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复合材料 第二章 复合材料基体 Contents 二、陶瓷基体材料 传统的陶瓷指陶器和瓷器，也包括玻璃、水泥、搪瓷、砖瓦等人造无机非金属材料。 这些材料都是由含二氧化硅的天然硅酸盐矿物质，如粘土、石灰石、砂子等为原料制成的，所以陶瓷材料也是硅酸盐材料。 随着现代科学技术的发展，出现了许多性能优异的新型陶瓷，它们不仅含有氧化物，还有碳化物、硼化物和氮化物等。 陶瓷基体材料主要以结晶和非结晶两种形态的化合物存在 与纤维或晶须之间有良好的界面相容性以及较好的工艺性能等 高纯BN是绝缘体，电阻率为1011?.m（1000℃高温下为102- 104 ?.m)，介电常数为3.0-5.3，介电损耗因子为(2- 8)*l04，击穿电为950kV／cm，高温下也能保持绝缘性。 六方晶型BN的莫氏硬度为2，无明显熔点，升华分解温度为 3000℃，理论密度2.27g/cm3。 BN的抗氧化性能优异，可在900℃以下的氧化气氛中和2800℃以下的氮气和惰性气氛中使用。 耐碱、酸、金属、砷化镓和玻璃熔渣侵蚀，对大多数金属和玻璃熔体不润湿，也不反应。 Southwest University 金属基体材料 1 陶瓷基体材料 2 聚合物基体材料 4 无机胶凝材料 3 １、玻璃 2、玻璃陶瓷 3、氧化物陶瓷 4、非氧化物陶瓷 陶瓷的优点: 陶瓷是金属和非金属元素的固体化合物，其键合为共价键或离子键。 陶瓷具有比金属更高的熔点和硬度，化学性质非常稳定，耐热性、抗老化性皆好。 通常的陶瓷是绝缘体，在高温下也可以导电，但比金属导电性差得多。 陶瓷的缺点: 脆性强 韧性差 因存在裂纹、空隙、杂质等细微缺陷而破碎，引起不可预测的灾难性后果，因而大大限制了陶瓷作为承载结构材料的应用。 陶瓷韧性的改进: 在陶瓷基体中添加其它成分，如陶瓷粒子、纤维或晶须，可提高陶瓷的韧性。粒子增强虽能使陶瓷的韧性有所提高，但效果并不显著。 一些陶瓷材料的物理和机械性能 玻璃是通过无机材料高温烧结而成的一种陶瓷材料。 与其它陶瓷材料不同，玻璃在熔体后不经结晶而冷却成为坚硬的无机材料，具有非晶态结构是玻璃的特征之一。 １. 玻 璃 在玻璃坯体的烧结过程中，由于复杂的物理化学反应产生不平衡的酸性和碱性氧化物的熔融液相，其粘度较大，并在冷却过程中进一步迅速增大。 当粘度增大到一定程度(约10 12Pa s)时，熔体硬化并转变为具有固体性质的无定形物体即玻璃。此时相应的温度称为玻璃化转变温度(Tg)。 当温度低于Tg时，玻璃表现出脆性。 加热时玻璃熔体的粘度降低，在达到某一粘度(约10 8 Pa.s)所对应的温度时，玻璃显著软化，这一温度称为软化温度(Ｔf)。 Tg和Tf的高低主要取决于玻璃的成分。 许多无机玻璃可以通过适当的热处理使其由非晶态转变为晶态，这一过程称为反玻璃化。 由于反玻璃化使玻璃成为多晶体，透光性变差，而且因体积变化还会产生内应力，影响材料强度。所以，通常应当避免发生反玻璃化过程。 2 玻璃陶瓷 对于某些玻璃，反玻璃化过程可以控制，最后能够得到无残余应力的微晶玻璃，这种材料称为玻璃陶瓷。 　　 为了实现反玻璃化，需要加入成核剂(如TiO2)。玻璃陶瓷具有热膨胀系数小、力学性能好和导热系数较大等特点，玻璃陶瓷基复合材料的研究在国内外都受到重视。 作为基体材料使用的氧化物陶瓷主要有A1203，MgO，SiO2，ZrO2，莫来石(即富铝红柱石，化学式为3A12O3·２SiO2)等，它们的溶点在2000 ℃以上。 氧化物陶瓷主要为单相多晶结构，除晶相外，可能还含有少量气相(气孔)。微晶氧化物的强度较高，粗晶结构时，晶界面上的残余应力较大，对强度不利。 3　氧化物陶瓷基体 氧化物陶瓷的强度随环境温度升高而降低，但在1000℃以下降低较小。 由于A12O3和ZrO2的抗热震性较差，SiO2在高温下容易发生蠕变和相变。氧化物陶瓷基复合材料应避免在高应力和高温环境下使用。 虽然莫来石具有较好的抗蠕变性能和较低的热膨胀系数，但使用温度也不宜超过1200 ℃ 。 (1)氧化铝陶瓷基体 以氧化铝(Al2O3)为主要成分的陶瓷称为氧化铝陶瓷，氧化铝仅有一种热动力学稳定的相态，即?-Al2O3 ，属六方晶系。 氧化铝陶瓷包括高纯氧化铝瓷，99氧化铝瓷，95氧化铝瓷和85氧化铝瓷等品种，其氧化铝含量(质量分数)依此为99．9％、99％、95％和85％，烧结温度依次为1800℃、1700℃、1650℃和1500℃。 以?-Al2O3和3Al2O3.2SiO2为主晶相的称为刚玉--莫来石瓷，主要原料为高岭土、氧化铝和少量膨润土，烧结温度为1350℃左右 ?-Al2O3能被氧化锆粉体增韧，其原理是：　　 氧化锆有四方相和单斜相两种形态，当氧化锆和氧化铝的粉体混合