷基体国防科学技术大

58、学航天与材料工程学院高性能复合材料学（1）玻璃和玻璃陶瓷1 1）高硅氧玻璃高硅氧玻璃高硅氧玻璃含高硅氧玻璃含SiO2在在96%左右，具有类似左右，具有类似石英玻璃的性质，耐高温，热膨胀系数低，石英玻璃的性质，耐高温，热膨胀系数低，化学稳定性好，能透过紫外线。化学稳定性好，能透过紫外线。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学玻璃和玻璃陶瓷2 2）硼硅玻璃）硼硅玻璃(Borosilicate glass)陶瓷陶瓷硼硅玻璃硼硅玻璃陶瓷包括：陶瓷包括：含碱金属氧化物的硼硅酸盐玻璃含碱金属氧化物的硼硅酸盐玻璃(R2O-B2O5-SiO2)不含碱金属氧化物的高硼低硅硼硅酸盐玻璃不含碱金属氧化物

59、的高硼低硅硼硅酸盐玻璃(RO-B2O5-SiO2)冕牌与钡冕牌无色光学玻璃冕牌与钡冕牌无色光学玻璃（简称（简称K玻璃）玻璃）重冕牌玻璃重冕牌玻璃国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学玻璃和玻璃陶瓷3 3）铝硅玻璃）铝硅玻璃(Aluminum-silicate glass)陶瓷陶瓷铝硅玻璃即铝硅玻璃即RO-Al2O3-SiO2铝硅玻璃的性能：铝硅玻璃的性能：热膨胀系数低热膨胀系数低:(3060) 10-7/K耐水性好耐水性好耐热性优于其他玻璃耐热性优于其他玻璃国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学图7-15 石英玻璃和石英晶体结构示意图国防科学技术大学航天与材料工程学院高

60、性能复合材料学图7-16 钠硅酸盐玻璃结构示意图国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学玻璃和玻璃陶瓷4 4）铝锂硅酸盐玻璃）铝锂硅酸盐玻璃陶瓷陶瓷(Lithium-Alumino-Silicate glass ceramic)以氧化锂、氧化铝和氧化硅以氧化锂、氧化铝和氧化硅(Li2O-Al2O3-SiO2)为基础成分的微晶玻璃称为铝锂硅微晶为基础成分的微晶玻璃称为铝锂硅微晶玻璃或铝锂硅酸盐玻璃陶瓷（简记为玻璃或铝锂硅酸盐玻璃陶瓷（简记为LAS）。商品名商品名为为麻粒瓷麻粒瓷（corning）LAS玻璃陶瓷的玻璃陶瓷的特性特性：lower (10 10-7120 10-7/K)优秀的

61、抗冲击性能优秀的抗冲击性能（excellent impact resistance）。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学玻璃和玻璃陶瓷5 5）镁铝硅酸盐玻璃）镁铝硅酸盐玻璃陶瓷陶瓷（Magnesium-Alumino-Silicate glass ceramic)以以氧化镁、氧化铝和氧化硅氧化镁、氧化铝和氧化硅(MgO-Al2O3-SiO2)为为基础成分的微晶玻璃基础成分的微晶玻璃 称为镁铝硅微晶玻璃或镁铝称为镁铝硅微晶玻璃或镁铝硅酸盐玻璃陶瓷（简记为硅酸盐玻璃陶瓷（简记为MAS）。MAS玻璃陶瓷玻璃陶瓷的特性的特性：高频绝缘性优异高频绝缘性优异(excellent insul

62、ated nature at highfrequency);优异的力学性能优异的力学性能(excellent mechanics performance)。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（2 2）其他陶瓷基体）其他陶瓷基体1）硼化物陶瓷）硼化物陶瓷2）硅化物陶瓷）硅化物陶瓷国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学1）硼化物陶瓷常见的硼化物陶瓷(boride ceramic)有：TiB2(Titanium diboride )ZrB2、HfB2和LaB6等。它们具有金属的外观和性质，有高的电导和正的电阻温度系数。硼化物致密化的方法有常压烧结、热压、活性烧结和液相热压

63、烧结。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学硼化物陶瓷硼化物陶瓷的特性：硼化物陶瓷的特性：高熔点高熔点(20003500)（higher melting point）;高硬度高硬度（ high hardeness）;难挥发难挥发（ hardly possible volatilization);高导热性高导热性（ higher conductance heat）;高的强度稳定性高的强度稳定性（ higher strength stability）;国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学硼化物陶瓷比碳化物好的抗氧化性比碳化物好的抗氧化性（better oxidation

64、resistance than the carbide）;正的电阻温度系数正的电阻温度系数（plus resistance temperature coefficient）;比纯金属更好的导电性比纯金属更好的导电性（ have appearance and character of metal）。硼化物陶瓷的缺点硼化物陶瓷的缺点：celerity oxidation hyper13501500。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学2）硅化物陶瓷硅化物陶瓷硅化物陶瓷(silicide ceramic)包括：包括：MoSi2、TaSi2和和NbSi2等。等。MoSi2为六方晶系，熔点

65、为为六方晶系，熔点为2030，密度为密度为g/cm3,热膨胀系数为热膨胀系数为 10-6/K,弹性模量为弹性模量为421GPa。硅化物陶瓷具有金属特性，硅化物陶瓷具有金属特性，具有具有良好的抗腐蚀良好的抗腐蚀性、性、优良的高温抗氧化性优良的高温抗氧化性和热稳定性。和热稳定性。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学表7-3 某些陶瓷基体材料的晶体结构与性能陶瓷基体 晶体结构 熔点（） 密度（g/cm3） （10-6/K）ZrO2 t-ZrO2m-ZrO2 2175 Al2O3 MgO SiC TiC 面心立方（NaClB4C Si3N4 AlN 六方（ZnS国防科学技术大学航天与材料

66、工程学院高性能复合材料学Matrix materials Youngs Tensile Coefficient Density modulus strength of thermal (GPa) -3) (10-6K-1)Borosilicate glass 60 100 Soda glass 60 100 MAS glass ceramic 120 110-170 Mullite 143 83 5.3 -MgO 210-300 97-130 Si3N4Al2O3 360-400 250-300 8.5 SiC 400-440 310 表7-4 典型陶瓷基体材料的特性国防科学技术大学航天与材料

67、工程学院高性能复合材料学7.2 高性能陶瓷基复合材料7.2.1 高性能陶瓷基复合材料的制造和性能7.2.2 高性能陶瓷基复合材料的结构与性能7.2.3 高性能陶瓷基复合材料的界面7.2.4 高性能陶瓷基复合材料的应用国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学高性能陶瓷基复合材料概述为什么要发展高性能为什么要发展高性能陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料（High Performance Ceramic Matrix Composites )？航空与航天飞行器的需求航空与航天飞行器的需求（Requirements of aeronautic and space devices）: 高温高温（hi

68、gh temperature）高效率高效率（high efficiency）重量轻重量轻（light weight）国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学为什么要发展高性能陶瓷基复合材料 发动机（飞机和汽车）的要求发动机（飞机和汽车）的要求（engines (plane and car)）:较高的运转温度较高的运转温度（ higher working temperature）无需冷却的装置无需冷却的装置（no extra cooling devices）国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学图图7-17 使用温度随年代的增长使用温度随年代的增长1100陶瓷金属间化合物国

69、防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学图图7-18材料的比强度与温度的关系材料的比强度与温度的关系国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学7.2.1 高性能陶瓷基复合材料的制造和性能7.2.1.1 7.2.1.1 连续纤维增强陶瓷基复合材料连续纤维增强陶瓷基复合材料的制造工的制造工艺和性能艺和性能7.2.1.2 7.2.1.2 晶须（含颗粒）增强陶瓷基复合材料的晶须（含颗粒）增强陶瓷基复合材料的制造工艺和性能制造工艺和性能7.2.1.3 7.2.1.3 纳米复合材料制造工艺和性能纳米复合材料制造工艺和性能7.2.1.4 7.2.1.4 碳碳/ /碳复合材料工艺、性能及应用碳

70、复合材料工艺、性能及应用7.2.1.5 7.2.1.5 碳碳/ /碳化硅复合材料工艺、性能及应用碳化硅复合材料工艺、性能及应用国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学7.2.1.1 连续纤维增强陶瓷基复合材料的制造工艺连续纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法（ Processing Methods of Continuous fiber reinforced CMCs）主要包括：料浆浸渍热压烧结法化学气相渗透法（CVI法）有机先驱体热解法熔融浸渗法直接氧化沉积法反应烧结法国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学连续纤维增强陶瓷基复合材料的制造工艺的特色有效地改善了陶瓷的韧性有效

71、地改善了陶瓷的韧性(effectiveness to improveKc for ceramic)对对纤维及其预制件形状的适应性强纤维及其预制件形状的适应性强（shape versability ）如如单向单向(unidirectional ）、）、席（席（mat）、）、2D2D织物（布）（织物（布）（2D weave cloth） 、3D3D预制件（预制件（3D preform)工艺要求：不损伤纤维工艺要求：不损伤纤维 (no damage to fibers)）国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学连续纤维增强陶瓷基复合材料的制造工艺(1)(1)料浆浸渍料浆浸渍热压烧结法热压烧

72、结法让纤维通过料浆（或泥浆）容器浸让纤维通过料浆（或泥浆）容器浸透后缠绕在卷筒上，烘干，切断，得到纤透后缠绕在卷筒上，烘干，切断，得到纤维无纬布。将其按所需规格裁剪成条带，维无纬布。将其按所需规格裁剪成条带，在模具中叠排，合模后加压加温，经高温在模具中叠排，合模后加压加温，经高温去胶和烧结得到陶瓷基复合材料。去胶和烧结得到陶瓷基复合材料。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(1)料浆浸渍热压烧结法 国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(1)料浆浸渍热压烧结法料浆的组成：料浆的组成：陶瓷陶瓷基体超细粉末基体超细粉末、载液载液（通常是蒸馏水）和（通常是蒸馏水）和有机粘接

73、剂有机粘接剂，有时还，有时还加入某些加入某些促进剂促进剂和和基体润湿剂基体润湿剂。料浆中的陶瓷粉体粒径应小于纤维直径并料浆中的陶瓷粉体粒径应小于纤维直径并能悬浮于料浆中；纤维应选用容易分散的、能悬浮于料浆中；纤维应选用容易分散的、捻数低的束丝。捻数低的束丝。热压烧结过程中往往没有直接发生化学反热压烧结过程中往往没有直接发生化学反应，而依靠系统表面能减少来驱动，使疏应，而依靠系统表面能减少来驱动，使疏松粉体熔接达到致密化。松粉体熔接达到致密化。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(1)料浆浸渍热压烧结法料浆浸渍料浆浸渍热压烧结工艺的特点热压烧结工艺的特点：比常压烧结的烧结温度低，且

74、烧结时间短；所比常压烧结的烧结温度低，且烧结时间短；所得制品致密度高，接近理论值。得制品致密度高，接近理论值。缺点：缺点：生产效率较低，只适应于单件和小规模生生产效率较低，只适应于单件和小规模生产，工艺成本较高；垂直于加压方向的性能与产，工艺成本较高；垂直于加压方向的性能与平行于加压方向的性能有显著差别；纤维与基平行于加压方向的性能有显著差别；纤维与基体的比例较难控制，成品中纤维分布不易均匀。体的比例较难控制，成品中纤维分布不易均匀。主要应用于纤维单向或双向增强复合材料的制主要应用于纤维单向或双向增强复合材料的制造。造。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（2）化学气相渗透法（C

75、VI法）1）概述）概述化学气相渗透法化学气相渗透法（ chemical vapor infiltration，简记为简记为CVI）工艺：工艺：A)将纤维预制件置于底部及四周处于冷态将纤维预制件置于底部及四周处于冷态而顶部处于热区的石墨坩埚的底部，预制而顶部处于热区的石墨坩埚的底部，预制件的上部与下部即造成很陡的温差。件的上部与下部即造成很陡的温差。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（2）化学气相渗透法（CVI法）B)从坩埚底部中心通入反应物气体（即源从坩埚底部中心通入反应物气体（即源气），源气通过预制件自下而上渗透，到气），源气通过预制件自下而上渗透，到达上部的高温区发生反应，

76、生成陶瓷基体达上部的高温区发生反应，生成陶瓷基体成分的反应产物，沉积在预制件的上部，成分的反应产物，沉积在预制件的上部，在纤维周围凝聚后形成基体，预制件的上在纤维周围凝聚后形成基体，预制件的上部成为纤维增强陶瓷基复合材料。部成为纤维增强陶瓷基复合材料。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（2）化学气相渗透法（CVI法）C)由于上部的热传导增加，使热区下移。且由于剩余的源气从阀门排出，与进气口造成压差，所以源气仍继续由下而上地渗透纤维预制件，此时源气到达尚未沉积区即发生反应、凝聚。最终使所有未沉积区均成为纤维增强陶瓷基复合材料。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学化学

77、气相渗透法工艺原理图图7-20化学气相渗透法工艺原理示意图化学气相渗透法工艺原理示意图国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学化学气相渗透法化学气相渗透法的特点化学气相渗透法的特点（Features）低温工艺低温工艺（low temperatures process)：典型典型的的CVI温度为温度为9001100 。其优点是脆性的陶瓷其优点是脆性的陶瓷纤维在工艺过程中不受损伤纤维在工艺过程中不受损伤（the brittle ceramic fibers undamaged during processing）；）；近净成近净成形形（near net shape forming）:从从

78、纤维纤维预制件经过预制件经过CVI工艺成型复合材料后，预制件的工艺成型复合材料后，预制件的形状和尺寸几乎不变化。；形状和尺寸几乎不变化。；国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学化学气相渗透法的特点（Features）无外无外压压（no external pressure）:预制预制件中事先排列好的纤维，在件中事先排列好的纤维，在CVI后保持取后保持取向不变向不变（the pre-arranged preform remains orientations）；）；先驱体是气态先驱体是气态（gaseous precursors）：便于利用便于利用（readily available）；）

79、；国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学化学气相渗透法的特点（Features）适合于制造化学成分简单适合于制造化学成分简单（simple chemical compositions）的陶瓷基复的陶瓷基复合材料合材料；制品的孔隙率较高达制品的孔隙率较高达(1015%)：可用其可用其他一些气态或液态工艺技术进行弥补。他一些气态或液态工艺技术进行弥补。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学化学气相渗透法的特点（Features）目前，只有碳化硅基的复合材料能以化学目前，只有碳化硅基的复合材料能以化学气相沉积技术进行工业规模生产气相沉积技术进行工业规模生产（only SiC

80、matrix CVI composites are currently produced on an industrial scale），），用于航空和航天领域用于航空和航天领域(aeronautic and space fields)。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学例1 SiC matrix CVI compositesSiC基基CVI复合材料的增强体复合材料的增强体一般使用一般使用碳化硅纤维碳化硅纤维（Nicalon fiber）,其沉积温度低其沉积温度低（12001400)。使用使用碳纤维碳纤维（carbon fibers ）可获得具可获得具有良好的热性能和力学性能有

81、良好的热性能和力学性能(thermal and mechanical best），但抗氧化性较差但抗氧化性较差（ oxidative, bad)。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学例1 SiC matrix CVI composites连续纤维的预制件连续纤维的预制件（Continuous fiber preforms）1D*-preformsVf 横向性能差横向性能差（weak in a transverse direction）致密化困难致密化困难（difficult to be denified by CVI）nD* preforms:Vf=4050%;国防科学技术大学航

82、天与材料工程学院高性能复合材料学图7-21 碳纤维束丝三向编织实物国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学图图7-22CVI法制备陶瓷基复合材料的工艺法制备陶瓷基复合材料的工艺国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学2) 2) 等温等压等温等压CVI工艺工艺(ICVI)CVI工艺工艺:在基质孔隙内发生沉积（即在在基质孔隙内发生沉积（即在深度上沉积和渗透）深度上沉积和渗透）occurs within the pore network of the substrate (in depth deposition or infiltration)CVD工艺工艺:在基质表面发生（即表

83、面沉在基质表面发生（即表面沉积或涂层）积或涂层）occurs on the external surface of the substrate (surface deposition or coating)国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学2) 等温等压CVI工艺(ICVI)ICVI工艺工艺：等温等压等温等压CVI工艺工艺（The isothermal/isobaric process ,简记为简记为ICVI):在基质内无温度梯度在基质内无温度梯度（no temperature gradient in the substrate）无压力梯度（仅通过扩散沿着孔隙内进行反应无压力梯

84、度（仅通过扩散沿着孔隙内进行反应气体和产物的质量传递气体和产物的质量传递no pressure gradient (mass transfers (of both gaseous reactants and products) along the pore network only by diffusion)国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学2) 等温等压CVI工艺(ICVI)ICVI的浸渗机理的浸渗机理（Infiltration mechanism）：）：CH3SiCl3(g)+H2SiC(s)+3HCl(g)X=ksrp / De式中：式中：X为为CVI无量纲量无量纲量（

85、dimensionless number）；2rp为为孔隙直径孔隙直径（ pore diameter）；ks为为反应动力学常数反应动力学常数（reaction kinetic constant）；De为扩散系数为扩散系数（diffusion coefficient）国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学2) 等温等压CVI工艺(ICVI)假设：假设：2rp 100 m,ks=k0 exp(-Q/RT)；1/De=1/DF+1/DK其中，其中，DF为菲克扩散系数为菲克扩散系数（the Fick diffusion coefficient）, DF=D0TmP-1 m2GPa；结构用：

86、结构用：在在10000小时内的持久强度小时内的持久强度1GPa；GPa应力下，蠕变应力下，蠕变c1%。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学先驱体转化法制备陶瓷纤维纤维还应具备纤维还应具备直径小、强度和模量高、高直径小、强度和模量高、高温抗蠕变性能强、温抗蠕变性能强、在氧化性或其他有害气在氧化性或其他有害气氛中具有较高的氛中具有较高的化学稳定性和强度保留率化学稳定性和强度保留率等特点。等特点。主要有主要有碳纤维碳纤维、SiC纤维、纤维、Si3N4纤维、纤维、BN纤维、纤维、Al2O3纤维纤维等等。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学先驱体转化法制备陶瓷纤维的特点先驱体

87、转化法制备陶瓷纤维的特点可控制纤维的纯度可控制纤维的纯度可控制纤维的形态（无定型、结晶态，并可控制纤维的形态（无定型、结晶态，并可控制晶粒尺寸）可控制晶粒尺寸）可制备连续、直径较小的纤维可制备连续、直径较小的纤维(30m)所制得的纤维可编性好所制得的纤维可编性好可在较低的温度下（可在较低的温度下（1250）b.降低纤维中的氧含量及控制降低纤维中的氧含量及控制-SiC晶粒粗化，晶粒粗化，c.提高提高SiC纤维的抗拉模量和耐高温性大于纤维的抗拉模量和耐高温性大于1500。先驱体转化法制备陶瓷纤维国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学改善改善SiC纤维耐高温性的办法：纤维耐高温性的办法：

88、合成近似最终陶瓷组成的先驱体，合成近似最终陶瓷组成的先驱体，避免或尽量减少有害杂质尤其是氧。避免或尽量减少有害杂质尤其是氧。在纤维中引入其它元素，抑制高温在纤维中引入其它元素，抑制高温下晶粒的长大。下晶粒的长大。先驱体转化法制备陶瓷纤维国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学陶瓷基复合材料（Creamic Matrix Composites, CMCs）研究背景：耐高温抗氧化轻质量脆性4 4）先驱体方法制备陶瓷基复合材料）先驱体方法制备陶瓷基复合材料国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学提高陶瓷材料韧性的办法提高陶瓷材料韧性的办法颗粒增韧晶须增韧纤维增韧短切纤维连续纤维纤

89、维编织物国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学连续纤维增强陶瓷基复合材料连续纤维增强陶瓷基复合材料主要特点：主要特点：高强度、高模量纤维能承担大部分外载荷，同时高强度、高模量纤维能承担大部分外载荷，同时保持了保持了基体材料基体材料耐高温、低膨胀、热稳定性好、耐高温、低膨胀、热稳定性好、强度高的优点；强度高的优点；当材料受载、裂纹扩展时，高模量、高强度纤维当材料受载、裂纹扩展时，高模量、高强度纤维能够通过前述的各种机制吸收应变能，防止材料能够通过前述的各种机制吸收应变能，防止材料发生灾难性破坏。发生灾难性破坏。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学SiC、 Si3N4陶瓷

90、基体SiC陶瓷：具有优良的耐高温性能，在陶瓷：具有优良的耐高温性能，在1atm下下283040分解，还具有低的分解，还具有低的热膨胀系数和较好的抗热震性能、较高的热膨胀系数和较好的抗热震性能、较高的弯曲强度和弹性模量等特点；弯曲强度和弹性模量等特点；Si3N4陶瓷：热稳定性好，分解温度约为陶瓷：热稳定性好，分解温度约为1900，具有一系列优良的物理特性。，具有一系列优良的物理特性。这两者是热结构陶瓷研究中最有发展前途这两者是热结构陶瓷研究中最有发展前途的材料。的材料。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学连续纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法主要有两种 ：化学气相渗透（CVI）法有机

91、先驱体转化法国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学制备方法比较制备方法比较共同点：都是以有机物裂解制备陶瓷。不同点：不同点：CVI法采用小分子有机物如法采用小分子有机物如CH3SiCl3、(CH3)2SiCH3等为先驱体裂解制备陶瓷的方法；等为先驱体裂解制备陶瓷的方法；有机先驱体转化法有机先驱体转化法是以高分子有机物如聚碳硅是以高分子有机物如聚碳硅烷烷(PCS)、聚硅氮烷、聚硅氮烷(PSZ)作为先驱体裂解制备作为先驱体裂解制备陶瓷的方法。是陶瓷的方法。是近年来发展起来的一种制备陶近年来发展起来的一种制备陶瓷基复合材料的新工艺。瓷基复合材料的新工艺。国防科学技术大学航天与材料工程学院

92、高性能复合材料学有机先驱体转化法有机先驱体转化法工艺过程：工艺过程：以以纤纤维维预预制制件件为为骨骨架架，真真空空排排除除预预制制件件中中的的空空气气，采采用用溶溶液液或或熔熔融融的的聚聚合合物物先先驱驱体体浸浸渍渍，在在惰惰性性气气体体保保护护下下进进行行交交联联固固化化( (或或晾晾干干) )，然然后后在在惰惰性性气气氛氛中中进进行行高高温温裂裂解解，重重复复浸浸渍渍( (交联交联) )裂解过程，使材料致密化。裂解过程，使材料致密化。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学图7-38 PIP工艺制备3D-B Cf/SiC CMC的工艺路线浸渍浸渍裂解裂解复合材料复合材料重复多次重

93、复多次三维织物三维织物国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学PIP工艺的特点工艺的特点在基体方面：可通过有机先驱体在基体方面：可通过有机先驱体分子设计分子设计和工和工艺来控制组成和结构；艺来控制组成和结构；在工艺方面：可沿用纤维增强聚合物基复合材在工艺方面：可沿用纤维增强聚合物基复合材料料(FRPMC)和碳和碳/碳碳(C/C)复合材料的成型方法制复合材料的成型方法制备纤维增强陶瓷基复合材料备纤维增强陶瓷基复合材料(FRCMC)的坯体或预的坯体或预成型体，并可在预成型体中加入填料或添加剂成型体，并可在预成型体中加入填料或添加剂制备制备多相组分多相组分的陶瓷基复合材料；的陶瓷基复合材料

94、；聚合物浸渍裂解法（Polymer Infiltration Pyrolysis ，简记为PIP）的特点: 国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学PIP工艺的特点可在可在常压和较低的温度下烧成常压和较低的温度下烧成。如由聚。如由聚碳硅烷碳硅烷(PCS)转化为转化为SiC时，在时，在850左右左右就可完成陶瓷化；就可完成陶瓷化；能够制备得到能够制备得到形状比较复杂形状比较复杂的构件，且的构件，且可对中间体进行机械加工，得到精确尺可对中间体进行机械加工，得到精确尺寸的构件寸的构件(Near-Net-Shape)。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学PIP工艺的特点工艺的特

95、点陶瓷化过程中不需添加烧结助剂，避免陶瓷化过程中不需添加烧结助剂，避免因内部成分显微结构不均匀而导致强度数因内部成分显微结构不均匀而导致强度数据分散和可靠性不高；据分散和可靠性不高；便于基体与纤维的复合和分散。常规方便于基体与纤维的复合和分散。常规方法难于实现纤维特别是其编织物与陶瓷基法难于实现纤维特别是其编织物与陶瓷基体的复合和分散，先驱体法能有效地实现体的复合和分散，先驱体法能有效地实现这一过程。这一过程。所需设备简单、工艺简便、制造成本低。所需设备简单、工艺简便、制造成本低。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学表表7-6PIP工艺复合材料的性能工艺复合材料的性能国防科学技术

96、大学航天与材料工程学院高性能复合材料学制备陶瓷基体的有机聚合物先驱体选用的制备陶瓷基体的有机聚合物先驱体选用的原则原则单体容易获得且价格低廉；单体容易获得且价格低廉；合成工艺简单，产率高；合成工艺简单，产率高；聚聚合合物物为为液液体体，或或可可以以溶溶解解在在有有机机溶溶剂剂中中，或或可以熔融；可以熔融；聚合物在室温下可以稳定存在；聚合物在室温下可以稳定存在；裂解过程中逸出气体少，陶瓷产率高。裂解过程中逸出气体少，陶瓷产率高。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学陶瓷先驱体应具备的理化性能陶瓷先驱体应具备的理化性能 三低：低粘度、低温交联、低收缩；三低：低粘度、低温交联、低收缩；

97、二无：无杂质、无发泡；二无：无杂质、无发泡； 一高：陶瓷产率高。一高：陶瓷产率高。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学陶瓷先驱体须具备的结构特征陶瓷先驱体须具备的结构特征先驱体结构近似最终陶瓷组成，无有害杂质的先驱体结构近似最终陶瓷组成，无有害杂质的存在；存在；具有一定的活性基团，如具有一定的活性基团，如Si-H、双键等，适宜、双键等，适宜先驱体的交联。先驱体的交联。分子量分子量适中且分布集中，含较多的支链或环。适中且分布集中，含较多的支链或环。先驱体结构中无其它有害元素，除氢外，无或先驱体结构中无其它有害元素，除氢外，无或只有少量其它取代基团。只有少量其它取代基团。国防科学技术

98、大学航天与材料工程学院高性能复合材料学5）先驱体转化法的不足先驱体转化法的不足 b b先驱体裂解过程中伴有失重和密先驱体裂解过程中伴有失重和密度增大，导致较大的度增大，导致较大的体积收缩体积收缩，且裂，且裂解解产物中富碳产物中富碳。 a a先驱体裂解过程中有大量的气体逸先驱体裂解过程中有大量的气体逸出，在产物内部留下大量出，在产物内部留下大量气孔气孔。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学解决的办法解决的办法A.对先驱体进行改性或者直接合成对先驱体进行改性或者直接合成高陶瓷产率的高陶瓷产率的先驱体；先驱体；B.在先驱体中加入在先驱体中加入惰性填料惰性填料（inertfiller）；

99、）；C.在先驱体中加入在先驱体中加入活性填料活性填料（activefiller）。）。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学表表7-7陶瓷先驱体及其裂解产物和产率陶瓷先驱体及其裂解产物和产率国防科学技术大学航天与材料工程学院国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学惰性填料（惰性填料（inertfiller） 惰性填料在先驱体裂解过程中质量和体积都不发生变化，在一定程度上可以抑制烧成产物的收缩。常见的惰性填料有SiC、Si3N4、BN、AlN、Al2O3等。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学活性填料（活性填料（activefiller）在先驱体中引入活性填料

100、的特点：在先驱体中引入活性填料的特点：（以（以Ti为例）：为例）： 活性填料与先驱体裂解气体反应。 Ti(s) + CH4 = TiC(s) + 2H2(g) (1)国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学活性填料还可与保护气氛反应。Ti(s) + 1/2N2(g) = TiN(s) (2)活性填料（活性填料（activefiller）国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 活性填料与先驱体转化过程中所生成的游离碳反应。Ti(s) + C(s) = TiC(s) (3)活性填料（活性填料（activefiller）国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学改善增强

101、相与基体的界面结合，可提高基体的强度和断裂韧性，提高材料的高温抗氧化性能。活性填料（活性填料（activefiller）国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学活性填料的选择活性填料的选择研究了Al、B、Cr、CrSi2、Mo、Si、Ta、Ti、TiB2、TiH2、W、Zr等12种活性填料对聚碳硅烷先驱体裂解陶瓷的反应活性、线收缩、陶瓷产率、力学性能等的影响。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学活性填料的选择活性填料的选择活性填料的反应活性在先驱体裂解过程中，经对比裂解前后 的 质 量 ， 及 XRD结 果 验 证 ， 在1000N2中裂解后，除B、CrSi2、Si、T

102、iB2外，其余活性填料与先驱体气态裂解产物、游离碳、N2的反应活性都较高。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学活性填料的选择线收缩 Al、Cr能有效控制先驱体裂解的收缩。当Al/PCS和Cr/PCS体积比分别为56%vol和46%vol时，体系的线收缩为0。 其余活性填料含量越高，先驱体裂解后的线收缩越大。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学活性填料的选择活性填料的选择力学性能 除Cr、Ti、TiH2外，在先驱体中加入活性填料越多，陶瓷烧成体的三点弯曲强度越高。其中，当Al/PCS体积比为60%vol时，陶瓷烧成体的强度达212MPa。国防科学技术大学航天与材料工程

103、学院高性能复合材料学活性填料的选择产物的高温性能抗热震性、高温强度国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学7.2.1.2 晶须（含颗粒）增强陶瓷基复合材料的制造工艺Fabrication technique of the whisker (including Particulate) reinforced CMCs国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（1）引言1) 1) 用晶须增强陶瓷基复合材料的原因用晶须增强陶瓷基复合材料的原因（Reasons for whisker CMCs）晶须增强陶瓷具有适宜的断裂韧性晶须增强陶瓷具有适宜的断裂韧性(515MPam1/2)；晶须

104、增强陶瓷具有较高的强度；晶须增强陶瓷具有较高的强度；晶须增强陶瓷具有高的耐热性（如晶须增强陶瓷具有高的耐热性（如SiCw1600）。）。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 (Introduction)2)确定复合材料体系的因素确定复合材料体系的因素（ Determination factors of Composite systems ）晶须晶须/ /陶瓷基体的相容性陶瓷基体的相容性（whisker/matrix combination）thermal expansion mismatches elastic moduli mismatches国防科学技术大学航天与材料工程学院

105、高性能复合材料学Introduction 2)确定复合材料体系的因素B) 晶须增强陶瓷的制造工艺和微观结构晶须增强陶瓷的制造工艺和微观结构高温致密化的方法高温致密化的方法（ densification process during the high temperature ）晶须的晶须的类型、尺寸、形状、体积含量、分类型、尺寸、形状、体积含量、分布和表面特性等微观结构因素布和表面特性等微观结构因素(type, size, shape, volume fraction distribution and surface characteristics of the whiskers)国防科学技术大

106、学航天与材料工程学院高性能复合材料学(Introduction 3)晶须的制造A) 由稻壳由稻壳（rice hulls）制备制备SiC晶须的特晶须的特点点使用碳热还原工艺（使用碳热还原工艺（9001700）制）制备备SiC晶须；晶须；得到直径小于得到直径小于1 m，长度为，长度为（1050） m的的SiC晶须；晶须；由于由于 -SiC型与型与 -SiC型晶须混聚排列，型晶须混聚排列，使结构产生严重的面缺陷；使结构产生严重的面缺陷；表面富氧（表面富氧（SiO2晶体或无定形晶体或无定形Si-O-C）。）。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(Introduction 3)晶须的制造B

107、)气气- -液液- -固固(VLS)法制备晶须的特点法制备晶须的特点借助熔融金属催化剂，输入碳氢化合物借助熔融金属催化剂，输入碳氢化合物和气态和气态SiO，在，在1400反应生成反应生成SiC单晶单晶并沿固定方向生长并沿固定方向生长；得到直径得到直径(56) m，长度，长度100mm的的SiC晶晶须；须；内部缺陷较少；内部缺陷较少；力学性能可保持到力学性能可保持到1600。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学表7-8 Typical properties of ceramic whiskers Whiskerd (m) L (m) E (GPa) (1/) (g/cm3)SiCa

108、SiCbSiCcSiCd0.05-0.2 10-40SiCe0.05-1.0 5-100Si3N4f0.05-0.5 5-100 370 2.5 3.2Al2O3g4-7 40-100 400 7 4.0国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学表7-9 Typical properties of ceramic matricesMatrixE f KIC Al2O34008.9350-7003-53.97Si3N44202.9400-9004-63.26ZrO2a24013.5150-3502.55.6-6.1E (Gpa); (cm/cm ); f (MPa); KIC (MPam

109、1/2); (g/cm3) 国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（2 2）晶须增强陶瓷基复合材料的制造工艺）晶须增强陶瓷基复合材料的制造工艺Fabrication processes of the whiskers reinforcing ceramic matrix composite晶须增强陶瓷基复合材料制造工艺的晶须增强陶瓷基复合材料制造工艺的优点优点（Processing advantages）：熟知的工艺方法均可使用熟知的工艺方法均可使用（well known processing techniques can be applied）国防科学技术大学航天与材料工程学院高

110、性能复合材料学（2）晶须增强陶瓷基复合材料的制造工艺目标目标（Objectives）晶须应达到均匀分布晶须应达到均匀分布（attainment of uniform distribution of whiskers）；）；制造过程对晶须的损伤最小制造过程对晶须的损伤最小（minimization of mechanical and/or chemical damage to whiskers）。）。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学A) 外加晶须（短切纤维）CMCs的制造工艺烧结法先驱体转化法电泳沉积法国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学A) 外加晶须（短切纤维）

111、CMCs的制造工艺烧结法烧结法晶须分散晶须分散预成型坯件预成型坯件烧结烧结（Sintering）晶须分散方法有晶须分散方法有球磨球磨、超声振动超声振动和和溶胶溶胶凝胶凝胶(Sol-Gel)法法用压力渗滤法预成型坯件用压力渗滤法预成型坯件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学烧结法烧结的方法主要有：烧结的方法主要有：热压烧结热压烧结热等静压烧结热等静压烧结活化烧结活化烧结微波烧结微波烧结国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学烧结法热压烧结热压烧结工艺：热压烧结工艺：将分散有晶须（短切纤维）的陶瓷粉体，将分散有晶须（短切纤维）的陶瓷粉体，或具有一定形状的预制坯件在高温下通过

112、或具有一定形状的预制坯件在高温下通过外加压力使其变成致密的、具有一定形状外加压力使其变成致密的、具有一定形状的坚硬固体的过程称为热压烧结。的坚硬固体的过程称为热压烧结。模具采用石墨（耐高温、耐压、高温下不模具采用石墨（耐高温、耐压、高温下不与工件反应）。与工件反应）。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学烧结法热压烧结优点：优点：加压有利于制品致密化；加压有利于制品致密化；成型压力低（仅为冷成型的成型压力低（仅为冷成型的1/10）；）；烧结时间短，使晶粒长大受到限制。烧结时间短，使晶粒长大受到限制。缺点：缺点：制品性能有方向性；生产效率低，成本高；制品性能有方向性；生产效率低，成本

113、高；制备形状较简单、每次制备的件数较少。制备形状较简单、每次制备的件数较少。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学烧结法热等静压烧结热等静压烧结工艺：热等静压烧结工艺：将分散有晶须（短切纤维）、陶瓷基体粉将分散有晶须（短切纤维）、陶瓷基体粉末的坯件或烧结体装入包套中，置于等静末的坯件或烧结体装入包套中，置于等静压炉中，使其在加热过程中经受各向均衡压炉中，使其在加热过程中经受各向均衡的压力，在高温和高压共同作用下烧结成的压力，在高温和高压共同作用下烧结成陶瓷基复合材料的方法称为热等静压烧结陶瓷基复合材料的方法称为热等静压烧结（HIP）。）。采用金属包套，且使用惰性气体保护。采用金属包

114、套，且使用惰性气体保护。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学烧结法热等静压烧结优点：优点：在高压下可以降低烧结温度（如在高压下可以降低烧结温度（如Al2O3在在常温下为常温下为1800以上、以上、20MPa下为下为1500、400下为下为1000）；）；烧结时间短；烧结时间短；在无烧结添加剂的情况下制备出不含气孔在无烧结添加剂的情况下制备出不含气孔的、致密的制品。的、致密的制品。缺点：缺点：设备昂贵、生产率低。设备昂贵、生产率低。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学A) 外加晶须（短切纤维）CMCs的制造工艺先驱体转化法先驱体转化法工艺：晶须与陶瓷微粉和有机先驱物及

115、溶工艺：晶须与陶瓷微粉和有机先驱物及溶剂均匀混合剂均匀混合模压制成预成型坯件模压制成预成型坯件在一在一定温度和气氛下使先驱物热解成为陶瓷基定温度和气氛下使先驱物热解成为陶瓷基体。体。例：短切碳纤维与微粉、聚碳硅烷及二甲例：短切碳纤维与微粉、聚碳硅烷及二甲苯溶剂混合苯溶剂混合搅拌与加热搅拌与加热撕松与烘干撕松与烘干加压并预制坯件加压并预制坯件高温裂解高温裂解重复浸重复浸渍、裂解过程得到渍、裂解过程得到C短短f/SiC复合材料。复合材料。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 先驱体转化法优点：优点：成型容易；成型容易；烧结温度低；烧结温度低；工艺重复性高。工艺重复性高。缺点：缺点：制

116、品气孔率高；制品气孔率高；收缩变形大；收缩变形大；国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学A) 外加晶须（短切纤维）CMCs的制造工艺电泳沉积法电泳沉积法工艺：晶须与陶瓷粉末的悬浮溶液在直流工艺：晶须与陶瓷粉末的悬浮溶液在直流电场作用下，由于质点离解和吸附使质点电场作用下，由于质点离解和吸附使质点表面带电，向电极迁移并在电极上沉积成表面带电，向电极迁移并在电极上沉积成一定形状的坯件一定形状的坯件干燥干燥烧结烧结CMCs制制品。品。分散介质用水或溶剂；电极材料用金属或分散介质用水或溶剂；电极材料用金属或石墨。石墨。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学电泳沉积法优点：优点：

117、适宜于制造薄壁异形筒（管）状和棒状、适宜于制造薄壁异形筒（管）状和棒状、板状制品；板状制品；可用于制造层状复合材料和梯度功能复合可用于制造层状复合材料和梯度功能复合材料。材料。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学图7-39 外加晶须增强CMCs的工艺流程SiCw+MeOHSi3N4 powder + sintering aidsSiCw/Si3N4 slurryball millingcold pressingsinteringultrasonically dispersinghigh speed blendingdryingscreening国防科学技术大学航天与材料工程学院高

118、性能复合材料学晶须增强CMCs制造中的问题（Problems）晶须晶须直径小直径小（small diameter）具有高的比表面积具有高的比表面积（high surface area）具有高的长径比具有高的长径比（high aspect ratio）晶须与晶须与陶瓷基体的反应性高陶瓷基体的反应性高（high reactivity）晶须晶须容易簇聚，与基体粉末均匀混合困难容易簇聚，与基体粉末均匀混合困难agglomeration (uniformly dispersing and mixing with matrix powders)国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学解决办法净化

119、：使晶须簇聚块和杂质颗粒沉淀；净化：使晶须簇聚块和杂质颗粒沉淀；混合：采用球磨或采用高速混合或在液态混合：采用球磨或采用高速混合或在液态媒体中超声分散；媒体中超声分散；烘干：使液体溶剂除去；烘干：使液体溶剂除去；预成型：采用冷压、注射成型或滑移铸造；预成型：采用冷压、注射成型或滑移铸造；致密化：采用热压烧结或热等静压烧结。致密化：采用热压烧结或热等静压烧结。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学晶须的净化晶须的净化为什么要净化晶须？为什么要净化晶须？颗粒状杂质是晶须的大块晶体和簇聚块，颗粒状杂质是晶须的大块晶体和簇聚块，在制造后成为结构缺陷。会导致复合材料在制造后成为结构缺陷。会导

120、致复合材料的强度下降。的强度下降。怎样净化？怎样净化？采用沉降技术除去颗粒；采用沉降技术除去颗粒；采用沉降絮凝技术，可以除去颗粒，且在采用沉降絮凝技术，可以除去颗粒，且在干燥时无重新凝聚。干燥时无重新凝聚。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学晶须净化步骤晶须净化步骤晶须与基体粉末充分混合晶须与基体粉末充分混合采用湿处理采用湿处理技术使晶须均匀分散；充分稳定并用低粘技术使晶须均匀分散；充分稳定并用低粘性、高固体含量的介质使之分散滑移；性、高固体含量的介质使之分散滑移；滑移铸造滑移铸造加压或离心铸造加压或离心铸造添加烧结辅助剂添加烧结辅助剂如如Si3N4:，则添加则添加Y2O3,Ce

121、O,Al2O3和和MgO等。等。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学晶须取向与工艺的关系晶须取向与工艺的关系1D：根据晶须预制件中晶须的排列方向，：根据晶须预制件中晶须的排列方向，采用常压烧结致密化；采用常压烧结致密化；2D：采用传统工艺（预混合：采用传统工艺（预混合+热压烧结）热压烧结）致密化；致密化；3D：尚无适当技术制造。一般采用先驱：尚无适当技术制造。一般采用先驱体热解法和化学气相渗透法。体热解法和化学气相渗透法。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学关键要求晶须基体的最优化堆垛晶须基体的最优化堆垛界面控制界面控制晶须位向晶须位向净成形工艺净成形工艺晶须的处理

122、与操作（对人体有害）晶须的处理与操作（对人体有害）国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学B）原位生长晶须CMCs的制造工艺工艺：通过化学反应在陶瓷基体致密化过工艺：通过化学反应在陶瓷基体致密化过程中就地生长出晶须（或高长径比的晶体）程中就地生长出晶须（或高长径比的晶体），从而得到晶须增强陶瓷基复合材料。，从而得到晶须增强陶瓷基复合材料。例：氮化硅陶瓷在高压氮气氛中烧结，其例：氮化硅陶瓷在高压氮气氛中烧结，其中生成长径比达中生成长径比达10:1的的 -Si3N4晶体。形成晶体。形成自补强氮化硅自补强氮化硅(Si3N4)陶瓷。陶瓷。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学B）

123、原位生长晶须CMCs的制造工艺 -Sialon、 -Sialon和纤维状的和纤维状的12H相相均是呈长柱状晶体的、强度和硬度很高的均是呈长柱状晶体的、强度和硬度很高的原位生长增强体。它们的结合将成为性能原位生长增强体。它们的结合将成为性能优异的复相陶瓷。优异的复相陶瓷。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学图7-40 Illustration of microstructure formationV-Si3N42V-Si3N4, tendency to be rodlike（棒状）-Si3N4: anisotropic activation energy（活化能各向异性）国防科学技

124、术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学图7-41国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学B）原位生长晶须CMCs的制造工艺优点：优点：可以使用低价原料；可以使用低价原料；环境污染小；环境污染小；工艺简单。工艺简单。缺点：缺点：难以制备完全致密的难以制备完全致密的CMCs，可增加热压，可增加热压工序来增进致密化程度。工序来增进致密化程度。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学原位增韧体系的特点在烧结过程中晶须择优取向；在烧结过程中晶须择优取向；不必考虑如外加晶须与基体的相容性问题和热不必考虑如外加晶须与基体的相容性问题和热膨胀匹配的问题；膨胀匹配的问题；不存在处理晶须过程

125、中对人体有害的问题；不存在处理晶须过程中对人体有害的问题；具有制造复杂形状、大尺寸产品的潜力；增强具有制造复杂形状、大尺寸产品的潜力；增强相体积分数高；相体积分数高；在烧结中没有收缩，因此可得到近净成形制品。在烧结中没有收缩，因此可得到近净成形制品。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学未来发展应关注的问题未来发展应关注的问题 -Si3N4的形成机制和模型；的形成机制和模型；原位生长体系中微观结构的均匀性和可靠原位生长体系中微观结构的均匀性和可靠性；性；在高温下玻璃相对性能的影响；在高温下玻璃相对性能的影响；气压烧结和常压烧结下，温度压力梯度气压烧结和常压烧结下，温度压力梯度对对

126、-Si3N4取向的影响。取向的影响。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学自增强（原位增韧）Self-reinforced (in-situ toughened) SiC棒状棒状晶体的形式晶体的形式（Formation of rodlike crystal） -SiC(RT) -SiC(3C) -SiC(4H) f=620MPaKIC=6.1MPam1/2国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学C C）晶须）晶须CMCsCMCs的强化、韧化要求的强化、韧化要求传递载荷的要求：传递载荷的要求：晶须与基体弹性模量之比大于晶须与基体弹性模量之比大于2（即（即Ewhisker/E

127、matrix2）；）；晶须与基体界面结合强。晶须与基体界面结合强。热膨胀匹配的要求：热膨胀匹配的要求：晶须的热膨胀系数大于基体的热膨胀系数（即晶须的热膨胀系数大于基体的热膨胀系数（即使基体存在压缩预应力）使基体存在压缩预应力）国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学D D）晶须增强陶瓷基复合材料的性能）晶须增强陶瓷基复合材料的性能晶须含量与弯曲强度的关系晶须含量与弯曲强度的关系(SiCw/Al2O3)SiCw/Al2O3的力学性能的力学性能SiCw/Si3N4的力学性能的力学性能SiCw/ZrO2、MoSi2、莫来石、铝硼硅玻璃陶瓷、莫来石、铝硼硅玻璃陶瓷的力学性能的力学性能Si3N

128、4原位生长晶须体系（自增强体系）的力学原位生长晶须体系（自增强体系）的力学性能性能国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学图图7-42Al2O3/SiC复合材料的弯曲强度和弯曲模量复合材料的弯曲强度和弯曲模量与晶须体积分数的关系与晶须体积分数的关系国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学表表7-10SiCw/Al2O3复合材料拉伸强度和断裂韧性与晶须复合材料拉伸强度和断裂韧性与晶须体积分数和使用温度的关系体积分数和使用温度的关系SiCw(vol%) f(MPa) KIC Testtemp.()5a3913.62515a6524.62501504.32530a6808.725

129、40a8506.22540a6806.4100040a6108.712000-4.52510a-8.12520a-7.62530a-9.0255a4754.02510a5404.82520a6706.12530a7207.02540a6407.925aSilar-SC-9whiskers,ARCOChemicalCo.,GreenSC.国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 表表7-11 SiC whisker/Si3N4 复合材料的拉伸强度和断裂韧性与晶须复合材料的拉伸强度和断裂韧性与晶须体积分数和使用温度的关系体积分数和使用温度的关系SiCw(vol%) f(MPa) KICT

130、esttemp.()07804.72530a970250590100030a100004906.2120030a5907.7120006627.12530a45010.52509006.02510a6255.52520a5755.02503754.02510a3954.92520a5507.025国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 表表7-12 SiC晶须增强不同陶瓷基体复合材料的拉伸强度晶须增强不同陶瓷基体复合材料的拉伸强度和断裂韧性与晶须体积分数和使用温度的关系和断裂韧性与晶须体积分数和使用温度的关系SiCw(vol%) matrix f(MPa)KIC Testtemp(

131、)0Mullite2012.452530aMullite3863.522530cMullite3293.60250Mullite-2.22520aMullite4404.6250ZrO211506.02520cZrO260010.52530cZrO260011.0250MoSi21505.32520bMoSi23108.2250AlBSi-glass1031.02535aAlBSi-glass3275.125国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学表表7-13Si-O-C涂层和涂层和SiC涂层对涂层对SiCw/Al2O3复合材料力复合材料力学性能的影响学性能的影响Al2O3Compo

132、siteACompositeBdtheo. ( (MPa)456 40641 34606 146KICCompositeA:Silar-SC-9(withSi-O-Conthesurface)CompositeB:Teteho-SCW-1-S(withSiCouterlayer)国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 表表7-14SiC晶须增强氧化铝复合材料的典型性能晶须增强氧化铝复合材料的典型性能15%wtSiC33vol%SiCa (g/cm3)VHardness(GPa)20.5E(GPa)425395Resistivity1875700 国防科学技术大学航天与材料工程学院高

133、性能复合材料学表表7-15 自增强自增强Si3N4某些工艺和性能结果报道某些工艺和性能结果报道sinteringadditive fKICTaniGPSY-Al550900811PyzikHPY-Mg-Ca1250814LuoHPY-La6807202224(1350)WuGPSY-La88611.4Si3N4w国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学CMCs的强度与晶须长径比、直径的关系的强度与晶须长径比、直径的关系（strength vs aspect ratio and diameter） f(RT): -Si3N4 f aspectratio f 1/(diameter)1/

134、2diameter f(RT,) 1600MPa m)1000MPa(1.0 m)800MPa(10 m)国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学图图7-43 CMCs的韧性与晶须长径比、直径的关系的韧性与晶须长径比、直径的关系（ toughening vs aspect ratio and diameter）KIC: beta Si3N4（1012）MPam1/2 high aspect ratiolarge diameter国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学图图7-44 CMCs的断裂韧性与裂纹长度、长径比的关系的断裂韧性与裂纹长度、长径比的关系（KIC vs c

135、rack length and aspect ratio）国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学*图7-45 晶须自增强Si3N4中的裂纹扩展（Crack deflection in whisker self-reinforced Si3N4 ）国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（3 3）颗粒增强陶瓷基复合材料的）颗粒增强陶瓷基复合材料的制造工艺制造工艺一般工艺：将颗粒与陶瓷基体的超细粉末球磨干燥预成型坯件烧结CMCs制品常压烧结（Pressureless Sintering）和热压烧结（单向热压烧结和热等静压烧结）。先驱体热解烧成、化学气相沉积、溶胶凝胶、直接氧化

136、沉积工艺也可用于制备CMCs 。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（3）颗粒增强陶瓷基复合材料的制造工艺颗粒预成型坯件的方法：原料处理（煅烧混合塑化制粒）压制成型、粉浆浇注成型、可塑成型、注射成型等。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学7.2. 纳米陶瓷复合材料（Ceramic Nanocomposites）的制造工艺国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(1)引言（Introduction）1）纳米相材料的特性）纳米相材料的特性（Characterization of Nanophase materials）光学性光学性(optical charac

137、ter)磁性磁性(magnetism)敏感性敏感性(sensitivity)催化性催化性(catalytic nature)光敏性光敏性(photosensitive)国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(Introduction)2）纳米结构纳米结构（Nanostructure）纳米单元纳米单元（nano-assembly）纳米装置纳米装置（nano-device）有机有机无机混合体无机混合体（organic/inorganic hybrid）陶瓷纳米复合材料陶瓷纳米复合材料（ceramic nanocomposite，简记为简记为CNC)国防科学技术大学航天与材料工程学院高性

138、能复合材料学(Introduction)3) 纳米材料的特性纳米材料的特性高的比表面积高的比表面积(100m2/g)（high specific surface area ）高的表面活性高的表面活性（highly surface active）国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(Introduction)4 4）纳米复合材料的类型）纳米复合材料的类型（Classifications）内部型内部型（在陶瓷基体的晶粒内弥散纳米粒子第（在陶瓷基体的晶粒内弥散纳米粒子第二相）；二相）；中间型中间型（在陶瓷基体晶粒间弥散纳米粒子第二（在陶瓷基体晶粒间弥散纳米粒子第二相）；相）；内部内部中

139、间型中间型（纳米粒子同时弥散在陶瓷基体（纳米粒子同时弥散在陶瓷基体的晶粒内和晶界上）；的晶粒内和晶界上）；纳米纳米纳米型纳米型（第二相和陶瓷基体均为纳米级）（第二相和陶瓷基体均为纳米级）。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学CNC: Classifications图7-46国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（2） CNC的制造工艺 1）主要工艺方法熔融热压（mill-HP）冻胶铸造（gel casting）先驱体裂解（Precursor pyrolysis） 国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学CNC的制造工艺2）工艺流程与一般颗粒弥散陶瓷基复合材料

140、的制备工艺相同之处： 制粉混合制坯烧结不同之处：第二相和基体的原料粉末粒径均为纳米级，因此，纳米粒子的分散和制粒更加困难。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学CNC的制造工艺3）纳米粒子的分散和制粒方法：）纳米粒子的分散和制粒方法：机械混合分散法机械混合分散法（主要是球磨）；（主要是球磨）；复合粉末法复合粉末法（主要有溶胶（主要有溶胶凝胶和化学气凝胶和化学气相沉积法）；相沉积法）；液相分散包裹法液相分散包裹法（组分纳米粉末在有机单（组分纳米粉末在有机单体和交联剂的水溶液中超声分散体和交联剂的水溶液中超声分散体系冻体系冻结、凝聚（或聚合）结、凝聚（或聚合）热处理热处理形成内晶形成内

141、晶型有机单体包裹的包团复合粉末。型有机单体包裹的包团复合粉末。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学CNC的制造工艺4）烧结方法）烧结方法A）常压烧结）常压烧结工艺工艺：粉末分散、混合：粉末分散、混合模压制成坯件模压制成坯件在常温或一定温度下烧结。在常温或一定温度下烧结。在主体粉末中需加一种或多种在主体粉末中需加一种或多种稳定剂稳定剂，以，以克服烧结过程中晶粒长大和易形成孔洞的克服烧结过程中晶粒长大和易形成孔洞的问题。问题。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学CNC的制造工艺B）应力有助烧结（烧结）应力有助烧结（烧结煅压法）煅压法）工艺工艺：将无团聚的粉体在一定压力下

142、烧结，：将无团聚的粉体在一定压力下烧结，称为应力有助烧结。称为应力有助烧结。无需在纳米粒子原料中掺入稳定剂无需在纳米粒子原料中掺入稳定剂，烧结，烧结后晶粒无明显长大，在合适的压力下，可后晶粒无明显长大，在合适的压力下，可得到致密的纳米陶瓷复合材料。其烧结温得到致密的纳米陶瓷复合材料。其烧结温度比度比常压烧结降低几百度常压烧结降低几百度K。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学CNC的制造工艺5 5）原位生成法）原位生成法工艺工艺：将基体粉末分散于含有可生成纳米：将基体粉末分散于含有可生成纳米相组分的先驱体溶液中，经干燥、浓缩、相组分的先驱体溶液中，经干燥、浓缩、预成型坯件和热处理或

143、烧结，在基体中生预成型坯件和热处理或烧结，在基体中生成纳米粒子第二相。成纳米粒子第二相。第二相分布均匀，不存在团聚问题。第二相分布均匀，不存在团聚问题。性能优异性能优异例：例：SiC(2(2100nm)/100nm)/Si3N4 m)m)。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(3) 纳米陶瓷基复合材料的性能改善抗弯强度改善断裂韧性Kc提高使用温度改善抗蠕变性能国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学strength improvement of SiCn/Al2O3 upon nano-SiC introduction图7-47国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复

144、合材料学表7-17 Mechanical property improvement in CNC复合材料体系 断裂韧性Kc 抗弯强度 最高使用温度(基体/纳米相) (MPam1/2) ( MPa) ()Al2O3/SiC 3.54.8 350 1520 800 1200Al2O3 /Si3N4 3.54.7 350 850 800 1300 MgO/SiC 1.24.5 340 700 600 1400Si3N4 /SiC 4.57.5 850 1550 1200 1400国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学Si3N4/SiC: strength vs temperature图7

145、-48国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学SiC/ Si3N4 : strength & KIC vs size and amount图7-49 SiC/ Si3N4强度和韧性与增强相体积分数的关系图7-50国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学Al2O3 、5vol%SiC/ Al2O3 and MgO、30vol%SiC/MgO: strength vs T图图7-51国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学Al2O3: tensile creep at 1200图图7-52国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学SiCn/ Al2O3: cr

146、eep strain rate vs stress图图7-53国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学Si3N4/SiC: creep rate vs Si3N4 crystal size图图7-54国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（3）纳米陶瓷基复合材料的增韧机制纳米沉积相约束晶体生长和异常长大；CTE错配在纳米颗粒填充区引起大量位错；SiC纳米晶体有助于-Si3N4柱状晶的形成（自增强）。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学7.2.1.4 碳/碳复合材料的制造工艺及性能（1）概述碳/碳复合材料是由碳纤维或各种碳织物增强碳或石墨化的树脂碳（如沥青）以

147、及化学气相沉积碳所形成的复合材料。也称为碳纤维增强碳基复合材料。20世纪60年代初期开始研制，用来增强石墨制作火箭喷嘴，其强度和耐高温高速气体腐蚀的性能优异。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学碳/碳复合材料的主要优点高温形状稳定升华温度高烧蚀凹陷低平行于增强方向具有高强度和高刚度在高温条件下的强度和刚度可保持不变抗热应力、抗热冲击力学性能为假塑性抗裂纹传播国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学碳/碳复合材料的主要优点非脆性破坏衰减脉冲化学惰性重量轻抗辐射性能可调整原材料为非战略材料易制造和加工国防科学技术大学航天与材

148、料工程学院高性能复合材料学碳/碳复合材料的主要缺点A)材料方面非轴向力学性能差破坏应变低空洞含量高、孔分布不均匀纤维与基体结合差导热系数高抗氧化性能差成本高国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学碳/碳复合材料的主要缺点B)加工方面制造加工周期长可重复性差国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学碳/碳复合材料的主要缺点C)设计方面设计与工程性能受限制缺乏破坏准则设计方法复杂环境特性曲线复杂各向异性尚无较好的非破坏检验方法使用经验不足连接与接头困难国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（2）碳/碳复合材料的成型加工技术1）坯体）坯体碳纤维或其织物制成坯体碳纤维或其

149、织物制成坯体坯体成形方法：长纤维（或带）用缠绕法；坯体成形方法：长纤维（或带）用缠绕法；碳毡、短纤维用模压或喷射成形；石墨布碳毡、短纤维用模压或喷射成形；石墨布叠层的叠层的z向石墨纤维针剌；多向织物。向石墨纤维针剌；多向织物。碳毡碳毡是由是由人造丝毡碳化人造丝毡碳化或或聚丙烯腈毡预氧聚丙烯腈毡预氧化再碳化化再碳化制得。制得。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学碳/碳复合材料的成型加工技术1）坯体坯体研制的重点是坯体研制的重点是多向织物多向织物，如三向、四向、，如三向、四向、五向、七向等。目前是以三向织物为主。五向、七向等。目前是以三向织物为主。三向织物是碳纤维从经、纬、纵三个方向

150、（即三向织物是碳纤维从经、纬、纵三个方向（即x、y、z方向）互成方向）互成90正交排列。三个方向的纱线正交排列。三个方向的纱线没有交织点，只有重合点。没有交织点，只有重合点。通常通常每厘米包含每厘米包含10至至16层纤维层纤维，最多可达，最多可达20层。层。三向织物的三向织物的细编程度细编程度越高，碳越高，碳/碳复合材料的性碳复合材料的性能越好。能越好。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学编织技术的分类编织技术的分类二维编织和三维编织二维编织和三维编织二维：编织（机织）、针织、辫织二维：编织（机织）、针织、辫织三维：正交编织、斜角编织、多向编织三维：正交编织、斜角编织、多向编织国

151、防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学编织复合材料的特点：编织复合材料的特点：（1）三维编织是不分层的整体）三维编织是不分层的整体（2）精确成型）精确成型（3）力学结构合理）力学结构合理（4）三维编织给后续工艺带来方便）三维编织给后续工艺带来方便（5）可设计性）可设计性国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学多向编织 二步法、四

152、步法国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学碳/碳复合材料的成型加工技术2）基体2）基体）基体树脂碳树脂碳由合成树脂或沥青经碳化和石由合成树脂或沥青经碳化和石墨化获得；墨化获得；热解碳热解碳由烃类气体的气相沉积获得。由烃类气体的气相沉积获得。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学碳/碳复合材料的成型加工技术2）基体基体形成方法：基体形成方法：把来源于煤焦油和石油的熔融沥青在加把来源于煤焦油和石油的熔融沥青在加热加压条件下热加压条件下浸渍浸渍到碳（石墨）纤维的结到碳（石墨）纤

153、维的结构中，然后进行构中，然后进行热解热解和和再浸渍再浸渍。通过通过气相气相（通常是甲烷和氮气，或含少（通常是甲烷和氮气，或含少量氢气）量氢气）化学沉积法化学沉积法在热的基质材料（碳在热的基质材料（碳或石墨纤维）上形成高强度热解石墨。或石墨纤维）上形成高强度热解石墨。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学碳/碳复合材料的成型加工技术2）层压图图7-60国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学碳/碳复合材料的成型加工技术2）层压图图7-61国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（3）碳/碳复合材料的性能1 1）力学性能）力学性能密度小、拉伸强度、挠曲强度和杨氏模

154、量高于密度小、拉伸强度、挠曲强度和杨氏模量高于一般碳素材料；以一般碳素材料；以三向织物制品三向织物制品的强度最高，的强度最高，其次是其次是毡毡/ /化学气相沉积碳化学气相沉积碳的复合材料。的复合材料。脆性大（脆性大（断裂应变仅为断裂应变仅为0.12%0.12%) )，但应力，但应力应应变曲线呈现变曲线呈现“假塑性效应假塑性效应”。即在施加载荷初。即在施加载荷初期呈线性关系，后来变为双线性。卸载之后再期呈线性关系，后来变为双线性。卸载之后再加载，曲线仍为线性，并可达到原来的载荷水加载，曲线仍为线性，并可达到原来的载荷水平。平。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学碳/碳复合材料的性能

155、1）力学性能负荷变形碳/碳停止试验卸载再加载图7-62 碳/碳应力应变曲线的“假塑性效应”国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学碳/碳复合材料的性能1）力学性能表7-18 三向碳/碳复合材料的性能 25 2700 260 2500拉伸强度（MPa） 103 69拉伸模量（GPa弯曲强度（MPa） 97 103弯曲模量（GPa） 276 1721090的热膨胀系数（10-6 -1） 2000的热膨胀系数（ 10-6 -1） 热传导率（千卡/小时/米/） 48 21 国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学碳/碳复合材料的性能2）热物理性能2 2）热物理性能）热物理性能热膨胀

156、系数小热膨胀系数小（仅为金属材料的（仅为金属材料的1/51/51/101/10），），具有良好的尺寸稳定性；具有良好的尺寸稳定性；导热系数高导热系数高，但可以进行调节。通过控制碳沉，但可以进行调节。通过控制碳沉积及加工工艺形成具有内外密度梯度的制品或积及加工工艺形成具有内外密度梯度的制品或在传热方向用导热系数小的石英纤维、氧化锆在传热方向用导热系数小的石英纤维、氧化锆纤维或氧化铝纤维代替碳纤维，起隔热作用；纤维或氧化铝纤维代替碳纤维，起隔热作用；比热高比热高，因而能贮存大量热能；，因而能贮存大量热能；抗热震因子大抗热震因子大（为各类石墨制品的（为各类石墨制品的1 14040倍）。倍）。国防科学

157、技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学碳/碳复合材料的性能3）烧蚀性能3）烧蚀性能）烧蚀性能碳碳/碳复合材料暴露于高温和快速加热的环境中，碳复合材料暴露于高温和快速加热的环境中，由于蒸发升华和可能的热化学氧化，其部分表由于蒸发升华和可能的热化学氧化，其部分表面可被烧蚀。但其表面的凹陷浅，能良好地保面可被烧蚀。但其表面的凹陷浅，能良好地保留其外形，且烧蚀均匀而对称，因此，广泛用留其外形，且烧蚀均匀而对称，因此，广泛用作防热材料。作防热材料。碳碳/碳复合材料的烧蚀热高，材料烧蚀时能带走碳复合材料的烧蚀热高，材料烧蚀时能带走大量热，使传递到材料内部的热量相应减少。大量热，使传递到材料内部的热量相

158、应减少。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学图7-63 阿波罗指挥舱表面的温度分布最苛刻的部位温度高达2760。碳/碳复合材料的性能3）烧蚀性能国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学碳/碳复合材料的性能3）烧蚀性能1.冲击波；冲击波；2.烧蚀后的气态产物；烧蚀后的气态产物；3.多孔面碳化层；多孔面碳化层；4.内部固体物；内部固体物；5.熔融层；熔融层；图7-64国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学碳/碳复合材料的性能3）烧蚀性能表表7-19不同复合材料的有效烧蚀热比较不同复合材料的有效烧蚀热比较材材料料有效烧蚀热（千卡有效烧蚀热（千卡/公斤）公斤）碳碳/

159、碳碳1100014000尼龙尼龙/酚醛酚醛2490高硅氧高硅氧/酚醛酚醛4180国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学碳/碳复合材料的性能3）烧蚀性能图7-65 三向碳/碳复合材料的烧蚀面(SEM)国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学碳/碳复合材料的性能4）化学稳定性4）化学稳定性）化学稳定性碳碳/碳复合材料除含有少量的氢和微量的碳复合材料除含有少量的氢和微量的金属元素外，几乎金属元素外，几乎99%以上都是由元素碳以上都是由元素碳组成，因此具有与碳一样的化学稳定性。组成，因此具有与碳一样的化学稳定性。碳碳/碳复合材料的抗氧化性能差。碳复合材料的抗氧化性能差。国防科学技

160、术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学碳/碳复合材料的性能4）化学稳定性改善碳改善碳/碳复合材料抗氧化性能的方法：碳复合材料抗氧化性能的方法：在浸渍树脂时加入抗氧化物质；在浸渍树脂时加入抗氧化物质；在气相沉碳时加入其他抗氧元素；在气相沉碳时加入其他抗氧元素；用碳化硅涂层：将碳用碳化硅涂层：将碳/碳复合材料制品埋碳复合材料制品埋在硅、碳化硅和氧化铝的混合粉末中，在在硅、碳化硅和氧化铝的混合粉末中，在氩气保护氩气保护下加热到下加热到1710并保持并保持2小时小时，即得到完整的碳化硅涂层。即得到完整的碳化硅涂层。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（4）碳/碳复合材料的应用1 1）导

161、弹、宇航工业的应用）导弹、宇航工业的应用防热材料（抗烧蚀材料）防热材料（抗烧蚀材料）端头帽、鼻锥、喷管的喉衬端头帽、鼻锥、喷管的喉衬烧蚀材料的发展情况烧蚀材料的发展情况火箭及导弹所用烧蚀材料的部位示意图火箭及导弹所用烧蚀材料的部位示意图固体燃料发动机喷管内典型的热环境示意固体燃料发动机喷管内典型的热环境示意图图国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学碳/碳复合材料的应用图图7-66国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学图图7-67国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合

162、材料学图图7-68国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学Shuttle I （美） TPS结构及材料部位温度（）TPS结构及材料连接方式鼻锥1650先进C/C，圆锥形薄壁空腔特殊螺纹机翼前沿1260先进C/C特殊螺纹机身下表面370-1260高温可重复使用陶瓷瓦（HRSI）低温可重复使用陶瓷瓦（LRSI）应变隔离垫Nomex芳香尼龙纤维毡 特殊螺纹或粘结机身上表面370柔性表面隔热结构尼龙毡,石英布+纤维隔热层+环氧玻璃布棉被式线缝结构 粘结国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学Hermes （法） TPS结构及材料 方案部位TPS结构及材料连接方式热结构鼻锥机翼前沿

163、C/C特殊螺纹小翼副翼 C/SiC、SiC/SiC特殊螺纹盖板式机体下表面 C/SiC、SiC/SiC；多层隔热陶瓷盖板，内填石英纤维层分离的多层反射屏蔽。结构完整、轻；使用温度高；隔热效果好。螺纹柔性毡 机体低温区 氧化硅毡10-40mm粘结国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学碳/碳复合材料的应用2）航空工业）航空工业飞机刹车盘飞机刹车盘应用实例：应用实例：麦道公司麦道公司F-15空中优势战斗机（减重空中优势战斗机（减重24%）通用动力公司通用动力公司F-16轻型战斗机轻型战斗机诺斯罗普公司诺斯罗普公司F-18轻型舰载战斗机（减重轻型舰载战斗机（减重24%）英法研制的协和号飞机

164、（减英法研制的协和号飞机（减544kg，使用寿命提，使用寿命提高高56倍）倍）国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 3 3）汽车工业）汽车工业碳/碳复合材料的应用图图7-69国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4）其他方面的应用化学工业化学工业密封填料密封填料电子、电器工业电子、电器工业电极板电极板医疗医疗人工心脏半膜阀体人工心脏半膜阀体国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学碳碳/ /碳复合材料活塞环碳复合材料活塞环国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学碳碳/碳叶片碳叶片国防科学技术大学航天与

165、材料工程学院高性能复合材料学国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学鱼雷发动机配气阀座鱼雷发动机配气阀座国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学碳/碳复合材料的应用4）其他方面的应用）其他方面的应用化学工业化学工业密封填料密封填料电子、电器工业电子、电器工业电极板电极板医疗医疗人工心脏半膜阀体人工心脏半膜阀体国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学7.2.1.5 C/SiC复合材料C/SiC复合材料的制备C/SiC复合材料的结构与性能C/SiC复合材料的应用国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学C/SiC复合材料的制备CVI工艺PIP工艺热压工艺反应烧

166、结国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学性性能能类类型型室温室温（20）高温高温（1600）拉伸强度拉伸强度/MPa300 30300 30拉伸应变拉伸应变/MPa1.0 0.10.8 0.1弯曲强度弯曲强度/MPa500 50400 30压缩强度压缩强度/MPa500 30400 30层间剪切强度层间剪切强度ILS/MPa43 338 2杨氏拉伸模量杨氏拉伸模量/GPa75 666 3平面热膨胀系数（平面热膨胀系数（1001200）/K-1310-6比比热热/（Jkg-1K-1）7701590平面热传导系数平面热传导系数/(WmK-1）3.16.8横向热传导系数横向热传导系数/（

167、WmK-1）2.08.98先驱体转化制备带有抗氧化涂层的先驱体转化制备带有抗氧化涂层的Cf/SiC高低温性能高低温性能国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学C/SiC复合材料的典型应用构件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学C/SiC复合材料在光学系统中的应用国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学C/SiC复合材料在发动机上的应用国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学国防科学技术大学航天与材料工程

168、学院高性能复合材料学国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学C/SiC复合材料在TPS中的应用国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学思考题思考题一、试述陶瓷的键合、主要结构类型、特一、试述陶瓷的键合、主要结构类型、特性和改善途径。性和改善途径。二、简述连续纤维增强陶瓷基复合材料的二、简述连续纤维增强陶瓷基复合材料的主要制备方法：化学气相渗透（主要制备方法：化学气相渗透（CVICVI）和）和先驱体转化法的工艺过程及特点。先驱体转化法的工艺过程及特点。三、简述短纤维、晶须增强陶瓷基复合材三、简述短纤维、晶须增强陶瓷基复合材料的制备方法：热压烧结、热等静压烧结料的制备方法：热压烧结、热等静压烧结的工艺过程及特点。的工艺过程及特点。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学思考题四、简述陶瓷基复合材料的晶须自增强原四、简述陶瓷基复合材料的晶须自增强原理和纳米陶瓷基复合材料的原位生成工艺。理和纳米陶瓷基复合材料的原位生成工艺。五、试列举你所了解的高性能陶瓷基复合五、试列举你所了解的高性能陶瓷基复合材料的结构、断口和界面的显微照片。材料的结构、断口和界面的显微照片。六、试提供高性能陶瓷基复合材料的各种六、试提供高性能陶瓷基复合材料的各种应用实例。应用实例。