【正文】 度性能。纖維含量增加，阻止裂紋擴展的勢壘增加，斷裂韌性增加。 ? 因此，基體開裂并不導(dǎo)致突然失效，材料的最終失效應(yīng)變大于基體的失效應(yīng)變。 ? 第二：如果纖維較強，界面結(jié)合較弱，基體裂紋沿著纖維擴展。如圖 1011所示，材料的拉伸失效有兩種： ? 第一：突然失效。其中里面的涂層以達(dá)到鍵接及滑移的要求，而外部涂層在較高溫度下防止纖維機械性能降解。 ?纖維表面涂層處理對纖維還可起到保護(hù)作用。 ?實際當(dāng)中除選擇增強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。所有這些過程都要吸收能量，從而提高復(fù)合材料的斷裂韌性（圖 1010）。這是由于纖維的彈性模量不是大大高于基體，因此在斷裂過程中，強界面結(jié)合不產(chǎn)生額外的能量消耗。因此，陶瓷基復(fù)合材料界面要有一個最佳的界面強度。 ? 若增強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 ~。 三、陶瓷基復(fù)合材料的界面和界面設(shè)計 ? 界面的粘結(jié)形式 （ 1）機械結(jié)合 （ 2）化學(xué)結(jié)合 ? 陶瓷基復(fù)合材料往往在高溫下制備，由于增強體與基體的原子擴散，在界面上更易形成固溶體和化合物。 ? 制備增強劑預(yù)制體 ?浸漬聚合物先驅(qū)體 ?熱解 ? 再浸漬 ?再熱解 …… ? 陶瓷粉 +聚合物先驅(qū)體 ?均勻混合 ?模壓成型 ?熱解 其它方法 ? 2）原位復(fù)合法 ?利用化學(xué)反應(yīng)生成增強組元 —晶須或高長徑比晶體來增強陶瓷基體的工藝稱為原位復(fù)合法。 ? 此方法可精確控制產(chǎn)品的化學(xué)組成、純度以及形狀。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。但不適于制作形狀復(fù)雜的部件。 圖 109 FCVI法制備纖維陶瓷基復(fù)合材料示意圖 2） FCVI法 ? FCVI的傳質(zhì)過程是通過對流來實現(xiàn)。 ? 在此過程中，沉積界面不斷由預(yù)制件的頂部高溫區(qū)向低溫區(qū)推移。 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)氣體強行通過預(yù)制件。 ?在 ICVI過程中，傳質(zhì)過程主要是通過氣體擴散來進(jìn)行，因此過程十分緩慢，并僅限于一些薄壁部件。 圖 10 8 ICVI法制備纖維陶瓷基復(fù)合材料示意圖 1） ICVI法： ?又稱靜態(tài)法。 ? 如可在 800~1200?C制備SiC陶瓷。由于制備溫度比較低，不需外加壓力。 ?其缺點是所制的復(fù)合材料收縮率大，導(dǎo)致基體經(jīng)常發(fā)生開裂。 圖 10 6 溶膠 – 凝膠法制備陶瓷基復(fù)合材料示意圖 溶膠 – 凝膠（ Sol – Gel）法 ?溶膠 –凝膠法也可以采用漿體浸漬法制備增強相預(yù)制體（圖 107）。該方法可控制材料的微觀結(jié)構(gòu)，使均勻性達(dá)到微米、納米甚至分子量級水平。 Al + 空氣 ? Al2O3 Al + 氮氣 ? 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。 ? 熔化的金屬在氧氣的作用下發(fā)生直接氧化反應(yīng)形成所需的反應(yīng)產(chǎn)物。假如預(yù)制體 中的孔隙呈一束束有規(guī)則間隔的平行通道，則可用 Poisseuiue方程計算出浸漬高度 h： h = ? （ ? r t cos ?） / 2? ? 式中 r 是圓柱型孔隙管道半徑；t 是時間； ? 是浸漬劑的表面能； ? 是接觸角； ? 是粘度。 ? 陶瓷熔體可通過毛細(xì)作用滲入增強劑預(yù)制體的孔隙 。 ? 此方法最大的缺點是高氣孔率難以避免。纖維分布均勻，氣孔率低。適用于顆粒、晶須和短纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料（圖 102）。 對漿體進(jìn)行超聲波震動攪拌則可進(jìn)一步改善彌散性。混合體中各組元保持散凝狀，即在漿體中呈彌散分布。 二、陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝 漿體法（濕態(tài)法） 為了克服粉末冶金法中各組元混合不均的問題，采用了漿體（濕態(tài)）法制備陶瓷基復(fù)合材料。 圖 10 – 1 陶瓷基復(fù)合材料的力 – 位移曲線 表 10–1 不同金屬、陶瓷基體和陶瓷基復(fù)合材料的斷裂韌性比較 材 料 整體陶瓷 顆 粒 增 韌 相 變 增 韌 AlB2BOB3B SiC AlB2BOB3B/TiC SiB3BNB4B/TiC ZrOB2B/MgO ZrOB2B/YB2BOB3B ZrOB2B/ AlB2BO3B 斷裂韌性 MPa/mP1/2P ~ ~ ~ 4. 5 9~12 6 ~ 9 ~15 裂紋尺寸 大小 , ?m ~36 41~74 36~41 41 165~ 292 74~165 86~459 表 10–1 不同金屬、陶瓷基體和陶瓷基復(fù)合材料的斷裂韌性比較 材 料 晶須增韌 纖 維 增 韌 SiC/Al2O3 SiC/硼硅玻璃 SiC/鋰鋁硅玻璃 鋁 鋼 斷裂韌性 MPa/mP1/2P 8 ~10 15~25 15~25 33~44 44~66 裂紋尺寸 大小 , ?m 131~204 二、陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝 ? 粉末冶金法 ? 原料（陶瓷粉末、增強劑、粘結(jié)劑和助燒劑） ? 均勻混合（球磨、超聲等） ? 冷壓成形 ? （熱壓）燒結(jié)。 ? 顆粒 增韌陶瓷基復(fù)合材料的彈性模量和強度均較整體陶瓷材料提高，但力 – 位移曲線形狀不發(fā)生變化； ? 而 纖維 陶瓷基復(fù)合材料不僅使其彈性模量和強度大大提高，而且還改變了力 – 位移曲線的形狀（圖 101）。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，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。 ? 陶瓷基復(fù)合材料使材料的韌性大大改善，同時其強度、模量有了提高。 纖維 陶瓷基復(fù)合材料在斷裂前吸收了大量的斷裂能量，使韌性得以大幅度提高。 ? 關(guān)鍵是均勻混合和燒結(jié)過程防止體積收縮而產(chǎn)生裂紋。 其混合體為漿體形式。這可通過調(diào)整水溶液的 pH值來實現(xiàn)。彌散的漿體可直接澆鑄成型或熱（冷）壓后燒結(jié)成型。 采用漿體浸漬法可制備連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。 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： ? 增強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。 圖 10 –3 反應(yīng)燒結(jié)法制備 SiC/Si3N4 基復(fù)合材料工藝流程 液態(tài)浸漬法（圖 10 4） ? 用此方法制備陶瓷基復(fù)合材料，化學(xué)反應(yīng)、熔體粘度、熔體對增強材料的浸潤性是首要考慮的問題，這些因素直接影響著材料的性能。施加壓力或抽真空將有利于浸漬過程。 圖 104 液態(tài)浸漬法制備陶瓷基復(fù)合材料示意圖 直接氧化法（圖 105） ? 按部件形狀制備增強體預(yù)制體，將隔板放在其表面上以阻止基體材料的生長。 ? 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。 Sol – Gel法 是指金屬有機或無機化合物經(jīng)溶液、溶膠、凝膠等過程而固化，再經(jīng)熱處理生成氧化物或其它化合物固體的方法。 Sol – Gel法制備 SiO2陶瓷原理如下： Si(OR)4 + 4H2O ? Si(OH)4+ 4ROH Si(OH)4 ? SiO2 + 2H2O 使用這種方法，可將各種增強劑加入 基體溶膠中攪拌均勻，當(dāng)基體溶膠形成凝 膠后，這些增強組元穩(wěn)定、均勻分布在基 體中，經(jīng)過干燥或一定溫度熱處理，然后 壓制燒結(jié)形成相應(yīng)的復(fù)合材料。 ?溶膠 – 凝膠法的優(yōu)點是基體成分容易控制，復(fù)合材料的均勻性好，加工溫度較低。 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 ?