110.陶瓷基復(fù)合材料110.陶瓷基復(fù)合材料210.1陶瓷基體熔點(diǎn)高，耐高溫，硬度大，耐磨性好化學(xué)穩(wěn)定性好，耐腐蝕密度較小韌性低（或脆性）熱膨脹系數(shù)較小，抗熱震性能差基體普遍特點(diǎn)：陶瓷基體，是一種包括范圍很廣的材料，屬于無機(jī)化合物而不是單質(zhì)，所以它的結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比金屬合金復(fù)雜得多。陶瓷材料中的化學(xué)鍵往往是介于離子鍵與共價鍵之間的混合鍵。210.1陶瓷基體熔點(diǎn)高，耐高溫，硬度大，耐磨性好基體普3化合物熔點(diǎn)/℃化合物熔點(diǎn)/℃化合物熔點(diǎn)/℃Al2O32054ZnO1975ZrN2980ZrO22677TiO21857Ti2B2897莫來石1850SiC2837TiC3070一些陶瓷材料的熔點(diǎn)/℃

10.1陶瓷基體3化合物熔點(diǎn)/℃化合物熔點(diǎn)/℃化合物熔點(diǎn)/℃Al2O32054具有致命的缺點(diǎn)，即脆性。這一弱點(diǎn)正是目前陶磁材料的使用受到很大限制的主要原因。10.1陶瓷基體4具有致命的缺點(diǎn)，即脆性。10.1陶瓷基體5

如何實(shí)現(xiàn)陶瓷的韌性化問題成了近年來陶瓷開發(fā)的一個重點(diǎn)問題。向陶瓷材料中加入起增韌作用的第二相、制成陶瓷基復(fù)合材料是解決陶瓷增韌的重要手段。10.1陶瓷基體5如何實(shí)現(xiàn)陶瓷的韌性化問題成了近年來陶瓷開發(fā)的一個重點(diǎn)問題6現(xiàn)代陶瓷材料最早源于硅酸鹽材料，逐漸擴(kuò)大到其他的無機(jī)非金屬材料。如：碳化硅、氮化硅、氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂優(yōu)點(diǎn)：耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、重量輕和價格低等10.1陶瓷基體6現(xiàn)代陶瓷材料最早源于硅酸鹽材料，逐漸擴(kuò)大到其他的無機(jī)非7

常見的陶瓷基體有：（1）氧化物基體

（2）非氧化物基體

金屬碳化物，氮化物、硼化物等（3）微晶玻璃10.1陶瓷基體7常見的陶瓷基體有：10.1陶瓷基體8主要由離子鍵結(jié)合，也有一定成分的共價鍵

純氧化物陶瓷的熔點(diǎn)多超過2000℃。在800～1000℃以前強(qiáng)度降低不大氧化物陶瓷在高溫下不會被氧化，所以常做高溫耐火結(jié)構(gòu)材料

常見的基體材料有氧化鋁和氧化鋯陶瓷10.1.1氧化物陶瓷8主要由離子鍵結(jié)合，也有一定成分的共價鍵10.1.1氧91）氧化鋁陶瓷的主要性能

主要有具有α、β和γ三種晶型，其中α和γ型是純氧化鋁，而β型是含堿的鋁酸鹽基體材料的氧化鋁陶瓷主要是α-Al2O3，純度為99～99.5％，密度3.75～3.85g/cm3，熔點(diǎn)2054℃。剛玉瓷具有很好的機(jī)械強(qiáng)度，加熱到1600～1700℃仍保持很高的機(jī)械強(qiáng)度。化學(xué)穩(wěn)定性好，與酸堿都不發(fā)生作用，常溫下，也不與氫氟酸發(fā)生作用。具有很好的介電性，同時還可以作為透光度為80％以上的制品。10.1.1氧化物陶瓷91）氧化鋁陶瓷的主要性能主要有具有α、β和γ三101）氧化鋁陶瓷的主要性能10.1.1氧化物陶瓷101）氧化鋁陶瓷的主要性能10.1.1氧化物陶瓷112）氧化鋯陶瓷

單斜變四方時體積收縮7.7％，晶型轉(zhuǎn)變產(chǎn)生明顯的體積收縮或膨脹，可以加入一些的穩(wěn)定劑，如CaO、MgO等，保持氧化鋯的四方結(jié)構(gòu)。氧化鋯熔點(diǎn)2667℃，熱的不良導(dǎo)體，化學(xué)性能穩(wěn)定?？勺鳛槟突鸩牧?，熔融鉑、銠、鈦等金屬的坩鍋，最高溫度可達(dá)2500℃。可用作火箭和噴氣發(fā)動機(jī)的耐腐蝕部件。10.1.1氧化物陶瓷112）氧化鋯陶瓷單斜變四方時體積收縮7.7％，1210.1.2非氧化物陶瓷

在自然界很少，需要人工合成。非氧化物陶瓷主要是共價鍵結(jié)合而成，但也有一定的金屬鍵成分。這類陶瓷材料的熔點(diǎn)高、硬度大和耐磨性好。具有特殊的電磁和化學(xué)性質(zhì)。但這類材料的脆性大，高溫抗氧化能力不高，所以在高溫氧化氣氛中使用壽命有限。常見的基體材料有碳化硅和氮化硅陶瓷。1210.1.2非氧化物陶瓷在自然界很少，需要人工合成。131）碳化硅陶瓷α和β兩種晶型，α為六方型多層鏈狀結(jié)構(gòu)。β型為立方結(jié)構(gòu)，在2100℃轉(zhuǎn)變?yōu)棣列?。無熔點(diǎn)，在2830℃發(fā)生分解。理論密度3.21g/cm3，莫氏硬度9.2，耐磨性好，導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)4.7×10-6/℃?；瘜W(xué)穩(wěn)定性好，除磷酸、硝酸和氫氟酸混合酸外，與所有的酸都不反應(yīng)。碳化物中抗氧化能力最好。高溫下能與金屬氧化物發(fā)生反應(yīng)。工業(yè)陶瓷中碳化硅有黑色和綠色兩種，黑色是碳過量，綠色是硅過量。10.1.2非氧化物陶瓷

131）碳化硅陶瓷α和β兩種晶型，α為六方型多層鏈狀結(jié)構(gòu)。142）氮化硅陶瓷

氮和硅的唯一化合物。有α、β兩中晶型，α屬于低溫型，在1400～1600℃時轉(zhuǎn)變?yōu)棣滦停ǜ邷胤€(wěn)定型）。兩種變體均屬于六方晶系，但c方向上α型晶格常數(shù)β型的2倍。兩種晶型密度很相近，相變時幾乎不發(fā)生體積變化

。理論密度為3.184g/cm3，布氏硬度99級，分解溫度1900℃，α型膨脹系數(shù)為3.0×10-6/℃,β型熱膨脹系數(shù)為3.6×10-6/℃。20℃時電阻率為1013~14Ω?cm。機(jī)械強(qiáng)度高，尤其是高溫機(jī)械強(qiáng)度?；瘜W(xué)穩(wěn)定性好，抗氧化能力強(qiáng)。10.1.2非氧化物陶瓷

142）氮化硅陶瓷氮和硅的唯一化合物。有α、β兩中晶型，α15氮化硅是一種出色的耐腐蝕材料，可用作坩鍋，熱電偶保護(hù)管，金屬冶煉爐的內(nèi)襯材料。有極高的熱穩(wěn)定性和中等的機(jī)械強(qiáng)度，可以用作火箭噴嘴、導(dǎo)彈發(fā)射臺和尾氣噴管以及燃?xì)廨喨~片。

氮化硅原子自擴(kuò)散系數(shù)非常小，制備難，近年來人們開始研究添加氧化鋁形成的氮化硅固溶體形成Sialon陶瓷（賽隆，含有Si、Al、O、N四種元素）。

10.1.2非氧化物陶瓷

15氮化硅是一種出色的耐腐蝕材料，可用作坩鍋，熱電偶保護(hù)管，1610.1.3微晶玻璃玻璃組成中引入晶核劑，通過熱處理、光照或化學(xué)處理等手段，使玻璃內(nèi)均勻析出大量微小晶體，形成致密的微晶相和玻璃相的多相復(fù)合體。控制析出的微晶的種類、數(shù)量和尺寸，可以獲得透明微晶玻璃、膨脹系數(shù)為零的微晶玻璃及可切削的微晶玻璃。按照基礎(chǔ)玻璃組成，分為硅酸鹽、鋁硅酸鹽、硼硅酸鹽、硼酸鹽和磷酸鹽5大類1610.1.3微晶玻璃玻璃組成中引入晶核劑，通過熱處17幾何尺寸上增強(qiáng)體可分為三類：

纖維(長、短纖維)

晶須顆粒

陶瓷復(fù)合材料的增強(qiáng)體17幾何尺寸上增強(qiáng)體可分為三類：陶瓷復(fù)合材料的增強(qiáng)體1810.2.1陶瓷基復(fù)合材料的界面

一、界面的粘結(jié)形式二、界面的作用三、界面性能的改善10.2陶瓷基復(fù)合材料的界面和強(qiáng)韌化機(jī)理1810.2.1陶瓷基復(fù)合材料的界面10.2陶瓷基復(fù)19

對于陶瓷基復(fù)合材料來講，界面的粘結(jié)形式主要有兩種：

(1)機(jī)械粘結(jié)

(2)化學(xué)粘結(jié)一、界面的粘結(jié)形式19對于陶瓷基復(fù)合材料來講，界面的粘結(jié)形式20

由于陶瓷基復(fù)合材料往往是在高溫條件下制備，而且往往在高溫環(huán)境中工作因此增強(qiáng)體與陶瓷之間容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成化學(xué)粘結(jié)的界面層或反應(yīng)層。若基體與增強(qiáng)體之間不發(fā)生反應(yīng)或控制它們之間發(fā)生反應(yīng)，那么當(dāng)從高溫冷卻下來時，陶瓷的收縮大于增強(qiáng)體，此時會形成較強(qiáng)的機(jī)械結(jié)合。20由于陶瓷基復(fù)合材料往往是在高溫條件下制備21可以推出由于收縮而產(chǎn)生的徑向壓應(yīng)力r

與界面剪應(yīng)力的關(guān)系：此外，基體在高溫時為液體(或粘性體)，它也可滲入或浸入纖維表面的縫隙等缺陷處，冷卻后形成機(jī)械結(jié)合。21可以推出由于收縮而產(chǎn)生的徑向壓應(yīng)力r與界面剪應(yīng)力22實(shí)際上，高溫下原子的活性增大，原子的擴(kuò)散速度較室溫大的多，由于增強(qiáng)體與陶瓷基體的原子擴(kuò)散，在界面上更易形成固溶體和化合物。此時，增強(qiáng)體與基體之間的界面是具有一定厚度的界面反應(yīng)區(qū)，它與基體和增強(qiáng)體都能較好的結(jié)合，但通常是脆性的。例如Al2O3f/SiO2系中會發(fā)生反應(yīng)形成強(qiáng)的化學(xué)鍵結(jié)合。22實(shí)際上，高溫下原子的活性增大，原子的擴(kuò)散速度較室溫大23二、界面的作用對于陶瓷基復(fù)合材料來講，界面粘結(jié)性能影響陶瓷基體和復(fù)合材料的斷裂行為。對于陶瓷基復(fù)合材料的界面來說：一方面,應(yīng)強(qiáng)到足以傳遞軸向載荷，并具有高的橫向強(qiáng)度；

另一方面，陶瓷基復(fù)合材料的界面要弱到足以沿界面發(fā)生橫向裂紋及裂紋偏轉(zhuǎn)直到纖維的拔出。因此，陶瓷基復(fù)合材料界面要有一個最佳的界面強(qiáng)度。23二、界面的作用對于陶瓷基復(fù)合材料來講，界面粘結(jié)性能影24強(qiáng)的界面粘結(jié)往往導(dǎo)致脆性破壞，如下圖(a)所示。裂紋可以在復(fù)合材料的任一部位形成，并迅速擴(kuò)展至復(fù)合材料的橫截面，導(dǎo)致平面斷裂。纖維基體(a)強(qiáng)界面結(jié)合平面斷裂主要是由于在斷裂過程中，強(qiáng)的界面結(jié)合不產(chǎn)生額外的能量消耗。24強(qiáng)的界面粘結(jié)往往導(dǎo)致脆性破壞，如下圖(a)所示。纖維基25若界面結(jié)合較弱，當(dāng)基體中的裂紋擴(kuò)展至纖維時，將導(dǎo)致界面脫粘，其后裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)、裂紋搭橋、纖維斷裂以致最后纖維拔出(圖b)。(b)弱界面結(jié)合

裂紋的偏轉(zhuǎn)、搭橋、斷裂以致最后纖維拔出等，這些過程都要吸收能量，從而提高復(fù)合材料的斷裂韌性，避免了突然的脆性失效。25若界面結(jié)合較弱，當(dāng)基體中的裂紋擴(kuò)展至纖維時，將導(dǎo)致界26另一方面，陶瓷基復(fù)合材料的界面要弱到足以沿界面發(fā)生橫向裂紋及裂紋偏轉(zhuǎn)直到纖維的拔出。因此，陶瓷基復(fù)合材料界面要有一個最佳的界面強(qiáng)度。26另一方面，陶瓷基復(fù)合材料的界面要弱到足以沿界面發(fā)生橫27三、界面性能的改善為獲得最佳的界面結(jié)合強(qiáng)度①完全避免界面間的化學(xué)反應(yīng)或②盡量降低界面間的化學(xué)反應(yīng)程度和范圍27三、界面性能的改善為獲得最佳的界面結(jié)合強(qiáng)度28在實(shí)際應(yīng)用中，除選擇纖維和基體在加工和使用期間能形成穩(wěn)定的熱力學(xué)界面外，最常用的方法就是在與基體復(fù)合之前，往增強(qiáng)材料表面上沉積一層薄的涂層。

C和BN是最常用的涂層，此外還有SiC、ZrO2和SnO2涂層。

涂層的厚度通常在0.1~1um，涂層的選擇取決于纖維、基體、加工和服役要求。纖維上的涂層除了可以改變復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度外，對纖維還可起到保護(hù)作用，避免在加工和處理過程中造成纖維的機(jī)械損壞。28在實(shí)際應(yīng)用中，除選擇纖維和基體在加工和使用期間能形成29莫來石纖維上未涂BN涂層莫來石纖維上涂有BN涂層從圖中可看出，若纖維未涂BN涂層，則復(fù)合材料的斷面呈現(xiàn)為脆性的平面斷裂；而經(jīng)CVD沉積0.2um的BN涂層后，斷面上可見到大量的纖維拔出。莫來石纖維增強(qiáng)玻璃基體復(fù)合材料的斷裂行為差異：29莫來石纖維上未涂BN涂層莫來石纖維上涂有BN涂層從圖30一、纖維增韌機(jī)理二、晶須增韌機(jī)理三、顆粒增韌機(jī)理10.2.2陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)韌化機(jī)理30一、纖維增韌機(jī)理10.2.2陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)韌化機(jī)理31通過增加斷裂功、阻礙裂紋擴(kuò)展，或者纖維斷頭克服與基體的界面摩擦力拔出一、纖維增韌機(jī)理纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線31通過增加斷裂功、阻礙裂紋擴(kuò)展，或者纖維斷頭克服與基體的界32裂紋擴(kuò)展示意圖（a）纖維被基體摩擦力固定的原始狀態(tài)（b）裂紋從基體擴(kuò)展至纖維被阻止（c）由于界面剪切和纖維與基體的橫向收縮使界面解離，裂紋沿纖維/基體之間的界面偏離；（d）界面進(jìn)一步解離，纖維破裂，裂紋繼續(xù)沿主方向擴(kuò)展；（e）破裂的纖維端部克服界面摩擦阻力撥出，復(fù)合材料整體破壞32裂紋擴(kuò)展示意圖（a）纖維被基體摩擦力固定的原始狀態(tài)33實(shí)際材料斷裂過程中，纖維的斷裂并非發(fā)生在同一裂紋平面，這樣主裂紋還將沿纖維斷裂位置的不同而發(fā)生裂紋轉(zhuǎn)向。這也同樣會使裂紋的擴(kuò)展阻力增加，從而使韌性進(jìn)一步提高。33實(shí)際材料斷裂過程中，纖維的斷裂并非發(fā)生在同一裂紋平面，這34

晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)韌化機(jī)理與纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料大致相同，主要是靠晶須的拔出、橋聯(lián)與裂紋偏轉(zhuǎn)機(jī)制對強(qiáng)度和韌性的提高產(chǎn)生作用。二、晶須增韌機(jī)理34晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)韌化機(jī)理與纖維增強(qiáng)陶瓷基35

晶須的拔出長度存在一個臨界值lpo，當(dāng)晶須的某一端距主裂紋距離小于這一臨界值時，則晶須從此端拔出，此時的拔出長度小于臨界拔出長度lpo

；lpo35晶須的拔出長度存在一個臨界值lpo，當(dāng)晶須的某一端距36如果晶須的兩端到主裂紋的距離均大于臨界拔出長度時，晶須在拔出過程中產(chǎn)生斷裂，斷裂長度仍小于臨界拔出長度lpo

；l1>lpo

及l(fā)1>lpo

l1l2l1l236如果晶須的兩端到主裂紋的距離均大于臨界拔出長度時，晶37

界面強(qiáng)度過高，晶須將與基體一起斷裂，限制了晶須的拔出，因而也就減小了晶須拔出機(jī)制對韌性的貢獻(xiàn)。但另一方面，界面強(qiáng)度的提高有利于載荷轉(zhuǎn)移，因而提高了強(qiáng)化效果。界面強(qiáng)度過低，則使晶須的拔出功減小，這對韌化和強(qiáng)化都不利，因此界面強(qiáng)度存在一個最佳值。

界面結(jié)合強(qiáng)度直接影響了復(fù)合材料的韌化機(jī)制與韌化效果。37界面強(qiáng)度過高，晶須將與基體一起斷裂，限制了晶須的拔出，38下圖為SiCw/ZrO2材料的載荷--位移曲線：(位移um)載荷(N)從圖中可以看出，有明顯的鋸齒效應(yīng)，這是晶須拔出橋連機(jī)制作用的結(jié)果。38下圖為SiCw/ZrO2材料的載荷--位移曲線：(位移39三、顆粒增韌機(jī)理增韌機(jī)制可能有裂紋受阻或裂紋偏轉(zhuǎn)、相變增韌和彌散增韌。39三、顆粒增韌機(jī)理增韌機(jī)制可能有裂紋受阻或裂紋偏轉(zhuǎn)、相變增40延性顆粒:

過渡元素(鐵、鈷、鎳、鉻、鎢、鉬等）及其合金。復(fù)合材料韌性有明顯提高，強(qiáng)度不足。剛性顆粒:

主要是陶瓷顆粒，如SiC、TiB2、B4C等，脆性問題沒有解決。剛性顆粒增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性都有所增加，但結(jié)果不甚理想，尤其是斷裂韌性。金屬顆粒增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料韌性可以顯著增強(qiáng)，但強(qiáng)度變化不大，尤其是高溫強(qiáng)度下降。三、顆粒增韌機(jī)理40延性顆粒:過渡元素(鐵、鈷、鎳、鉻、鎢、鉬等）及其合41顆粒彌散強(qiáng)化:

直徑從納米量級到幾十個微米，利用彈性模量和熱膨脹系數(shù)的差異，在冷卻粒子和基體周圍產(chǎn)生殘余應(yīng)力場。與擴(kuò)展裂紋尖端應(yīng)力交互作用，從而產(chǎn)生裂紋的偏轉(zhuǎn)、繞道、分支和釘扎等效用，從而對基體產(chǎn)生增韌作用。

三、顆粒增韌機(jī)理陶瓷基復(fù)合材料尤其是先進(jìn)陶瓷基顆粒復(fù)合材料大多數(shù)都是顆粒彌散增強(qiáng)。成本低，復(fù)合材料呈各向同性。除了金屬增韌粒子外，顆粒增強(qiáng)在高溫下仍然起作用。41顆粒彌散強(qiáng)化:三、顆粒增韌機(jī)理陶瓷基復(fù)合材料尤其是先421）裂紋偏轉(zhuǎn)機(jī)制當(dāng)裂紋靠近顆粒時，由于基體中徑向應(yīng)力增大，裂紋會直接向顆粒方向偏轉(zhuǎn)，達(dá)到顆粒/基體界面；然后再沿原擴(kuò)展方向傳播。即增加了裂紋在基體中的擴(kuò)展路徑，達(dá)到增韌效果。顆粒尺寸越大，裂紋偏轉(zhuǎn)路徑越長，裂紋擴(kuò)展阻力越大，消耗的斷裂能越大，增韌效果越明顯。421）裂紋偏轉(zhuǎn)機(jī)制當(dāng)裂紋靠近顆粒時，由于基體中徑向應(yīng)力增大43裂紋將朝著原裂紋方向上的顆粒直接擴(kuò)展；當(dāng)達(dá)到界面時，若外加應(yīng)力不再增加，則裂紋在此處中止（稱為裂紋釘扎）；若外加應(yīng)力繼續(xù)增大，裂紋擴(kuò)展將有兩種可能途徑：（1）穿過第二相顆粒導(dǎo)致顆粒開裂（穿晶斷裂）（2）沿著顆粒與基體間界面擴(kuò)展（裂紋偏轉(zhuǎn)）43裂紋將朝著原裂紋方向上的顆粒直接擴(kuò)展；當(dāng)達(dá)到界面時，若外442）顆粒的裂紋橋聯(lián)增韌機(jī)制一般發(fā)生在裂紋尖端后方，由于橋聯(lián)裂紋兩個表面，提供了一個使裂紋面相互靠近的力（閉合力）。442）顆粒的裂紋橋聯(lián)增韌機(jī)制一般發(fā)生在裂紋尖端后方，由于橋45裂紋尖端屏蔽和主裂紋周圍微開裂及裂紋延性橋聯(lián)。裂紋尖端屏蔽是由于裂紋尖端形成塑性變形區(qū)。45裂紋尖端屏蔽和主裂紋周圍微開裂及裂紋延性橋聯(lián)。4610.陶瓷基復(fù)合材料110.陶瓷基復(fù)合材料4710.1陶瓷基體熔點(diǎn)高，耐高溫，硬度大，耐磨性好化學(xué)穩(wěn)定性好，耐腐蝕密度較小韌性低（或脆性）熱膨脹系數(shù)較小，抗熱震性能差基體普遍特點(diǎn)：陶瓷基體，是一種包括范圍很廣的材料，屬于無機(jī)化合物而不是單質(zhì)，所以它的結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比金屬合金復(fù)雜得多。陶瓷材料中的化學(xué)鍵往往是介于離子鍵與共價鍵之間的混合鍵。210.1陶瓷基體熔點(diǎn)高，耐高溫，硬度大，耐磨性好基體普48化合物熔點(diǎn)/℃化合物熔點(diǎn)/℃化合物熔點(diǎn)/℃Al2O32054ZnO1975ZrN2980ZrO22677TiO21857Ti2B2897莫來石1850SiC2837TiC3070一些陶瓷材料的熔點(diǎn)/℃

10.1陶瓷基體3化合物熔點(diǎn)/℃化合物熔點(diǎn)/℃化合物熔點(diǎn)/℃Al2O320549具有致命的缺點(diǎn)，即脆性。這一弱點(diǎn)正是目前陶磁材料的使用受到很大限制的主要原因。10.1陶瓷基體4具有致命的缺點(diǎn)，即脆性。10.1陶瓷基體50

如何實(shí)現(xiàn)陶瓷的韌性化問題成了近年來陶瓷開發(fā)的一個重點(diǎn)問題。向陶瓷材料中加入起增韌作用的第二相、制成陶瓷基復(fù)合材料是解決陶瓷增韌的重要手段。10.1陶瓷基體5如何實(shí)現(xiàn)陶瓷的韌性化問題成了近年來陶瓷開發(fā)的一個重點(diǎn)問題51現(xiàn)代陶瓷材料最早源于硅酸鹽材料，逐漸擴(kuò)大到其他的無機(jī)非金屬材料。如：碳化硅、氮化硅、氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂優(yōu)點(diǎn)：耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、重量輕和價格低等10.1陶瓷基體6現(xiàn)代陶瓷材料最早源于硅酸鹽材料，逐漸擴(kuò)大到其他的無機(jī)非52

常見的陶瓷基體有：（1）氧化物基體

（2）非氧化物基體

金屬碳化物，氮化物、硼化物等（3）微晶玻璃10.1陶瓷基體7常見的陶瓷基體有：10.1陶瓷基體53主要由離子鍵結(jié)合，也有一定成分的共價鍵

純氧化物陶瓷的熔點(diǎn)多超過2000℃。在800～1000℃以前強(qiáng)度降低不大氧化物陶瓷在高溫下不會被氧化，所以常做高溫耐火結(jié)構(gòu)材料

常見的基體材料有氧化鋁和氧化鋯陶瓷10.1.1氧化物陶瓷8主要由離子鍵結(jié)合，也有一定成分的共價鍵10.1.1氧541）氧化鋁陶瓷的主要性能

主要有具有α、β和γ三種晶型，其中α和γ型是純氧化鋁，而β型是含堿的鋁酸鹽基體材料的氧化鋁陶瓷主要是α-Al2O3，純度為99～99.5％，密度3.75～3.85g/cm3，熔點(diǎn)2054℃。剛玉瓷具有很好的機(jī)械強(qiáng)度，加熱到1600～1700℃仍保持很高的機(jī)械強(qiáng)度?；瘜W(xué)穩(wěn)定性好，與酸堿都不發(fā)生作用，常溫下，也不與氫氟酸發(fā)生作用。具有很好的介電性，同時還可以作為透光度為80％以上的制品。10.1.1氧化物陶瓷91）氧化鋁陶瓷的主要性能主要有具有α、β和γ三551）氧化鋁陶瓷的主要性能10.1.1氧化物陶瓷101）氧化鋁陶瓷的主要性能10.1.1氧化物陶瓷562）氧化鋯陶瓷

單斜變四方時體積收縮7.7％，晶型轉(zhuǎn)變產(chǎn)生明顯的體積收縮或膨脹，可以加入一些的穩(wěn)定劑，如CaO、MgO等，保持氧化鋯的四方結(jié)構(gòu)。氧化鋯熔點(diǎn)2667℃，熱的不良導(dǎo)體，化學(xué)性能穩(wěn)定?？勺鳛槟突鸩牧希廴阢K、銠、鈦等金屬的坩鍋，最高溫度可達(dá)2500℃?？捎米骰鸺蛧姎獍l(fā)動機(jī)的耐腐蝕部件。10.1.1氧化物陶瓷112）氧化鋯陶瓷單斜變四方時體積收縮7.7％，5710.1.2非氧化物陶瓷

在自然界很少，需要人工合成。非氧化物陶瓷主要是共價鍵結(jié)合而成，但也有一定的金屬鍵成分。這類陶瓷材料的熔點(diǎn)高、硬度大和耐磨性好。具有特殊的電磁和化學(xué)性質(zhì)。但這類材料的脆性大，高溫抗氧化能力不高，所以在高溫氧化氣氛中使用壽命有限。常見的基體材料有碳化硅和氮化硅陶瓷。1210.1.2非氧化物陶瓷在自然界很少，需要人工合成。581）碳化硅陶瓷α和β兩種晶型，α為六方型多層鏈狀結(jié)構(gòu)。β型為立方結(jié)構(gòu)，在2100℃轉(zhuǎn)變?yōu)棣列汀o熔點(diǎn)，在2830℃發(fā)生分解。理論密度3.21g/cm3，莫氏硬度9.2，耐磨性好，導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)4.7×10-6/℃?；瘜W(xué)穩(wěn)定性好，除磷酸、硝酸和氫氟酸混合酸外，與所有的酸都不反應(yīng)。碳化物中抗氧化能力最好。高溫下能與金屬氧化物發(fā)生反應(yīng)。工業(yè)陶瓷中碳化硅有黑色和綠色兩種，黑色是碳過量，綠色是硅過量。10.1.2非氧化物陶瓷

131）碳化硅陶瓷α和β兩種晶型，α為六方型多層鏈狀結(jié)構(gòu)。592）氮化硅陶瓷

氮和硅的唯一化合物。有α、β兩中晶型，α屬于低溫型，在1400～1600℃時轉(zhuǎn)變?yōu)棣滦停ǜ邷胤€(wěn)定型）。兩種變體均屬于六方晶系，但c方向上α型晶格常數(shù)β型的2倍。兩種晶型密度很相近，相變時幾乎不發(fā)生體積變化

。理論密度為3.184g/cm3，布氏硬度99級，分解溫度1900℃，α型膨脹系數(shù)為3.0×10-6/℃,β型熱膨脹系數(shù)為3.6×10-6/℃。20℃時電阻率為1013~14Ω?cm。機(jī)械強(qiáng)度高，尤其是高溫機(jī)械強(qiáng)度?；瘜W(xué)穩(wěn)定性好，抗氧化能力強(qiáng)。10.1.2非氧化物陶瓷

142）氮化硅陶瓷氮和硅的唯一化合物。有α、β兩中晶型，α60氮化硅是一種出色的耐腐蝕材料，可用作坩鍋，熱電偶保護(hù)管，金屬冶煉爐的內(nèi)襯材料。有極高的熱穩(wěn)定性和中等的機(jī)械強(qiáng)度，可以用作火箭噴嘴、導(dǎo)彈發(fā)射臺和尾氣噴管以及燃?xì)廨喨~片。

氮化硅原子自擴(kuò)散系數(shù)非常小，制備難，近年來人們開始研究添加氧化鋁形成的氮化硅固溶體形成Sialon陶瓷（賽隆，含有Si、Al、O、N四種元素）。

10.1.2非氧化物陶瓷

15氮化硅是一種出色的耐腐蝕材料，可用作坩鍋，熱電偶保護(hù)管，6110.1.3微晶玻璃玻璃組成中引入晶核劑，通過熱處理、光照或化學(xué)處理等手段，使玻璃內(nèi)均勻析出大量微小晶體，形成致密的微晶相和玻璃相的多相復(fù)合體?？刂莆龀龅奈⒕У姆N類、數(shù)量和尺寸，可以獲得透明微晶玻璃、膨脹系數(shù)為零的微晶玻璃及可切削的微晶玻璃。按照基礎(chǔ)玻璃組成，分為硅酸鹽、鋁硅酸鹽、硼硅酸鹽、硼酸鹽和磷酸鹽5大類1610.1.3微晶玻璃玻璃組成中引入晶核劑，通過熱處62幾何尺寸上增強(qiáng)體可分為三類：

纖維(長、短纖維)

晶須顆粒

陶瓷復(fù)合材料的增強(qiáng)體17幾何尺寸上增強(qiáng)體可分為三類：陶瓷復(fù)合材料的增強(qiáng)體6310.2.1陶瓷基復(fù)合材料的界面

一、界面的粘結(jié)形式二、界面的作用三、界面性能的改善10.2陶瓷基復(fù)合材料的界面和強(qiáng)韌化機(jī)理1810.2.1陶瓷基復(fù)合材料的界面10.2陶瓷基復(fù)64

對于陶瓷基復(fù)合材料來講，界面的粘結(jié)形式主要有兩種：

(1)機(jī)械粘結(jié)

(2)化學(xué)粘結(jié)一、界面的粘結(jié)形式19對于陶瓷基復(fù)合材料來講，界面的粘結(jié)形式65

由于陶瓷基復(fù)合材料往往是在高溫條件下制備，而且往往在高溫環(huán)境中工作因此增強(qiáng)體與陶瓷之間容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成化學(xué)粘結(jié)的界面層或反應(yīng)層。若基體與增強(qiáng)體之間不發(fā)生反應(yīng)或控制它們之間發(fā)生反應(yīng)，那么當(dāng)從高溫冷卻下來時，陶瓷的收縮大于增強(qiáng)體，此時會形成較強(qiáng)的機(jī)械結(jié)合。20由于陶瓷基復(fù)合材料往往是在高溫條件下制備66可以推出由于收縮而產(chǎn)生的徑向壓應(yīng)力r

與界面剪應(yīng)力的關(guān)系：此外，基體在高溫時為液體(或粘性體)，它也可滲入或浸入纖維表面的縫隙等缺陷處，冷卻后形成機(jī)械結(jié)合。21可以推出由于收縮而產(chǎn)生的徑向壓應(yīng)力r與界面剪應(yīng)力67實(shí)際上，高溫下原子的活性增大，原子的擴(kuò)散速度較室溫大的多，由于增強(qiáng)體與陶瓷基體的原子擴(kuò)散，在界面上更易形成固溶體和化合物。此時，增強(qiáng)體與基體之間的界面是具有一定厚度的界面反應(yīng)區(qū)，它與基體和增強(qiáng)體都能較好的結(jié)合，但通常是脆性的。例如Al2O3f/SiO2系中會發(fā)生反應(yīng)形成強(qiáng)的化學(xué)鍵結(jié)合。22實(shí)際上，高溫下原子的活性增大，原子的擴(kuò)散速度較室溫大68二、界面的作用對于陶瓷基復(fù)合材料來講，界面粘結(jié)性能影響陶瓷基體和復(fù)合材料的斷裂行為。對于陶瓷基復(fù)合材料的界面來說：一方面,應(yīng)強(qiáng)到足以傳遞軸向載荷，并具有高的橫向強(qiáng)度；

另一方面，陶瓷基復(fù)合材料的界面要弱到足以沿界面發(fā)生橫向裂紋及裂紋偏轉(zhuǎn)直到纖維的拔出。因此，陶瓷基復(fù)合材料界面要有一個最佳的界面強(qiáng)度。23二、界面的作用對于陶瓷基復(fù)合材料來講，界面粘結(jié)性能影69強(qiáng)的界面粘結(jié)往往導(dǎo)致脆性破壞，如下圖(a)所示。裂紋可以在復(fù)合材料的任一部位形成，并迅速擴(kuò)展至復(fù)合材料的橫截面，導(dǎo)致平面斷裂。纖維基體(a)強(qiáng)界面結(jié)合平面斷裂主要是由于在斷裂過程中，強(qiáng)的界面結(jié)合不產(chǎn)生額外的能量消耗。24強(qiáng)的界面粘結(jié)往往導(dǎo)致脆性破壞，如下圖(a)所示。纖維基70若界面結(jié)合較弱，當(dāng)基體中的裂紋擴(kuò)展至纖維時，將導(dǎo)致界面脫粘，其后裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)、裂紋搭橋、纖維斷裂以致最后纖維拔出(圖b)。(b)弱界面結(jié)合

裂紋的偏轉(zhuǎn)、搭橋、斷裂以致最后纖維拔出等，這些過程都要吸收能量，從而提高復(fù)合材料的斷裂韌性，避免了突然的脆性失效。25若界面結(jié)合較弱，當(dāng)基體中的裂紋擴(kuò)展至纖維時，將導(dǎo)致界71另一方面，陶瓷基復(fù)合材料的界面要弱到足以沿界面發(fā)生橫向裂紋及裂紋偏轉(zhuǎn)直到纖維的拔出。因此，陶瓷基復(fù)合材料界面要有一個最佳的界面強(qiáng)度。26另一方面，陶瓷基復(fù)合材料的界面要弱到足以沿界面發(fā)生橫72三、界面性能的改善為獲得最佳的界面結(jié)合強(qiáng)度①完全避免界面間的化學(xué)反應(yīng)或②盡量降低界面間的化學(xué)反應(yīng)程度和范圍27三、界面性能的改善為獲得最佳的界面結(jié)合強(qiáng)度73在實(shí)際應(yīng)用中，除選擇纖維和基體在加工和使用期間能形成穩(wěn)定的熱力學(xué)界面外，最常用的方法就是在與基體復(fù)合之前，往增強(qiáng)材料表面上沉積一層薄的涂層。

C和BN是最常用的涂層，此外還有SiC、ZrO2和SnO2涂層。

涂層的厚度通常在0.1~1um，涂層的選擇取決于纖維、基體、加工和服役要求。纖維上的涂層除了可以改變復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度外，對纖維還可起到保護(hù)作用，避免在加工和處理過程中造成纖維的機(jī)械損壞。28在實(shí)際應(yīng)用中，除選擇纖維和基體在加工和使用期間能形成74莫來石纖維上未涂BN涂層莫來石纖維上涂有BN涂層從圖中可看出，若纖維未涂BN涂層，則復(fù)合材料的斷面呈現(xiàn)為脆性的平面斷裂；而經(jīng)CVD沉積0.2um的BN涂層后，斷面上可見到大量的纖維拔出。莫來石纖維增強(qiáng)玻璃基體復(fù)合材料的斷裂行為差異：29莫來石纖維上未涂BN涂層莫來石纖維上涂有BN涂層從圖75一、纖維增韌機(jī)理二、晶須增韌機(jī)理三、顆粒增韌機(jī)理10.2.2陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)韌化機(jī)理30一、纖維增韌機(jī)理10.2.2陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)韌化機(jī)理76通過增加斷裂功、阻礙裂紋擴(kuò)展，或者纖維斷頭克服與基體的界面摩擦力拔出一、纖維增韌機(jī)理纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線31通過增加斷裂功、阻礙裂紋擴(kuò)展，或者纖維斷頭克服與基體的界77裂紋擴(kuò)展示意圖（a）纖維被基體摩擦力固定的原始狀態(tài)（b）裂紋從基體擴(kuò)展至纖維被阻止（c）由于界面剪切和纖維與基體的橫向收縮使界面解離，裂紋沿纖維/基體之間的界面偏離；（d）界面進(jìn)一步解離，纖維破裂，裂紋繼續(xù)沿主方向擴(kuò)展；（e）破裂的纖維端部克服界面摩擦阻力撥出，復(fù)合材料整體破壞32裂紋擴(kuò)展示意圖（a）纖維被基體摩擦力固定的原始狀態(tài)78實(shí)際材料斷裂過程中，纖維的斷裂并非發(fā)生在同一裂紋平面，這樣主裂紋還將沿纖維斷裂位置的不同而發(fā)生裂紋轉(zhuǎn)向。這也同樣會使裂紋的擴(kuò)展阻力增加，從而使韌性進(jìn)一步提高。33實(shí)際材料斷裂過程中，纖維的斷裂并非發(fā)生在同一裂紋平面，這79

晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)韌化機(jī)理與纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料大致相同，主要是靠晶須的拔出、橋聯(lián)與裂紋偏轉(zhuǎn)機(jī)制對強(qiáng)度和韌性的提高產(chǎn)生作用。二、晶須增韌機(jī)理34晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)韌化機(jī)理與纖維增強(qiáng)陶瓷基80

晶須的拔出長度存在一個臨界值lpo，當(dāng)晶須的某一端距主裂紋距離小于這一臨界值時，則晶須從此端拔出，此時的拔出長度小于臨界拔出長度lpo

；lpo35晶須的拔出長度存在一個臨界值lpo，當(dāng)晶須的某一端距81如果晶須的兩端到主裂紋的距離均大于臨界拔出長度時，晶須在拔出過程中產(chǎn)生斷裂，斷裂長度仍小于臨界