《陶瓷基復合材料》PPT課件（完整版）

1、1第七章 陶瓷基復合材料8.1 陶瓷基復合材料的種類及基本性能8.2 陶瓷基復合材料的成型加工技術(shù)8.3 陶瓷基復合材料的應用28.1 陶瓷基復合材料的種類及基本性能現(xiàn)代陶瓷材料具個耐高溫、耐磨損、耐腐蝕及重量輕等許多優(yōu)良的性能。但是，陶瓷材料同時也具有致命的缺點，即脆性，這一弱點正是目前淘瓷材料的使用受到很大限制的主要原因。3因此，陶瓷材料的韌性化問題便成了近年來陶瓷工作者們研究的一個重點問題。現(xiàn)在這方面的研究巳取得了初步進展，探索出了若干種韌化陶瓷的途徑。4其中，往陶陶瓷材料中加入起增韌作用的第二相而制成陶瓷基復合材料即是一種重要方法。58.1.1 陶瓷基復合材料的基體與增強體1陶瓷基復合

2、材料的基體陶瓷基復合材料的基體為陶瓷，這是一種包括范圍很廣的材料，屬于無機化合物而不是單質(zhì)，所以它的結(jié)構(gòu)遠比金屬合金復雜得多。6現(xiàn)代陶瓷材料的研究，最早是從對硅酸鹽材料的研究開始的，隨后又逐步擴大到了其他的無機非金屬材料。目前被人們研究最多的是碳化硅、氮化硅、氧化鋁等，它們普遍具有耐高溫、耐腐蝕、高強度、重量輕和價格低等優(yōu)點。7 2陶瓷復合材料的增強體陶瓷基復合材料中的增強體，通常也稱為增韌體。從幾何尺寸上增強體可分為纖維(長、短纖維)、晶須和顆粒三類。8碳纖維是用來制造陶瓷基復合材料最常用的纖維之一。碳纖維可用多種方法進行生產(chǎn)。工業(yè)上主要采用有機母體的熱氧化和石墨化。9碳纖維的生產(chǎn)過程主要包

3、括三個階段。第一階段在空氣中于200400進行低溫氧化；第二階段是在惰性氣體中在1000左右進行碳化處理；第三階段則是在惰性氣體中于2000以上的溫度作石墨化處理。10目前，碳纖維常規(guī)生產(chǎn)的品種主要有兩種，即高模量型和低模量型。其中，高模量型的拉伸模量約為400 GPa，拉伸強度約為1.7 GPa；低模量型的拉伸模量約為240 GPa，拉伸強度約為2.5 GPa。11碳纖維主要用在把強度、剛度、重量和抗化學性作為設(shè)計參數(shù)的構(gòu)件，在1500的溫度下，碳纖維仍能保持其性能不變。12但是，必須對碳纖維進行有效的保護以防止它在空氣中或氧化性氣氛中被腐蝕，只有這樣，才能充分發(fā)揮它的優(yōu)良性能。13陶瓷基復

4、合材料中的增強體中，另一種常用纖維是玻璃纖維。制造玻璃纖維的基本流程如下圖所示：14玻璃球玻璃球再熔化連續(xù)纖維上漿紗線繞線筒玻璃纖維生產(chǎn)流程圖將玻璃小球熔化，然后通過1mm左右直徑的小孔把它們拉出來。另外，纏繞纖維的心軸的轉(zhuǎn)動速度決定纖維的直徑，通常為10um的數(shù)量級。15為了便于操作和避免纖維受潮并形成紗束，在剛凝固成纖維時，表面就涂覆薄薄一層保護膜，這層保護膜還有利于與基體的粘結(jié)。 16玻璃的組成可在一個很寬的范圍內(nèi)調(diào)整，因而可生產(chǎn)出具有較高楊氏模量的品種，這些特殊品種的纖維通常需要在較高的溫度下熔化后拉絲，因而成本較高，但可滿足制造一些有特殊要求的復合材料。17還有一種常用的纖維是硼纖維

5、。它屬于多相的，又是無定形的，因為它是用化學沉積法將無定形硼沉積在鎢絲或者碳纖維上形成的。18在實際結(jié)構(gòu)的硼纖維中，由于缺少大晶體結(jié)構(gòu)，使其纖維強度下降到只有晶體硼纖維一半左右。19由化學分解所獲得的硼纖維的平均性能為，楊氏模量420GPa，拉伸強度2.8GPa。硼纖維對任何可能的表面損傷都非常敏感，甚至比玻璃纖維更敏感，熱或化學處理對硼纖維都有影響，高于500 時強度會急劇下降。20為了阻止隨溫度而變化的降解作用，已采用了不同類型的涂層作試驗。例如，商業(yè)上使用的硼纖維通常是在表面涂了一層碳化硅，它可使纖維長期暴露在高溫后仍有保持室溫強度的優(yōu)點。21陶瓷材料中另一種增強體為晶須。晶須為具有一定

6、長徑比(直徑0.31um,長30100um)的小單晶體。1952年，Herring和Galt驗證了錫的晶須的強度比塊狀錫高得多，這促使人們?nèi)w維狀的單晶進行詳細的研究。22從結(jié)構(gòu)上看，晶須的特點是沒有微裂紋、位錯、孔洞和表面損傷等一類缺陷，而這些缺陷正是大塊晶體中大量存在且促使強度下降的主要原因。23在某些情況下，晶須的拉伸強度可達0.1E(E為楊氏模量)，這已非常接近于理想拉伸強度0.2E。相比之下，多晶的金屬纖維和塊狀金屬的拉伸強度只有0.02E和0.001E。24由于晶須具有最佳的熱性能、低密度和高楊氏模量，從而引起了人們對其特別的關(guān)注。在陶瓷基復合材料中使用得較為普遍的是SiC、A1

7、2O3及Si3N4晶須。25陶瓷材料中的另一種增強體為顆粒。從幾何尺寸上看，顆粒在各個方向上的長度是大致相同的，一般為幾個微米。常用得的顆粒也是SiC、Si3N4等。26顆粒的增韌效果雖不如纖維和晶須，但是，如果顆粒種類、粒徑、含量及基體材料選擇適當仍會有一定的韌化效果，同時還會帶來高溫強度，高溫蠕變性能的改善。所以，顆粒增韌復合材料同樣受到重視并對其進行了一定的研究。278.1.2 纖維增強陶瓷基復合材料在陶瓷材料中，加入第二相纖維制成復合材料是改善陶瓷材料韌性的重要手段，按纖維排布方式的不同，又可將其分為單向排布長纖維復合材料和多向排布纖維復合材料。281、單向排布長纖維復合材料單向排布纖

8、維增韌陶瓷基復合材料的顯著特點是它具有各向異性，即沿纖維長度方向上的縱向性能要大大高于其橫向性能。在實際構(gòu)件中，主要是使用其縱向性能。29在單向排布纖維增韌陶瓷基復合材料中，當裂紋擴展遇到纖維時會受阻，這時，如果要使裂紋進一步擴展就必須提高外加應力。這一過程的示意圖如下：30裂紋垂直于纖維方向擴展示意圖31當外加應力進一步提高時，由于基體與纖維間的界面離解，同時又由于纖維的強度高于基體的強度，從而使纖維從基體中拔出。當拔出的長度達到某一臨界值時，會使纖維發(fā)生斷裂。32因此，裂紋的擴展必須克服由于纖維的加入而產(chǎn)生的拔出功和纖維斷裂功，這樣，使得材料的斷裂更為困難，從而起到了增韌的作用。33實際材

9、料斷裂過程中，纖維的斷裂并非發(fā)生在同一裂紋平面，這樣主裂紋還將沿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。34 2多向排布纖維增韌復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性能較為優(yōu)越，而其橫向性能顯著低于縱向性能，所以只適用于單軸應力的場合。35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，這就要進一步研究多向排布纖維增韌陶瓷基復合材料。36(1) 二維多向排布纖維增韌復合材料這種復合材料中，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)需要的厚度將單層或若干層進行熱壓燒結(jié)成型，如下圖所示：37纖維層基體纖

10、維布層壓復合材料示意圖38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。一般應用在對二維方向上有較高性能要求的構(gòu)件上。39另一種是纖維分層單向排布，層間纖維成一定角度，如下圖所示。40纖維層基體多層纖維按不同角度方向?qū)訅菏疽鈭D41后一種復合材料可以根據(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。而前一種材料成型板狀構(gòu)件曲率不宜太大。42這種二維多向纖維增韌陶瓷基復合材料的韌化機理與單向排布纖維復合材料是一樣的，主要也是靠纖維的拔出與裂紋轉(zhuǎn)向機制，使其韌性及強度比基體材料大幅度提高。43(2) 三維多向排布纖維增韌陶瓷基復合材料三維多向編織纖維增

11、韌陶瓷是為了滿足某些情況的性能要求而設(shè)計的。這種材料最初是從宇航用三向C/C復合材料開始的，現(xiàn)已發(fā)展到三向石英/石英等陶瓷復合材料。44下圖為三向正交C/C纖維編織結(jié)構(gòu)示意圖。它是按直角坐標將多束纖維分層交替編織而成。45XYZ三向C/C編織結(jié)構(gòu)示意圖 由于每束纖維呈直線伸展，不存在相互交纏和繞曲，因而使纖維可以充分發(fā)揮最大的結(jié)構(gòu)強度。46這種三維多向編織結(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)進行設(shè)計以滿足性能要求。478.1.3 晶須和顆粒增強陶瓷基復合材料長纖維增韌陶瓷基復合材料雖然性能優(yōu)越，但它的制備工藝復雜，而且纖維在基體中不易分

12、布均勻。因此，近年來又發(fā)展了短纖維、晶須及顆粒增韌陶瓷基復合材料。由于短纖維與晶須相似，故只討論后兩種情形。48由于晶須的尺寸很小，從客觀上看與粉末一樣，因此在制備復合材料時，只需將晶須分散后與基體粉末混合均勻，然后對混好的粉末進行熱壓燒結(jié)，即可制得致密的晶須增韌陶瓷基復合材料。49目前常用的是SiC，Si3N4，Al2O3晶須，常用的基體則為Al2O3，ZrO2，SiO2，Si3N4及莫來石等。50晶須增韌陶瓷基復合材料的性能與基體和晶須的選擇，晶須的含量及分布等因素有關(guān)。下面兩個圖分別給出了ZrO2(2mol % Y2O3) + SiCw及A12O3+ SiCw陶瓷復合材料的性能與SiCw

13、含量之間的關(guān)系。51斷裂韌性KIC(MPa.m1/2)SiCw含量（vol%） 彎曲強度f(MPa)SiCw含量（vol%） 維氏硬度HV(GPa) 彈性模量E(GPa)SiCw含量（vol%）ZrO2(Y2O3)復合材料的力學性能52SiCw含量（vol%） 維氏硬度HV(GPa) 彈性模量E(GPa)SiCw含量（vol%） 彎曲強度f(MPa)SiCw含量（vol%）斷裂韌性KIC(MPa.m1/2)Al2O3+ SiCw復合材料的力學性能53從上面兩個圖中可以看出，兩種材料的彈性模量、硬度及斷裂韌性均隨著SiCw含量的增加而提高。54而彎曲強度的變化規(guī)律則是，對Al2O3基復合材料，隨

14、SiCw含量的增加單調(diào)上升，而對ZrO2基體，在10 vol SiCw時出現(xiàn)峰值，隨后又有所下降，但卻始終高于基體。55這可解釋為由于SiCw含量高時造成熱失配過大，同時使致密化困難而引起密度下降，從而使界面強度降低，導致了復合材料強度的下降。56由圖中可知，對A12O3基復合材料最佳的韌性和強度的配合可使斷裂韌性KIC=7MPa.M1/2，彎曲強度f=600MPa；ZrO2基復合材料的斷裂韌性KIC=16MPa.M1/2 ，彎曲強度f=1400MPa。由此可見，SiCw對陶瓷材料同時具有增強和增韌的效果。57從上面的討論知道，由于晶須具有長徑比，因此，當其含量較高時，因其橋架效應而使致密化變

15、得因難，從而引起了密度的下降并導致性能的下降。58為了克服這一弱點，可采用顆粒來代替晶須制成復合材料，這種復合材料在原料的混合均勻化及燒結(jié)致密化方面均比晶須增強陶瓷基復合材料要容易。59當所用的顆粒為SiC，TiC時，基體材料采用最多的是Al2O3，Si3N4。目前，這些復合材料已廣泛用來制造刀具。60右圖顯示了SiCp含量對SiCp /A12O3復合材料性能的影響。 斷裂強度f(MPa)SiCp含量(vol%)從中可以看出，在5 SiCp時強度出現(xiàn)峰值。61下圖為SiCp含量對SiCp / Si3N4復合材料性能的影響。SiCp含量（vol%）斷裂韌性KIC(MPa.m1/2)SiCp含量（

16、vol%） 彎曲強度f(MPa) 從中可以看出，在SiCp含量為5時強度及韌性達到了最高值。62從上面的討論可知，晶須與顆粒對陶瓷材料的增韌均有一定作用，且各有利弊。晶須的增強增韌效果好，但含量高時會使致密度下降；顆?？煽朔ы毜倪@一弱點，但其增強增韌效果卻不如晶須。63由此很容易想到，若將晶須與顆粒共同使用，則可取長補短，達到更好的效果。目前，已有了這方面的研究工作，如使用SiCw與ZrO2來共同增韌，用SiCw與SiCp來共同增韌等。64下面兩個圖分別給出了Al2O3+ZrO2(Y2O3)+SiCw復合材料的性能隨SiCw及ZrO2(Y2O3)含量的變化情況。65 維氏硬度HV(GPa)

17、彈性模量E(GPa)SiCw含量(vol%) (a) 彈性模量E(GPa) 維氏硬度HV(GPa)ZrO2含量(vol%) (b)SiCw與ZrO2復合增韌Al2O3的硬度與彈性模量Al2O3+20mol%ZrO2(Y2O3)+SiCw66Al2O3+20mol%ZrO2(Y2O3)+SiCw 彎曲強度f(MPa)SiCw含量(vol%)斷裂韌性KIC(MPa.m1/2)SiCw含量(vol%)SiCw與ZrO2復合增韌Al2O3的強度與斷裂韌性67SiCw與ZrO2復合增韌Al2O3的強度與斷裂韌性Al2O3+20mol%SiCw+ZrO2(Y2O3)ZrO2含量(vol%) 彎曲強度f(M

18、Pa)ZrO2含量(vol%)斷裂韌性KIC(MPa.m1/2)68可以看出，隨著SiCw及ZrO2(Y2O3)含量的增加，其強度與韌性均呈上升趨勢，在20SiCw及30 ZrO2(Y2O3)時，復合材抖的f達1200MPa。KIC達10 MPa.M1/2 以上。這比單獨晶須韌化的Al2O3+SiCw復合材料的f =634MPa，KIC=7.5 MPa.M1/2有明顯的提高，這充分體現(xiàn)了這種復合強化的效果。69下表則給出了莫來石及其制得的復合材料的強度與韌性。材料f (Mpa)KIC (MPa.M1/2)莫來石2442.8莫來石+ SiCw4524.4莫來石+ ZrO2+SiCw5515805

19、.46.7Si3N4+SiCw10001112很明顯，由ZrO2+SiCw與莫來石制得的復合材料要比單獨用SiCw與莫來石制得的復合材料的性能好得多。70一、陶瓷基復合材料的界面1、界面的粘結(jié)形式2、界面的作用3、界面性能的改善8.1.4 陶瓷基復合材料的界面和強韌化機理711、界面的粘結(jié)形式對于陶瓷基復合材料來講，界面的粘結(jié)形式主要有兩種：(1)機械粘結(jié)(2)化學粘結(jié)72由于陶瓷基復合材料往往是在高溫條件下制備，而且往往在高溫環(huán)境中工作，因此增強體與陶瓷之間容易發(fā)生化學反應形成化學粘結(jié)的界面層或反應層。73若基體與增強體之間不發(fā)生反應或控制它們之間發(fā)生反應，那么當從高溫冷卻下來時，陶瓷的收縮

20、大于增強體，由于收縮而產(chǎn)生的徑向壓應力 r 與界面剪應力有關(guān)：74 r式中，是摩擦系數(shù)，一般為0.10.6。此外，基體在高溫時呈現(xiàn)為液體(或粘性體)，它也可滲入或浸入纖維表面的縫隙等缺陷處，冷卻后形成機械結(jié)合。75實際上，高溫下原子的活性增大，原子的擴散速度較室溫大的多，由于增強體與陶瓷基體的原子擴散，在界面上更易形成固溶體和化合物。76此時，增強體與基體之間的界面是具有一定厚度的界面反應區(qū)，它與基體和增強體都能較好的結(jié)合，但通常是脆性的。例如Al2O3f/SiO2系中會發(fā)生反應形成強的化學鍵結(jié)合。77 2、界面的作用對于陶瓷基復合材料來講，界面粘結(jié)性能影響陶瓷基體和復合材料的斷裂行為。對于陶

21、瓷基復合材料的界面來說，一方面應強到足以傳遞軸向載荷，并具有高的橫向強度；78另一方面，陶瓷基復合材料的界面要弱到足以沿界面發(fā)生橫向裂紋及裂紋偏轉(zhuǎn)直到纖維的拔出。因此，陶瓷基復合材料界面要有一個最佳的界面強度。79強的界面粘結(jié)往往導致脆性破壞，如下圖 (a)所示，裂紋可以在復合材料的任一部位形成，并迅速擴展至復合材料的橫截面，導致平面斷裂。纖維基體(a)強界面結(jié)合80平面斷裂主要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，強的界面結(jié)合不產(chǎn)生額外的能量消耗。81若界面結(jié)合較弱，當基體中的裂紋擴展至纖維時，將導致界面脫粘，其后裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)、裂紋搭橋、纖維斷裂以致最后纖維拔出(圖 b)。

22、(b)弱界面結(jié)合82裂紋的偏轉(zhuǎn)、搭橋、斷裂以致最后纖維拔出等，這些過程都要吸收能量，從而提高復合材料的斷裂韌性，避免了突然的脆性失效。83 3、界面性能的改善為獲得最佳的界面結(jié)合強度，我們常常希望完全避免界面間的化學反應或盡量降低界面間的化學反應程度和范圍。84在實際應用中，除選擇纖維和基體在加工和使用期間能形成穩(wěn)定的熱力學界面外，最常用的方法就是在與基體復合之前，往增強材料表面上沉積一層薄的涂層。85C和BN是最常用的涂層，此外還有SiC、ZrO2和SnO2涂層。涂層的厚度通常在0.11um，涂層的選擇取決于纖維、基體、加工和服役要求。86纖維上的涂層除了可以改變復合材料界面結(jié)合強度外，對纖

23、維還可起到保護作用，避免在加工和處理過程中造成纖維的機械損壞。87下圖為莫來石纖維增強玻璃基體復合材料的斷裂行為差異。88莫來石纖維上未涂BN涂層莫來石纖維上涂有BN涂層從圖中可看出，若纖維未涂BN涂層，則復合材料的斷面呈現(xiàn)為脆性的平面斷裂：而經(jīng)CVD沉積0.2um的BN涂層后，斷面上可見到大量的纖維拔出。89 二、陶瓷基復合材料的強韌化機理界面的性質(zhì)還直接影響了陶瓷基復合材料的強韌化機理。以晶須增強陶瓷基復合材料為例，來對其強韌化機理進行探討。90晶須增強陶瓷基復合材料的強韌化機理與纖維增強陶瓷基復合材料大致相同，主要是靠晶須的拔出橋連與裂紋轉(zhuǎn)向機制對強度和韌性的提高產(chǎn)生作用。91研究結(jié)果表

24、明，晶須的拔出長度存在一個臨界值lpo，當晶須的某一端距主裂紋距離小于這一臨界值時，則晶須從此端拔出，此時的拔出長度小于臨界拔出長度lpo ；92如果晶須的兩端到主裂紋的距離均大于臨界拔出長度時，晶須在拔出過程中產(chǎn)生斷裂，斷裂長度仍小于臨界拔出長度lpo ；93界面結(jié)合強度直接影響了復合材料的韌化機制與韌化效果。界面強度過高，晶須將與基體一起斷裂，限制了晶須的拔出，因而也就減小了晶須拔出機制對韌性的貢獻。94但另一方面，界面強度的提高有利于載荷轉(zhuǎn)移，因而提高了強化效果。界面強度過低、則使晶須的拔出功減小，這對韌化和強化都不利，因此界面強度存在一個最佳值。95下圖為SiCw/ ZrO2材料的載荷

25、-位移曲線。(位移 um)載荷(N)從圖中可以看出，有明顯的鋸齒效應，這是晶須拔出橋連機制作用的結(jié)果。968.2 陶瓷基復合材料的成型加工8.2.1 纖維增強陶瓷基復合材料的加工;8.2.2 晶須與顆粒增韌陶瓷基復合材料的加工;8.3 陶瓷基復合材料的應用。97纖維增強陶瓷基復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。8.2.1 纖維增強陶瓷基復合材料的加工98從基體方面看，與氣孔的尺寸及數(shù)量，裂紋的大小以及一些其它缺陷有關(guān)；從纖維方面來看，則與纖維中的雜質(zhì)、纖維的氧化程度、損傷及其他固有缺陷有關(guān)；99從基體與纖維的結(jié)合情況上看，則與界面及結(jié)合效果、纖維在基體中的取向，以及載

26、體與纖維的熱膨脹系數(shù)差有關(guān)。100正因為有如此多的影響因素，所以在實際中針對不同的材料的制作方法也會不同，成型技術(shù)的不斷研究與改進，正是為了能獲得性能更為優(yōu)良的材料。目前采用的纖維增強陶瓷基復合材料的成型主法主要有以下幾種：101 1泥漿燒鑄法這種方法是在陶瓷泥漿中分散纖維。然后澆鑄在石膏模型中。這種方法比較古老，不受制品形狀的限制。但對提高產(chǎn)品性能的效果不顯著，成本低，工藝簡單，適合于短纖維增強陶瓷基復合材料的制作。1022熱壓燒結(jié)法將特長纖維切短(3mm)，然后分散并與基體粉末混合，再用熱壓燒結(jié)的方法即可制得高性能的復合材料。這種方法中，纖維與基體之間的結(jié)合較好，是目前采用較多的方法。10

27、3這種短纖維增強體在與基體粉末混合時取向是無序的，但在冷壓成型及熱壓燒結(jié)的過程中，短纖維由于在基體壓實與致密化過程中沿壓力方向轉(zhuǎn)動，所以導致了在最終制得的復合材料中，短纖維沿加壓面而擇優(yōu)取向，這也就產(chǎn)生了材料性能上一定程度的各向異性。1043. 浸漬法這種方法適用于長纖維。首先把纖維編織成所需形狀，然后用陶瓷泥漿浸漬，干燥后進行焙燒。105浸漬法的優(yōu)點是纖維取向可自由調(diào)節(jié)，如單向排布及多向排布等。浸漬法的缺點則是不能制造大尺寸的制品，而且所得制品的致密度較低。106 8.2.2 晶須與顆粒增韌陶瓷基復合材料的加工與制備晶須與顆粒的尺寸均很小，只是幾何形狀上有些區(qū)別，用它們進行增韌的陶瓷基復合材

28、料的制造工藝是基本相同的。107這種復合材料的制備工藝比長纖維復合材料簡便得多，只需將晶須或顆粒分散后并與基體粉末混合均勻，再用熱壓燒結(jié)的方法即可制得高性能的復臺材料。108與陶瓷材料相似，晶須與顆粒增韌陶瓷基復合材料的制造工藝也可大致分為以下幾個步驟：這一過程看似簡單，實則包含著相當復雜的內(nèi)容。配料成型燒結(jié)精加工109即使坯體由超細粉(微米級)原料組成，其產(chǎn)品質(zhì)量也不易控制，所以隨著現(xiàn)代科技對材料提出的要求的不斷提高，這方面的研究還必持進一步深入。110 1配料高性能的陶瓷基復合材料應具有均質(zhì)、孔隙少的微觀組織。為了得到這樣品質(zhì)的材料，必須首先嚴格挑選原料。111把幾種原料粉末混合配成坯料的

29、方法可分為干法和濕法兩種?，F(xiàn)今新型陶瓷領(lǐng)域混合處理加工的微米級、超微米級粉末方法由于效率和可靠性的原因大多采用濕法。112濕法主要采用水作溶劑，但在氮化硅、碳化尼等非氧化物系的原料混合時，為防止原料的氧化則使用有機溶劑。113原料混合時的裝置一般為專用球磨機。為了防止球磨機運行過程中因球和內(nèi)襯磚磨損下來而作為雜質(zhì)混入原料中，最好采用與加工原料材質(zhì)相同的陶瓷球和內(nèi)襯。1142成型混好后的料漿在成型時有三種不同的情況：(1)經(jīng)一次干燥制成粉末坯料后供給成型工序；(2)把結(jié)合劑添加于料漿中、不干燥坯料，保持漿狀供給成型工序；(3)用壓濾機將料漿狀的粉脫水后成坯料供給成型工序。115把上述的干燥粉料充

30、入模型內(nèi)，加壓后即可成型。通常有金屬模成型法和橡皮模成型法。金屬模成型法具有裝置簡單，成型成本低廉的優(yōu)點，仍它的加壓方向是單向的。粉末與金屬模壁的摩擦力大，粉末間傳遞壓力不太均勻。故易造成燒成后的生坯變形或開裂、只能適用于形狀比較簡單的制件。116采用橡皮模成型法是用靜水壓從各個方向均勻加壓于橡皮模來成型，故不會發(fā)生生坯密度不均勻和具有方向性之類的問題。117此方法雖不能做到完全均勻地加壓，但仍適合于批量生產(chǎn)。由于在成型過程中毛坯與橡皮模接觸而壓成生坯，故難以制成精密形狀，通常還要用剛玉對細節(jié)部分進行修整。118另一種成型法為注射成型法。從成型過程上看，與塑料的注射成型過程相類似，但是在陶瓷中

31、必須從生坯里將粘合劑除去并再燒結(jié)，這些工藝均較為復雜，因此也使這種方法具有很大的局限性。119注漿成型法是具有十分悠久歷史的陶瓷成型方法。它是將料漿澆入石膏模內(nèi)，靜置片刻，料漿中的水分被石膏模吸收。然后除去多余的料漿，將生坯和石膏模一起干燥，生坯干燥后保持一定的強度，并從石膏中取出。這種方法可成型壁薄且形狀復雜的制品。120還有一種成型法為擠壓成型法。這種方法是把料漿放入壓濾機內(nèi)擠出水分，形成塊狀后，從安裝各種擠形口的真空擠出成型機擠出成型的方法，它適用于斷面形狀簡單的長條形坯件的成型。 1213. 燒結(jié) 從生坯中除去粘合劑組分后的陶瓷素坯燒固成致密制品的過程叫燒結(jié)。為了燒結(jié)，必需有專門的窯爐

32、。窯爐的種類繁多，按其功能進行劃分可分為間歇式和連續(xù)式。122間歇式窯爐是放入窯爐內(nèi)生坯的硬化、燒結(jié)、冷卻及制品的取出等工序是間歇地進行的。間歇式窯爐不適合于大規(guī)模生產(chǎn)，但適合處理特殊大型制品或長尺寸制品的優(yōu)點，且燒結(jié)條件靈活，筑爐價格也比較便宜。123連續(xù)窯爐適合于大批量制品的燒結(jié)，由預熱、燒結(jié)和冷卻三個部分組成。124把裝生坯的窯車從窯的一端以一定時間間歇推進，窯車沿導軌前進，沿著窯內(nèi)設(shè)定的溫度分布經(jīng)預熱、燒結(jié)、冷卻過程后，從窯的另一端取出成品。125 4精加工由于高精度制品的需求不斷增多，因此在燒結(jié)后的許多制品還需進行精加工。精加工的目的是為了提高燒成品的尺寸精度和表面平滑性，前者主要用

33、金剛石砂輪進行磨削加工，后者則用磨料進行研磨加工。126金剛石砂輪依埋在金剛石磨粒之間的結(jié)合劑的種類不同有著其各自的特征。大致分為電沉積砂輪，金屬結(jié)合劑砂輪、樹脂結(jié)合劑砂輪等。127電沉積砂輪的切削性能好但加工性能欠佳。金屬粘合劑砂輪對加工面稍差的制品也較易加工。樹脂結(jié)合劑砂輪則由于其強度低，耐熱性差，適合于表面的精加工。128因此，在實際磨削操作時，除選用砂輪外，還需確定砂輪的速度、切削量、給進量等各種磨削條件，才能獲得好的結(jié)果。129 以上是陶瓷基復合材料制備工藝的幾個主要步驟，但實際情況則是相當復雜的。陶瓷與金屬的一個重要區(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的變化在最終燒

34、成產(chǎn)品前是很難察覺的。130陶瓷制品一旦燒結(jié)結(jié)束，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量有問題時則為時已晚。而且，由于工藝路線很長，要查找原因十分困難。這就使得實際經(jīng)驗的積累變得越發(fā)重要。131陶瓷的制備質(zhì)量與其制備工藝有很大的關(guān)系。在實驗室規(guī)模下能夠穩(wěn)定重復制造的材料，在擴大的生產(chǎn)規(guī)模下常常難于重現(xiàn)。132在生產(chǎn)規(guī)模下可能重復再現(xiàn)的陶瓷材料，常常在原材料波動和工藝裝備有所變化的條件下難于實現(xiàn)。這是陶瓷制備中的關(guān)鍵問題之一。133先進淘瓷制品的一致性，則是它能否大規(guī)摸推廣應用的最關(guān)鍵問題之一?，F(xiàn)今的先進陶瓷制備技術(shù)可以做到成批地生產(chǎn)出性能很好的產(chǎn)品，但卻不容易保證所有制品的品質(zhì)一致。1348.3 陶瓷基復合材料的應用

35、 8.3.1 陶瓷基復合材料在工業(yè)上的應用陶瓷材料具有耐高溫、高強度、高硬度及耐腐蝕性好等特點，但其脆性大的弱點限制了它的廣泛應用。135隨著現(xiàn)代高科技的迅猛發(fā)展，要求材料能在更高的溫度下保持優(yōu)良的綜合性能。陶瓷基復合材料可較好地滿足這一要求。它的最高使用溫度主要取決于基體特性，其工作溫度按下列基體材料依次提高：玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、碳素材料，其最高工作溫度可達1900 。136陶瓷基復合材料已實用化或即將實用化的領(lǐng)域包括：刀具、滑動構(gòu)件、航空航天構(gòu)件、發(fā)動機制件、能源構(gòu)件等。137在切削工具方面， SiCw增韌的細顆粒Al2O3陶瓷復合材料已成功用于工業(yè)生產(chǎn)制造切削刀具。下圖為用熱壓法制備的SiCw/ Al2O3復合材料鉆頭。138SiCw/ Al2O3復合材料鉆