表1
不同金属、陶瓷基体和陶瓷基复合材料的断裂韧性比较
整体陶瓷 材 料 AlB2BO B3B 断裂韧性 MPa/mP1/2 2.7~4.2
P
颗粒增韧 AlB2BOB 3B/Ti C
相 变 增 韧 ZrOB2B/ AlB2BO
3B
SiC
SiB3BNB4B ZrOB2B/M ZrOB2B/YB /TiC gO 2BOB3B
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
41~7 4
36~41
41
165~ 292
74~165
86~459
表1
不同金属、陶瓷基体和陶瓷基复合材料的断裂韧性比较
晶须增韧 材 料 SiC/Al2O3 断裂韧性 MPa/mP1/
2P
纤维增韧
SiC/硼硅玻 璃
C.6 复合材料
无机非金属材料概论
按制造成本和性能高低分类： 复合材料还可分为常用和先进两类。 常用复合材料如玻璃钢便是用玻璃纤维等性能较低的增强相 与普通高聚物(树脂)构成 。 价格低廉，得以大量发展，广泛用于船舶、车辆、化工管道 和贮罐、建筑结构、体育用品等，可代替钢材。 先进复合材料： 高性能增强相(如碳纤维、芳纶等)与高性能耐热高聚物构成的 复合材料，后来又把金属基、陶瓷基和碳(石墨)基以及功能复 合材料包括在内。
C.6 复合材料
无机非金属材料概论
5.复合材料的种类： 复合材料的种类繁多，分类方法亦不统一。 按性能分类： 结构复合材料、功能复合材料 a.结构复合材料是作为承力结构使用的材料， 基本上由能承受荷载的增强相与能连接增强体 成为整体材料同时又起传递力作用的基体组元构成。
C.6 复合材料
无机非金属材料概论
二、陶瓷基复合材料的制备工艺
2、浆体法（湿态法） 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 浆体法制备 陶瓷基复合材料示意图
图10-4 液态浸渍法制备 陶瓷基复合材料示意图
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 Al2O3 Al + 氮气 AlN
图10 - 6 溶胶 – 凝胶法制 备陶瓷基复合材料示意图
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， 复合材料的均匀性好， 加工温度较低。 其缺点是所制的复合 材料收缩率大，导致 基体经常发生开裂。
图10-7 溶胶– 凝胶法制备 纤维陶瓷基复合材料示意图
7、化学气相浸渍（CVI）法



用CVI法可制备硅化 物、碳化物、氮化物、 硼化物和氧化物等陶 瓷基复合材料。由于 制备温度比较低，不 需外加压力。因此材 料内部残余应力小， 纤维几乎不受损伤。 如可在800~1200C 制备SiC陶瓷。 其缺点是生长周期长、 效率低、成本高、材 料的致密度低等。
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。
C.6 复合材料
无机非金属材料概论
C.6 复合材料
无机非金属材料概论
§6.1 概 述 1.何谓复合材料？ 是由有机高分子、无机非金属或金属等不同材料 通过复合工艺组合而成的。 复合材料是多相材料。它主要包括基体相和增强相。 2.基体相的作用： 基体相是一种连续相材料，它把增强相材料固结成一体， 并起着传递应力的作用； 3.增强相的作用： 增强相起承受应力(结构复合材料)和显示功能 (功能复合材料)的作用。
图10 –3 反应烧结法制备SiC/Si3N4 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。
C.6 复合材料
无机非金属材料概论
它们的性能优良，但价格相对较高，主要用于国防工业、航 空航天、精密机械、深潜器、机器人结构件和高档体育用品 等。 按基体相的材料种类分类， 分为金属基复合材料， 陶瓷基复合材料， 水泥基复合材料， 塑料基复合材料， 橡胶基复合材料等。
C.6 复合材料
无机非金属材料概论
SiC/锂铝硅玻 璃
铝
钢
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。
C.6 复合材料
无机非金属材料概论
4.为何要使用复合材料？ 与一般材料的简单混合有本质的区别，合理的材料设计， 可使复合材料既能保持原组成材料的重要特色， 又通过复合效应使各组分的性能互相补充，获得原组分 不具备的许多优良性能。 例如，金属与陶瓷各有特点，金属及其合金的热稳定性 好，延展性和韧性好，但在高温下易氧化和蠕变，高温 强度低，抗腐蚀能力差；陶瓷耐火度高，耐腐蚀性强， 抗氧化，但脆性大，热稳定性不好。 金属陶瓷就是把二者结合成整体，集二者之优点，使之 具有高硬度、高强度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损和膨胀 系数小等特点，用以制作工具材料、结构材料、耐热耐 腐蚀材料。


颗粒增韧陶瓷基复合材料 的弹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。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。
图 10 – 1 陶瓷基复合材料的力 – 位移曲线
图10 - 10
陶瓷基复合材料界面示意图
2、界面的作用

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，发生裂纹偏转、 裂纹搭桥、纤维断裂 以至于最后纤维拔出。 所有这些过程都要吸 收能量，从而提高复 合材料的断裂韧性 （图10-10）。
C.6 复合材料
无机非金属材料概论
Schematic illustration of principle of composite microstructures
C.6 复合材料
无机非金属材料概论
Schematic representations of (a) continuous and aligned, (b) discontinous and aligned, and (c) discontinuous and randomly oriented fiberreinforced composites.
FIGURE 15.8
C.6 复合材料
无机非金属材料概论
C.6 复合材料
无机非金属材料概论
C.6 复合材料
无机非金属材料概论
C.6 复合材料
无机非金属材料概论
FIGURE 15.11 Schematic demonstration of transformation toughening. (a) A crack prior to inducement of the ZrO2 particle phase transformation. (b) Crack arrestment due to the stressinduced phase transformation.
C.6 复合材料
无机非金属材料概论
Chapter 6 陶瓷基复合材料 (Ceramic-Matrix Composites) CMC
C.6 复合材料
无机非金属材料概论
聚合物、金属、陶瓷的工作温度极限
One relatively complex composite material is the modern ski. In this illustration, a cross-section of a high-performance snow ski, are shown the various components. The function of each component is noted, as well as the material that is used in its construction.
增强相包括各种玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属以及天 然纤维、织物、晶须、片材和颗粒等，基体相则有高聚物(树 脂)、金属、陶瓷、玻璃、碳和水泥等。 结构复合材料的特点：可根据材料在使用中受力的要求进行 组元选材设计，更重要的是还可进行复合结构设计，即增强 相排布设计，能合理地满足特殊要求并节约用材。 b. 功能复合材料：具有某种特殊的物理或化学特性， 可根据其功能来分类，如导电、磁性、阻尼、摩擦、换能等。 功能复合材料一般由功能体组元(增强相)和基体组元(基体相) 组成，基体相不仅起到构成整体的作用，而且能产生协同或 加强功能的作用。