陶瓷基復(fù)合材料

1、第七章第七章 無機非金屬基復(fù)合材料無機非金屬基復(fù)合材料一、纖維的分類-按化學組成分無機纖維：有機纖維：玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、晶須、石棉纖維及金屬纖維等芳綸纖維、奧綸纖維、聚酯纖維、尼龍纖維、維尼綸纖維、聚丙烯纖維、聚酰亞胺纖維等1.1.玻璃纖維玻璃纖維 玻璃纖維玻璃纖維（GF:Glass Fiber），）， GF于1893年在美國研制成功，并于1938年在美國實現(xiàn)工業(yè)化。自從1946年GF/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料成功的應(yīng)用于固體火箭發(fā)動機的殼體，由于軍事工業(yè)的需求，GF及其復(fù)合材料在50年代以后得到了迅猛發(fā)展，目前有30多個國家生產(chǎn)GF，品種有40005000種。 我國于1958年開始生產(chǎn)GF，

2、發(fā)展速度很快，但產(chǎn)品等級比較低，對某些高性能的GF目前還不能自主生產(chǎn)。玻璃纖維單絲玻璃纖維單絲的掃描電鏡照片玻璃纖維卷短切玻璃纖維玻璃纖維繩玻璃纖維帶玻璃纖維布普通玻璃：普通玻璃： SiO2、CaO、Na2O鉀玻璃：鉀玻璃： SiO2、CaO、K2O硼酸鹽玻璃：硼酸鹽玻璃： SiO2、B2O3（熱穩(wěn)定性好，機械強度高，耐腐蝕）（熱穩(wěn)定性好，機械強度高，耐腐蝕）一般一般SiO2含量高就叫硅酸鹽玻璃，含量高就叫硅酸鹽玻璃， B2O3含量高就叫硼酸鹽玻璃含量高就叫硼酸鹽玻璃1.1 GF1.1 GF的組成的組成硅酸鹽玻璃硅酸鹽玻璃1.2 GF1.2 GF的分類的分類有堿有堿GFGF：堿性氧化物（堿性氧

3、化物（ K2O，Na2O）含量大于）含量大于12: A-GF無堿無堿GFGF：堿性氧化物含量小于堿性氧化物含量小于2: E-GFGFGF一、按含堿量分一、按含堿量分中堿中堿GFGF：堿性氧化物含量堿性氧化物含量612低堿低堿GFGF：堿性氧化物含量堿性氧化物含量 26注意：注意：堿性氧化物（助熔氧化物）越多，玻璃纖維的堿性氧化物（助熔氧化物）越多，玻璃纖維的熔點越低，越容易制備，但纖維的強度降低，易吸潮熔點越低，越容易制備，但纖維的強度降低，易吸潮耐酸腐蝕價格便宜強度高，耐熱性能好，電氣性能好，在復(fù)合材料中應(yīng)用多性能差，一般不用于增強材料1.2 GF1.2 GF的分類的分類高強高強GFGF：S

4、trenghth GF（S-GF）高模高模GFGF：Moduls GF (M-GF) GFGF二、按纖維特性分二、按纖維特性分低介低介GFGF：Dielectirc GF (D-GF)耐腐蝕耐腐蝕GFGF：Corrosion GF (C-GF)注意：注意：GF纖維的特性是由纖維的組成和結(jié)構(gòu)決定的。纖維的特性是由纖維的組成和結(jié)構(gòu)決定的。耐堿耐堿GFGF：Alkali-resistance GF (AR-GF)4GPa100GPa4.0,TanEm，最好Ef2Em（使載荷從基體向纖維傳遞）2. 選用熱膨脹系數(shù)相匹配的系列，通常f m （給基體預(yù)加壓應(yīng)力）3. 選用斷裂韌性大于基體的纖維（阻止裂紋擴

5、展）4. 考慮適當弱的纖維基體界面或控制適當?shù)睦w維直徑（使擴展的裂紋彎曲）5. 剪切變形后應(yīng)使體積膨脹（考慮相變韌化）6. 纖維與基體在制備條件下不發(fā)生有害反應(yīng)，纖維性能不降低2.1 2.1 纖維增強陶瓷基復(fù)合材料纖維增強陶瓷基復(fù)合材料 陶瓷基復(fù)合材料的基體為陶瓷。如碳化硅、氮化陶瓷基復(fù)合材料的基體為陶瓷。如碳化硅、氮化硅、氧化鋁等，具有耐高溫、耐腐蝕、高強度、重量硅、氧化鋁等，具有耐高溫、耐腐蝕、高強度、重量輕和價格低等優(yōu)點。輕和價格低等優(yōu)點?；瘜W鍵往往是介于離子鍵與共價化學鍵往往是介于離子鍵與共價鍵之間的混合鍵。鍵之間的混合鍵。 纖維增強陶瓷基復(fù)合材料是改善陶瓷材料韌性的纖維增強陶瓷基復(fù)合

6、材料是改善陶瓷材料韌性的重要手段。重要手段。1 1、纖維增強陶瓷基復(fù)合材料增強體分布、纖維增強陶瓷基復(fù)合材料增強體分布 按按纖維排布方式纖維排布方式的不同，又可將其分為的不同，又可將其分為單向排布單向排布長纖維復(fù)合材料長纖維復(fù)合材料和和多向排布纖維復(fù)合材料多向排布纖維復(fù)合材料。 裂紋垂直于纖維方向擴展示意圖裂紋垂直于纖維方向擴展示意圖1）單向排布長纖維復(fù)合材料）單向排布長纖維復(fù)合材料 單向排布纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的顯著特點是它具有各向單向排布纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的顯著特點是它具有各向異性異性，即沿纖維長度方向上的縱向性能要大大高于其橫向性能。，即沿纖維長度方向上的縱向性能要大大高于其橫向性

7、能。 在實際構(gòu)件中，主要是使用其縱向性能。在實際構(gòu)件中，主要是使用其縱向性能。 在單向排布纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料中，在單向排布纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料中，當裂紋擴展遇到纖當裂紋擴展遇到纖維時會受阻維時會受阻，這時，如果要使裂紋進一步擴展就必須提高外加應(yīng)，這時，如果要使裂紋進一步擴展就必須提高外加應(yīng)力。力。 當外加應(yīng)力進一步提高時，由于基體與纖維間的界面離解，當外加應(yīng)力進一步提高時，由于基體與纖維間的界面離解，同時又由于同時又由于纖維的強度高于基體的強度纖維的強度高于基體的強度，從而使纖維從基體中，從而使纖維從基體中拔出。拔出。 當拔出的長度達到某一臨界值時，會使纖維發(fā)生斷裂。當拔出的長度達到某一

8、臨界值時，會使纖維發(fā)生斷裂。因因此，此，裂紋的擴展必須克服由于纖維的加入而產(chǎn)生的裂紋的擴展必須克服由于纖維的加入而產(chǎn)生的拔出功和纖拔出功和纖維斷裂功維斷裂功，這樣，使得材料的斷裂更為困難，從而起到了增韌這樣，使得材料的斷裂更為困難，從而起到了增韌的作用。的作用。 實際材料斷裂過程中，實際材料斷裂過程中，纖維的斷裂并非發(fā)生在同一裂紋平纖維的斷裂并非發(fā)生在同一裂紋平面，這樣主裂紋還將因纖維斷裂位置的不同而發(fā)生裂紋轉(zhuǎn)向。面，這樣主裂紋還將因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展阻力增加，從而使韌性進一步提高。這也同樣會使裂紋的擴展阻力增加，從而使韌性進一步提高。 2 2）多向排布纖

9、維增韌復(fù)合材料）多向排布纖維增韌復(fù)合材料 單向排布纖維增韌陶瓷只是在纖維排列方向上的縱向單向排布纖維增韌陶瓷只是在纖維排列方向上的縱向性能較為優(yōu)越，性能較為優(yōu)越，而其橫向性能顯著低于縱向性能，所以只而其橫向性能顯著低于縱向性能，所以只適用于單軸應(yīng)力的場合。適用于單軸應(yīng)力的場合。 而許多陶瓷構(gòu)件則要求在二維及三維方向上均具有優(yōu)而許多陶瓷構(gòu)件則要求在二維及三維方向上均具有優(yōu)良的性能，良的性能，這就要進一步研究多向排布纖維增韌陶瓷基復(fù)這就要進一步研究多向排布纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。合材料。纖維層纖維層基基體體纖維布層壓復(fù)合材料示意圖纖維布層壓復(fù)合材料示意圖 這種材料在纖維排布平面的二維方向上性能優(yōu)越

10、，而這種材料在纖維排布平面的二維方向上性能優(yōu)越，而在垂直于纖維排布面方向上的性能較差。在垂直于纖維排布面方向上的性能較差。 一般應(yīng)用在對二維方向上有較高性能要求的構(gòu)件上。一般應(yīng)用在對二維方向上有較高性能要求的構(gòu)件上。 二維多向排布纖維增韌復(fù)合材料二維多向排布纖維增韌復(fù)合材料 這種復(fù)合材料中，纖維的排布方式有兩種。這種復(fù)合材料中，纖維的排布方式有兩種。 一種是將纖維編織成纖維布，浸漬漿料后，根據(jù)需要的厚度一種是將纖維編織成纖維布，浸漬漿料后，根據(jù)需要的厚度將單層或若干層進行熱壓燒結(jié)成型，將單層或若干層進行熱壓燒結(jié)成型，如下圖所示。如下圖所示。 另一種是另一種是纖維分層單向排布，層間纖維成一定角度

11、纖維分層單向排布，層間纖維成一定角度，如下圖所示。如下圖所示。纖維層纖維層基體基體多層纖維按不同角度方向?qū)訅菏疽鈭D多層纖維按不同角度方向?qū)訅菏疽鈭D 這種復(fù)合材料可根據(jù)構(gòu)件的形狀用纖維浸漿纏繞的方法做成所需這種復(fù)合材料可根據(jù)構(gòu)件的形狀用纖維浸漿纏繞的方法做成所需要形狀的殼層狀構(gòu)件。要形狀的殼層狀構(gòu)件。而前一種材料成型板狀構(gòu)件曲率不宜太大。而前一種材料成型板狀構(gòu)件曲率不宜太大。 這種二維多向纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的韌化機理與單向排布纖這種二維多向纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的韌化機理與單向排布纖維復(fù)合材料是一樣的，維復(fù)合材料是一樣的，主要也是靠纖維的拔出與裂紋轉(zhuǎn)向機制，使其主要也是靠纖維的拔出與裂紋轉(zhuǎn)向

12、機制，使其韌性及強度比基體材料大幅度提高韌性及強度比基體材料大幅度提高。 這種材料最初是從宇航用三向這種材料最初是從宇航用三向C/C復(fù)合材料開始的，現(xiàn)已發(fā)展到復(fù)合材料開始的，現(xiàn)已發(fā)展到三向石英三向石英/石英等陶瓷復(fù)合材料。石英等陶瓷復(fù)合材料。右圖為三向正交右圖為三向正交C/C纖維編織結(jié)構(gòu)纖維編織結(jié)構(gòu)示意圖。它是按直角坐標將多束纖示意圖。它是按直角坐標將多束纖維分層交替編織而成。維分層交替編織而成。 由于每束纖維呈直線伸展，不由于每束纖維呈直線伸展，不存在相互交纏和繞曲，因而使纖維存在相互交纏和繞曲，因而使纖維可以充分發(fā)揮最大的結(jié)構(gòu)強度。可以充分發(fā)揮最大的結(jié)構(gòu)強度。 這種三維多向編織結(jié)構(gòu)還可以這

13、種三維多向編織結(jié)構(gòu)還可以通過調(diào)節(jié)纖維束的根數(shù)和股數(shù)、相通過調(diào)節(jié)纖維束的根數(shù)和股數(shù)、相鄰束間的間距、織物的體積密度以鄰束間的間距、織物的體積密度以及纖維的總體積分數(shù)等參數(shù)及纖維的總體積分數(shù)等參數(shù)進行設(shè)進行設(shè)計以滿足性能要求。計以滿足性能要求。XYZ三向三向C/C編織結(jié)構(gòu)示意圖編織結(jié)構(gòu)示意圖 三維多向排布纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料三維多向排布纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料2.2.纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的加工纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的加工 纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的性能取決于多種因素，如基體、纖維及二者之間的結(jié)合等。從基體方面看，與氣孔的尺寸及數(shù)目、裂紋的大小及一些其他缺陷有關(guān)；從纖維方面看，與纖維中雜質(zhì)、纖維氧化

14、程度、損傷及其他固有缺陷有關(guān)；從基體與纖維結(jié)合看，與界面及結(jié)合效果、纖維在基體中的取向及基體與纖維的熱膨脹系數(shù)差有關(guān)。正因為有如此多影響因素，實際中針對不同材料，成型技術(shù)也會不同。目前采用的纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的成型方法纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的成型方法主要有以下幾種：1、料漿浸滲、料漿浸滲-熱壓燒結(jié)法熱壓燒結(jié)法2、直接氧化沉積法、直接氧化沉積法3、化學氣相浸滲法、化學氣相浸滲法4、先驅(qū)轉(zhuǎn)化法、先驅(qū)轉(zhuǎn)化法5、反應(yīng)性熔體浸滲法、反應(yīng)性熔體浸滲法6、定向凝固法、定向凝固法 料漿浸滲熱壓燒結(jié)法的優(yōu)點：料漿浸滲熱壓燒結(jié)法的優(yōu)點：v燒結(jié)時間短，制造成本低；燒結(jié)時間短，制造成本低；v復(fù)合材料的致密度和性能

15、高；復(fù)合材料的致密度和性能高；v尤其適合纖維增強的玻璃和玻璃陶瓷基復(fù)合材料尤其適合纖維增強的玻璃和玻璃陶瓷基復(fù)合材料v復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和形狀受限復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和形狀受限v復(fù)合材料的高度和尺寸受限復(fù)合材料的高度和尺寸受限v不適合于固相燒結(jié)的材料體系不適合于固相燒結(jié)的材料體系不足之處：不足之處：2、直接氧化沉積法、直接氧化沉積法 （Direct Oxidating Deposition ） 利用熔融金屬氧化來制備陶瓷基復(fù)合材料的一種方法，利用熔融金屬氧化來制備陶瓷基復(fù)合材料的一種方法，這種工藝最早是由美國這種工藝最早是由美國Lanxide公司發(fā)明的，故又稱公司發(fā)明的，故又稱LANXIDE法，其制品已

16、經(jīng)用作坦克防護裝甲材料。法，其制品已經(jīng)用作坦克防護裝甲材料。 它是將纖維預(yù)制體置于熔融金屬上，金屬液的一面在虹它是將纖維預(yù)制體置于熔融金屬上，金屬液的一面在虹吸作用下浸漬到預(yù)制體中，另一面在吸作用下浸漬到預(yù)制體中，另一面在12001400C的高溫的高溫下被空氣氧化生成陶瓷，沉積和包裹在纖維周圍，而形成下被空氣氧化生成陶瓷，沉積和包裹在纖維周圍，而形成纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。直接氧化沉積法：直接氧化沉積法：v工藝相對簡單工藝相對簡單v對纖維損傷小，對纖維損傷小，v可以制備復(fù)雜形狀的零部件可以制備復(fù)雜形狀的零部件v不可避免地有金屬殘存，影響材料的高溫性能。不可避免地有金屬殘

17、存，影響材料的高溫性能。不足之處：不足之處：3、化學氣相浸滲法、化學氣相浸滲法(Chemical Vapor Infiltration，簡稱，簡稱CVI法）法）定義：定義： 在在CVI過程中，反應(yīng)物是以氣體的形式存在，過程中，反應(yīng)物是以氣體的形式存在，能滲入到纖維預(yù)制體的內(nèi)部發(fā)生化學反應(yīng)，并原能滲入到纖維預(yù)制體的內(nèi)部發(fā)生化學反應(yīng)，并原位進行氣相沉積在纖維表面形成位進行氣相沉積在纖維表面形成SiC基體?；w。 發(fā)展歷程：發(fā)展歷程：vCVI法起源于二十世紀六十年代中期，是在化學氣相沉積法（法起源于二十世紀六十年代中期，是在化學氣相沉積法（CVD法）法）方法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種制備陶瓷基復(fù)合材料的新

18、方法。方法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種制備陶瓷基復(fù)合材料的新方法。v1962年由年由Bickerdike等人提出了等人提出了CVI法之后，首先成功地應(yīng)用于法之后，首先成功地應(yīng)用于C/C復(fù)合材料的制造；復(fù)合材料的制造；v七十年代初期，七十年代初期，F(xiàn)itzer和和Naslain分別在德國分別在德國Karsruhe大學和法國大學和法國Bordeaux大學利用大學利用CVI法進行法進行SiC陶瓷基復(fù)合材料的制備；陶瓷基復(fù)合材料的制備；v1984年年Lackey在美國在美國Oak Ridge國家實驗室（國家實驗室（ORNL）提出了）提出了FCVI（Forced CVI）法制備陶瓷基復(fù)合材料；）法制備陶瓷基復(fù)合

19、材料；v有關(guān)有關(guān)CVI基礎(chǔ)理論和模型的研究直到二十世紀八十年代后期才開展?；A(chǔ)理論和模型的研究直到二十世紀八十年代后期才開展。v從二十世紀九十年代開始西北工業(yè)大學等單位開展了系統(tǒng)深入的研究從二十世紀九十年代開始西北工業(yè)大學等單位開展了系統(tǒng)深入的研究工作。工作。 典型的典型的CVI設(shè)備系統(tǒng)示意圖設(shè)備系統(tǒng)示意圖 v能在較低溫度進行高溫材料的制備，能在較低溫度進行高溫材料的制備，SiC陶瓷材料的燒結(jié)溫度通常高陶瓷材料的燒結(jié)溫度通常高達達2000以上，而采用以上，而采用CVI法則能在法則能在9001100的溫度下制備出高純的溫度下制備出高純度和高致密度的度和高致密度的SiC陶瓷：陶瓷： CH3SiCl

20、3(v)excess H2(v)SiC(s)+3HCl(v)+excess H2(v) v能制備出硅化物、碳化物、硼化物、氮化物和氧化物等多種陶瓷材能制備出硅化物、碳化物、硼化物、氮化物和氧化物等多種陶瓷材料，并能實現(xiàn)微觀尺度上化學成份的設(shè)計與制造。料，并能實現(xiàn)微觀尺度上化學成份的設(shè)計與制造。v能制備出形狀復(fù)雜、近凈尺寸能制備出形狀復(fù)雜、近凈尺寸(near-net-shape)和纖維體積分數(shù)高和纖維體積分數(shù)高（Vf60%）的復(fù)合材料部件。）的復(fù)合材料部件。v制備過程中由于沒有機械載荷的作用，纖維的性能損傷程度小。制備過程中由于沒有機械載荷的作用，纖維的性能損傷程度小。CVI的突出優(yōu)點是：的突出

21、優(yōu)點是：v生產(chǎn)周期長，生產(chǎn)周期長，v復(fù)合材料的致密度不高（通常都存在復(fù)合材料的致密度不高（通常都存在1015的孔隙率）。的孔隙率）。 CVI的主要缺點是：的主要缺點是：CVI法制備的法制備的Cf/SiC陶瓷基復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)4、先驅(qū)轉(zhuǎn)化法、先驅(qū)轉(zhuǎn)化法(Polymer Impregnation Pyrolysis，簡稱，簡稱PIP法法) 定義：定義： 先驅(qū)轉(zhuǎn)化法是以有機聚合物先驅(qū)體先驅(qū)轉(zhuǎn)化法是以有機聚合物先驅(qū)體(如聚碳硅烷如聚碳硅烷)溶溶解或熔化后，在真空氣壓的作用下浸漬到纖維預(yù)制解或熔化后，在真空氣壓的作用下浸漬到纖維預(yù)制體內(nèi)部，然后經(jīng)過干燥或交聯(lián)固化，再經(jīng)過高溫處理

22、體內(nèi)部，然后經(jīng)過干燥或交聯(lián)固化，再經(jīng)過高溫處理使有機聚合物熱解轉(zhuǎn)化制備陶瓷使有機聚合物熱解轉(zhuǎn)化制備陶瓷(碳化硅碳化硅)。對先驅(qū)體的基本要求：對先驅(qū)體的基本要求：v可操作性：可操作性：在常溫下應(yīng)為液態(tài)，或在常溫下雖為固態(tài)，但在常溫下應(yīng)為液態(tài)，或在常溫下雖為固態(tài)，但可溶、可熔，在將其作為先驅(qū)體使用的工藝過程中（如浸漬、可溶、可熔，在將其作為先驅(qū)體使用的工藝過程中（如浸漬、紡絲、作陶瓷膠粘劑、作涂層等）具有適當?shù)牧鲃有?；紡絲、作陶瓷膠粘劑、作涂層等）具有適當?shù)牧鲃有?；v室溫下性質(zhì)穩(wěn)定：室溫下性質(zhì)穩(wěn)定：長期放置不發(fā)生交聯(lián)變性，最好能在潮長期放置不發(fā)生交聯(lián)變性，最好能在潮濕和氧化環(huán)境下保存；濕和氧化環(huán)境

23、下保存；v陶瓷轉(zhuǎn)化率高：陶瓷轉(zhuǎn)化率高：陶瓷轉(zhuǎn)化率指的是從參加裂解的有機聚合陶瓷轉(zhuǎn)化率指的是從參加裂解的有機聚合物中獲得陶瓷的比例，以大于物中獲得陶瓷的比例，以大于80為好，應(yīng)不低于為好，應(yīng)不低于50。v容易獲得且價格低廉，聚合物的合成工藝簡單，產(chǎn)率高容易獲得且價格低廉，聚合物的合成工藝簡單，產(chǎn)率高；v裂解產(chǎn)物和副產(chǎn)物均無毒，也不致有其他危險性。裂解產(chǎn)物和副產(chǎn)物均無毒，也不致有其他危險性。 聚碳硅烷的熱解轉(zhuǎn)化過程：聚碳硅烷的熱解轉(zhuǎn)化過程： 聚碳硅烷（聚碳硅烷（polycarbosilane，簡記為，簡記為PCS）通過裂解可以轉(zhuǎn)化為碳化硅。通過裂解可以轉(zhuǎn)化為碳化硅。 v200350 低分子量物質(zhì)蒸

24、發(fā)；低分子量物質(zhì)蒸發(fā)；v300500 發(fā)生去氫或去氫縮合反應(yīng)；發(fā)生去氫或去氫縮合反應(yīng)；v550850 側(cè)鏈基團降解，形成無定形三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；側(cè)鏈基團降解，形成無定形三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；v8501050 形成無定形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的反應(yīng)結(jié)束；形成無定形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的反應(yīng)結(jié)束；v10501300 出現(xiàn)平均晶粒尺寸為出現(xiàn)平均晶粒尺寸為2nm的的-SiC結(jié)晶，結(jié)晶，同時生成游離碳及同時生成游離碳及-SiO2；v13001600 -SiC晶粒長大，晶粒長大，Si-O鍵含量下降。鍵含量下降。 不同不同溫度下處理的溫度下處理的PCS的的XRD譜譜 PIP法的主要特點是：法的主要特點是：v先驅(qū)有機聚合物具有可設(shè)計性：先驅(qū)有機聚

25、合物具有可設(shè)計性：能夠?qū)ο闰?qū)有機聚合物的能夠?qū)ο闰?qū)有機聚合物的組成、結(jié)構(gòu)進行設(shè)計與優(yōu)化，從而實現(xiàn)對陶瓷及陶瓷基復(fù)組成、結(jié)構(gòu)進行設(shè)計與優(yōu)化，從而實現(xiàn)對陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料的可設(shè)計性。合材料的可設(shè)計性。v可對復(fù)合材料的增強體與基體實現(xiàn)理想的復(fù)合：可對復(fù)合材料的增強體與基體實現(xiàn)理想的復(fù)合：在先驅(qū)有在先驅(qū)有機聚合物轉(zhuǎn)化成陶瓷的過程中，其結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從有機線型機聚合物轉(zhuǎn)化成陶瓷的過程中，其結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從有機線型結(jié)構(gòu)到三維有機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從三維有機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)到三維無結(jié)構(gòu)到三維有機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從三維有機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)到三維無機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進而到陶瓷納米微晶結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，因而通過機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進而到陶瓷納米微晶結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，因而通過

26、改變工藝條件對不同的轉(zhuǎn)化階段實施檢測與控制，有可能改變工藝條件對不同的轉(zhuǎn)化階段實施檢測與控制，有可能獲得陶瓷基體與增強體間的理想復(fù)合。獲得陶瓷基體與增強體間的理想復(fù)合。PIP法的主要特點是：法的主要特點是：v良好的工藝性：良好的工藝性：先驅(qū)有機聚合物具有樹脂材料的一般共性，先驅(qū)有機聚合物具有樹脂材料的一般共性，如可溶、可熔、可交聯(lián)、固化等。利用這些特性，可以在陶瓷如可溶、可熔、可交聯(lián)、固化等。利用這些特性，可以在陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料制備的初始工序中借鑒與引用某些塑料和樹及陶瓷基復(fù)合材料制備的初始工序中借鑒與引用某些塑料和樹脂基復(fù)合材料的成型工藝技術(shù)，再通過燒結(jié)制成陶瓷和陶瓷基脂基復(fù)合材料的成型

27、工藝技術(shù)，再通過燒結(jié)制成陶瓷和陶瓷基復(fù)合材料的各種構(gòu)件。它便于制備增強體單向、二維或三維配復(fù)合材料的各種構(gòu)件。它便于制備增強體單向、二維或三維配置與分布的纖維增強復(fù)合材料。浸漬先驅(qū)有機聚合物的增強體置與分布的纖維增強復(fù)合材料。浸漬先驅(qū)有機聚合物的增強體預(yù)制件，在未燒結(jié)之前具有可加工性，通過車、削、磨、鉆孔預(yù)制件，在未燒結(jié)之前具有可加工性，通過車、削、磨、鉆孔等機械加工技術(shù)能夠方便地修整其形狀和尺寸。等機械加工技術(shù)能夠方便地修整其形狀和尺寸。v燒結(jié)溫度低：燒結(jié)溫度低：先驅(qū)有機聚合物轉(zhuǎn)化為陶瓷的燒結(jié)溫度遠遠低先驅(qū)有機聚合物轉(zhuǎn)化為陶瓷的燒結(jié)溫度遠遠低于相同成分的陶瓷粉末燒結(jié)的溫度。于相同成分的陶瓷粉

28、末燒結(jié)的溫度。 先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法也存在一些缺點：先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法也存在一些缺點：v先驅(qū)體在干燥（或交聯(lián)固化）和熱解過程中，由于溶劑和先驅(qū)體在干燥（或交聯(lián)固化）和熱解過程中，由于溶劑和低分子組分的揮發(fā)，導致基體的收縮率很大，微結(jié)構(gòu)不致密，低分子組分的揮發(fā)，導致基體的收縮率很大，微結(jié)構(gòu)不致密，并有伴生裂紋出現(xiàn)；并有伴生裂紋出現(xiàn)；v受先驅(qū)體轉(zhuǎn)化率的限制，為了獲得密度較高的陶瓷基復(fù)合受先驅(qū)體轉(zhuǎn)化率的限制，為了獲得密度較高的陶瓷基復(fù)合材料，必須經(jīng)過反復(fù)浸漬熱解，工藝成本較高；材料，必須經(jīng)過反復(fù)浸漬熱解，工藝成本較高；v很難獲得高純度和化學計量的陶瓷基體。很難獲得高純度和化學計量的陶瓷基體。 5、反應(yīng)性熔體浸滲法

29、、反應(yīng)性熔體浸滲法 (Reactive Melt Infiltration，簡稱，簡稱RMI法法) 起源于多孔體的封填和金屬基復(fù)合材料的制備。起源于多孔體的封填和金屬基復(fù)合材料的制備。 在采用在采用RMI法制備法制備SiC陶瓷基復(fù)合材料過程中，將陶瓷基復(fù)合材料過程中，將金屬金屬Si熔化后，在毛細管力的作用下熔化后，在毛細管力的作用下Si熔體滲入到多熔體滲入到多孔孔C材料內(nèi)部，并同時與基體碳發(fā)生化學反應(yīng)生成材料內(nèi)部，并同時與基體碳發(fā)生化學反應(yīng)生成SiC陶瓷基體。陶瓷基體。 實例：竹木陶瓷實例：竹木陶瓷浸漬劑浸漬劑v制備周期很短，是一種典型的低成本制造技術(shù)；制備周期很短，是一種典型的低成本制造技術(shù)

30、；v能夠制備出幾乎完全致密的復(fù)合材料；能夠制備出幾乎完全致密的復(fù)合材料；v在制備過程中不存在體積變化。在制備過程中不存在體積變化。 RMI法的優(yōu)法的優(yōu)點：點：v金屬硅熔體滲入到多孔金屬硅熔體滲入到多孔C/C復(fù)合材料中在與基體碳反應(yīng)的過復(fù)合材料中在與基體碳反應(yīng)的過程中，也不可避免地與碳纖維反應(yīng)，從而造成對纖維的損傷，程中，也不可避免地與碳纖維反應(yīng)，從而造成對纖維的損傷，復(fù)合材料的力學性能較低；復(fù)合材料的力學性能較低；v由于復(fù)合材料內(nèi)部一定量的游離由于復(fù)合材料內(nèi)部一定量的游離Si的存在，會降低材料的高的存在，會降低材料的高溫力學性能。溫力學性能。 RMI法的缺點：法的缺點：6、定向凝固法、定向凝固

31、法 (Directional Solidification，簡稱，簡稱DS法法) 定向凝固法通常用于定向凝固法通常用于自生復(fù)合材料的制備自生復(fù)合材料的制備。 自生復(fù)合材料是利用材料體系中的不同組元晶體生長的特自生復(fù)合材料是利用材料體系中的不同組元晶體生長的特點，在特定的燒結(jié)工藝條件下獲得具有類似纖維狀增強相，這點，在特定的燒結(jié)工藝條件下獲得具有類似纖維狀增強相，這類復(fù)合材料的增強相和基體之間存在天然的物理化學相容性，類復(fù)合材料的增強相和基體之間存在天然的物理化學相容性，是一種很有發(fā)展前途的復(fù)合材料。是一種很有發(fā)展前途的復(fù)合材料。 應(yīng)用特設(shè)裝置，使熔體沿固定方向順序凝固的過程，其條應(yīng)用特設(shè)裝置，

32、使熔體沿固定方向順序凝固的過程，其條件是要保證熱流只向著凝固界面推移的逆方向傳輸。件是要保證熱流只向著凝固界面推移的逆方向傳輸。 實例：定向凝固共晶陶瓷自生復(fù)合材料（實例：定向凝固共晶陶瓷自生復(fù)合材料（Directional solidified eutectic ceramic in-situ composites)v定向凝固自生復(fù)合材料是指在定向凝固過程中，增強相定向凝固自生復(fù)合材料是指在定向凝固過程中，增強相和基體直接從準熱力學平衡條件下的液相中生長出來的復(fù)和基體直接從準熱力學平衡條件下的液相中生長出來的復(fù)合材料，因而合材料，因而具有很高的熱力學穩(wěn)定性具有很高的熱力學穩(wěn)定性；v各組成相的

33、擇優(yōu)取向使得材料在生長方向具有很好的強各組成相的擇優(yōu)取向使得材料在生長方向具有很好的強度和抗蠕變性；度和抗蠕變性；v這種材料的制備可避免人工復(fù)合材料制備過程中遇到的這種材料的制備可避免人工復(fù)合材料制備過程中遇到的諸如復(fù)合技術(shù)、污染、濕潤和界面反應(yīng)等問題，特別提到諸如復(fù)合技術(shù)、污染、濕潤和界面反應(yīng)等問題，特別提到的無須使用價格昂貴的纖維，因而具有獨特的優(yōu)越性。的無須使用價格昂貴的纖維，因而具有獨特的優(yōu)越性。 定向凝固法的優(yōu)點：定向凝固法的優(yōu)點：2.2 2.2 纖維增強混凝土纖維增強混凝土 纖維增強混凝土，或稱纖維混凝土，是以水泥漿、砂漿或混凝土為基材，以非連續(xù)的短纖維或連續(xù)的長纖維作為增強材料，

34、均勻地摻合在混凝土中而組成的一種新型水泥基復(fù)合材料的總稱，是興起于20世紀后半葉的一種新型土木工程材料。 1. 纖維在混凝土中的作用在混凝土中摻入均勻分布的纖維后，明顯提高混凝土的性能。纖維在混凝土中主要起著以下三方面的作用：（1）阻裂作用（2）增強作用（3）增韌作用75（1）阻裂作用 纖維可阻礙混凝土中微裂縫的產(chǎn)生與擴展，這種阻裂作用既存在于混凝土的未硬化的塑性階段，也存在于混凝土的硬化階段。 水泥基體在澆注后的24 h內(nèi)抗拉強度低，若處于約束狀態(tài)，當其所含水分急劇蒸發(fā)時，極易生成大量裂縫，此時，均勻分布于混凝土中的纖維可承受因塑性收縮引起的拉應(yīng)力，從而阻止或減少裂縫的生成。 混凝土硬化后，

35、若仍處于約束狀態(tài)，因周圍環(huán)境溫度與濕度的變化而使干縮引起的拉應(yīng)力超過其抗拉強度時，也極易生成大量裂縫，在此情況下纖維仍可阻止或減少裂縫的生成。76（2）增強作用 混凝土不僅抗拉強度低，而且因存在內(nèi)部缺陷而往往難于保證。當混凝土中加入適量的纖維后，可使混凝土的抗拉強度、彎拉強度、抗剪強度及疲勞強度等有一定的提高。77（3）增韌作用 纖維混凝土在荷載作用下，即使混凝土發(fā)生開裂，纖維還可橫跨裂縫承受拉應(yīng)力并可使混凝土具有良好的韌性。韌性是表征材料抵抗變形性能的重要指標，一般用混凝土的荷載撓度曲線或拉應(yīng)力應(yīng)變曲線下的面積來表示的。782. 常用的纖維混凝土鋼纖維混凝土鋼纖維混凝土 普通鋼纖維混凝土的纖

36、維體積率在1%2%之間，較之普通混凝土，抗拉強度提高40%80%，抗彎強度提高60%120%，抗剪強度提高50%一100%，鋼纖維混凝土的抗拉強度、抗剪強度和抗彎強度，隨著纖維摻量的提高而明顯增加，對提高受彎構(gòu)件的承載能力，起很大作用。 79 工程中常用的纖維混凝土有鋼纖維混凝土、玻璃纖維混凝土、合成纖維混凝土。 鋼纖維混凝土的抗壓強度，隨著纖維摻量的增加而稍有增加，一般在025%之間，但抗壓韌性卻大幅度提高。鋼纖維混凝土的破壞改變了混凝土脆性破壞的形式，由脆性破壞變?yōu)榻朴谘有詳嗔眩跀嗔亚俺霈F(xiàn)較大變形，裂縫擴展速度較慢，提高了混凝土的韌性和抗裂性。 在動荷載作用下，鋼纖維混凝土在裂縫擴展時

37、，首先是鋼纖維克服基材的粘結(jié)力而被拔出，或是鋼纖維達到屈服而被拉斷。這都需要消耗大量的能量。因此，鋼纖維混凝土能提高抗沖擊性能。 鋼纖維混凝土的軸心抗壓強度、受壓彈性模量和泊松比與普通混凝土相比，均相差不多；但鋼纖維混凝土的極限應(yīng)變大于普通混凝土。80 玻璃纖維混凝土玻璃纖維混凝土 玻璃纖維增強混凝土,是在混凝土基體中均勻分散一定比例的特定玻璃纖維，使混凝土的韌性得到改善，抗彎性抗壓比得到提高的一種特種混凝土。組成組成材料：材料： 玻璃纖維混凝土的原材料與普通混凝土有很大的區(qū)別： 耐堿玻璃纖維：提高玻璃纖維的耐堿蝕能力，提高耐久性。（原因：與其它纖維相比,玻璃纖維易被水泥中的水化產(chǎn)物腐蝕） 低堿水泥：其中低堿硫鋁酸鹽水泥是目前在GRC中應(yīng)用最多的一種水泥，對玻璃纖維的腐蝕作用較低，