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。 陶瓷基复合材料已用作液体火箭发动机喷管、导弹天线罩、航天飞机鼻锥、飞机刹车盘和高档汽车刹车盘等，成为高技术新材料的一个重要分支。

成型方法陶瓷基复合材料的成形方法分为两类：一类是针对陶瓷短纤维、晶须、颗粒等增强体，复合材料的成形工艺与陶瓷基本相同，如料浆浇铸法、热压烧结法等；另一类是针对碳、石墨、陶瓷连续纤维增强体，复合材料的成形工艺常采用粉末冶金法、料浆没渗法、料浆浸溃热压烧结法和化学气相渗透法。

(1)粉末冶金法，又称为压制烧结法或混合压制法，广泛应用于制备特种陶瓷以及某些玻璃陶瓷。方法是将作为基体的陶瓷粉末和增强材料以及加人的粘接剂混合均匀，冷压制成所需形状，然后进行烧结或直接热压烧结制成陶瓷基复合材料。前者称为冷压烧结法，后者称为热压烧结法。热压烧结法时，在压力和高温的同时作用下，致密化速度可得到提高，从而获得无气孔、细晶粒、具有优良力学性能的制品。但用粉末冶金法进行成形加工的难点在于基体与增强材料不易混合，同时，品须和纤维在混合或压制过程中，尤其是在冷压情况下容易折断。

(2)料浆投渗法，将纤维增强体编织成所需形状，用陶瓷浆料投密，干燥后进行烧结。该方法与粉末冶金法的不同之处在于混合体采用浆料形式。其优点是不损伤增强体，工艺较简单，无须模具；缺点是增强体在陶瓷基体中的分布不大均匀。

(3)料浆没渍热压成形法将纤维或织物增强体置于制备好的刚瓷粉体浆料里浸渍，然后将含有浆料的纤维或织物增强体布成一定结构的坏体，干燥后在高温、高压下热压烧结成为制品。料浆浸渍热压法的优点是加热温度比晶体陶瓷低，不易损伤增强体，层板的堆垛改序可任意排列，纤维分布均匀，气孔率较低，获得的强度高，工艺比较简单，无须成形模其，能生产大型零件。缺点是不能制作形状太复杂的零件，基体材料必须是低熔点或低软化点的陶瓷。

(4)化学气相渗透法，又称CVI (Chemical Vapor Infitration)法，是将增强纤维编织成所需形状的预成形体，并置于一定温度的反应室内，然后通人某种气源，在预成形体孔穴的纤维表面上产生热分解或化学反应沉积出所需陶瓷基质，直至预成形体中各孔穴被完全填满，获得高致密度、高强度、高韧性的制件。1

改性由于陶瓷材料具备优良的耐磨性，并且硬度高、耐蚀性好，所以得到了广泛应用。但是，陶瓷的最大缺点是脆性大，对裂纹、气孔等很敏感。20世纪80年代以来，通过在陶瓷材料中加入颗粒、晶须及纤维等得到的陶瓷基复合材料，使得陶瓷的韧性大大提高。

陶瓷基复合材料具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐磨耐蚀和良好的韧性，已用于高速切削工具和内燃机部件上。但这类材料发展较晚，其潜能尚待进一步发挥。研究重点是将其应用于高温材料和耐磨、耐蚀材料，如大功率内燃机的增强涡轮、航空航天器的热部件以及代替金属制造车辆发动机、石油化工容器、废物垃圾焚烧处理设备等。1

陶瓷基复合材料界面的功能界面是陶瓷基复合材料强韧化的关键,主要功能有以下几点：

①脱黏偏转裂纹作用。当基体裂纹扩展到有结合程度适中的界面区时，此界面发生解离，并使裂纹发生偏转，从而调节界面应力，阻止裂纹直接越过纤维扩展。

②传递载荷作用。由于纤维是复合材料中主要的承载相，因此界面相需要有足够的强度来向纤维传递载荷。

③缓解热失配作用。陶瓷基复合材料是在高温下制备的，由于纤维与基体的热膨胀系数(CTE)存在差异，当冷却至室温时会产生内应力，因此，界面区应具备缓解热残余应力的作用。

④阻挡层作用。在复合材料制备所经历的高温下，纤维和基体的元素会相互扩散、溶解，甚至发生化学反应，导致纤维/基体的界面结合过强。因此，要求界面区应具有阻止元素扩散和阻止发生有害化学反应的作用。2

陶瓷基复合材料界面的类型纤维增强陶瓷基复合材料沿纤维方向受拉伸时，根据纤维/基体界面结合强度的不同，复合材料的断裂模式不同，以此为依据分为三种类型：

①强结合界面-脆性断裂。当外加载荷增加时，基体裂纹扩展到界面处，由于界面结合强，裂纹无法在界面处发生偏转而直接横穿过纤维，使复合材料断裂，但是对于颗粒增强陶瓷基复合材料来说，强结合界面是强韧化的必要条件。

②弱结合界面-韧性断裂。当基体裂纹扩展到界面处时，由于界面结合不是很强，因此裂纹可以在界面处发生偏转，从而实现纤维与基体的界面解离、纤维桥联和纤维拔出。

③强弱混合界面-混合断裂。混合断裂是以上两种理想情况断裂模式的混合，即在界面结合强处发生脆性断裂，而在界面结合弱处发生韧性断裂。2

本词条内容贡献者为:

黎明 - 副教授 - 西南大学