第七章陶瓷基復(fù)合材料

1、12具個(gè)具個(gè)、及及等許多優(yōu)良的性能。等許多優(yōu)良的性能。但是，陶瓷材料同時(shí)也具有但是，陶瓷材料同時(shí)也具有，即，即，這一弱點(diǎn)正是目前淘瓷材料，這一弱點(diǎn)正是目前淘瓷材料的使用受到很大限制的主要原因。的使用受到很大限制的主要原因。3因此，陶瓷材料的因此，陶瓷材料的便成了便成了近年來陶瓷工作者們研究的一個(gè)重點(diǎn)問題。近年來陶瓷工作者們研究的一個(gè)重點(diǎn)問題。現(xiàn)在這方面的研究巳取得了初步進(jìn)展，現(xiàn)在這方面的研究巳取得了初步進(jìn)展，探索出了若干種探索出了若干種。4其中，往陶陶瓷材料中加入其中，往陶陶瓷材料中加入而制成而制成陶瓷基復(fù)陶瓷基復(fù)合材料即合材料即是一種重要方法。是一種重要方法。51陶瓷基復(fù)合材料的基體陶瓷基復(fù)

2、合材料的基體陶瓷基復(fù)合材料的基體陶瓷基復(fù)合材料的基體為為，這是，這是一種包括范圍很廣的材料，屬于一種包括范圍很廣的材料，屬于而不是單質(zhì)，所以它的而不是單質(zhì)，所以它的結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比金屬合結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比金屬合金復(fù)雜得多金復(fù)雜得多。6現(xiàn)代陶瓷材料的研究，最早是從對現(xiàn)代陶瓷材料的研究，最早是從對開始的，隨后又逐步擴(kuò)大開始的，隨后又逐步擴(kuò)大到了其他的到了其他的。目前被人們研究最多的是目前被人們研究最多的是、等，它們普遍具有等，它們普遍具有耐高溫耐高溫、耐腐蝕耐腐蝕、高強(qiáng)度高強(qiáng)度、重量輕重量輕和和價(jià)格低價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。等優(yōu)點(diǎn)。7陶瓷基復(fù)合材料中的陶瓷基復(fù)合材料中的，通常，通常也稱為也稱為。從幾何尺寸上增強(qiáng)體可分為從幾何

3、尺寸上增強(qiáng)體可分為(長、短纖維長、短纖維)、和和三類。三類。8是用來制造是用來制造最常用的纖維之一。最常用的纖維之一。碳纖維可用多種方法進(jìn)行生產(chǎn)。碳纖維可用多種方法進(jìn)行生產(chǎn)。工業(yè)上主要采用工業(yè)上主要采用和和。9主要包括三個(gè)階段。主要包括三個(gè)階段。第一階段第一階段在空氣中于在空氣中于200400進(jìn)行進(jìn)行；第二階段第二階段是在惰性氣體中在是在惰性氣體中在1000左左右進(jìn)行右進(jìn)行；第三階段第三階段則是在惰性氣體中于則是在惰性氣體中于2000以上的溫度作以上的溫度作。10目前，碳纖維常規(guī)生產(chǎn)的品種主要有兩種，目前，碳纖維常規(guī)生產(chǎn)的品種主要有兩種，即即和和。其中，高模量型的其中，高模量型的約為約為400

4、 GPa，約為約為1.7 GPa；低模量型的低模量型的約為約為240 GPa，約為約為2.5 GPa。11主要用在把主要用在把、和和作為設(shè)計(jì)參數(shù)的作為設(shè)計(jì)參數(shù)的構(gòu)構(gòu)件件，在，在1500的溫度下，碳纖維仍的溫度下，碳纖維仍能保持其性能不變。能保持其性能不變。12但是，必須對碳纖維進(jìn)行但是，必須對碳纖維進(jìn)行以防止它以防止它在空氣中或氧化性在空氣中或氧化性氣氛中被腐蝕氣氛中被腐蝕，只有這樣，才能充，只有這樣，才能充分發(fā)揮它的優(yōu)良性能。分發(fā)揮它的優(yōu)良性能。13陶瓷基復(fù)合材料中的陶瓷基復(fù)合材料中的中，中，另一種常用纖維是另一種常用纖維是。制造玻璃纖維的制造玻璃纖維的如下如下圖所示：圖所示：14玻璃球玻璃

5、球玻璃球再熔化玻璃球再熔化連續(xù)纖維連續(xù)纖維上漿上漿紗線紗線繞線筒繞線筒將玻璃小球?qū)⒉Ａ∏蛉刍?，然后通過熔化，然后通過1mm左右直徑的左右直徑的小孔把它們拉出小孔把它們拉出來。來。另外，纏繞另外，纏繞纖維的纖維的心軸的轉(zhuǎn)心軸的轉(zhuǎn)動速度動速度決定纖維決定纖維的直徑，通常為的直徑，通常為10um的數(shù)量級。的數(shù)量級。15為了為了和和，在剛凝固成纖維時(shí)，表面，在剛凝固成纖維時(shí)，表面就就涂覆薄薄一層保護(hù)膜涂覆薄薄一層保護(hù)膜，這層保護(hù)膜，這層保護(hù)膜還有利于還有利于。 16可在一個(gè)可在一個(gè)很寬的范圍內(nèi)很寬的范圍內(nèi)調(diào)調(diào)整，因而可生產(chǎn)出具有整，因而可生產(chǎn)出具有較高楊氏模量較高楊氏模量的品的品種，這些特殊品種的纖

6、維通常需要種，這些特殊品種的纖維通常需要在較高在較高的溫度下的溫度下，因而，因而成本較高成本較高，但，但可滿足制造一些可滿足制造一些復(fù)合材料。復(fù)合材料。17還有一種還有一種常用的纖維常用的纖維是是。它屬于它屬于多相的多相的，又是，又是無定形的無定形的，因，因?yàn)樗怯脼樗怯脤o定形硼無定形硼或者或者形成的。形成的。18在實(shí)際結(jié)構(gòu)的在實(shí)際結(jié)構(gòu)的硼纖維硼纖維中，由于中，由于，使其，使其到只有晶體硼纖維一半左右。到只有晶體硼纖維一半左右。19由由所獲得的所獲得的硼纖維的平均性能硼纖維的平均性能為，楊氏模量為，楊氏模量420GPa，拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度2.8GPa。對任何可能的對任何可能的都非常都非常，

7、甚至比玻璃纖維更敏感，甚至比玻璃纖維更敏感，對硼纖維都有影響，高于對硼纖維都有影響，高于500 時(shí)強(qiáng)度會急時(shí)強(qiáng)度會急劇下降。劇下降。20為了阻止為了阻止，已采用了已采用了作試驗(yàn)。作試驗(yàn)。例如，例如，商業(yè)上使用的硼纖維商業(yè)上使用的硼纖維通常是在通常是在表面涂了一層表面涂了一層，它可使纖維，它可使纖維長期暴長期暴露在高溫后露在高溫后仍有保持仍有保持的優(yōu)點(diǎn)。的優(yōu)點(diǎn)。21陶瓷材料中另一種增強(qiáng)體為陶瓷材料中另一種增強(qiáng)體為。晶須為具有晶須為具有(直徑直徑0.31um,長長30100um)的的。1952年，年，Herring和和Galt驗(yàn)證了驗(yàn)證了比比高得多，這促使人們?nèi)Ω叩枚?，這促使人們?nèi)w纖維狀的單

8、晶維狀的單晶進(jìn)行詳細(xì)的研究。進(jìn)行詳細(xì)的研究。22從結(jié)構(gòu)上看，從結(jié)構(gòu)上看，是沒有是沒有、和和等一類缺等一類缺陷，而這些缺陷正是陷，而這些缺陷正是大塊晶體中大量存大塊晶體中大量存在在且促使且促使強(qiáng)度下降強(qiáng)度下降的主要原因。的主要原因。23在某些情況下，在某些情況下，可達(dá)可達(dá)0.1E(E為楊氏模量為楊氏模量)，這已非常接，這已非常接近于近于0.2E。相比之下，相比之下，多晶的金屬纖維多晶的金屬纖維和和塊塊狀金屬狀金屬的的只有只有0.02E和和0.001E。24由于晶須具有由于晶須具有、和和，從而引起了人們對其特別，從而引起了人們對其特別的關(guān)注。的關(guān)注。在在陶瓷基復(fù)合材料中陶瓷基復(fù)合材料中使用得較為普

9、遍使用得較為普遍的是的是、及及晶須。晶須。25陶瓷材料中的另一種增強(qiáng)體為陶瓷材料中的另一種增強(qiáng)體為。從從幾何尺寸幾何尺寸上看，顆粒在各個(gè)方向上上看，顆粒在各個(gè)方向上的長度是大致相同的，一般為的長度是大致相同的，一般為幾個(gè)微米幾個(gè)微米。常用得的顆粒也是常用得的顆粒也是、等。等。26雖不如雖不如，但，但是，如果顆粒種類、是，如果顆粒種類、粒徑粒徑、含量含量及及基體材料基體材料仍會仍會有一定的韌化效果有一定的韌化效果，同時(shí)還會，同時(shí)還會帶來帶來，的改善。的改善。所以，所以，同樣受到重視同樣受到重視并對其進(jìn)行了一定的研究。并對其進(jìn)行了一定的研究。27在陶瓷材料中，加入在陶瓷材料中，加入是是改善陶瓷材料

10、韌性改善陶瓷材料韌性的重要手段，的重要手段，按按的不同，又可將其分為的不同，又可將其分為復(fù)合材料和復(fù)合材料和復(fù)復(fù)合材料。合材料。28增韌陶瓷基復(fù)合材料增韌陶瓷基復(fù)合材料的顯的顯著特點(diǎn)是它具有著特點(diǎn)是它具有，即，即沿纖維長度方沿纖維長度方向上的縱向性能向上的縱向性能要大大要大大高于其橫向性能高于其橫向性能。在實(shí)際構(gòu)件中，主要是使用其在實(shí)際構(gòu)件中，主要是使用其縱向性能?？v向性能。29在在增韌陶瓷基復(fù)合材增韌陶瓷基復(fù)合材料料中，當(dāng)中，當(dāng)遇到纖維時(shí)遇到纖維時(shí)，這時(shí)，如果要使這時(shí)，如果要使就必須就必須提高外加應(yīng)力提高外加應(yīng)力。這一過程的示意圖如下：這一過程的示意圖如下：3031當(dāng)當(dāng)時(shí)，由于時(shí)，由于基基體

11、與纖維間的體與纖維間的，同時(shí)又由于，同時(shí)又由于纖纖維的強(qiáng)度高于基體的強(qiáng)度維的強(qiáng)度高于基體的強(qiáng)度，從而，從而。當(dāng)當(dāng)達(dá)到某一臨界值達(dá)到某一臨界值時(shí)，時(shí)，會使會使。32因此，因此，必須克服必須克服由于由于纖維的加入而產(chǎn)生纖維的加入而產(chǎn)生的的和和，這樣，使得，這樣，使得材料的斷裂更為困材料的斷裂更為困難難，從而起到了，從而起到了增韌的作用增韌的作用。33實(shí)際實(shí)際材料斷裂過程材料斷裂過程中，中，并并非發(fā)生在非發(fā)生在同一裂紋平面同一裂紋平面，這樣，這樣還將還將沿纖維斷裂位置的不同沿纖維斷裂位置的不同而發(fā)生而發(fā)生。這也同樣會這也同樣會，從而，從而使使韌性進(jìn)一步提高韌性進(jìn)一步提高。34單向排布纖維單向排布纖維

12、增韌陶瓷只是增韌陶瓷只是在纖維排在纖維排列方向上的列方向上的較為優(yōu)越，而其較為優(yōu)越，而其顯著低于顯著低于，所以只適用于，所以只適用于的場合。的場合。35而許多而許多則要求則要求在二維及在二維及三維方向上三維方向上均具有均具有，這就，這就要進(jìn)一步研究要進(jìn)一步研究增韌陶瓷增韌陶瓷基復(fù)合材料?；鶑?fù)合材料。36這種復(fù)合材料中，這種復(fù)合材料中，。一種是一種是，浸漬浸漬漿料后漿料后，根據(jù)需要的厚度根據(jù)需要的厚度將將進(jìn)行進(jìn)行，如下圖所示：，如下圖所示：37纖維層纖維層基體基體38這種材料在這種材料在性能優(yōu)越性能優(yōu)越，而在，而在的性能較差。的性能較差。一般應(yīng)用在對一般應(yīng)用在對的構(gòu)件上。的構(gòu)件上。39另一種是另

13、一種是，層層間纖維成一定角度間纖維成一定角度，如下圖所示。，如下圖所示。4041后一種復(fù)合材料可以根據(jù)后一種復(fù)合材料可以根據(jù)用用纖維浸漿纏繞的方法纖維浸漿纏繞的方法做成所需要形做成所需要形狀的狀的。而前一種材料而前一種材料曲率不曲率不宜太大宜太大。42這種這種增韌陶瓷基復(fù)合材增韌陶瓷基復(fù)合材料料的的韌化機(jī)理韌化機(jī)理與與復(fù)合材料是復(fù)合材料是一樣的，主要也是靠一樣的，主要也是靠與與，使其，使其比基體材料大幅比基體材料大幅度提高。度提高。43增韌陶瓷是為了增韌陶瓷是為了滿足滿足某些情況的性能要求某些情況的性能要求而設(shè)計(jì)的。而設(shè)計(jì)的。這種材料最初是從宇航用這種材料最初是從宇航用開始的，現(xiàn)已發(fā)展到開始的

14、，現(xiàn)已發(fā)展到等陶等陶瓷復(fù)合材料。瓷復(fù)合材料。44下圖為下圖為示意圖。它是按直角坐標(biāo)示意圖。它是按直角坐標(biāo)而成。而成。45 由于由于每束每束纖維呈直線伸纖維呈直線伸展展，不存在，不存在，因而使纖維可因而使纖維可以充分發(fā)揮以充分發(fā)揮最最大的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。46這種這種編織結(jié)構(gòu)編織結(jié)構(gòu)還可以通過還可以通過，以及以及纖維的總體纖維的總體積分?jǐn)?shù)積分?jǐn)?shù)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)以滿足性能要求。等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)以滿足性能要求。47長纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料長纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料雖然雖然，但它的，但它的，而且，而且纖維在纖維在基體中不易分布均勻基體中不易分布均勻。因此，近年來又發(fā)展了因此，近年來又發(fā)展了、及及增韌陶瓷

15、基復(fù)合材料。由于短纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。由于短纖維與晶須相似，故只討論后兩種情形。與晶須相似，故只討論后兩種情形。48由于由于很小，從客觀上看與很小，從客觀上看與一樣，因此一樣，因此在制備復(fù)合材料在制備復(fù)合材料時(shí)，只需時(shí)，只需將將與與混合均勻，然后混合均勻，然后對對混好的粉末混好的粉末進(jìn)行進(jìn)行，即可制得致，即可制得致密的晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料。密的晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料。49目前常用的是目前常用的是，晶須，常用的基體則為晶須，常用的基體則為，及及等。等。50陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料與與，等因等因素有關(guān)。素有關(guān)。下面兩個(gè)圖分別給出了下面兩個(gè)圖分別給出了及及陶瓷復(fù)合材料陶瓷復(fù)合材料的性能與的

16、性能與之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。51 )SiCw含量（含量（vol%） )SiCw含量（含量（vol%）5253從上面兩個(gè)圖中可以看出，兩從上面兩個(gè)圖中可以看出，兩種材料的種材料的、及及均均隨著隨著SiCw含量的增加含量的增加而提高。而提高。54而而的變化規(guī)律則是，對的變化規(guī)律則是，對，隨隨SiCw含量的增加單調(diào)上升含量的增加單調(diào)上升，而對而對，在，在10 vol SiCw時(shí)時(shí)，隨后又有所下降，但卻，隨后又有所下降，但卻始終高于基體始終高于基體。55這可解釋為由于這可解釋為由于，同時(shí)，同時(shí)而而，從而使，從而使，。56由圖中可知，對由圖中可知，對最佳最佳的韌性和強(qiáng)度的配合的韌性和強(qiáng)度的配合可使可使

17、KIC=7MPa.M1/2， f=600MPa；的的KIC=16MPa.M1/2 ， f=1400MPa。由此可見，由此可見，SiCw對陶瓷材料對陶瓷材料。57從上面的討論知道，由于從上面的討論知道，由于，因此，因此，當(dāng)其含量較高時(shí)，當(dāng)其含量較高時(shí)，因其因其而而使致密化變得因難使致密化變得因難，從而引起了從而引起了密度的下降并導(dǎo)致性能的密度的下降并導(dǎo)致性能的下降下降。58為了克服這一弱點(diǎn)，可采用為了克服這一弱點(diǎn)，可采用來來制成復(fù)合材料，這種復(fù)合制成復(fù)合材料，這種復(fù)合材料在材料在及及均比晶均比晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料要容易。要容易。59當(dāng)所用的顆粒為當(dāng)所用的顆粒為，時(shí)，時(shí)，基體

18、材料采用最多的是基體材料采用最多的是，。目前，這些復(fù)合材料已廣泛用目前，這些復(fù)合材料已廣泛用來來制造刀具制造刀具。60右圖顯示了右圖顯示了對對復(fù)合材料復(fù)合材料性能的影響性能的影響。從中可以看出，在從中可以看出，在強(qiáng)度出現(xiàn)峰值。強(qiáng)度出現(xiàn)峰值。61下圖為下圖為對對復(fù)合材料性能的復(fù)合材料性能的影響。影響。 從中可以看出，在從中可以看出，在強(qiáng)度及強(qiáng)度及韌性達(dá)到了最高值。韌性達(dá)到了最高值。62從上面的討論可知，從上面的討論可知，對陶瓷對陶瓷材料的增韌材料的增韌均有一定作用，且各有利弊。均有一定作用，且各有利弊。的的，但，但；可克服晶須的這一弱點(diǎn)，但其可克服晶須的這一弱點(diǎn)，但其。63由此很容易想到，若將由

19、此很容易想到，若將與與共共同使用同使用，則可取長補(bǔ)短，達(dá)到更好的效果。，則可取長補(bǔ)短，達(dá)到更好的效果。目前，已有了這方面的研究工作，如目前，已有了這方面的研究工作，如使用使用與與來來共同增韌共同增韌，用，用來來共同增韌共同增韌等。等。64下面兩個(gè)圖分別給出了下面兩個(gè)圖分別給出了Al2O3+復(fù)合材料的復(fù)合材料的性能隨性能隨的變的變化情況?；闆r。65與與66與與6768可以看出，隨著可以看出，隨著，其，其與與均呈上升趨勢均呈上升趨勢，在，在20SiCw及及30 ZrO2(Y2O3)時(shí)時(shí)，復(fù)合材抖的，復(fù)合材抖的 f達(dá)達(dá)1200MPa。KIC達(dá)達(dá)10 MPa.M1/2 以上。以上。這比這比單獨(dú)晶須韌

20、化單獨(dú)晶須韌化的的Al2O3+SiCw復(fù)合材復(fù)合材料的料的 f =634MPa，KIC=7.5 MPa.M1/2有明顯有明顯的提高，這充分體現(xiàn)了這種的提高，這充分體現(xiàn)了這種。69下表則給出了下表則給出了莫來石及其制得的復(fù)合材料的莫來石及其制得的復(fù)合材料的強(qiáng)度與韌性強(qiáng)度與韌性。材料材料 f (Mpa)KIC (MPa.M1/2)莫來石莫來石2442.8Si3N4+SiCw10001112很明顯，由很明顯，由與莫來石制得的復(fù)合材料要比與莫來石制得的復(fù)合材料要比單獨(dú)用單獨(dú)用制得的復(fù)合材料的性能好得多。制得的復(fù)合材料的性能好得多。707172由于由于陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料往往是在往往是在下制備，

21、而且往往下制備，而且往往在高溫環(huán)境中工作在高溫環(huán)境中工作，因此因此容易容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成化學(xué)粘結(jié)的形成化學(xué)粘結(jié)的或或。73若若基體與增強(qiáng)體之間基體與增強(qiáng)體之間不發(fā)生反應(yīng)或控不發(fā)生反應(yīng)或控制它們之間發(fā)生反應(yīng)，那么當(dāng)制它們之間發(fā)生反應(yīng)，那么當(dāng)從高溫冷卻從高溫冷卻下來時(shí)下來時(shí)，大于大于，由于收，由于收縮而產(chǎn)生的縮而產(chǎn)生的 r 與與 有關(guān)：有關(guān)：74式中，式中， 是摩擦系數(shù)，一般為是摩擦系數(shù)，一般為0.10.6。此外，基此外，基體在高溫時(shí)呈現(xiàn)為液體體在高溫時(shí)呈現(xiàn)為液體(或或粘性體粘性體)，它也可，它也可等缺陷處，冷卻后形成等缺陷處，冷卻后形成機(jī)械結(jié)合機(jī)械結(jié)合。75實(shí)際上，高溫下實(shí)際上，高

22、溫下原子的活性增大原子的活性增大，原子的擴(kuò)散速度較室溫大的多，由原子的擴(kuò)散速度較室溫大的多，由于于，在界面上更易在界面上更易形成固溶體和化合物形成固溶體和化合物。76此時(shí)，此時(shí)，增強(qiáng)體與基體之間的界面增強(qiáng)體與基體之間的界面是是具有一定厚度的具有一定厚度的，它，它與與基體和增強(qiáng)體都能較好的結(jié)合基體和增強(qiáng)體都能較好的結(jié)合，但通，但通常是常是的。例如的。例如Al2O3f/SiO2系中會系中會發(fā)生反應(yīng)形成發(fā)生反應(yīng)形成強(qiáng)的化學(xué)鍵結(jié)合強(qiáng)的化學(xué)鍵結(jié)合。77對于對于陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料來講，來講，影響影響陶瓷基體和復(fù)合材料的陶瓷基體和復(fù)合材料的。對于陶瓷基復(fù)合材料的對于陶瓷基復(fù)合材料的來說，一來說，一

23、方面應(yīng)強(qiáng)到方面應(yīng)強(qiáng)到并具有并具有；78另一方面，陶瓷基復(fù)合材料的另一方面，陶瓷基復(fù)合材料的要要弱到弱到及及。因此，陶瓷基復(fù)合材料界面要有一個(gè)因此，陶瓷基復(fù)合材料界面要有一個(gè)。79往往導(dǎo)致往往導(dǎo)致，如下圖如下圖 (a)所示，裂所示，裂紋可以在復(fù)合材料紋可以在復(fù)合材料的的并并迅速擴(kuò)展迅速擴(kuò)展至復(fù)合至復(fù)合材料的橫截面，導(dǎo)材料的橫截面，導(dǎo)致致。80主要是由于主要是由于纖維的彈纖維的彈性模量不是大大高于基體性模量不是大大高于基體，因此在，因此在斷裂過程中，斷裂過程中，強(qiáng)的界面結(jié)合強(qiáng)的界面結(jié)合。81若若，當(dāng)基體中的裂當(dāng)基體中的裂紋擴(kuò)展至纖維時(shí)紋擴(kuò)展至纖維時(shí)，將導(dǎo)致將導(dǎo)致，其后其后、以致最后以致最后(圖圖

24、b)。82、以致最后以致最后等，這些過程都要等，這些過程都要，從而，從而提高復(fù)合材料的斷裂韌性提高復(fù)合材料的斷裂韌性，避免了，避免了突然的突然的脆性失效脆性失效。83為獲得為獲得最佳的界面結(jié)合強(qiáng)度最佳的界面結(jié)合強(qiáng)度，我們，我們常常希望常常希望或或。84在實(shí)際應(yīng)用中，除選擇在實(shí)際應(yīng)用中，除選擇在在加工和使用期間加工和使用期間能能外，外，最常用的方法最常用的方法就是在與基體復(fù)合之前，就是在與基體復(fù)合之前，往增強(qiáng)材料表面上往增強(qiáng)材料表面上。85C和和BN是最常用的涂層，此外還有是最常用的涂層，此外還有SiC、ZrO2和和SnO2涂層。涂層。通常在通常在0.11um，涂層的涂層的選擇取決于選擇取決于纖

25、維纖維、基體基體、加工加工和和服役要求服役要求。86纖維上的涂層除了可以改變復(fù)合材料纖維上的涂層除了可以改變復(fù)合材料外，對纖維還可起到外，對纖維還可起到，避免，避免在加工和處理過程中在加工和處理過程中造成纖維的造成纖維的機(jī)械損壞。機(jī)械損壞。87下圖為下圖為增強(qiáng)增強(qiáng)復(fù)合材料的復(fù)合材料的斷裂行為差異斷裂行為差異。88莫來石纖維上未涂莫來石纖維上未涂BN涂層涂層莫來石纖維上涂有莫來石纖維上涂有BN涂層涂層從圖中可看出，若纖維從圖中可看出，若纖維涂層，則復(fù)合材涂層，則復(fù)合材料的斷面呈現(xiàn)為料的斷面呈現(xiàn)為：而經(jīng)：而經(jīng)CVD沉積沉積0.2um的的后，斷面上可見到大量的后，斷面上可見到大量的。89 還直接影響

26、了陶瓷基復(fù)合還直接影響了陶瓷基復(fù)合材料的材料的。以以復(fù)合材料為例，來復(fù)合材料為例，來對其對其強(qiáng)韌化機(jī)理強(qiáng)韌化機(jī)理進(jìn)行探討。進(jìn)行探討。90增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)韌增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)韌化機(jī)理與化機(jī)理與增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料大增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料大致相同，主要是靠致相同，主要是靠與與對對強(qiáng)度和韌性的提高強(qiáng)度和韌性的提高產(chǎn)產(chǎn)生作用。生作用。91研究結(jié)果表明，研究結(jié)果表明，存在一個(gè)存在一個(gè)，當(dāng)當(dāng)晶須的某一端晶須的某一端距主裂紋距離距主裂紋距離時(shí)，則時(shí)，則晶須從此端拔出晶須從此端拔出，此時(shí)的，此時(shí)的拔出長度小拔出長度小于臨界拔出長度于臨界拔出長度lpo ；92如果如果均均時(shí)，時(shí)，晶須在拔出晶須在拔出過程中產(chǎn)

27、生斷裂過程中產(chǎn)生斷裂，lpo ；93直接影響了復(fù)合材料直接影響了復(fù)合材料的的與與。界面強(qiáng)度界面強(qiáng)度，晶須將與基體一晶須將與基體一起斷裂起斷裂，限制了晶須的拔出限制了晶須的拔出，因而也，因而也就就。94但另一方面，但另一方面，有有利于利于，因而，因而提高了強(qiáng)化效果提高了強(qiáng)化效果。界面強(qiáng)度界面強(qiáng)度、則使、則使，這，這對韌化和強(qiáng)化都不利對韌化和強(qiáng)化都不利，因，因此此。95下圖為下圖為SiCw/ ZrO2材料的材料的曲線。曲線。從圖中可以看出，有明顯的從圖中可以看出，有明顯的，這是這是作用的結(jié)果。作用的結(jié)果。967.3 97纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的性的性能能，如，如、及及等。等。

28、98從從看，與看，與，以及一些以及一些有關(guān)；有關(guān)；從從來看，則與來看，則與、及其他及其他有關(guān)；有關(guān)；99從從情況上看，則與情況上看，則與及及、，以及以及有關(guān)。有關(guān)。100正因?yàn)橛姓驗(yàn)橛腥绱硕嗟挠绊懸蛩厝绱硕嗟挠绊懸蛩?，所以在，所以在?shí)際中實(shí)際中也會不也會不同，同，的不斷研究與改進(jìn)，正是為的不斷研究與改進(jìn)，正是為了能了能獲得性能更為優(yōu)良的材料獲得性能更為優(yōu)良的材料。目前采用的目前采用的主要有以下幾種：主要有以下幾種：101這種方法是這種方法是在陶瓷泥漿中在陶瓷泥漿中。然。然后后在在石膏模型石膏模型中。中。這種方法比較古老，這種方法比較古老，不受制品形狀的限不受制品形狀的限制制。但對。但對提高產(chǎn)

29、品性能的效果提高產(chǎn)品性能的效果不顯著，不顯著，成本成本低低，工藝簡單工藝簡單，增強(qiáng)陶瓷基復(fù)增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的制作。合材料的制作。102將將特長纖維特長纖維(3mm)，然后然后并并與基體粉末與基體粉末，再用，再用熱壓燒結(jié)的方法熱壓燒結(jié)的方法即即可制得高性能的復(fù)合材料?？芍频酶咝阅艿膹?fù)合材料。這種方法中，這種方法中，是目前采用較多的方法。，是目前采用較多的方法。103這種這種在與基體粉末混合時(shí)在與基體粉末混合時(shí)，但，但在冷壓成型及熱壓燒結(jié)的過程在冷壓成型及熱壓燒結(jié)的過程中中，短纖維由于，短纖維由于與與過程中過程中沿沿壓力方向轉(zhuǎn)動壓力方向轉(zhuǎn)動，所以導(dǎo)致了在最終制得的復(fù)合，所以導(dǎo)致了在最終制得的復(fù)合

30、材料中，材料中，這也就，這也就產(chǎn)生了產(chǎn)生了材料性能上一定程度的各向異性。材料性能上一定程度的各向異性。104這種方法這種方法。首先。首先把纖把纖維維成所需形狀成所需形狀，然后，然后用陶瓷泥漿用陶瓷泥漿，干燥后進(jìn)行干燥后進(jìn)行。105的優(yōu)點(diǎn)是的優(yōu)點(diǎn)是，如，如單向排布單向排布及及多向排布多向排布等。等。的缺點(diǎn)則是的缺點(diǎn)則是，而且所得，而且所得。106晶須與顆粒晶須與顆粒的的，只是，只是幾何幾何形狀上形狀上有些區(qū)別，用它們進(jìn)行增韌的陶瓷有些區(qū)別，用它們進(jìn)行增韌的陶瓷基復(fù)合材料的基復(fù)合材料的制造工藝制造工藝是基本相同的。是基本相同的。107這種復(fù)合材料的制備工藝這種復(fù)合材料的制備工藝比長纖維復(fù)合比長纖維

31、復(fù)合材料材料得多，只需將得多，只需將晶須或顆粒晶須或顆粒并并與基體粉末與基體粉末，再用，再用即可制得即可制得高性能的復(fù)臺材料高性能的復(fù)臺材料。108與與陶瓷材料陶瓷材料相似，相似，的的也可大致分為以也可大致分為以下幾個(gè)步驟：下幾個(gè)步驟：這一過程看似簡單，實(shí)則包含著這一過程看似簡單，實(shí)則包含著相當(dāng)相當(dāng)復(fù)雜的內(nèi)容復(fù)雜的內(nèi)容。配料配料成型成型燒結(jié)燒結(jié)精加工精加工109即使坯體由即使坯體由超細(xì)粉超細(xì)粉(微米級微米級)原料原料組成，組成，其其產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)品質(zhì)量也不易控制，所以也不易控制，所以隨著現(xiàn)代科技隨著現(xiàn)代科技對材料提出的要求的不斷提高對材料提出的要求的不斷提高，這方面的研，這方面的研究還必持進(jìn)一步深

32、入。究還必持進(jìn)一步深入。110高性能的陶瓷基復(fù)合材料高性能的陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)具有應(yīng)具有、的微觀組織。的微觀組織。為了得到這樣品質(zhì)的材料，必須首先為了得到這樣品質(zhì)的材料，必須首先。111把幾種把幾種混合混合的方法可的方法可分為分為和和兩種。兩種?，F(xiàn)今新型陶瓷領(lǐng)域現(xiàn)今新型陶瓷領(lǐng)域的的微米微米級級、由于由于效率和可靠性效率和可靠性的的原因原因。112主要采用主要采用水作溶劑水作溶劑，但在，但在氮化氮化硅硅、碳化尼碳化尼等等混合時(shí)，混合時(shí)，為為防止原料的氧化防止原料的氧化則使用則使用。113原料混合時(shí)的裝置一般為專用原料混合時(shí)的裝置一般為專用。為了防止球磨機(jī)為了防止球磨機(jī)運(yùn)行過程中運(yùn)行過程中因因磨損下

33、來而作為雜質(zhì)混入原料中，最好采磨損下來而作為雜質(zhì)混入原料中，最好采用用與加工原料與加工原料陶瓷球和內(nèi)襯。陶瓷球和內(nèi)襯。114混好后的料漿混好后的料漿在成型時(shí)在成型時(shí)有三種不同的情況：有三種不同的情況：(1)經(jīng)一次干燥經(jīng)一次干燥供給成型工序；供給成型工序；(2)把把結(jié)合劑添加于料漿結(jié)合劑添加于料漿中、不干燥坯料，中、不干燥坯料，供給成型工序；供給成型工序；(3)用壓濾機(jī)用壓濾機(jī)將料漿狀的粉將料漿狀的粉供給供給成型工序。成型工序。115把上述的把上述的充入模型內(nèi)充入模型內(nèi)，。通常有。通常有和和。具有具有裝置簡單裝置簡單，成型成本成型成本低廉低廉的優(yōu)點(diǎn)，仍它的的優(yōu)點(diǎn)，仍它的的。的。，。故易造成。故易

34、造成或或、只能適用于、只能適用于形狀比較簡單的制件形狀比較簡單的制件。116采用采用是是用靜水壓用靜水壓從各從各個(gè)方向個(gè)方向于橡皮模來成型，故不于橡皮模來成型，故不會發(fā)生會發(fā)生和和之之類的問題。類的問題。117此方法雖此方法雖不能做到不能做到，但仍但仍適合于批量生產(chǎn)適合于批量生產(chǎn)。由于由于在成型過程中在成型過程中而而壓成生坯壓成生坯，故，故難以制成精密形狀難以制成精密形狀，通常，通常還要用剛玉還要用剛玉對細(xì)節(jié)部分對細(xì)節(jié)部分進(jìn)行修整。進(jìn)行修整。118另一種成型法為另一種成型法為。從成型從成型過程上過程上看，看，與塑料的注射成型過程相類似與塑料的注射成型過程相類似，但是但是在陶瓷中在陶瓷中必須必須

35、并并，這些，這些工藝均較為復(fù)雜工藝均較為復(fù)雜，因此也，因此也使這種方法具有很大的局限性。使這種方法具有很大的局限性。119具有十分悠久歷史的具有十分悠久歷史的陶瓷陶瓷成型方法成型方法。它是。它是將料漿將料漿石膏模內(nèi)石膏模內(nèi)，靜置，靜置片刻，片刻，料漿中的水分被石膏模吸收料漿中的水分被石膏模吸收。然后。然后，將生坯和石膏模一起干燥將生坯和石膏模一起干燥，并并從石膏中從石膏中取取出。這種方法可成型出。這種方法可成型且且的制品。的制品。120還有一種成型法為還有一種成型法為。這種。這種方法是方法是把料漿放入把料漿放入內(nèi)內(nèi)擠出水分，形擠出水分，形成成后，從后，從安裝各種擠形口安裝各種擠形口的的的方法，

36、它適用于的方法，它適用于斷面形斷面形狀簡單的狀簡單的的成型。的成型。 121 從生坯中從生坯中除去粘合劑組分后的除去粘合劑組分后的燒固成燒固成致密制品致密制品的過程叫的過程叫。為了燒結(jié)，必需有為了燒結(jié)，必需有專門的窯爐專門的窯爐。窯爐的。窯爐的種類繁多，按其功能進(jìn)行劃分可分為種類繁多，按其功能進(jìn)行劃分可分為和和。122是放入窯爐內(nèi)是放入窯爐內(nèi)、及及等工序等工序是間歇地進(jìn)是間歇地進(jìn)行的行的。不適合于不適合于大規(guī)模生產(chǎn)大規(guī)模生產(chǎn)，但適，但適合處理合處理或或的優(yōu)點(diǎn)，的優(yōu)點(diǎn)，且且燒結(jié)條件靈活燒結(jié)條件靈活，筑爐價(jià)格筑爐價(jià)格也比較便宜。也比較便宜。123適合于適合于大批量制品的大批量制品的燒結(jié)燒結(jié)，由，由

37、、和和三個(gè)部三個(gè)部分組成。分組成。124把把裝生坯的窯車裝生坯的窯車從窯的一端從窯的一端間歇推進(jìn)，間歇推進(jìn)，窯車沿導(dǎo)軌前進(jìn)窯車沿導(dǎo)軌前進(jìn)，沿著窯內(nèi)，沿著窯內(nèi)經(jīng)經(jīng)、過程過程后，后，從窯的另一端從窯的另一端取出成品。取出成品。125由于由于高精度制品的需求高精度制品的需求不斷增多，因此不斷增多，因此在在燒結(jié)后的許多制品燒結(jié)后的許多制品還需還需。精加工的目的是精加工的目的是，前者主要用，前者主要用進(jìn)行進(jìn)行磨削加工磨削加工，后者則用，后者則用進(jìn)行進(jìn)行研磨加工研磨加工。126依依埋在金剛石磨粒之間的結(jié)埋在金剛石磨粒之間的結(jié)合劑的種類不同合劑的種類不同有著其各自的特征。大致分有著其各自的特征。大致分為為，

38、、等。等。127的的切削性能好切削性能好但但加工性加工性能欠佳能欠佳。對加工面稍差的制對加工面稍差的制品也較易加工。品也較易加工。則由于其則由于其強(qiáng)度低強(qiáng)度低，耐熱性差耐熱性差，適合于，適合于表面的精加工表面的精加工。128因此，在實(shí)際因此，在實(shí)際操作時(shí)，除操作時(shí)，除外，還需外，還需、等各種磨削條件，才能等各種磨削條件，才能獲得好的結(jié)果。獲得好的結(jié)果。129 以上是以上是的的幾個(gè)幾個(gè)主要步驟主要步驟，但，但則是則是相當(dāng)復(fù)雜的相當(dāng)復(fù)雜的。陶瓷與金屬的一個(gè)重要區(qū)別也在于它對陶瓷與金屬的一個(gè)重要區(qū)別也在于它對制造工藝中的微小變化特別敏感而這些微小制造工藝中的微小變化特別敏感而這些微小的變化在最終燒成

39、產(chǎn)品前是很難察覺的。的變化在最終燒成產(chǎn)品前是很難察覺的。130陶瓷制品一旦陶瓷制品一旦，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量有問題時(shí)量有問題時(shí)則為時(shí)已晚。則為時(shí)已晚。而且，由于而且，由于，要，要查找原因查找原因十分困難十分困難。這就使得。這就使得變得越變得越發(fā)重要。發(fā)重要。131陶瓷的陶瓷的與其與其有很大有很大的關(guān)系。的關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下能夠穩(wěn)定重復(fù)制造的能夠穩(wěn)定重復(fù)制造的材料，材料，在擴(kuò)大的生產(chǎn)規(guī)模下在擴(kuò)大的生產(chǎn)規(guī)模下常常難于重現(xiàn)。常常難于重現(xiàn)。132在生產(chǎn)規(guī)模下在生產(chǎn)規(guī)模下可能重復(fù)再現(xiàn)的陶瓷材可能重復(fù)再現(xiàn)的陶瓷材料料，常常在，常常在和和有所變有所變化的條件下化的條件下難于實(shí)現(xiàn)難于實(shí)現(xiàn)

40、。這是陶瓷制備中的。這是陶瓷制備中的關(guān)鍵問題之一。關(guān)鍵問題之一。133先進(jìn)淘瓷制品的先進(jìn)淘瓷制品的則是它則是它能否能否大規(guī)摸推廣應(yīng)用大規(guī)摸推廣應(yīng)用的最關(guān)鍵問題之一。的最關(guān)鍵問題之一?，F(xiàn)今的現(xiàn)今的先進(jìn)陶瓷制備技術(shù)先進(jìn)陶瓷制備技術(shù)可以做到可以做到，但卻，但卻不容易不容易保證所有制品的品質(zhì)一致保證所有制品的品質(zhì)一致。1347.3 陶瓷材料具有陶瓷材料具有耐高溫耐高溫、高強(qiáng)度高強(qiáng)度、高硬度高硬度及及耐腐蝕性好耐腐蝕性好等特點(diǎn)，但其等特點(diǎn)，但其的弱點(diǎn)限的弱點(diǎn)限制了它的廣泛應(yīng)用。制了它的廣泛應(yīng)用。135隨著現(xiàn)代高科技的迅猛發(fā)展，要求材料隨著現(xiàn)代高科技的迅猛發(fā)展，要求材料能在能在保持優(yōu)良的綜合性能。保持優(yōu)良

41、的綜合性能?？奢^好地滿足這一要求?？奢^好地滿足這一要求。它的它的主要取決于主要取決于，其工作溫度按下列基體材料依次提高：其工作溫度按下列基體材料依次提高：、，其最高工作溫度可達(dá)，其最高工作溫度可達(dá)1900 。136陶瓷基復(fù)合材料已陶瓷基復(fù)合材料已或即將實(shí)用或即將實(shí)用化的領(lǐng)域包括：化的領(lǐng)域包括：刀具刀具、滑動構(gòu)件滑動構(gòu)件、航空航航空航天構(gòu)件天構(gòu)件、發(fā)動機(jī)制件發(fā)動機(jī)制件、能源構(gòu)件能源構(gòu)件等。等。137在在方面，方面， 已成功用于工業(yè)生產(chǎn)已成功用于工業(yè)生產(chǎn)制制造切削刀具造切削刀具。下圖為用熱壓法制備的。下圖為用熱壓法制備的SiCw/ Al2O3復(fù)合材料鉆頭。復(fù)合材料鉆頭。138139由美國格林利夫公

42、司研制、一家生產(chǎn)切由美國格林利夫公司研制、一家生產(chǎn)切削工具和陶瓷材料的廠家和美國大西洋富田削工具和陶瓷材料的廠家和美國大西洋富田化工公司合作生產(chǎn)的化工公司合作生產(chǎn)的具有具有耐高溫、穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高和優(yōu)異的抗耐高溫、穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高和優(yōu)異的抗熱展性能熱展性能，熔點(diǎn)為，熔點(diǎn)為2040，切削速度可達(dá)，切削速度可達(dá)200尺尺/分，甚至更高。分，甚至更高。140作為對比，常用的作為對比，常用的的切削速度限制在的切削速度限制在100尺分以內(nèi)，因尺分以內(nèi)，因?yàn)殁捲跒殁捲?350 時(shí)會發(fā)生熔化，甚至在切削時(shí)會發(fā)生熔化，甚至在切削表面溫度達(dá)到約表面溫度達(dá)到約1000 左右就開始軟化。左右就開始軟化。141某燃汽輪機(jī)廠采用這種新型某燃汽輪機(jī)廠采用這種新型刀具后，機(jī)加工時(shí)間從原來的刀具后，機(jī)加工時(shí)間從原