ZrO2含量(vol%)
Al2O3+20mol%SiCw+ZrO2(Y2O3)
SiCw与ZrO2复合增韧Al2O3的强度与断裂韧性
23
下表则给出了莫来石及其制得的复合材料的
强度与韧性。
材料 莫来石 f (Mpa) 244 KIC (MPa.M1/2) 2.8
莫来石+ SiCw 莫来石+ ZrO2+SiCw
29
(N)
(位移 m)
7.2 陶瓷基复合材料的成型加工
7.2.1 纤维增强陶瓷基复合材料的加工;
7.2.2 晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工; 7.3 陶瓷基复合材料的应用。
30
7.2.1 纤维增强
性能：基体、纤维及二者之间的结合等
基体：与气孔的尺寸及数量，裂纹的大小以及一些其它缺 陷有关； 纤维：与纤维中的杂质、纤维的氧化程度、损伤及其他固 有缺陷有关；
6
玻璃纤维
玻璃球
玻 璃 玻璃球再熔化 纤 维 生 连续纤维 上浆 产 流 程 纱线 图
绕线筒
7
硼纤维
多相的，无定形； 用化学沉积法将无定形硼沉积在钨丝或者碳纤
维上形成的；
在实际结构的硼纤维中，由于缺少大晶体结构，
使其纤维强度下降到只有晶体硼纤维一半左右；
8
晶须
晶须没有微裂纹、位错、孔洞和表面损伤等缺陷， 因此强度比大块晶体高； 研究较多的是SiC、A12O3及Si3N4晶须
36
陶瓷与金属的一个重要区别也在于它对制造工艺
中的微小变化特别敏感，而这些微小的变化在最终
烧成产品前是很难察觉的。
陶瓷制品一旦烧结结束，发现产品的质量有问题
时则为时已晚。 由于工艺路线很长，要查找原因十分困难。这就
使得实际经验的积累变得越发重要。
37
7.3 陶瓷基复合材料的应用
陶瓷材料具有耐高温、高强度、高硬度及耐腐蚀
陶瓷，属于无机化合物
硅酸盐材料 无机非金属材料
包括：碳化硅、氮化硅、氧化铝等
3
陶瓷中的化学键是介于离子键和共价键之间的混合键 经验公式：
xA xB 2 / 4 PAB 1 exp
晶体结构复杂
、晶须和颗粒三类。
5
碳纤维:有机母体的热氧化和石墨化。
纤维与基体之间的结合较好，是目前采用较多的方法；
加压过程中纤维取向存在各向异性；
32
3. 浸渍法
这种方法适用于长纤维。首先把纤维编织成所需形状，然 后用陶瓷泥浆浸渍，干燥后进行焙烧。 优点：纤维取向可自由调节，如单向及多向排布等。 缺点：不能制造大尺寸制品，致密度较低。
33
7.2.2 晶须与颗粒
经一次干燥制成粉末坯料后供给成型工序；（加压：金 属模压、等静压） 把结合剂添加于料浆中、不干燥坯料，保持浆状供给成 型工序；（注射成型、注浆成型）
用压滤机将料浆状的粉脱水后成坯料供给成型工序； （挤压成型）
35
3. 烧结 从生坯中除去粘合剂组分后的陶瓷素坯烧固成致密制品 的过程叫烧结。 为了烧结，必需有专门的窑炉。窑炉的种类繁多，按其 功能进行划分可分为间歇式（生坯的硬化、烧结、冷却及制 品的取出）和连续式（预热、烧结、冷却连续）。 4．精加工 由于高精度的需求，因此烧结后还需进行精加工。 精加工的目的是为了提高烧成品的尺寸精度和表面平滑 性，前者主要用金刚石砂轮进行磨削加工，后者则用磨料进 行研磨加工。
f(MPa)
SiCp含量（vol%）
SiCp含量（vol%）
从中可以看出，在SiCp含量为5％时强度及 韧性达到了最高值。
19
晶须与颗粒对陶瓷材料的增韧均有一定作用，且各有利弊：
晶须的增强增韧效果好，但含量高时会使致密度下降； 颗粒可克服晶须的弱点，但增强增韧效果却不如晶须； 若将晶须与颗粒共同使用，可取长补短，达到更好效果。
晶须与颗粒的尺寸均很小，工艺基本相同。
将晶须或颗粒分散后并与基体粉末混合均匀，再用热压烧
结的方法即可制得高性能的复台材料。
步骤： 配料 成型 烧结 精加工
34
1．配料
要求均质、孔隙少的微观组织，严格挑选原料。 混料可分为：干法和湿法，大多采用湿法。 水溶剂和有机溶剂，球磨过程应防污染 2．成型
混好后的料浆在成型时有三种不同的情况：
并迅速扩展至复合
材料的横截面，导 致平面断裂。
基体
(a)强界面结合
27
若界面结合较
弱，当基体中的裂
纹扩展至纤维时，
将导致界面脱粘，
其后裂纹发生偏转、
裂纹搭桥、纤维断 裂以致最后纤维拔 出(图 b)。
(b)弱界面结合
28
下图为SiCw/ ZrO2材料的载荷--位移曲线。
载 荷
从图中可以看出，有明显的锯齿效应，这 是晶须拔出桥连机制作用的结果。
Si3N4+SiCw
452 551~580
1000
4.4 5.4~6.7
11~12
很明显，由ZrO2+SiCw与莫来石制得的复合材料要比 单独用SiCw与莫来石制得的复合材料的性能好得多。
24
7.1.4 陶瓷基复合材料的界面和强韧化机理
两类界面： 无反应界面（共格、半共格、非共格）； 中间反应层界面（界面厚度可控）；
第一阶段在空气中于200~400℃进行低温氧化； 第二阶段在惰性气体中在1000℃左右进行碳化处理； 第三阶段在惰性气体中于2000℃以上作石墨化处理。 高模量型（拉伸模量约为400 GPa，拉伸强度约为1.7 GPa ） 低模量型（拉伸模量约为240 GPa，拉伸强度约为2.5 GPa ） 主要用在把强度、刚度、重量和抗化学性作为设计参数的构件 但需防止氧化。
断 裂 韧 性
Al2O3+ SiCw 复 合 材 料 的 力 学 性 能
KIC(MPa.m1/2)
f(MPa) SiCw含量（vol%） 维 氏 硬 度 HV(GPa)
SiCw含量（vol%）
弹 性 模 量
E(GPa) SiCw含量（vol%）
16
采用颗粒来代替晶须，在原料的混合均匀化 及烧结致密化方面比晶须要容易。 当所用的颗粒为SiC，TiC时，基体材料采用 最多的是Al2O3，Si3N4。 目前，这些复合材料已广泛用来制造刀具。
14
断 裂 韧 性
弯 曲 强 度
ZrO2(Y2O3)+ SiCw 复 合 材 料 的 力 学 性 能
KIC(MPa.m1/2)
f(MPa) SiCw含量（vol%）
不能致密烧结
SiCw含量（vol%）
维 氏 硬 度
弹 性 模 量
HV(GPa)
E(GPa) SiCw含量（vol%）
15
弯 曲 强 度
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弯 曲 强 度
断 裂 韧 性
KIC(MPa.m1/2)
f(MPa)
SiCw含量(vol%)
SiCw含量(vol%)
SiCw与ZrO2复合增韧Al2O3的强度与断裂韧性 Al2O3+20vol%ZrO2+SiCw
22
弯 曲 强 度
断 裂 韧 性
KIC(MPa.m1/2)
f(MPa)
ZrO2含量(vol%)
9
颗粒
一般为几个微米。 常用得的颗粒也是SiC、Si3N4等。
10
7.1.2 纤维增强陶瓷基复合材料
1、单向排布长纤维复合材料
各向异性
裂纹垂直于纤维方向扩展示意图 陶瓷为什么脆？
11
2．多向排布纤维增韧复合材料
需要各向同性或近似各向同性场合
纤维层 纤维层
基体
基体
纤维布层压复合材料示意图
多层纤维按不同角度方向层压示意图
第七章 陶瓷基复合材料
7.1 陶瓷基复合材料的种类及基本性能 7.2 陶瓷基复合材料的成型加工技术 7.3 陶瓷基复合材料的应用
1
7.1 陶瓷基复合材料的种类及基本性能
优点：耐高温、耐磨损、耐腐蚀及重量轻； 缺点：脆性
韧化陶瓷
加入起增韧作用的第二相
2
7.1.1 陶瓷基复合材料的基体与增强体
1．基体：
目前，已有了这方面的研究工作，如使用SiCw与ZrO2来共 同增韧，用SiCw与SiCp来共同增韧等。
20
维 氏 硬 度
弹 性 模 量
维 氏 硬 度
弹 性 模 量
HV(GPa)
E(GPa)
HV(GPa)
E(GPa)
SiCw含量(vol%) (a)
ZrO2含量(vol%) (b)
SiCw与ZrO2复合增韧Al2O3的硬度与弹性模量
性好等特点，但其脆性大的弱点限制了它的广泛应
用。
实用化或即将实用化的领域包括：刀具、滑动构 件、航空航天构件、发动机制件、能源构件等
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SiCw/ Al2O3复合材料钻头
陶瓷刀
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界面：与界面及结合效果、纤维在基体中的取向，以及载
体与纤维的热膨胀系数差有关；
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1．泥浆烧铸法
在陶瓷泥浆中分散纤维。然后浇铸在石膏模型中。 古老，不受形状的限制，成本低，工艺简单，适合于短 纤维增强。但对提高产品性能的效果不显著， 2．热压烧结法 将长纤维切短(<3mm)，然后分散并与基体粉末混合， 再用热压烧结的方法即可制得高性能的复合材料；
12
Z
由于每束纤维呈
直线伸展，不存
在相互交缠和绕 曲，因而使纤维 可以充分发挥最 大的结构强度。 X
Y 三向C/C编织结构示意图
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7.1.3 晶须和颗粒增强陶瓷基复合材料
长纤维性能优越，但工艺复杂，且在基体中不 易分布均匀; 将晶须分散后与基体粉末混合均匀，然后对混 好的粉末进行热压烧结; 晶须:SiC，Si3N4，Al2O3; 基体:Al2O3，ZrO2，SiO2，Si3N4及莫来石等。