【正文】 數(shù)以及兩相的化學(xué)相容性。圖 1023為SiC顆粒對 ZTC高溫蠕變性能的影響。 ? SiC顆粒加入到 ZTP和 YZTP陶瓷后，也可使高溫強(qiáng)度得到提高。 1）強(qiáng)度 圖 1021 圖 1022 圖 1021為 SiCW /Al2O3復(fù)合材料的斷裂韌性隨溫度的變化。 密度較高而無碳界面層的 C/SiC復(fù)合材料在應(yīng)力 —應(yīng)變曲線上表現(xiàn)為達(dá)到最大值后，應(yīng)力曲線緩慢下降（圖 1016曲線 2）。 4）影響因素 ? 增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)： ? 復(fù)合材料的力學(xué)性能呈現(xiàn)符合混合定律的線性關(guān)系。如纖維強(qiáng)度較低，界面結(jié)合強(qiáng)度高，基體較裂紋穿過纖維擴(kuò)展，導(dǎo)致突然失效。 圖 10 10 陶瓷基復(fù)合材料界面示意圖 界面性能的改善 ?為了獲得最佳界面結(jié)合強(qiáng)度，希望避免界面化學(xué)反應(yīng)或盡量降低界面的化學(xué)反應(yīng)程度和范圍。此時其界面是具有一定厚度的反應(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。 ?此外。降低氣體的壓力和沉積溫度有利于提高浸漬深度。 圖 107 溶膠 – 凝膠法制備 纖維陶瓷基復(fù)合材料示意圖 化學(xué)氣相浸漬（ CVI）法 ? 用 CVI法可制備硅化物、碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等陶瓷基復(fù)合材料。 ? 由于在氧化產(chǎn)物中的空隙管道的液吸作用 ，熔化金屬會連續(xù)不斷地供給到生長前沿。 圖 10 – 2 漿體法制備 陶瓷基復(fù)合材料示意圖 反應(yīng)燒結(jié)法（圖 103） ? 用此方法制備陶瓷基復(fù)合材料，除基體材料幾乎無收縮外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)： ? 增強(qiáng)劑的體積比可以相當(dāng)大； ? 可用多種連續(xù)纖維預(yù)制體； ? 大多數(shù)陶瓷基復(fù)合材料的反應(yīng)燒結(jié)溫度低于陶瓷的燒結(jié)溫度，因此可避免纖維的損傷。 其混合體為漿體形式。陶瓷基復(fù)合材料 沈衛(wèi)平 一、陶瓷基復(fù)合材料概述 ? 特種陶瓷具有優(yōu)秀的力學(xué)性能、耐磨性好、硬度高及耐腐蝕性好等特點(diǎn)，但其脆性大，耐熱震性能差，而且陶瓷材料對裂紋、氣孔和夾雜等細(xì)微的缺陷很敏感?；旌象w中各組元保持散凝狀，即在漿體中呈彌散分布。 ? 此方法最大的缺點(diǎn)是高氣孔率難以避免。 Al + 空氣 ? Al2O3 Al + 氮?dú)? ? AlN 圖 105 直接氧化法制備陶瓷基復(fù)合材料示意圖 溶膠 – 凝膠（ Sol – Gel）法（圖 10 6） 溶膠（ Sol）是由于化學(xué)反應(yīng)沉積而產(chǎn)生的微小顆粒（直徑 ?100nm）的懸浮液；凝膠（ Gel ）是水分減少的溶膠，即比溶膠粘度大的膠體。由于制備溫度比較低，不需外加壓力。 2） FCVI法 ? 在纖維預(yù)制件內(nèi)施加一個溫度梯度，同時還施加一個反向的氣體壓力梯度，迫使反應(yīng)氣體強(qiáng)行通過預(yù)制件。在 FCVI過程中，基體沉積是在一個溫度范圍內(nèi)，必然會導(dǎo)致基體中不同晶體結(jié)構(gòu)的物質(zhì)共存，從而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力并影響材料的熱穩(wěn)定性。 ? 若增強(qiáng)體與基體在高溫時不發(fā)生反應(yīng)，那么在冷卻下來時，陶瓷的收縮大于增強(qiáng)體，由此產(chǎn)生的徑向壓應(yīng)力 ?與界面剪切應(yīng)力 ??有關(guān)： ? = ? ?? ， ?為摩擦系數(shù)，一般取 ~。 ?實(shí)際當(dāng)中除選擇增強(qiáng)劑和基體在制備和材料服役期間能形成熱動力學(xué)穩(wěn)定的界面外，就是纖維表面涂層處理。 ? 第二：如果纖維較強(qiáng)，界面結(jié)合較弱，基體裂紋沿著纖維擴(kuò)展。 ? 但當(dāng)纖維含量超過一定量時，纖維局部分布不均，氣孔率增加，導(dǎo)致材料力學(xué)性能偏離混合定律的線性關(guān)系。 圖 1016 不同界面狀況復(fù)合材料的應(yīng)力 位移曲線 顆粒含量和粒徑： 圖 1017 SiCP含量對 SiCP /AlN性能的影響 圖 1018 SiCP粒徑對SiCP/AlN性能的影響 顆粒含量對材料彎曲強(qiáng)度及斷裂韌性提高效果不是太大，但粒徑的影響卻較大（圖101 1018）。隨溫度升高，基體陶瓷的斷裂韌性呈下降趨勢，而復(fù)合材料的 KIC卻保持不變；在大于 1000℃ 之后，KIC呈上升趨勢。 2）蠕變 ? 陶瓷材料的穩(wěn)態(tài)蠕變速率可表示為： ε= Aσnexp（ ΔQ/RT） —Norton公式 式中： ε—蠕變應(yīng)力指數(shù)； σ—施加的應(yīng)力（蠕變應(yīng)力）； n—蠕變應(yīng)力指數(shù)； A—常數(shù)； ΔQ—蠕變激活能； R—?dú)怏w常數(shù)； T—絕對溫度。可以看出， 1100℃ 時 50MPa的應(yīng)力下， ZTA的蠕變速率明顯高于 ZTA/ SiCP復(fù)合材料的蠕變速率。其中化學(xué)相容性是復(fù)合的前提。此時如果外力不再增加，則裂紋就在此釘扎，這就是裂紋釘扎增韌機(jī)理的本質(zhì)。 圖 1026 裂紋偏轉(zhuǎn)機(jī)理 （ 2）延性顆粒增韌 ?在脆性陶瓷基體中加入第二相延性顆粒能明顯提高材料的斷裂韌性。 tm轉(zhuǎn)變具有馬氏體的特征，伴隨有 35%的體積膨脹。 （ 4）相變增韌 圖 1027相變增韌示意圖 圖 1028 ZTA中應(yīng)力誘變韌化導(dǎo)致性能隨 ZrO2體積含量的變化 纖維、晶須增韌 （ 1）裂紋彎曲（ Crackbowing）和偏轉(zhuǎn) 圖 1029 裂紋彎曲韌化機(jī)理 在擴(kuò)展裂紋尖端應(yīng)力場中的增強(qiáng)體會導(dǎo)致裂紋發(fā)生彎曲（圖 1029），從而干擾應(yīng)力場，導(dǎo)致基體的應(yīng)力強(qiáng)度降低，起到阻礙裂紋擴(kuò)展的作用。如在顆粒增強(qiáng)中由于增強(qiáng)體和基體之間的彈性模量或熱膨脹系數(shù)的不同產(chǎn)生殘余應(yīng)力場，則會引起裂紋偏轉(zhuǎn)。纖維首先脫粘才能拔出。這時緊靠裂紋尖端處的纖維并未斷裂，而是在裂紋兩岸搭起小橋（圖1033），使兩岸連在一起。 ?將這種新材料置于 1700℃ 有 氧 環(huán)境下，放置 1000℃進(jìn)行 耐氧 試驗(yàn)，結(jié)果是其重量、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度均保持不變。碳纖維的類型、基體的預(yù)固化以及后步工序的類型等決定了界面的結(jié)合強(qiáng)度。石墨因其層狀結(jié)構(gòu)而具有固體潤滑能力，可降低摩擦副的摩擦系數(shù)。 1 – 2 基體碳 典型的基體碳有熱解碳（ CVD碳）和浸漬碳化碳。 （ 4）碳化后收縮不會破壞預(yù)制成型體的結(jié)構(gòu)和形狀。一般低溫低壓下受反應(yīng)動力學(xué)控制；而在高溫高壓下則是擴(kuò)散為主。這樣沉積速率將非常緩慢。并局限于單件構(gòu)件的生產(chǎn)。 2） – 4 其它工藝 ?（ 3）微波加速：微波加熱是把能量直接作用到預(yù)制體上。其原理是在冷壁爐內(nèi)，預(yù)制體直接通電被加熱，在預(yù)制體的每根纖維周圍都產(chǎn)生了微弱電磁場，樣品被整體加熱。 三、碳 /碳復(fù)合材料的界面 碳 /碳復(fù)合材料的界面和結(jié)構(gòu) 碳 /碳復(fù)合材料中存在的不同纖維 /基體的界面和基體之間的界面取決于基體碳的類型。 CVD碳三種不同的顯微結(jié)構(gòu)形態(tài)的產(chǎn)生與沉積碳時的工藝參數(shù)如溫度、壓力和反應(yīng)氣體流量，以及更重要的反應(yīng)氣體的種類有關(guān)。當(dāng)樹脂碳化后，主要形成玻璃態(tài)各向同性碳；但當(dāng)樹脂碳進(jìn)行高溫石墨化熱處理后，各向同性碳可轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨虍愋缘氖螒B(tài)。孔隙對強(qiáng)度的影響可用下式表示： ?c = ?0 e B ? 其中 ?0 為無孔隙時復(fù)合材料的強(qiáng)度； B為常數(shù)； ? 為孔隙率。在高溫下是否具有可靠的抗氧化性能對碳 /碳復(fù)合材料是至關(guān)重要的。瀝青中間相轉(zhuǎn)化時形成層片結(jié)構(gòu)。 2 – 1 CVD碳顯微組織 在形成沉積碳時，其顯微組織結(jié)構(gòu)的形態(tài)取決于以下情況： （ 1）當(dāng)沉積溫度較低，甲烷分壓高時，并且 C2H2 與 C6H6的比例小于 5時，不通入氫氣容易得到平滑層片組織結(jié)構(gòu)的沉積碳； （ 2）當(dāng)沉積溫度適中，甲烷分壓適中，稍許通入氫氣，并且 C2H2與 C6H6的比例大于 5，小于 20時，容易得到粗糙層片組織的沉積碳； （ 3）當(dāng)沉積溫度較高，甲烷分壓較低時，大量通入氫氣，并且 C2H2與 C6H6的比例大于 20時，容易得到各向同性 CVD碳組織。 基體碳與碳纖維的結(jié)合界面上有四種可能的取向（圖 11 – 8） 圖 11 – 8 基體碳與碳纖維的界面結(jié)合形式 碳 /碳復(fù)合材料的界面和結(jié)構(gòu) 當(dāng) CVD碳作為基體碳與碳纖維之間的界面相時，纖維表面的空洞和缺陷得以填充，生成所謂“釘扎”結(jié)構(gòu)。 圖 11–7 樹脂浸漬、固化、碳化體積收縮示意圖 3） –2 瀝青浸漬 – 碳化工藝 一般在預(yù)成型體浸漬瀝青之前可先進(jìn)行 CVD處理 , 以在碳纖維表面獲得 CVD碳，也可先得到低密度樹脂碳的復(fù)合材料坯料之后再采用真空浸漬瀝青方式（混合浸漬 – 碳化）進(jìn)行。特別是在脫氫 /聚合反應(yīng)中形成的自由基有順磁性，容易被帶電纖維所