【正文】 1 第八章 陶瓷基復合材料 陶瓷基復合材料的 種類及基本性能 陶瓷基復合材料的 成型加工技術 陶瓷基復合材料的 應用 2 陶瓷基復合材料的種類及基本性能 現(xiàn)代陶瓷材料 具個 耐高溫 、 耐磨損 、耐腐蝕 及 重量輕 等許多優(yōu)良的性能。 但是，陶瓷材料同時也具有 致命的缺點 ，即 脆性 ，這一弱點正是目前淘瓷材料的使用受到很大限制的主要原因。 3 因此，陶瓷材料的 韌性化問題 便成了近年來陶瓷工作者們研究的一個重點問題。 現(xiàn)在這方面的研究巳取得了初步進展，探索出了若干種 韌化陶瓷的途徑 。 4 其中，往陶陶瓷材料中加入 起增韌作用的第二相 而制成 陶瓷基復合材料即 是一種重要方法。 5 陶瓷基復合材料的基體與增強體 1．陶瓷基復合材料的基體 陶瓷基復合材料的基體 為 陶瓷 ，這是一種包括范圍很廣的材料，屬于 無機化合物 而不是單質，所以它的 結構遠比金屬合金復雜得多 。 6 現(xiàn)代陶瓷材料的研究，最早是從對 硅酸鹽材料的研究 開始的，隨后又逐步擴大到了其他的 無機非金屬材料 。 目前被人們研究最多的是 碳化硅 、 氮化硅 、 氧化鋁 等，它們普遍具有 耐高溫 、耐腐蝕 、 高強度 、 重量輕 和 價格低 等優(yōu)點。 7 2．陶瓷復合材料的增強體 陶瓷基復合材料中的 增強體 ，通常也稱為 增韌體 。 從幾何尺寸上增強體可分為 纖維(長、短纖維 )、 晶須 和 顆粒 三類。 8 碳纖維 是用來制造 陶瓷基復合材料 最常用的纖維之一。 碳纖維可用多種方法進行生產(chǎn)。工業(yè)上主要采用 有機母體的熱氧化 和石墨化 。 9 碳纖維的生產(chǎn)過程 主要包括三個階段。 第一階段 在空氣中于 200~400℃ 進行 低溫氧化 ； 第二階段 是在惰性氣體中在 1000℃ 左右進行 碳化處理 ； 第三階段 則是在惰性氣體中于 2022℃以上的溫度作 石墨化處理 。 10 目前，碳纖維常規(guī)生產(chǎn)的品種主要有兩種，即 高模量型 和 低模量型 。 其中，高模量型的 拉伸模量 約為 400 GPa，拉伸強度 約為 GPa； 低模量型的 拉伸模量 約為 240 GPa， 拉伸強度 約為 GPa。 11 碳纖維 主要用在把 強度 、 剛度 、重量 和 抗化學性 作為設計參數(shù)的 構件 ，在 1500℃ 的溫度下，碳纖維仍能保持其性能不變。 12 但是，必須對碳纖維進行 有效的保護 以防止它 在空氣中或氧化性氣氛中被腐蝕 ，只有這樣，才能充分發(fā)揮它的優(yōu)良性能。 13 陶瓷基復合材料中的 增強體 中，另一種常用纖維是 玻璃纖維 。 制造玻璃纖維的 基本流程 如下圖所示： 14 玻璃球 玻璃球再熔化 連續(xù)纖維 上漿 紗線 繞線筒 玻璃纖維生產(chǎn)流程圖 將玻璃小球熔化，然后通過1mm左右直徑的小孔把它們拉出來。 另外，纏繞纖維的 心軸的轉動速度 決定纖維的直徑，通常為10um的數(shù)量級。 15 為了 便于操作 和 避免纖維受潮并形成紗束 ，在剛凝固成纖維時，表面就 涂覆薄薄一層保護膜 ，這層保護膜還有利于 與基體的粘結 。 16 玻璃的組成 可在一個 很寬的范圍內 調整，因而可生產(chǎn)出具有 較高楊氏模量 的品種，這些特殊品種的纖維通常需要 在較高的溫度下 熔化后拉絲 ，因而 成本較高 ，但可滿足制造一些 有特殊要求的 復合材料。 17 還有一種 常用的纖維 是 硼纖維 。它屬于 多相的 ，又是 無定形的 ，因為它是用 化學沉積法 將 無定形硼 沉積在鎢絲 或者 碳纖維上 形成的。 18 在實際結構的 硼纖維 中，由于缺少大晶體結構 ，使其 纖維強度下降 到只有晶體硼纖維一半左右。 19 由 化學分解 所獲得的 硼纖維的平均性能為，楊氏模量 420GPa， 拉伸強度 。 硼纖維 對任何可能的 表面損傷 都非常 敏感 ，甚至比玻璃纖維更敏感， 熱或化學處理對硼纖維都有影響，高于 500 ℃ 時強度會急劇下降。 20 為了阻止 隨溫度而變化的降解作用 ，已采用了 不同類型的涂層 作試驗。 例如， 商業(yè)上使用的硼纖維 通常是在表面涂了一層 碳化硅 ，它可使纖維 長期暴露在高溫后 仍有保持 室溫強度 的優(yōu)點。 21 陶瓷材料中另一種增強體為 晶須 。 晶須為具有 一定長徑比 (直徑 ~1um,長30~100um)的 小單晶體 。 1952年， Herring和 Galt驗證了 錫的晶須的強度 比 塊狀錫 高得多，這促使人們去對 纖維狀的單晶 進行詳細的研究。 22 從結構上看， 晶須的特點 是沒有 微裂紋 、 位錯 、 孔洞 和 表面損傷 等一類缺陷，而這些缺陷正是 大塊晶體中大量存在 且促使 強度下降 的主要原因。 23 在某些情況下， 晶須的拉伸強度可達 (E為楊氏模量 )，這已非常接近于 理想拉伸強度 。 相比之下， 多晶的金屬纖維 和 塊狀金屬 的 拉伸強度 只有 。 24 由于晶須具有 最佳的熱性能 、 低密度和 高楊氏模量 ，從而引起了人們對其特別的關注。 在 陶瓷基復合材料中 使用得較為普遍的是 SiC、 A12O3及 Si3N4晶須。 25 陶瓷材料中的另一種增強體為 顆粒 。 從 幾何尺寸 上看，顆粒在各個方向上的長度是大致相同的，一般為 幾個微米 。 常用得的顆粒也是 SiC、 Si3N4等。 26 顆粒的增韌效果 雖不如 纖維 和 晶須 ，但是，如果顆粒種類、 粒徑 、 含量 及 基體材料選擇適當 仍會 有一定的韌化效果 ，同時還會帶來 高溫強度 ， 高溫蠕變性能 的改善。 所以， 顆粒增韌復合材料 同樣受到重視并對其進行了一定的研究。 27 纖維增強陶瓷基復合材料 在陶瓷材料中，加入 第二相纖維制成復合材料 是 改善陶瓷材料韌性 的重要手段，按 纖維排布方式 的不同，又可將其分為 單向排布長纖維 復合材料和 多向排布纖維 復合材料。 28 單向排布長纖維復合材料 單向排布纖維 增韌陶瓷基復合材料 的顯著特點是它具有 各向異性 ，即 沿纖維長度方向上的縱向性能 要大大 高于其橫向性能 。 在實際構件中，主要是使用其 縱向性能。 29 在 單向排布纖維 增韌陶瓷基復合材料 中，當 裂紋擴展 遇到纖維時 會受阻 ，這時，如果要使 裂紋進一步擴展 就必須提高外加應力 。 這一過程的示意圖如下： 30 裂紋垂直于纖維方向擴展示意圖 31 當 外加應力進一步提高 時，由于 基體與纖維間的 界面離解 ，同時又由于 纖維的強度高于基體的強度 ，從而 使纖維從基體中拔出 。 當 拔出的長度 達到某一臨界值 時，