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第十章 陶瓷基复合材料 一、陶瓷基复合材料概述 特种陶瓷具有优秀的力 学性能、耐磨性好、硬度高及 耐腐蚀性好等特点，但其脆性 大，耐热震性能差，而且陶瓷 材料对裂纹、气孔和夹杂等细 微的缺陷很敏感。陶瓷基复合 材料使材料的韧性大大改善， 同时其强度、模量有了提高。 颗粒增韧陶瓷基复合材料的弹 图 10 – 1 陶瓷基复合材料的力 – 位移曲线 性模量和强度均较整体陶瓷材 料提高，但力 – 位移曲线形状不发生变化；而纤维陶瓷基复合材料不仅使其弹性模量和强度大大提高，而且还改变了力 – 位移曲线的形状（图10-1）。纤维陶瓷基复合材料在断裂前吸收了大量的断裂能量，使韧性得以大幅度提高。 制备陶瓷基复合材料的主要目的是提高陶瓷的韧性，表 10 – 1列举了不同金属、陶瓷基体和陶瓷基复合材料的断裂韧性比较。 表10–1 不同金属、陶瓷基体和陶瓷基复合材料的断裂韧性比较 材 料 整体陶瓷 颗 粒 增 韧 相 变 增 韧 AlB2B0B3B SiC AlB2B0B3B/TiC SiB3BNB4B/TiC ZrOB2B/MgO ZrOB2B/YB2BOB3B ZrOB2B/ AlB2B0B3B 断裂韧性 MPa/mP1/2P 2.7~ 4.2 4.5~ 6.0 4.2~ 4.5 4. 5 9~12 6 ~ 9 6.5~ 15 裂纹尺寸 大小, (m 1.3~ 36 41~ 74 36~ 41 41 165~ 292 74~ 165 86~ 459 材 料 晶须增韧 纤 维 增 韧 SiC/ AlB2B0B3B SiC/硼硅玻璃 SiC/锂铝硅玻璃 铝 钢 断裂韧性 MPa/mP1/2P 8 ~10 15~25 15~25 33~ 44 44~ 66 裂纹尺寸 大小, (m 131~204 二、陶瓷基复合材料的制备工艺 1、粉末冶金法 原料（陶瓷粉末、增强剂、粘结剂和助烧剂）( 均匀混合（球磨、超声等）( 冷压成形 ( （热压）烧结。 关键是均匀混合和烧结过程防止体积收缩而产生裂纹。 2、浆体法（湿态法） 为了克服粉末冶金法中各 组元混合不均的问题，采用了 浆体（湿态）法制备陶瓷基复 合材料。其混合体为浆体形式。 混合体中各组元保持散凝状， 即在浆体中呈弥散分布。这可 通过调整水溶液的pH值来实 现。对浆体进行超声波震动搅 图 10 – 2 浆体法制备陶瓷基复合材料示意图 拌则可进一步改善弥散性。弥散的浆体可直接浇铸成型或热（冷）压后烧结成型。适用于颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料（图10-2）。采用浆体浸渍法可制备连续纤维增韧陶瓷基复合材料。纤维分布均匀，气孔率低。 3、反应烧结法（图10-3） 用此方法制备陶瓷基复合 材料，除基体材料几乎无收缩外， 还具有以下优点： 增强剂的体积比可以相 当大； 可用多种连续纤维预制 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，因此可避免纤维的损伤。 此方法最大的缺点是高气 孔率难以避免。 图10 –3 反应烧结法制备SiC/SiN 基复合材料工艺流程 4、液态浸渍法（图10- 4） 用此方法制备陶瓷基复合材 料，化学反应、熔体粘度、熔体 对增强材料的浸润性是首要考虑 的问题，这些因素直接影响着材 料的性能。陶瓷熔体可通过毛 细作用渗入增强剂预制体的孔 隙 。施加压力或抽真空将有利 于浸渍过程。假如预制体 中的 孔隙呈一束束有规则间隔的平 行通道，则可用Poisseuiue方 程计算出浸渍高度h： h = ( （( r t cos (）/ 2( 式中r 是圆柱型孔隙管道 半径；t 是时间；( 是浸渍 图10-4 液态浸渍法制备陶瓷基复合材料示意图 剂的表面能；( 是接触角；( 是粘度。 5、直接氧化法（图10-5） 按部件形状制备增强体预制 体，将隔板放在其表面上以阻止基 体材料的生长。熔化的金属在氧气 的作用下发生直接氧化反应形成所 需的反应产物。由于在氧化产物中 的空隙管道的液吸作用 ，熔化金属 会连续不断地供给到生长前沿。 Al + 空气 ( AlB2 BO B3B 图10-5 直接氧化法制备陶瓷基 Al + 氮气 ( AlN 复合材料示意图