第七章 陶瓷基复合材料
（Ceramic Matrix Composites）
一、基本概念和分类
1、定义
陶瓷基复合材料 （Ceramic Matrix Composites，简称CMCs）
以陶瓷材料为基体，以高强度纤维、晶须、晶片和颗粒 为增强体，通过适当的复合工艺所制成的复合材料。
通常也称为复相陶瓷材料（Multiphase ceramics）或多 相复合陶瓷材料（Multiphase composite ceramics)
耐磨蚀、极好抗热震性、极好润滑性 非常高的硬度、极好的热传导体 耐热、高热传导体
耐热、耐腐蚀、耐磨损、高热导体 高断裂韧性、高强度
几种常用的陶瓷基体材料简介：
氧化铝（Al2O3） 二氧化锆（ZrO2） 莫来石（3Al2O32SiO2） 氮化硅（Si3N4，Sialon） 碳化硅（SiC） 玻璃陶瓷（LAS、MAS、CAS）
基复合材料
❖ 晶片补强增韧陶瓷基复合材料——包括人工晶片和天然片状
材料
❖ 长纤维补强增韧陶瓷基复合材料 ❖ 叠层式陶瓷基复合材料——包括层状复合材料和梯度陶瓷基复
合材料。
陶瓷基复合材料类型汇总表
增强体形态 （材料名称）
颗粒
（陶瓷、金属）
晶须
（陶瓷）
纤维
（连续、短纤维） （陶瓷、高熔点金属）
结构复合式
（叠层、梯度） （按设计要求选择材料）
基体材料种类 （材料名称） 玻璃：SiO2等
玻璃陶瓷：LAS、MAS、CAS
氧化物陶瓷：Al2O3, MgO, ZrO2, Mullite
非氧化物陶瓷 碳化物：B4C, SiC, TiC, ZrC, Mo2C, WC 氮化物：BN, AlN, Si3N4,TiN,ZrN 硼化物：AlB2, TiB2, ZrB2
1、氧化铝陶瓷（Al2O3, alumina）
以氧化铝为主成分的陶瓷材料。氧化铝含量越高，性能越好。按 氧化铝含量可分为75瓷、85瓷、95瓷、99瓷和高纯氧化铝瓷等。
主晶相为-Al2O3，属六方晶系，体积密度为3.9 g/cm3左右，熔点 达2050℃。
氧化铝有多种变体，其中主要有、型。除-Al2O3外，其它均 为不稳定晶型。-Al2O3为低温型，具有FCC结构，在950~1200℃范围 内可转化为-Al2O3，体积收缩约13%。在氧化铝陶瓷制备过程中， 一般先将原料预烧， 使-Al2O3转化为-Al2O3。
氧化物陶瓷
氧化铝 二氧化锆 堇青石(Mg2Al4Si5O18) 钛酸铝 莫来石 氧化物复合材料
非氧化物陶瓷
氮化硅
六方氮化硼 立方氮化硼
氮化铝 碳化硅 复合陶瓷
性能
耐热、耐腐蚀、耐磨
高断裂韧性、绝热
低膨胀系数、极好的抗热震性
低膨胀系数、绝热、极好抗热震性
耐热、耐腐蚀
高断裂韧性、高强度
性
能
高断裂韧性、高强度、极好抗热震性、耐磨损
2、分类
(1)、按使用性能特性分类
❖ 结构陶瓷基复合材料
主要利用其力学性能和耐高温性能，主要用作承力和次承力构件，主要特 性是轻质、高强、高刚度、高比模、耐高温、低膨胀、绝热和耐腐蚀等。
❖ 功能陶瓷基复合材料
主要利用其光、声、电、磁、热等物理性能的功能材料，指除力学性能以 外而具有某些物理性能（如导电、半导、磁性、压电、阻尼、吸声、吸波、屏 蔽、阻燃、防热等）的陶瓷基复合材料。主要由功能体（单功能或多功能）和 基体组成，基体不仅起到粘结和赋形的作用，同时也会对复合陶瓷整体性能有 影产生复合效 应而出现新的功能。
250-300 1200 5-5.5 25-30
刚玉瓷
95瓷 95
-Al2O3
3.5 180 280-350 2000 5.5-7.5 15-18
刚玉瓷
99瓷 99
-Al2O3
3.9 250 370-450 2500 6.7 25-30
氧化铝瓷的其它性能 ：
❖ 氧化铝的硬度约为20GPa，仅次于金刚石、立方氮化 硼和碳化硅，有很好的耐磨性。
水泥
硅酸盐化合物、铝酸盐化合物等
叠层式（叠层、梯度）
（按设计要求选择材料）
最高使用温度 （K） 860 1100 1300
1650
二、陶瓷基体
陶瓷基复合材料是由基体材料和增强体材料组成。 基体材料有氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、水泥、玻璃等。 增强体材料主要以不同形态来区分，有颗粒状、纤维状、 晶须、晶板等。
加入适量的稳定剂后，t相可以部分或全部以亚稳定状态存在于室 温，分别称为部分稳定氧化锆（PSZ）或四方相氧化锆多晶体（TZP）。
利用t-ZrO2m-ZrO2的马氏体相变，可以用来增韧陶瓷材料，即 氧化锆增韧陶瓷材料（ZTC）。
ZrO2陶瓷的特点是呈弱酸性或惰性，导热系数小（在100~1000℃ 范围内，导热系数=1.7~2.0W/(mK)，其推荐使用温度为2000~2200℃， 主要用于耐火坩埚、炉子和反应堆的绝热材料、金属表面的热障涂层等。
2、分类
(2)、按基体材料分类
❖ 氧化物陶瓷基复合材料 ❖ 非氧化物陶瓷基复合材料 ❖ 玻璃基或玻璃陶瓷基复合材料 ❖ 水泥基多相复合（陶瓷）材料
2、分类
(3)、按增强体的形态分类
可分为零维（颗粒）、一维（纤维状）、二维（片状和平面织 物）、三维（三向编织体）等陶瓷基复合材料。具体可分为：
❖ 颗粒弥散强化陶瓷基复合材料——包括硬质颗粒和延性颗粒 ❖ 晶须补强增韧陶瓷基复合材料——包括短纤维补强增韧陶瓷
❖ 耐高温性能好，高氧化铝含量的刚玉瓷可在1600℃高 温下长期使用，而且蠕变小。
❖ 氧化铝还具有很好的耐腐蚀性和电绝缘性。 ❖ 但氧化铝脆性较大，抗热震性差，不能承受环境温度
的突然变化。
2、氧化锆陶瓷（ZrO2, zirconia）
以氧化锆为主成分的陶瓷材料。
ZrO2有三种晶型：单斜相(m)、四方相(t)及立方相(c)。在1170℃时 单斜相转变为四方相，此可逆转变同时伴随着7~9%的体积变化，使陶 瓷烧成时容易开裂，故须加入适量的CaO、MgO、CeO2或Y2O3等氧化 物作为稳定剂。
氧化铝陶瓷制备时常用的助烧剂有TiO2、MgO等。
氧化铝瓷的主要性能
名称
牌号 Al2O3含量，wt％
主晶相
密度, g/cm3 抗拉强度, MPa 抗弯强度, MPa 抗压强度, MPa 膨胀系数, 10-6/℃ 介电强度, KV/mm
刚玉－莫来石瓷
75瓷 75
-Al2O3 3Al2O32SiO2
3.2-3.4 140