第十章     陶瓷基复合材料
一、陶瓷基复合材料概述
         特种陶瓷具有优秀的力
学性能、耐磨性好、硬度高及
耐腐蚀性好等特点，但其脆性
大，耐热震性能差，而且陶瓷
材料对裂纹、气孔和夹杂等细
微的缺陷很敏感。陶瓷基复合
材料使材料的韧性大大改善，
同时其强度、模量有了提高。
颗粒增韧陶瓷基复合材料的弹     图 10 – 1  陶瓷基复合材料的力 – 位移曲线
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（图10-1）。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。
        制备陶瓷基复合材料的主要目的是提高陶瓷的韧性，表 10 – 1列举了不同金属、陶瓷基体和陶瓷基复合材料的断裂韧性比较。
      表10–1    不同金属、陶瓷基体和陶瓷基复合材料的断裂韧性比较
材      料	整体陶瓷	颗 粒 增 韧	相  变  增  韧			AlB2B0B3B	SiC	AlB2B0B3B/TiC	SiB3BNB4B/TiC	ZrOB2B/MgO	ZrOB2B/YB2BOB3B	ZrOB2B/ AlB2B0B3B		断裂韧性
MPa/mP1/2P	2.7~
4.2	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~
74	36~
41	41	165~ 292	74~
165	86~
459		
材      料	晶须增韧	纤 维 增 韧	
			SiC/ AlB2B0B3B	SiC/硼硅玻璃	SiC/锂铝硅玻璃	铝	钢		断裂韧性
MPa/mP1/2P	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。
2、浆体法（湿态法）
        为了克服粉末冶金法中各
组元混合不均的问题，采用了
浆体（湿态）法制备陶瓷基复
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。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       图 10 – 2  浆体法制备陶瓷基复合材料示意图
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）。采用浆体浸渍法可制备连续纤维增韧陶瓷基复合材料。纤维分布均匀，气孔率低。
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。
图10 –3  反应烧结法制备SiC/SiN
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。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 = ( （( r t cos (）/ 2(       
式中r 是圆柱型孔隙管道
半径；t 是时间；( 是浸渍         图10-4    液态浸渍法制备陶瓷基复合材料示意图
剂的表面能；( 是接触角；(  是粘度。
5、直接氧化法（图10-5）
         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 (  AlB2 BO B3B                        图10-5    直接氧化法制备陶瓷基     
        Al + 氮气 (  AlN                                         复合材料示意图
6、溶胶 – 凝胶（Sol – Gel）法（图10- 6）
       溶胶（Sol）是由于化学反应沉积而产生的微小颗粒（直径(100nm）的悬浮液；凝胶（Gel ）是水分减少的溶胶，即比溶胶粘度大的胶体。
       Sol – Gel法  是指金属有机或无机化合物经溶液、溶胶、凝胶等过程而固化，再经热处理生成氧化物或其它化合物固体的方法。该方法可控制材料的微观结构，使均匀性达到微米、纳米甚至分子量级水平。                                                             
       Sol – Gel法制备SiOB2B陶瓷原理如下：
       Si(OR)B4 B+ 4 HB2BO (  Si(OH)B4 B+ 4 ROH
       Si(OH)B4 B( SiOB2B + 2 HB2BO
       使用这种方法，可将各种增强剂加入
基体溶胶中搅拌均匀，当基体溶胶形成凝
胶后，这些增强组元稳定、均匀分布在基
体中，经过干燥或一定温度热处理，然后
压制烧结形成相应的复合材料。                  图10 - 6   溶胶 – 凝胶法制备陶瓷基复合材料示意图
溶胶–凝胶法也
可以采用浆体浸渍法
制备增强相预制体
（图10-7）。
        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 ~1200(C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。       图10 - 8    ICVI法制备纤维陶瓷
复合材料3.doc