第7章-陶瓷基復(fù)合材料

1、2021-10-271第七章第七章 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料Ceramics Matrix Composites-CMC2021-10-272u陶瓷材料的優(yōu)點陶瓷材料的優(yōu)點 高彈性模量 高硬度 低密度 耐高溫 耐腐蝕u陶瓷材料的缺點陶瓷材料的缺點 脆性：缺陷敏感、斷裂韌性低 低的抗熱震和抗沖擊 拉伸強度較低u陶瓷基復(fù)合材料的特點陶瓷基復(fù)合材料的特點 金屬和樹脂基復(fù)合材料中Ef / Em遠(yuǎn)大于陶瓷基復(fù)合材料，增強體在陶瓷中承擔(dān)載荷的貢獻(xiàn)小 陶瓷的斷裂應(yīng)變小于硼纖維、碳纖維和碳化硅纖維等，脆性大的基體先于纖維斷裂陶瓷復(fù)合的主要目的增韌2021-10-2737.1 陶瓷復(fù)合材料的增韌機理陶瓷復(fù)合

2、材料的增韌機理 斷裂力學(xué)理論表明：反映材料韌性本質(zhì)的是裂紋擴展性質(zhì)。固體中裂紋擴展的臨界條件是彈性應(yīng)變能釋放率等于裂紋擴展單位面積所需的斷裂能。凡是影響這一平衡的因素均可改變材料的強度和韌性。2021-10-2747.1.1 顆粒增強陶瓷的增韌機制顆粒增強陶瓷的增韌機制2021-10-275熱膨脹系數(shù)的失配熱膨脹系數(shù)的失配在第二相顆粒及周圍基體內(nèi)部產(chǎn)在第二相顆粒及周圍基體內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力場是陶瓷得到增韌的主要根源。生殘余應(yīng)力場是陶瓷得到增韌的主要根源。（1）熱膨脹系數(shù)的失配增韌）熱膨脹系數(shù)的失配增韌Rr球形粒子球形粒子無限大基體中球形粒子引起的殘余應(yīng)力r = F(r/R) 3 = -0.5F(

3、r/R) 3裂紋在材料中的擴展路徑（裂紋在材料中的擴展路徑（a： p m；b、c： p m）當(dāng)熱膨脹系數(shù)當(dāng)熱膨脹系數(shù) p p m m時時，裂紋在，裂紋在基體中發(fā)展，增加了裂紋擴展路基體中發(fā)展，增加了裂紋擴展路徑，因而增加了裂紋擴展的阻力徑，因而增加了裂紋擴展的阻力當(dāng)當(dāng) p p m m時時，若顆粒在某一裂紋面內(nèi)，則裂紋，若顆粒在某一裂紋面內(nèi)，則裂紋向顆粒擴展時將首先直接達(dá)到界面。向顆粒擴展時將首先直接達(dá)到界面。此時如果此時如果外力不再增加，則裂紋就在此釘扎，這就是裂外力不再增加，則裂紋就在此釘扎，這就是裂紋釘扎增韌機理的本質(zhì)紋釘扎增韌機理的本質(zhì)。若外應(yīng)力進(jìn)一步增若外應(yīng)力進(jìn)一步增大，裂紋可能穿過大

4、，裂紋可能穿過顆粒發(fā)生穿晶斷裂顆粒發(fā)生穿晶斷裂或繞過顆粒，沿界面或繞過顆粒，沿界面擴展，裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)擴展，裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)2021-10-277（2）裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋橋聯(lián)）裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋橋聯(lián) 裂紋偏轉(zhuǎn)-橋聯(lián)機理(脆性粒子) u 裂紋偏轉(zhuǎn)裂紋偏轉(zhuǎn):指裂紋擴展過程中當(dāng)裂紋遇上偏轉(zhuǎn)元（如增強相、界面等）時指裂紋擴展過程中當(dāng)裂紋遇上偏轉(zhuǎn)元（如增強相、界面等）時所發(fā)生的傾斜和偏轉(zhuǎn)。所發(fā)生的傾斜和偏轉(zhuǎn)。 u 裂紋橋聯(lián)裂紋橋聯(lián):發(fā)生在裂紋尖端，靠橋聯(lián)元（劑）連接裂紋的兩個表面并提供發(fā)生在裂紋尖端，靠橋聯(lián)元（劑）連接裂紋的兩個表面并提供一個使裂紋面相互靠近的應(yīng)力，即閉合應(yīng)力，這樣導(dǎo)致強度因子隨裂紋一個使裂紋面相互靠

5、近的應(yīng)力，即閉合應(yīng)力，這樣導(dǎo)致強度因子隨裂紋擴展而增加。裂紋橋聯(lián)可能穿晶破壞，也有可能出現(xiàn)互鎖現(xiàn)象。擴展而增加。裂紋橋聯(lián)可能穿晶破壞，也有可能出現(xiàn)互鎖現(xiàn)象。2021-10-278 （3 3）延性顆粒增韌）延性顆粒增韌 u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。裂韌性。u其增韌機理包括由于裂紋尖端形成的塑性變形區(qū)導(dǎo)致裂紋尖其增韌機理包括由于裂紋尖端形成的塑性變形區(qū)導(dǎo)致裂紋尖端屏蔽以及由延性顆粒形成的延性裂紋橋。端屏蔽以及由延性顆粒形成的延性裂紋橋。u當(dāng)基體與延性顆粒的當(dāng)基體與延性顆粒的 和和E值相近時，利用延性裂紋橋可達(dá)值相

6、近時，利用延性裂紋橋可達(dá)最佳增韌效果。最佳增韌效果。延性顆粒裂紋橋聯(lián)模型2021-10-279當(dāng)將氧化鋯顆粒加入其它陶瓷基體中時，氧化鋯的相當(dāng)將氧化鋯顆粒加入其它陶瓷基體中時，氧化鋯的相變使陶瓷的韌性增加。變使陶瓷的韌性增加。 單斜相單斜相(m) ZrO(m) ZrO2 2，11701170 C C 四方相四方相(t ) ZrO(t ) ZrO2 2；23702370 C C 立方相立方相ZrOZrO2 2。 t-mt-m轉(zhuǎn)變具有馬氏體的特征，伴隨有轉(zhuǎn)變具有馬氏體的特征，伴隨有3-5%3-5%的的體積膨脹。這一相變溫度正處在室溫與燒結(jié)溫度之間，體積膨脹。這一相變溫度正處在室溫與燒結(jié)溫度之間，對

7、材料的韌性和強度有很大影響。對材料的韌性和強度有很大影響。 ZrOZrO2 2發(fā)生發(fā)生t-mt-m相變相變時體積膨脹，增加了材料的韌性。時體積膨脹，增加了材料的韌性。 （4）相變增韌）相變增韌 2021-10-2710 氧化鋯中四方相向單斜相的轉(zhuǎn)變可通過應(yīng)力誘發(fā)產(chǎn)生。當(dāng)受氧化鋯中四方相向單斜相的轉(zhuǎn)變可通過應(yīng)力誘發(fā)產(chǎn)生。當(dāng)受到外力作用時，這種相變將吸收能量而使裂紋尖端的應(yīng)力場松到外力作用時，這種相變將吸收能量而使裂紋尖端的應(yīng)力場松弛，增加裂紋擴展阻力，從而大幅度提高陶瓷材料的韌性。弛，增加裂紋擴展阻力，從而大幅度提高陶瓷材料的韌性。部分穩(wěn)定氧化鋯組織部分穩(wěn)定氧化鋯組織2021-10-27117.

8、1.2 纖維（晶須）增強陶瓷的增韌機制纖維（晶須）增強陶瓷的增韌機制2021-10-2712 晶須有石墨、碳化硅、氮化硅和氧化鋁等晶須有石墨、碳化硅、氮化硅和氧化鋁等 纖維多為多晶或非晶材料，如玻璃纖維、碳纖維、硼纖纖維多為多晶或非晶材料，如玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、氧化鋁纖維和碳化硅纖維等。維、氧化鋁纖維和碳化硅纖維等。 纖維和晶須里面的缺陷和微裂紋很少，所以力學(xué)性能要纖維和晶須里面的缺陷和微裂紋很少，所以力學(xué)性能要優(yōu)于塊狀材料，尤其是晶須的強度，接近理論強度。優(yōu)于塊狀材料，尤其是晶須的強度，接近理論強度。7.1.2 纖維（晶須）增強陶瓷復(fù)合材料纖維（晶須）增強陶瓷復(fù)合材料2021-10-2

9、713纖維（晶須）增強陶瓷基復(fù)合材料增韌機理纖維（晶須）增強陶瓷基復(fù)合材料增韌機理（1 1）裂紋彎曲和偏轉(zhuǎn)）裂紋彎曲和偏轉(zhuǎn)裂紋彎曲韌化機理裂紋彎曲韌化機理 在擴展裂紋尖端應(yīng)力場中的增強體會導(dǎo)致裂紋發(fā)生彎曲（如在擴展裂紋尖端應(yīng)力場中的增強體會導(dǎo)致裂紋發(fā)生彎曲（如上圖），從而干擾應(yīng)力場，導(dǎo)致基體的應(yīng)力強度降低，起到阻上圖），從而干擾應(yīng)力場，導(dǎo)致基體的應(yīng)力強度降低，起到阻礙裂紋擴展的作用。隨著增強體長徑比和體積比增加，裂紋彎礙裂紋擴展的作用。隨著增強體長徑比和體積比增加，裂紋彎曲增韌效果增加。曲增韌效果增加。2021-10-2714裂紋偏轉(zhuǎn)增韌原理裂紋偏轉(zhuǎn)增韌原理 a a：裂紋傾斜偏轉(zhuǎn)；：裂紋傾斜偏

10、轉(zhuǎn)；b b：裂紋扭轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)；：裂紋扭轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)； c c：增強劑長徑比對裂紋：增強劑長徑比對裂紋 扭轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)的影響。扭轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)的影響。（1 1）裂紋彎曲和偏轉(zhuǎn)）裂紋彎曲和偏轉(zhuǎn)2021-10-2715 由于纖維周圍的應(yīng)力場，基體中的裂紋一般難以由于纖維周圍的應(yīng)力場，基體中的裂紋一般難以穿過纖維，而仍按原來的擴展方向繼續(xù)擴展。相對來穿過纖維，而仍按原來的擴展方向繼續(xù)擴展。相對來講，它更易繞過纖維并盡量貼近纖維表面擴展，即裂講，它更易繞過纖維并盡量貼近纖維表面擴展，即裂紋偏轉(zhuǎn)。裂紋偏轉(zhuǎn)可繞著增強體傾斜發(fā)生偏轉(zhuǎn)或扭轉(zhuǎn)紋偏轉(zhuǎn)。裂紋偏轉(zhuǎn)可繞著增強體傾斜發(fā)生偏轉(zhuǎn)或扭轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)（如上圖偏轉(zhuǎn)（如上圖a、b）。偏轉(zhuǎn)后裂紋受的拉

11、應(yīng)力往往低）。偏轉(zhuǎn)后裂紋受的拉應(yīng)力往往低于偏轉(zhuǎn)前的裂紋受的拉應(yīng)力，而且裂紋的擴展路徑增于偏轉(zhuǎn)前的裂紋受的拉應(yīng)力，而且裂紋的擴展路徑增長，裂紋擴展中需消耗更多的能量因而起到增韌作用。長，裂紋擴展中需消耗更多的能量因而起到增韌作用。（1 1）裂紋彎曲和偏轉(zhuǎn)）裂紋彎曲和偏轉(zhuǎn)2021-10-2716（2 2）脫粘）脫粘復(fù)合材料在纖維復(fù)合材料在纖維脫粘脫粘后產(chǎn)生了新的表面，因此需要能量。后產(chǎn)生了新的表面，因此需要能量。盡管單位面積的表面能很小，但所有脫粘纖維總的表面盡管單位面積的表面能很小，但所有脫粘纖維總的表面能則很大。能則很大。2021-10-2717（3 3）纖維拔出（）纖維拔出（Pull Pul

12、l out out） u纖維拔出是指靠近裂紋尖端的纖維在外應(yīng)力作用下纖維拔出是指靠近裂紋尖端的纖維在外應(yīng)力作用下沿著它和基體的界面滑出的現(xiàn)象。纖維首先脫粘才沿著它和基體的界面滑出的現(xiàn)象。纖維首先脫粘才能拔出。纖維拔出會使裂紋尖端應(yīng)力松弛，從而減能拔出。纖維拔出會使裂紋尖端應(yīng)力松弛，從而減緩了裂紋的擴展。纖維拔出需外力做功，因此起到緩了裂紋的擴展。纖維拔出需外力做功，因此起到增韌作用。纖維拔出需做的功增韌作用。纖維拔出需做的功Q Qp p等于拔出纖維時克等于拔出纖維時克服的阻力乘以纖維拔出的距離：服的阻力乘以纖維拔出的距離： 2021-10-2718（3 3）纖維拔出（）纖維拔出（Pull Pu

13、ll out out）Q p= 平均力平均力 距離距離 = d l 2 / 2 。當(dāng)纖維發(fā)生斷裂，此時纖維的最大長當(dāng)纖維發(fā)生斷裂，此時纖維的最大長度為度為l c / 2 ，拔出每根纖維所做的最，拔出每根纖維所做的最大功為：大功為：Q p= d l c2 / 8 = d2 fu l c / 16， Qp/ Qp=3 Ef / fu。因因Ef fu，所以纖維拔出能總大于，所以纖維拔出能總大于纖維脫粘能，纖維拔出的增韌效果要纖維脫粘能，纖維拔出的增韌效果要比纖維脫粘更強。因此，纖維拔出是比纖維脫粘更強。因此，纖維拔出是更重要的增韌機理。更重要的增韌機理。 纖維拔出示意圖纖維拔出示意圖 2021-10

14、-2719（4 4）纖維橋接（）纖維橋接（Fiber BridgeFiber Bridge）纖維搭橋纖維搭橋 2021-10-2720u對于特定位向和分布的纖維，裂紋很難偏轉(zhuǎn)，只對于特定位向和分布的纖維，裂紋很難偏轉(zhuǎn)，只能沿著原來的擴展方向繼續(xù)擴展。這時緊靠裂紋能沿著原來的擴展方向繼續(xù)擴展。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尖端處的纖維并未斷裂，而是在裂紋兩岸搭起小橋（如上圖），使兩岸連在一起。這會在裂紋表橋（如上圖），使兩岸連在一起。這會在裂紋表面產(chǎn)生一個壓應(yīng)力，以抵消外加應(yīng)力的作用，從面產(chǎn)生一個壓應(yīng)力，以抵消外加應(yīng)力的作用，從而使裂紋難以進(jìn)一步擴展，起到增韌作用。而使裂

15、紋難以進(jìn)一步擴展，起到增韌作用。（4 4）纖維橋接（）纖維橋接（Fiber BridgeFiber Bridge）2021-10-2721連續(xù)長纖維增強連續(xù)長纖維增強陶瓷復(fù)合材料的韌性、強度和模量都有陶瓷復(fù)合材料的韌性、強度和模量都有不同程度增強，但制備工藝復(fù)雜，不容易均勻分布。不同程度增強，但制備工藝復(fù)雜，不容易均勻分布。短纖維（晶須）增強短纖維（晶須）增強復(fù)合材料可以明顯改善韌性，但強復(fù)合材料可以明顯改善韌性，但強度提高不夠顯著。晶須具有長徑比，當(dāng)其含量較高時，度提高不夠顯著。晶須具有長徑比，當(dāng)其含量較高時，因其橋架效應(yīng)而使致密化變得因難，引起了密度的下降因其橋架效應(yīng)而使致密化變得因難，引

16、起了密度的下降并導(dǎo)致性能的下降。并導(dǎo)致性能的下降。復(fù)合材料的性能與基體的復(fù)合材料的性能與基體的氣孔率、界面結(jié)合氣孔率、界面結(jié)合有很大的關(guān)有很大的關(guān)系系2021-10-27227.2 7.2 陶瓷基復(fù)合材料的制備陶瓷基復(fù)合材料的制備的制造分為兩個步驟：的制造分為兩個步驟：第一步是將第一步是將摻入摻入未固結(jié)未固結(jié)(或粉末狀或粉末狀)的的中，排列整齊或混合均勻；中，排列整齊或混合均勻；第二步是運用第二步是運用各種加工條件各種加工條件在盡量在盡量和和的前提下，制成復(fù)合材料制品。的前提下，制成復(fù)合材料制品。 2021-10-2723l 漿體法（濕態(tài)法漿體法（濕態(tài)法)l 冷壓和燒結(jié)法（粉末冶金法）冷壓和燒

17、結(jié)法（粉末冶金法）l 熱壓燒結(jié)法熱壓燒結(jié)法 l 熱等靜壓燒結(jié)成型熱等靜壓燒結(jié)成型 l 熔融滲透法熔融滲透法l CVD、CVI法法 l 溶膠溶膠-凝膠（凝膠（Sol-Gel）法）法 l 先驅(qū)體熱解先驅(qū)體熱解(Pyrolysis)法法 l 其他方法其他方法具體的制備工藝具體的制備工藝 為了克服粉末冶金法中各組元混合不均的問題，采用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。了漿體（濕態(tài)）法制備陶瓷基復(fù)合材料。 原理：原理：混合體為漿體形式，混合體中各組元保持散凝狀，即混合體為漿體形式，混合體中各組元保持散凝狀，即在漿體中呈彌散分布。這可通過調(diào)整水溶液的在漿體中

18、呈彌散分布。這可通過調(diào)整水溶液的pH值來實現(xiàn)。值來實現(xiàn)。對漿體進(jìn)行超聲波振動攪拌則可進(jìn)一步改善彌散性。彌散對漿體進(jìn)行超聲波振動攪拌則可進(jìn)一步改善彌散性。彌散的漿體可直接澆鑄成型或熱（冷）壓后燒結(jié)成型。的漿體可直接澆鑄成型或熱（冷）壓后燒結(jié)成型。 特點：特點：適用于顆粒、晶須和短纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。適用于顆粒、晶須和短纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。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。纖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。纖維分布均勻，氣孔率低。維分布均勻，氣孔率低。 7.3.1 7.3.1 漿體法（濕態(tài)法）（漿體法（濕態(tài)法）（Slurry sinteringSlurry s

19、intering） 漿體法制備陶瓷基復(fù)合材料示意圖漿體法制備陶瓷基復(fù)合材料示意圖7.3.1 7.3.1 漿體法（濕態(tài)法）（漿體法（濕態(tài)法）（Slurry sinteringSlurry sintering） 7.3.2 冷壓和燒結(jié)法（冷壓和燒結(jié)法（Cold-Pressed Sintering） 傳統(tǒng)的陶瓷生產(chǎn)工藝，是將粉末和纖維冷壓，傳統(tǒng)的陶瓷生產(chǎn)工藝，是將粉末和纖維冷壓，然后燒結(jié)。也可以在一定的條件下將陶瓷粉體和然后燒結(jié)。也可以在一定的條件下將陶瓷粉體和有機載體混合后，壓制成型，除去有機黏結(jié)劑，有機載體混合后，壓制成型，除去有機黏結(jié)劑，然后燒結(jié)成制品。然后燒結(jié)成制品。 在冷壓和燒結(jié)法的生產(chǎn)過

20、程中，通常會遇到在冷壓和燒結(jié)法的生產(chǎn)過程中，通常會遇到燒結(jié)過程中制品收縮，同時最終產(chǎn)品中有許多裂燒結(jié)過程中制品收縮，同時最終產(chǎn)品中有許多裂紋的問題。在用纖維和晶須增強陶瓷基材料進(jìn)行紋的問題。在用纖維和晶須增強陶瓷基材料進(jìn)行燒結(jié)時，除了會遇到陶瓷基收縮的問題外，還會燒結(jié)時，除了會遇到陶瓷基收縮的問題外，還會使燒結(jié)材料在燒結(jié)和冷卻時產(chǎn)生缺陷或內(nèi)應(yīng)力。使燒結(jié)材料在燒結(jié)和冷卻時產(chǎn)生缺陷或內(nèi)應(yīng)力。 原理原理：熱壓燒結(jié)成型是使松散的或成型的陶瓷基復(fù)合：熱壓燒結(jié)成型是使松散的或成型的陶瓷基復(fù)合材料混合物在高溫下通過外加壓力使其致密化的成型材料混合物在高溫下通過外加壓力使其致密化的成型方法。加壓方法為縱向方法

21、。加壓方法為縱向(單軸單軸)加壓。熱壓時導(dǎo)致復(fù)合加壓。熱壓時導(dǎo)致復(fù)合材料致密化的可能機制是基體顆粒重排、晶格擴散和材料致密化的可能機制是基體顆粒重排、晶格擴散和包括粘滯變形的塑性流動。包括粘滯變形的塑性流動。主要包括以下主要包括以下兩個步驟兩個步驟：增強相滲入沒有固化的基：增強相滲入沒有固化的基體中；體中；固化的復(fù)合材料被熱壓成型。固化的復(fù)合材料被熱壓成型。7.3.2 7.3.2 熱壓燒結(jié)法（熱壓燒結(jié)法（Hot-Pressed SinteringHot-Pressed Sintering） 特點特點u與無壓燒結(jié)相比，能降低燒結(jié)溫度，縮短保溫時間，與無壓燒結(jié)相比，能降低燒結(jié)溫度，縮短保溫時間，使

22、基體晶粒較細(xì)使基體晶粒較細(xì)能獲得高致密度、高性能復(fù)合材料能獲得高致密度、高性能復(fù)合材料材料性能重復(fù)性好，使用可靠，控制熱壓模具尺寸材料性能重復(fù)性好，使用可靠，控制熱壓模具尺寸精度能減少復(fù)合材料加工余量精度能減少復(fù)合材料加工余量缺點缺點：只能制造形狀簡單的零件；模具消耗：只能制造形狀簡單的零件；模具消耗大，一次只能單件或少件燒結(jié)，成本較高；大，一次只能單件或少件燒結(jié)，成本較高；由于熱壓壓力方向性，材料性能有方向性由于熱壓壓力方向性，材料性能有方向性. .7.3.2 7.3.2 熱壓燒結(jié)法（熱壓燒結(jié)法（Hot-Pressed SinteringHot-Pressed Sintering） 7.3.

23、3 熱等靜壓燒結(jié)成型熱等靜壓燒結(jié)成型(hot isostatic pressing ,HIP) 原理原理：熱等靜壓燒結(jié)成型是通過氣體介質(zhì)將高溫和高壓：熱等靜壓燒結(jié)成型是通過氣體介質(zhì)將高溫和高壓同時均勻地作用于復(fù)合材料全部表面使之固結(jié)的工藝方同時均勻地作用于復(fù)合材料全部表面使之固結(jié)的工藝方法。此工藝獲得的陶瓷基復(fù)合材料可基本消除內(nèi)部氣孔，法。此工藝獲得的陶瓷基復(fù)合材料可基本消除內(nèi)部氣孔，接近理論密度，大大改善制品性能。接近理論密度，大大改善制品性能。工藝：工藝：包封燒結(jié)：一般以石英玻璃或硼玻璃、耐高溫金屬為包包封燒結(jié)：一般以石英玻璃或硼玻璃、耐高溫金屬為包封材料。包封前抽真空加熱，排除內(nèi)部空氣，

24、再升溫加封材料。包封前抽真空加熱，排除內(nèi)部空氣，再升溫加壓壓無包封燒結(jié)：先將粉料成型和預(yù)燒封孔，使坯料成為基無包封燒結(jié)：先將粉料成型和預(yù)燒封孔，使坯料成為基本無開口氣孔的燒結(jié)體，然后再實施熱等靜壓燒結(jié)本無開口氣孔的燒結(jié)體，然后再實施熱等靜壓燒結(jié)特點特點: : 熱等靜壓主要以均勻外加應(yīng)力，而不是自由能變化為燒結(jié)熱等靜壓主要以均勻外加應(yīng)力，而不是自由能變化為燒結(jié)驅(qū)動力，可以在較低的燒結(jié)溫度，使用少量添加劑甚至不使驅(qū)動力，可以在較低的燒結(jié)溫度，使用少量添加劑甚至不使用添加劑的條件下獲得致密件用添加劑的條件下獲得致密件 低溫可防止第二相分解，及與基體或燒結(jié)助劑發(fā)生反應(yīng)，低溫可防止第二相分解，及與基體或

25、燒結(jié)助劑發(fā)生反應(yīng)，可制備性能優(yōu)異的陶瓷基復(fù)合材料可制備性能優(yōu)異的陶瓷基復(fù)合材料 與無壓燒結(jié)相比，可降低燒結(jié)溫度、縮短燒結(jié)時間，其致與無壓燒結(jié)相比，可降低燒結(jié)溫度、縮短燒結(jié)時間，其致密化程度大大提高密化程度大大提高 與熱壓燒結(jié)相比，由于熱等靜壓是均勻地將壓力作用于材與熱壓燒結(jié)相比，由于熱等靜壓是均勻地將壓力作用于材料各個表面，進(jìn)而材料各向同性。料各個表面，進(jìn)而材料各向同性。7.3.3 7.3.3 熱等靜壓燒結(jié)成型熱等靜壓燒結(jié)成型(hot isostatic pressing ,HIP)(hot isostatic pressing ,HIP) 7.3.4 7.3.4 料漿浸漬熱壓成型法料漿浸漬熱

26、壓成型法(impregnation-hot pressing(impregnation-hot pressing )原理：原理：將纖維置于制備好的陶瓷粉體漿料將纖維置于制備好的陶瓷粉體漿料( (通常用蒸餾水通常用蒸餾水加陶瓷粉體加粘結(jié)劑經(jīng)攪拌或球磨制成加陶瓷粉體加粘結(jié)劑經(jīng)攪拌或球磨制成) )里，使纖維周圍里，使纖維周圍都黏附一層漿料，然后將含有漿料的纖維排布成一定結(jié)都黏附一層漿料，然后將含有漿料的纖維排布成一定結(jié)構(gòu)的坯體，經(jīng)干燥、排膠，熱壓燒結(jié)為產(chǎn)品。構(gòu)的坯體，經(jīng)干燥、排膠，熱壓燒結(jié)為產(chǎn)品。工藝過程：工藝過程：纖維從卷筒放出纖維從卷筒放出浸入盛放料漿的容器浸入盛放料漿的容器將黏將黏附漿料的纖維

27、引導(dǎo)到繞絲機卷桿上附漿料的纖維引導(dǎo)到繞絲機卷桿上開動繞絲機進(jìn)行纏繞。開動繞絲機進(jìn)行纏繞。纖維的纏繞走向按需要可垂直于卷桿；也可與卷桿成一定纖維的纏繞走向按需要可垂直于卷桿；也可與卷桿成一定角度；還可以纏繞幾層后鋪一層與卷桿平行浸過漿料的纖角度；還可以纏繞幾層后鋪一層與卷桿平行浸過漿料的纖維，交錯進(jìn)行。維，交錯進(jìn)行。 纏繞時需要調(diào)節(jié)繞絲機的轉(zhuǎn)速，使纖維與基體有恰當(dāng)?shù)睦p繞時需要調(diào)節(jié)繞絲機的轉(zhuǎn)速，使纖維與基體有恰當(dāng)?shù)谋壤?；纖維束數(shù)量不能太多，以防一部分纖維不能被漿料比例；纖維束數(shù)量不能太多，以防一部分纖維不能被漿料浸漬。如要求纖維單向排列、正交排列或交叉排列，將浸浸漬。如要求纖維單向排列、正交排列或

28、交叉排列，將浸漬過漿料的纖維一層一層堆積即可。纖維氈編織的纖維框漬過漿料的纖維一層一層堆積即可。纖維氈編織的纖維框架架( (多維方向排列多維方向排列) )、短纖維和分散晶須都可以用料漿浸漬。、短纖維和分散晶須都可以用料漿浸漬。優(yōu)點：不損傷增強體，不需要成型模具，能制造大型零件，優(yōu)點：不損傷增強體，不需要成型模具，能制造大型零件，工藝較簡單。工藝較簡單。缺點：增強體與基體比例難以精確控制，增強體在基體中分缺點：增強體與基體比例難以精確控制，增強體在基體中分布不太均勻。布不太均勻。特點特點7.3.4 7.3.4 料漿浸漬熱壓成型法料漿浸漬熱壓成型法(impregnation-hot pressin

29、g(impregnation-hot pressing ) 原理原理：在預(yù)制的增強材料坯件中使基體材料以液態(tài)的形式滲：在預(yù)制的增強材料坯件中使基體材料以液態(tài)的形式滲透制成復(fù)合材料。陶瓷熔體可通過毛細(xì)作用滲入增強劑預(yù)制體透制成復(fù)合材料。陶瓷熔體可通過毛細(xì)作用滲入增強劑預(yù)制體的孔隙的孔隙 。施加壓力或抽真空將有利于浸漬過程。施加壓力或抽真空將有利于浸漬過程。 特點：特點： 由于熔融的陶瓷具有較高的黏度，通過對增強材料的由于熔融的陶瓷具有較高的黏度，通過對增強材料的表面處理，來提高其浸漬性，加壓和抽真空這兩種物理方法也表面處理，來提高其浸漬性，加壓和抽真空這兩種物理方法也可以被用來提高滲透性。優(yōu)點是

30、制造工藝簡單，制品均勻?？梢员挥脕硖岣邼B透性。優(yōu)點是制造工藝簡單，制品均勻。7.3.5 熔融滲透法熔融滲透法 7.3.5 熔融滲透法熔融滲透法熔融滲透法制備陶瓷基復(fù)合材料示意圖熔融滲透法制備陶瓷基復(fù)合材料示意圖 7.3.6 CVD法法原理原理：CVD法就是利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)，通過一些反應(yīng)法就是利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)，通過一些反應(yīng)性混合氣體在高溫狀態(tài)下反應(yīng)，性混合氣體在高溫狀態(tài)下反應(yīng)， 在顆粒、纖維、晶須以及在顆粒、纖維、晶須以及其它具有開口氣孔的增強骨架上沉積所需陶瓷基質(zhì)制備陶其它具有開口氣孔的增強骨架上沉積所需陶瓷基質(zhì)制備陶瓷基復(fù)合材料的方法。瓷基復(fù)合材料的方法。工藝工藝：先將增強顆粒、纖維

31、或晶須做成所需形狀的預(yù)成型：先將增強顆粒、纖維或晶須做成所需形狀的預(yù)成型體，保持開口氣孔率在體，保持開口氣孔率在25254545將預(yù)成型體置于對應(yīng)沉將預(yù)成型體置于對應(yīng)沉積溫度下，通入源氣積溫度下，通入源氣利用源氣擴散作用或使其穿過預(yù)成利用源氣擴散作用或使其穿過預(yù)成型體型體源氣在沉積溫度下熱解或反應(yīng)生成所需陶瓷基質(zhì)沉源氣在沉積溫度下熱解或反應(yīng)生成所需陶瓷基質(zhì)沉積在預(yù)成型體上積在預(yù)成型體上當(dāng)沉積下來的基質(zhì)逐步填滿開口氣孔后，當(dāng)沉積下來的基質(zhì)逐步填滿開口氣孔后，各工藝過程結(jié)束各工藝過程結(jié)束原理：原理：是采用膠體化學(xué)原理制備陶瓷基復(fù)合材料的是采用膠體化學(xué)原理制備陶瓷基復(fù)合材料的工藝方法。將含有多種組分

32、的溶液，通過物理或化工藝方法。將含有多種組分的溶液，通過物理或化學(xué)的方法，使分子或離子成核制成溶膠，在一定條學(xué)的方法，使分子或離子成核制成溶膠，在一定條件下，再經(jīng)凝膠化處理，獲得多組分的復(fù)合相凝膠件下，再經(jīng)凝膠化處理，獲得多組分的復(fù)合相凝膠體，經(jīng)燒結(jié)后可獲得所需組分的陶瓷基復(fù)合材料。體，經(jīng)燒結(jié)后可獲得所需組分的陶瓷基復(fù)合材料。反應(yīng)溫度要低于傳統(tǒng)工藝中的熔融和燒結(jié)溫度，反應(yīng)溫度要低于傳統(tǒng)工藝中的熔融和燒結(jié)溫度，7.3.7 7.3.7 溶膠溶膠-凝膠（凝膠（Sol-GelSol-Gel）法）法 Sol Gel法制備法制備SiO2陶瓷原理如下：陶瓷原理如下： Si(OR)4 + 4H2O Si(OH

33、)4+ 4ROH Si(OH)4 SiO2 + 2H2O 使用這種方法，可將各種使用這種方法，可將各種增強劑加入增強劑加入基體溶膠中攪拌均勻基體溶膠中攪拌均勻，當(dāng)基體溶膠形成凝，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。壓制燒結(jié)形成相應(yīng)的復(fù)合材料。 7.3.7 7.3.7 溶膠溶膠-凝膠（凝膠（Sol-GelSol-Gel）法）法溶膠溶膠 凝膠法制備陶瓷凝膠法制備陶瓷基復(fù)合材料示意圖基復(fù)合材料示意圖 溶膠溶膠 凝膠法制備纖維陶瓷基復(fù)合材料示意圖凝膠法

34、制備纖維陶瓷基復(fù)合材料示意圖特點與應(yīng)用：特點與應(yīng)用： 溶膠凝膠法不僅使各組分能高純、超細(xì)、均相地溶膠凝膠法不僅使各組分能高純、超細(xì)、均相地分子級或包裹式復(fù)合，而且所得陶瓷材料性能良好。該分子級或包裹式復(fù)合，而且所得陶瓷材料性能良好。該法缺點是工藝過程比較復(fù)雜，不適合于非氧化物陶瓷基法缺點是工藝過程比較復(fù)雜，不適合于非氧化物陶瓷基復(fù)合材料制備復(fù)合材料制備 廣泛應(yīng)用于顆粒、基質(zhì)相、顆粒纖維基質(zhì)相等陶廣泛應(yīng)用于顆粒、基質(zhì)相、顆粒纖維基質(zhì)相等陶瓷材料制備瓷材料制備7.3.7 7.3.7 溶膠溶膠-凝膠（凝膠（Sol-GelSol-Gel）法）法使聚合物先驅(qū)體熱解形成陶瓷基復(fù)合材料的方法。使聚合物先驅(qū)體熱解形成陶瓷基復(fù)合材料的方法。原理原理：是通過對高聚物先驅(qū)體：是通過對高聚物先驅(qū)體(通常是有機硅高聚物通常是有機硅高聚物先驅(qū)體先驅(qū)體)進(jìn)行熱解，直接獲取塊狀體陶瓷材料的工藝進(jìn)行熱解，直接獲取塊狀體陶瓷材料的工藝方法。除單相陶瓷材料外，應(yīng)用該方法還可以獲得方法。除單相陶瓷材料外，應(yīng)用該方法還可以獲得粒子彌散復(fù)相陶瓷和纖維補強陶瓷基復(fù)合材料。粒子彌散復(fù)相陶瓷和纖維補強