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陶瓷基复合材料

一、陶瓷基复合材料概述

陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基可为

氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对

重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会

产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则

是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有

优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。

陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品。其最高使

用温度主要取决于基体特征。陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、

滑动构件、发动机制件、能源构件等。法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于

制造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意的使用效果。

二、陶瓷基复合材料的界面

陶瓷基复合材料作为新一代高性能耐高温结构材料,在航空航天领域具有广阔

的应用前景。然而,由于其固有的脆性,陶瓷材料在外载作用下极易发生脆性断裂。

为了改善材料的韧性,不仅要使用高强纤维,还需要在纤维与基体之间增加界面相,

从而引入裂纹桥联、裂纹偏转、纤维脱粘滑移等增韧机制。纤维与基体之间的热

解碳界面层对于陶瓷基复合材料是至关重要的。大量拉伸试验均表明,强界面材料

模量高而强度低,断裂应变较小,断口整齐;弱界面材料模量低而强度高,断裂应变较

大,纤维拔出较长,可见,界面可以起到增强和增韧的效果,这得益于弱界面的脱粘作

用。界面脱粘可以减缓纤维应力集中,偏转基体裂纹扩展路径,避免裂纹沿某一横截

面扩展,并阻止应力和能量在材料局部集中,使得材料韧性增加,不发生灾难性破坏。

然而,基体裂纹的扩展也具有一定的随机性,与材料的初始缺陷有关。基体裂纹的连

通会导致裂纹发生失稳扩展,最终造成材料的断裂失效。界面对陶瓷基复合材料拉

伸性能的影响在20世纪就是研究热点,因此,这方面的文献报道较多,但主要成果是

基于统计强度理论和剪滞理论建立起来的细观力学模型,其中包括模量和强度的计

算模型。

三、陶瓷基复合材料制造工艺

1粉末冶金法工艺流程：原料（陶瓷粉末、增强剂、粘结剂和助烧剂）匀混合（球

磨、超声等）冷压成形（热压）烧结适用于颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料

2浆体法（湿态法）为了克服粉末冶金法中各组元混合不均问题，可采用浆体（湿

态）法制备颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料。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。采用浆体浸渍法也可制备连续纤

维增韧陶瓷基复合材料

3反应烧结法

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：（1）

增强剂的体积比可以相当大；（2）可用多种连续纤维预制体；（3）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。

用此方法制备陶瓷基复合材料，化学反应

4、液态浸渍法

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=（rtcos）/2式中r是

圆柱型孔隙管道半径；t是时间；是浸渍剂的表面能；是接触角；是

粘度。

5、直接氧化法

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

Al2O3Al+氮气AlN

6、溶胶–凝胶（Sol–Gel）法

溶胶–凝胶法也可以采用浆体浸渍法制备增强相预制体。溶胶凝胶法的优点是基

体成分容易控制，复合材料的性好，加工温度较低。其缺点是所制的复合材料收缩率大,

导致基体经常发生