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* * 先进陶瓷工艺学 授课老师：沈宗洋 电话E-mail：shenzongyang@163.com 23 复合材料 本章提要 本章主要介绍了复合材料用的补强剂的制备工艺和性能，着重介绍了纤维（晶须）补强增韧陶瓷基复合材料的机理、制备工艺和性能特点，简单介绍了颗粒补强、金属陶瓷和梯度材料的复合原则和性能。要求掌握常用纤维（晶须）补强增韧陶瓷基复合材料的机理、制备工艺和性能，了解复合材料用的补强剂以及颗粒补强、金属陶瓷和梯度材料的制备工艺和性能。 23 复合材料 23.1 概述 由两种或两种以上不同化学性质或不同组织相的物体，以微观或宏观形式组合而成的材料称为复合材料 其中一类组成（或相）为基体，另一类为增强相 一、复合材料的命名 根据增强材料与基体材料名称分为三种情况： 以基体为主命名，如树脂基复合材料、金属基复合材料、 陶瓷基复合材料； 以增强材料为主命名，如碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料等； 基体和增强材料联合命名，一般将增强材料名称放在前面，基体材料名称放在后面，最后加“复合材料”而成 23 复合材料 23.2 复合材料用补强剂 一、概述 在复合材料中，凡是能增加复合材料的强度、模量或断裂韧性等力学性能的材料称为复合材料用补强剂 目前补强剂的种类有高强度、高模量的晶须，陶瓷纤维（一维补强剂），片状或层板状晶体（二维补强剂）及颗粒材料 按补强剂的晶形可区分为：单晶纤维（晶须）、多晶纤维和片状晶体等几类 23 复合材料 单晶纤维（晶须） 直径小于几个微米、长度为直径数百倍的细长针状的单晶体称为单晶纤维或称晶须。它具有高强度（几乎接近理论强度）、高模量、低密度和耐热性高的特点 多晶纤维 由多个单晶体结合而成的纤维称为多晶纤维。它一般由5×10-3～5×10-2μm的小晶粒构成。这些纤维有氧化铝多晶纤维、氧化锆多晶纤维、莫来石多晶纤维等 以纤维的长度，又可分为长纤维、定长纤维和短纤维等几种 片状晶体 沿二维方向发育的晶体称片状晶体。如钡云母晶体、碳化硅片晶和氧化铝板状晶体等。它可以在二维方向起到增韧补强的效果 23 复合材料 23.3 纤维补强陶瓷基复合材料 一、概述 纤维补强陶瓷基复合材料的主要机理如下 负载传递 当纤维的弹性模量（Ef）大于基体的弹性模量（Em）时，施加在复合材料上的应力可以通过基体的塑性或弹性形变传递到纤维上，这时纤维承担着较大的外加负荷，从而产生有效的增强效果 23 复合材料 预应力效应 由于纤维与基体材料热膨胀系数的差异，复合材料从工艺处理温度冷却下来时，将会产生一个残余应力，称为预应力。当纤维的膨胀系数大于基体时，纤维本身在长度方向上承受张应力作用，基体则受压应力作用，才能产生预应力强化效应 拨出效应 复合材料在断裂破坏过程中，由于纤维从基体中的“拨出”而消耗一部分能量，从而提高了材料的断裂韧性。产生“拨出”的必要条件是纤维和基体间有较高的横向断裂韧性以及较差的界面结合，这种效应随纤维体积分数的增大而显著提高 23 复合材料 微裂纹化能量吸收 纤维与基体材料间物理性能的失配是在复合材料基体内造成微裂纹的主要原因。在复合材料破坏过程中，由于断裂面上的微裂纹吸收了部分能量，减缓了裂纹扩展的速度，从而相应提高了材料的韧性 裂纹转向 由于纤维和基体间的热膨胀系数与弹性模量等失配而产生应力场，使裂纹在纤维周围产生倾斜或弯曲，尖端钝化或转向，裂纹扩展途径更为复杂，从而达到补强效果 23 复合材料 要制备性能好的复合材料，首先必须考虑纤维与基体在化学和物理上的相容性 化学上的相容性主要指的是在所需的温度下纤维与基体不发生化学反应，当然也包括纤维本身不致在该温度下引起性能退化 。 物理上的相容性主要是两者热膨胀性能匹配。 两者在弹性模量上的匹配 。 只有纤维具有较高的弹性模量，才有可能分担更多负荷。 23 复合材料 要制作高强度、高韧性复合材料，最好能满足以下几点要求 高强度、高模量的纤维或晶须（均大于基体材料） 在复合材料制备条件（如温度和气氛）下，纤维或晶须性能不退化 纤维或晶须与基体不发生化学反应 热膨胀系数匹配，最好是αf适当大于αm 在复合材料中，纤维与基体间的结合力以达到这样的程度为宜，即保证基体应力向纤维上的有效传递，又能使纤维从基体中有足够长度的拨出。 23 复合材料 二、纤维补强陶瓷复合材料制造工艺 可采用两条工艺路线：一是成型与烧结分开进行的，即先成型再烧结；二是成型与烧结一次完成的（热压、热等静压等） 工艺流程 脱脂、热压 陶瓷复合材料 成型