第五章 陶瓷基复合材料 1
5.1 陶瓷基复合材料的种类、性能以及增韧机制 2
5.1.1陶瓷基复合材料的种类 2
5.1.2 陶瓷基复合材料的性能特征 4
5.1.3 陶瓷基复合材料增韧的方式以及相关机制 4
5.2 陶瓷纤维 8
5.2.1 碳化硅纤维 8
5.2.2 氧化铝纤维 12
5.2.3 氮化硼纤维 16
5.2.4 硅酸铝纤维 19
5.3 陶瓷基复合材料的界面、界面控制和界面涂层 19
5.3.1 界面及其类型 19
5.3.2 陶瓷基复合材料中的界面控制 21
5.3.3 界面涂层 32
5.4碳化硅陶瓷基复合材料 45
5.4.1 应用背景 45
5.4.2 陶瓷材料的韧化 46
5.4.3 陶瓷基复合材料的主要性能 49
5.4.4发展动向 51
5.5 氧化硅陶瓷基复合材料料 51
5.5.1 氧化硅基复合材料 54
5.5.2 纤维增强石英玻璃复合材料 56
5.5.3晶须增强石英玻璃复合材料 57
5.5.4 颗粒增强石英玻璃基复合材料 57
5.6 氮化硅陶瓷基复合材料 58
5.6.1 Si3N4陶瓷基体 58
5.6.2 颗粒强化Si3N4基复合材料 59
5.6.3晶须强化Si3N4基复合材料 60
5.6.4长纤维强化Si3N4基复合材料 61
第五章 陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导
致材料失效。而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。
陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品。其最高使用温度主要取决于基体特征。陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意的使用效果。
5.1 陶瓷基复合材料的种类、性能以及增韧机制
5.1.1陶瓷基复合材料的种类
陶瓷基复合材料的分类方法很多，常见的分类方法有以下几种。
5.1.1.1 按增强材料形态分类
颗粒增强陶瓷复合材料。
纤维（晶须）增强陶瓷复合材料。
片材增强陶瓷复合材料。
用做陶瓷基复合材料的增强体主要包括颗粒、纤维（晶须）和陶瓷薄片，后者研究还不够成熟。
颗粒增强体按其相对于基体的弹性模量大小，可分为两类：一类是延性颗粒复合于强基质复合体系，主要通过第二相粒子的加入在外力作用下产生一定的塑性变形或沿晶界滑移产生蠕变来缓解应力集中，达到增强增韧的效果，如一些金属陶瓷、反应烧结SiC、SHS法制备的TiC/Ni等均属此类；另一类是刚性粒子复合于陶瓷中。延性颗粒主要是指金属，而刚性粒子是陶瓷。但不论哪类颗粒根据其大小及其对复合材料性能产生的影响，又可进一步分为颗粒弥散强化复合材料和真正颗粒复合材料。其中弥散粒子十分细小，直径从纳米级到几十个微米之间，主要利用第二相粒子与基体晶粒之间的弹性模量与热膨胀系数上的差异，在冷却中粒子和基体周围形成残余应力场。这种应力场与扩展裂纹尖端应力交互作用，从而产生裂纹偏转、绕道、分支和钉扎等效应，对基体起增韧作用。一般选择弥散相的原则如下： 弥散相往往是一类高熔点、高硬度的非氧化物材料如SiC、TiB2、B4C、CBN等，基体一般为Al2O3、ZrO2、莫来石等。此外，ZrO2相变增韧粒子是近年来发展起来的一类新型颗粒增强体；弥散相应有最佳尺寸、形状、分布及数量，对于相变粒子，其晶粒尺寸还与临界相变尺寸有关，如t-ZrO2，一般应小于3μm；弥散相在基体中的溶解度须很低，且不与基体发生化学反应；弥散相与基体应有良好的结合强度。
真正颗粒复合材料指的是含有大量的粗大颗粒，这些颗粒不能有效阻挡裂纹扩展，设计这
种复合材料的目的不是为了提高强度，而是为了获得不同寻常的综合性能，如混凝土、砂轮磨料等即为此类颗粒复合材料。
但陶瓷基颗粒复合材料尤其是先进陶瓷基颗粒复合材料指的大多数是颗粒弥散增强的陶瓷复合材料（或称作复相陶瓷）；与纤维复合材料相比，颗粒的制造成本低、各相同性，除相变增韧粒子外，颗粒增强在高温下仍然起作用，因而逐渐显示了颗粒弥散增强材料的优势。近年来氧化锆增韧陶瓷（ZTC）是一类发展迅速的颗粒弥散相变增韧材料。
许多材料特别是脆性材料在制成纤维后，其强度远远超过块状材料的强度。其原因是，物体越小，表面和内部包含的能导致脆性断裂的危险裂纹的可能性越小。纤维增强体的种类很多，根据直径的大小和性能特点可分为晶须和纤维两类。晶须是直径很小的针状材料，长径比很大、结构完善，因此强度很高。晶须是目前所有材料中强度最接近于理论强度的。常用的增强陶瓷的晶须有石墨、碳化硅、氮化硅和氧化铝等。陶瓷晶须一般用气相结晶法生产，工艺复杂，造价较高，暂时还没有在工业中广泛应用。增强陶瓷用纤维大多是直径为几微米至几十微米的多晶材料或非晶材料，如玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、氧化铝纤维和碳化硅纤维等。
一般在设计纤维或晶须补强陶瓷时选择纤维增强材料有以下几个原则：尽量使纤维在基体中均匀分散。多采用高速搅拌、超声分散等方法，湿法分散时，常采用表面活性剂避免浆料沉淀或偏析；弹性模量要匹配，一般纤维的强度、弹性模量要大于基体材料； 纤维与基体要有良好的化学相容性，无明显的化学反应或形成固溶体；纤维与基体热膨胀系数要匹配，只有纤维与基体的热膨胀系数差不大时才能使纤维与界面结合力适当，保证载荷转移效应，并保证裂纹尖端应力场产生偏转及纤维拔出，对热膨胀系数差较大的，可采用在纤维表面涂层或引入杂质使纤维-基体界面产生新相缓冲其应力；适当的纤维体积分数，过低则力学性能改善不明显，过高则纤维不易分散，不易致密烧结；纤维直径必须在某个临界直径以下。一般认为纤维直径尺度与基体晶粒尺寸在同一数量级。
片材增强陶瓷基复合材料实际上是一种层状复合材料，该材料的诞生源于仿生的构想。陶瓷基层状复合材料是由层片状的陶瓷结构单元和界面分隔两部分组成。陶瓷基层状复合材料的性能主要是由这两部分各自的性能和两界面的结合状态所决定的。陶瓷结构单元一般选用高强的结构陶瓷材料，在使用中可以承受较大的应力，并具有较好的高温力学性能。目前研究中采用较多的是SiC、Si3N4、Al2O3和ZrO2等作为基体材料，此外还加少量烧结助剂以促进烧结致密化。界面分隔材料的选择和优化也十分关键，正是这一层材料形成了
整体材料特殊的层状结构，才使承载过程发挥设计的功效。一般来说，不同基体材料选择不同的界面分隔材料。选择原则有以下几个方面。
应选择具有一定强度，尤其是高温强度的材料，以保证在常温下正常使用及在高温下不发生大的蠕变。
界面分隔层要与结构单元具有适中的结合。既要保证它们之间不发生反应，可以很好地分隔结构单元，使材料具有宏观的结构，又要能够将结构单元适当地“粘接”而不发生分离。
界面层与结构单元有合适的热膨胀系数匹配，使材料中的热应力不对材料造成破坏。
在界面分隔材料的选择中，处理好分隔材料与基体材料的结合状态和匹配状态尤为重要，这将直接影响材料宏观结构所起作用的程度。陶瓷基层状复合材料是将陶瓷基片和界面相互交替叠层，经一定工艺烧结而成。
由于基体材料不同，选择界面材料差别也很大。目前研究较多的是：以石墨（C）作为SiC的夹层材料（SiC/C 陶瓷基层状复合材料）；以氮化硼（BN）作为Si3N4的夹层材料（Si3N4/BN陶瓷基层状复合材料）；此外还对Al2O3/Ni、TZP/Al2O3、Ce-TZP/Ce-TZP-Al2O3
等材料体系也有一定研究。
5.1.1.3 按基体材料分类
氧化物陶瓷基复合材料。
非氧化物陶瓷基复合材料。
微晶玻璃基复合材料。
用做陶瓷基复合材料的基体主要包括氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和微晶玻璃，其中氧化物陶瓷主要有：Al2O3、SiO2、ZrO2、MgO、ThO2、UO2和3 Al2O3·2 SiO2（莫来石）等；非氧化物陶瓷是指金属碳化物、氮化物、硼化物和硅化物等，主要包括SiC、TiC、B4C、ZrC、Si3N4、TiN、BN、TiB2和MoSi2等。氧化物陶瓷主要由离子键结合，也有一定成分的共价键。它们的结构取决于结合键的类型、各种离子的大小以及在极小空间保持电中性的要求。纯氧化物陶瓷，它们的熔点多数超过2000℃。随着温度的升高，氧化物陶瓷的强度降低，但在800~1000℃以前强度的降低不大，高于此温度后大多数材料的强度剧烈降低。纯氧化物陶瓷在任何高温下都不会氧化，所以这类陶瓷是很有用的高温耐火结构材
料。
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