陶瓷基複合材料

陶瓷基複合材料是以陶瓷為基體與各種纖維複合的一類複合材料。陶瓷基體可為氮化硅、碳化硅等高溫結構陶瓷。這些先進陶瓷具有耐高溫、高強度和剛度、相對重量較輕、抗腐蝕等優異性能，而其致命的弱點是具有脆性，處於應力狀態時，會產生裂紋，甚至斷裂導致材料失效。而採用高強度、高彈性的纖維與基體複合，則是提高陶瓷韌性和可靠性的一個有效的方法。纖維能阻止裂紋的擴展，從而得到有優良韌性的纖維增強陶瓷基複合材料。陶瓷基複合材料已用作液體火箭發動機噴管、導彈天線罩、太空梭鼻錐、飛機剎車盤和高檔汽車剎車盤等，成為高技術新材料的一個重要分支。

1成型方法 2改性 3界面的功能

4界面的類型

成型方法

陶瓷基複合材料的成形方法分為兩類：一類是針對陶瓷短纖維、晶須、顆粒等增強體，複合材料的成形工藝與陶瓷基本相同，如料漿澆鑄法、熱壓燒結法等；另一類是針對碳、石墨、陶瓷連續纖維增強體，複合材料的成形工藝常採用粉末冶金法、料漿沒滲法、料漿浸潰熱壓燒結法和化學氣相滲透法。

(1)粉末冶金法，又稱為壓制燒結法或混合壓製法，廣泛應用於製備特種陶瓷以及某些玻璃陶瓷。方法是將作為基體的陶瓷粉末和增強材料以及加人的粘接劑混合均勻，冷壓製成所需形狀，然後進行燒結或直接熱壓燒結製成陶瓷基複合材料。前者稱為冷壓燒結法，後者稱為熱壓燒結法。熱壓燒結法時，在壓力和高溫的同時作用下，緻密化速度可得到提高，從而獲得無氣孔、細晶粒、具有優良力學性能的製品。但用粉末冶金法進行成形加工的難點在於基體與增強材料不易混合，同時，品須和纖維在混合或壓制過程中，尤其是在冷壓情況下容易折斷。

(2)料漿投滲法，將纖維增強體編織成所需形狀，用陶瓷漿料投密，乾燥後進行燒結。該方法與粉末冶金法的不同之處在於混合體採用漿料形式。其優點是不損傷增強體，工藝較簡單，無須模具；缺點是增強體在陶瓷基體中的分佈不大均勻。

(3)料漿沒漬熱壓成形法將纖維或織物增強體置於製備好的剛瓷粉體漿料里浸漬，然後將含有漿料的纖維或織物增強體布成一定結構的壞體，乾燥后在高溫、高壓下熱壓燒結成為製品。料漿浸漬熱壓法的優點是加熱溫度比晶體陶瓷低，不易損傷增強體，層板的堆垛改序可任意排列，纖維分佈均勻，氣孔率較低，獲得的強度高，工藝比較簡單，無須成形模其，能生產大型零件。缺點是不能製作形狀太複雜的零件，基體材料必須是低熔點或低軟化點的陶瓷。

(4)化學氣相滲透法，又稱CVI (Chemical Vapor Infitration)法，是將增強纖維編織成所需形狀的預成形體，並置於一定溫度的反應室內，然後通人某種氣源，在預成形體孔穴的纖維表面上產生熱分解或化學反應沉積出所需陶瓷基質，直至預成形體中各孔穴被完全填滿，獲得高緻密度、高強度、高韌性的製件。

改性

由於陶瓷材料具備優良的耐磨性，並且硬度高、耐蝕性好，所以得到了廣泛應用。但是，陶瓷的最大缺點是脆性大，對裂紋、氣孔等很敏感。20世紀80年代以來，通過在陶瓷材料中加入顆粒、晶須及纖維等得到的陶瓷基複合材料，使得陶瓷的韌性大大提高。

陶瓷基複合材料具有高強度、高模量、低密度、耐高溫、耐磨耐蝕和良好的韌性，已用於高速切削工具和內燃機部件上。但這類材料發展較晚，其潛能尚待進一步發揮。研究重點是將其應用於高溫材料和耐磨、耐蝕材料，如大功率內燃機的增強渦輪、航空航天器的熱部件以及代替金屬製造車輛發動機、石油化工容器、廢物垃圾焚燒處理設備等。

界面的功能

界面是陶瓷基複合材料強韌化的關鍵，主要功能有以下幾點：

①脫黏偏轉裂紋作用。當基體裂紋擴展到有結合程度適中的界面區時，此界面發生解離，並使裂紋發生偏轉，從而調節界面應力，阻止裂紋直接越過纖維擴展。

②傳遞載荷作用。由於纖維是複合材料中主要的承載相，因此界面相需要有足夠的強度來向纖維傳遞載荷。

③緩解熱失配作用。陶瓷基複合材料是在高溫下製備的，由於纖維與基體的熱膨脹係數(CTE)存在差異，當冷卻至室溫時會產生內應力，因此，界面區應具備緩解熱殘餘應力的作用。

④阻擋層作用。在複合材料製備所經歷的高溫下，纖維和基體的元素會相互擴散、溶解，甚至發生化學反應，導致纖維/基體的界面結合過強。因此，要求界面區應具有阻止元素擴散和阻止發生有害化學反應的作用。

界面的類型

纖維增強陶瓷基複合材料沿纖維方向受拉伸時，根據纖維/基體界面結合強度的不同，複合材料的斷裂模式不同，以此為依據分為三種類型：

①強結合界面-脆性斷裂。當外載入荷增加時，基體裂紋擴展到界面處，由於界面結合強，裂紋無法在界面處發生偏轉而直接橫穿過纖維，使複合材料斷裂，但是對於顆粒增強陶瓷基複合材料來說，強結合界面是強韌化的必要條件。

②弱結合界面-韌性斷裂。當基體裂紋擴展到界面處時，由於界面結合不是很強，因此裂紋可以在界面處發生偏轉，從而實現纖維與基體的界面解離、纖維橋聯和纖維拔出。

③強弱混合界面-混合斷裂。混合斷裂是以上兩種理想情況斷裂模式的混合，即在界面結合強處發生脆性斷裂，而在界面結合弱處發生韌性斷裂。

陶瓷基複合材料