1、1二、陶瓷分类二、陶瓷分类 陶瓷按其概念和用途不同，可分为普通陶瓷和特种陶陶瓷按其概念和用途不同，可分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类。瓷两大类。根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷制品可分为陶器和瓷器。制品可分为陶器和瓷器。陶器包括粗陶器、普陶器和细陶器。陶器的坯体结构陶器包括粗陶器、普陶器和细陶器。陶器的坯体结构较疏松，致密度较低，有一定吸水率，断口粗糙无光，较疏松，致密度较低，有一定吸水率，断口粗糙无光，没有半透明性，断面成面状或贝壳状。没有半透明性，断面成面状或贝壳状。1.1.普通陶瓷普通陶瓷 普通陶瓷即传统陶瓷，是指以粘土为主要原料与其它
2、普通陶瓷即传统陶瓷，是指以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎混练、成型、煅烧等过程而制成天然矿物原料经过粉碎混练、成型、煅烧等过程而制成的各种制品。的各种制品。包括日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电包括日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷以及其它工业用陶瓷。瓷以及其它工业用陶瓷。普通陶瓷的原料普通陶瓷的原料粘土、石英和长石。粘土、石英和长石。特点特点坚硬而脆性较大，绝缘性和耐蚀性极好；坚硬而脆性较大，绝缘性和耐蚀性极好；制造工艺简单、成本低廉，用量大。制造工艺简单、成本低廉，用量大。普通日用陶瓷作日用器皿和瓷器，良好光泽度、透普通日用陶瓷作日用器皿和瓷器，良好光泽度、透明
3、度，热稳定性和机械强度较高。明度，热稳定性和机械强度较高。普通陶瓷的特点与应用普通陶瓷的特点与应用 普通工业陶瓷有炻器和精陶。普通工业陶瓷有炻器和精陶。建筑卫生瓷建筑卫生瓷装饰板、卫生间装置及器具等；装饰板、卫生间装置及器具等；电工瓷电工瓷电器绝缘用瓷，也叫高压陶瓷电器绝缘用瓷，也叫高压陶瓷 化学化工瓷化学化工瓷化工、制药、食品等工业及实验化工、制药、食品等工业及实验室中的管道设备、耐蚀容器及实验器皿室中的管道设备、耐蚀容器及实验器皿2 2特种陶瓷特种陶瓷本章讨论内容本章讨论内容 特种陶瓷是用于现代工业及尖端科学技术领域的特种陶瓷是用于现代工业及尖端科学技术领域的陶瓷制品。包括结构陶瓷和功能陶
4、瓷。陶瓷制品。包括结构陶瓷和功能陶瓷。结构陶瓷结构陶瓷用于耐磨损、高强度、耐高温、耐用于耐磨损、高强度、耐高温、耐热冲击、硬质、高刚性、低膨胀、隔热等场所。热冲击、硬质、高刚性、低膨胀、隔热等场所。功能陶瓷功能陶瓷包括电磁功能、光学功能、生物功包括电磁功能、光学功能、生物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料。能、核功能及其它功能的陶瓷材料。氧化物陶瓷（氧化物陶瓷（Al2O3、ZrO2、MgO等）等）碳化物陶瓷（碳化物陶瓷（SiC、B4C、WC等）等）氮化物陶瓷（氮化物陶瓷（Si3N4、TiN、BN等）等）新型碳化物陶瓷（新型碳化物陶瓷（C3N4等）等）硼化物陶瓷（硼化物陶瓷（TiB2、ZrB2等）
5、等）复合陶瓷（复合陶瓷（3Al2O32SiO2(莫来石莫来石)等）等）高温结构陶瓷高温结构陶瓷高熔点氧化物、碳化物、硼化物、高熔点氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物。氮化物、硅化物。例例1 1：硼化物陶瓷（硼化铬、硼化钼、硼化钛、硼化钨硼化物陶瓷（硼化铬、硼化钼、硼化钛、硼化钨和硼化锆）和硼化锆）特点：高硬度特点：高硬度,耐化学侵蚀，熔点耐化学侵蚀，熔点1800180025002500。应用：用于高温轴承、内燃机喷嘴，各种高温器件、处应用：用于高温轴承、内燃机喷嘴，各种高温器件、处理熔融非铁金属的器件等。理熔融非铁金属的器件等。例例2 2：氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷键能高而稳定的共价键晶体。键能
6、高而稳定的共价键晶体。特点：特点：1 1、硬度高而摩擦系数低，有自润滑作用，是优良、硬度高而摩擦系数低，有自润滑作用，是优良的耐磨减摩材料；的耐磨减摩材料；2 2、氮化硅的耐热温度比氧化铝低，而抗氧化温度高于、氮化硅的耐热温度比氧化铝低，而抗氧化温度高于碳化物和硼化物，碳化物和硼化物，12001200以下具有较高的机械性能和化学以下具有较高的机械性能和化学稳定性，且热膨胀系数小、抗热冲击。稳定性，且热膨胀系数小、抗热冲击。用途：可做优良的高温结构材料，耐各种无机酸（氢氟酸用途：可做优良的高温结构材料，耐各种无机酸（氢氟酸除外）和碱溶液浸蚀，优良的耐腐蚀材料。除外）和碱溶液浸蚀，优良的耐腐蚀材料
7、。例例3 3：氧化铝陶瓷（氧化铝陶瓷（Al2O3少量少量SiO2）根据根据Al2O3含量可分为刚玉含量可分为刚玉-莫来瓷（莫来瓷（75瓷，瓷，wAl2O3=75%）刚玉瓷（刚玉瓷（95瓷，瓷，99瓷）瓷）氧化铝常见的晶体结构有三种：氧化铝常见的晶体结构有三种：-Al2O3、-Al2O3、-Al2O3 -Al2O3属于尖晶石型（立方）结构，高温时不稳定，属于尖晶石型（立方）结构，高温时不稳定，在在1600转变为转变为-Al2O3，同时体积收缩，同时体积收缩1314.5%。-Al2O3 属于六方系，稳定性好，在熔点属于六方系，稳定性好，在熔点2050 之前不发生晶型之前不发生晶型转变。转变。1）高
8、强度、高温稳定性：装饰瓷，喷嘴、火箭、导弹的导流罩）高强度、高温稳定性：装饰瓷，喷嘴、火箭、导弹的导流罩；2）高硬度、高耐磨性：切削工具，模具，磨料，轴承，人造宝石；）高硬度、高耐磨性：切削工具，模具，磨料，轴承，人造宝石；3）低的介电损耗、高电阻率、高绝缘性：火花塞，电）低的介电损耗、高电阻率、高绝缘性：火花塞，电 路基板，路基板，管座；管座；4）熔点高、抗腐蚀：耐火材料，坩埚，炉管，热电偶保护套等；）熔点高、抗腐蚀：耐火材料，坩埚，炉管，热电偶保护套等；5）离子导电性：太阳能电池材料和蓄电池材料等。）离子导电性：太阳能电池材料和蓄电池材料等。6）生物相容性：还可用于制作人工骨骼和人造关节等
9、。）生物相容性：还可用于制作人工骨骼和人造关节等。氧化铝陶瓷的性能与应氧化铝陶瓷的性能与应 用用例例4 4：碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷以以SiC为主要成分的陶瓷为主要成分的陶瓷特点特点：很高的高温强度，：很高的高温强度，1400时抗弯强度仍在时抗弯强度仍在500600MPa，工作温度可达，工作温度可达1700；好的热稳定性、抗蠕变；好的热稳定性、抗蠕变性、耐磨性、耐蚀性，良好的导热性、耐辐射性。性、耐磨性、耐蚀性，良好的导热性、耐辐射性。应用应用：制作火箭尾喷管喷嘴、浇注金属的浇道口、轴承、：制作火箭尾喷管喷嘴、浇注金属的浇道口、轴承、轴套、密封阀片、轧钢用导轮、内燃机器件、热电偶保轴套、密封阀片、
10、轧钢用导轮、内燃机器件、热电偶保护套管、炉管、核燃料包封材料等。护套管、炉管、核燃料包封材料等。五、现代陶瓷定义五、现代陶瓷定义1 1、与传统陶瓷的区别、与传统陶瓷的区别 现代陶瓷又称为精细陶瓷。现代陶瓷又称为精细陶瓷。（1 1）原料许多是经过人工合成或者精制，不受天然）原料许多是经过人工合成或者精制，不受天然条件的限制；条件的限制；（2 2）突破传统陶瓷的化学成分限制，用多种金属氧）突破传统陶瓷的化学成分限制，用多种金属氧化物、氮化物、碳化物、磷化物等，有时直接用金属原化物、氮化物、碳化物、磷化物等，有时直接用金属原素和碳、硅等非金属原素。素和碳、硅等非金属原素。与传统陶瓷相比，现代陶瓷具备
11、了一些特殊性能与传统陶瓷相比，现代陶瓷具备了一些特殊性能(热、机械、化学、电磁、光热、机械、化学、电磁、光)。定义：采用人工精制的无机粉末原料，通过结构设定义：采用人工精制的无机粉末原料，通过结构设计、精确的化学计量、合适的成型方法和烧成制度而达计、精确的化学计量、合适的成型方法和烧成制度而达到特定的功能，经过加工处理使之符合使用要求尺寸精到特定的功能，经过加工处理使之符合使用要求尺寸精度的无机非金属材料。度的无机非金属材料。2 2、现代陶瓷分类、现代陶瓷分类 按电学性质：绝缘体陶瓷、介电陶瓷、半导体陶按电学性质：绝缘体陶瓷、介电陶瓷、半导体陶瓷、和导电陶瓷；瓷、和导电陶瓷；按热学性质：耐高温
12、陶瓷、电热陶瓷。按热学性质：耐高温陶瓷、电热陶瓷。3 3、现代陶瓷材料制备特点、现代陶瓷材料制备特点 现代陶瓷制备过程中须严格控制原料的纯度和工艺现代陶瓷制备过程中须严格控制原料的纯度和工艺过程以及产品的化学组成、相组成和显微结构。过程以及产品的化学组成、相组成和显微结构。现代陶瓷在显微层次上是不均匀的。显微结构包括现代陶瓷在显微层次上是不均匀的。显微结构包括晶粒、晶界和缺陷等。为了获得某一特殊性质，多晶陶晶粒、晶界和缺陷等。为了获得某一特殊性质，多晶陶瓷材料可以某一成分为主成分（或主相），再人为地加瓷材料可以某一成分为主成分（或主相），再人为地加入其他次要成分（或次要相）。入其他次要成分（或
13、次要相）。化学试化学试剂剂（原料）（原料）粉料合粉料合成成成成 型型烧烧 结结陶瓷材陶瓷材料料 现代陶瓷制备主要过程现代陶瓷制备主要过程 现代陶瓷的制备有两大特点：现代陶瓷的制备有两大特点：1）必须经过粉料合成，粉料的原料是高纯度的化学试剂；）必须经过粉料合成，粉料的原料是高纯度的化学试剂；2）烧结的相态主要是固相或者只有固相。除烧结法外，也可由）烧结的相态主要是固相或者只有固相。除烧结法外，也可由类似于晶体生长的方法制得。类似于晶体生长的方法制得。18具有具有、及及等许多优良的性能。等许多优良的性能。但是，陶瓷材料同时也具有但是，陶瓷材料同时也具有，即，即，这一弱点正是目前淘瓷材料，这一弱点
14、正是目前淘瓷材料的使用受到很大限制的主要原因。的使用受到很大限制的主要原因。19因此，陶瓷材料的因此，陶瓷材料的便成了便成了近年来陶瓷工作者们研究的一个重点问题。近年来陶瓷工作者们研究的一个重点问题。现在这方面的研究巳取得了初步进展，现在这方面的研究巳取得了初步进展，探索出了若干种探索出了若干种。20其中，往陶陶瓷材料中加入其中，往陶陶瓷材料中加入而制成而制成陶瓷基复陶瓷基复合材料即合材料即是一种重要方法。是一种重要方法。21(1)陶瓷基复合材料的基体陶瓷基复合材料的基体陶瓷基复合材料的基体陶瓷基复合材料的基体为为，这是，这是一种包括范围很广的材料，属于一种包括范围很广的材料，属于而不是单质，
15、所以它的而不是单质，所以它的结构远比金属合结构远比金属合金复杂得多金复杂得多。22现代陶瓷材料的研究，最早是从对现代陶瓷材料的研究，最早是从对开始的，随后又逐步扩大开始的，随后又逐步扩大到了其他的到了其他的。目前被人们研究最多的是目前被人们研究最多的是、等，它们普遍具有等，它们普遍具有耐高温耐高温、耐腐蚀耐腐蚀、高强度高强度、重量轻重量轻和和价格低价格低等优点。等优点。23陶瓷基复合材料中的陶瓷基复合材料中的，通常，通常也称为也称为。从几何尺寸上增强体可分为从几何尺寸上增强体可分为(长、短纤维长、短纤维)、和和三类。三类。8.4 8.4 陶瓷基复合材料成型方法陶瓷基复合材料成型方法陶瓷基复合材
16、料成型方法陶瓷基复合材料成型方法传统混合和粘合液浸渍传统混合和粘合液浸渍化学合成技术化学合成技术熔融浸润技术熔融浸润技术化学反应形式化学反应形式8.4.1 8.4.1 热压烧结成型法热压烧结成型法(Hot-Pressed Sintering)概念概念热压烧结成型是使松散的或成型的陶瓷基复合材料混合物在高温下通过外加热压烧结成型是使松散的或成型的陶瓷基复合材料混合物在高温下通过外加压力使其致密化的成型方法。加压方法为纵向压力使其致密化的成型方法。加压方法为纵向(单轴单轴)加压。热压时导致复合材加压。热压时导致复合材料致密化的料致密化的可能机制可能机制是基体颗粒重排、晶格扩散和包括粘滞变形的塑性流
17、动是基体颗粒重排、晶格扩散和包括粘滞变形的塑性流动 设备设备间歇式热压炉和连续式热压炉；模具材料：结构陶瓷高强石墨；功能陶间歇式热压炉和连续式热压炉；模具材料：结构陶瓷高强石墨；功能陶瓷氮化硅、碳化硅或高温合金等材料瓷氮化硅、碳化硅或高温合金等材料 重要参数重要参数热压温度、保温时间、压力、气氛和升降温速率热压温度、保温时间、压力、气氛和升降温速率 特点特点u与无压烧结相比，能降低烧结温度，缩短保温时间，使基体晶粒较细与无压烧结相比，能降低烧结温度，缩短保温时间，使基体晶粒较细能获得高致密度、高性能复合材料能获得高致密度、高性能复合材料材料性能重复性好，使用可靠，控制热压模具尺寸精度能减少复合
18、材料加工余量材料性能重复性好，使用可靠，控制热压模具尺寸精度能减少复合材料加工余量缺点：缺点：只能制造形状简单的零件；模具消耗大，一次只能单件或少件只能制造形状简单的零件；模具消耗大，一次只能单件或少件烧结，成本较高；由于热压压力方向性，材料性能有方向性烧结，成本较高；由于热压压力方向性，材料性能有方向性8.4.2 8.4.2 热等静压烧结成型法热等静压烧结成型法(hot isostatic pressing,HIP)概念概念热等静压烧结成型是通过气体介质将高温和高压同时均匀地作用于复合材热等静压烧结成型是通过气体介质将高温和高压同时均匀地作用于复合材料全部表面使之固结的工艺方法。此工艺获得的
19、陶瓷基复合材料可基本消料全部表面使之固结的工艺方法。此工艺获得的陶瓷基复合材料可基本消除内部气孔，接近理论密度，大大改善制品性能除内部气孔，接近理论密度，大大改善制品性能 分类分类包封烧结：包封烧结：一般以石英玻璃或硼玻璃、耐高温金属为包封材料。包封前抽一般以石英玻璃或硼玻璃、耐高温金属为包封材料。包封前抽真空加热，排除内部空气，再升温加压真空加热，排除内部空气，再升温加压无包封烧结：无包封烧结：先将粉料成型和预烧封孔，使坯料成为基本无开口气孔的烧先将粉料成型和预烧封孔，使坯料成为基本无开口气孔的烧结体，然后再实施热等静压烧结结体，然后再实施热等静压烧结 特点特点 热等静压主要以均匀外加应力，
20、而不是自由能变化为烧结驱动力，可以在较低热等静压主要以均匀外加应力，而不是自由能变化为烧结驱动力，可以在较低的烧结温度，使用少量添加剂甚至不使用添加剂的条件下获得致密件的烧结温度，使用少量添加剂甚至不使用添加剂的条件下获得致密件 低温可防止第二相分解，及与基体或烧结助剂发生反应，可制备性能优异的低温可防止第二相分解，及与基体或烧结助剂发生反应，可制备性能优异的陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 与无压烧结相比，可降低烧结温度、缩短烧结时间，其致密化程度大大提高与无压烧结相比，可降低烧结温度、缩短烧结时间，其致密化程度大大提高 与热压烧结相比，由于热等静压是均匀地将压力作用于材料各个表面，进而材与热压
21、烧结相比，由于热等静压是均匀地将压力作用于材料各个表面，进而材料各向同性料各向同性28在陶瓷材料中，加入在陶瓷材料中，加入是是改善陶瓷材料韧性改善陶瓷材料韧性的重要手段，的重要手段，按按的不同，又可将其分为的不同，又可将其分为复合材料和复合材料和复复合材料。合材料。29增韧陶瓷基复合材料增韧陶瓷基复合材料的显的显著特点是它具有著特点是它具有，即，即沿纤维长度方沿纤维长度方向上的纵向性能向上的纵向性能要大大要大大高于其横向性能高于其横向性能。在实际构件中，主要是使用其在实际构件中，主要是使用其纵向性能。纵向性能。30在在增韧陶瓷基复合材增韧陶瓷基复合材料料中，当中，当遇到纤维时遇到纤维时，这时，
22、如果要使这时，如果要使就必须就必须提高外加应力提高外加应力。这一过程的示意图如下：这一过程的示意图如下：3132当当时，由于时，由于基基体与纤维间的体与纤维间的，同时又由于，同时又由于纤纤维的强度高于基体的强度维的强度高于基体的强度，从而，从而。当当达到某一临界值达到某一临界值时，时，会使会使。33因此，因此，必须克服必须克服由于由于纤维的加入而产生纤维的加入而产生的的和和，这样，使得，这样，使得材料的断裂更为困材料的断裂更为困难难，从而起到了，从而起到了增韧的作用增韧的作用。34实际实际材料断裂过程材料断裂过程中，中，并并非发生在非发生在同一裂纹平面同一裂纹平面，这样，这样还将还将沿纤维断裂
23、位置的不同沿纤维断裂位置的不同而发生而发生。这也同样会这也同样会，从而，从而使使韧性进一步提高韧性进一步提高。35单向排布纤维单向排布纤维增韧陶瓷只是增韧陶瓷只是在纤维排在纤维排列方向上的列方向上的较为优越，而其较为优越，而其显著低于显著低于，所以只适用于，所以只适用于的场合。的场合。36而许多而许多则要求则要求在二维及在二维及三维方向上三维方向上均具有均具有，这就，这就要进一步研究要进一步研究增韧陶瓷增韧陶瓷基复合材料。基复合材料。37这种复合材料中，这种复合材料中，。一种是一种是，浸渍浸渍浆料后浆料后，根据需要的厚度根据需要的厚度将将进行进行，如下图所示：，如下图所示：38纤维层纤维层基体
24、基体39这种材料在这种材料在性能优越性能优越，而在，而在的性能较差。的性能较差。一般应用在对一般应用在对的构件上。的构件上。40另一种是另一种是，层层间纤维成一定角度间纤维成一定角度，如下图所示。，如下图所示。4142后一种复合材料可以根据后一种复合材料可以根据用用纤维浸浆缠绕的方法纤维浸浆缠绕的方法做成所需要形做成所需要形状的状的。而前一种材料而前一种材料曲率不曲率不宜太大宜太大。43这种这种增韧陶瓷基复合材增韧陶瓷基复合材料料的的韧化机理韧化机理与与复合材料是复合材料是一样的，主要也是靠一样的，主要也是靠与与，使其，使其比基体材料大幅比基体材料大幅度提高。度提高。44增韧陶瓷是为了增韧陶瓷
25、是为了满足满足某些情况的性能要求某些情况的性能要求而设计的。而设计的。这种材料最初是从宇航用这种材料最初是从宇航用开始的，现已发展到开始的，现已发展到等陶等陶瓷复合材料。瓷复合材料。45下图为下图为示意图。它是按直角坐标示意图。它是按直角坐标而成。而成。46 由于由于每束每束纤维呈直线伸纤维呈直线伸展展，不存在，不存在，因而使纤维可因而使纤维可以充分发挥以充分发挥最最大的结构强度大的结构强度。47这种这种编织结构编织结构还可以通过还可以通过，以及以及纤维的总体纤维的总体积分数积分数等参数进行设计以满足性能要求。等参数进行设计以满足性能要求。48长纤维增韧陶瓷基复合材料长纤维增韧陶瓷基复合材料虽
26、然虽然，但它的，但它的，而且，而且纤维在纤维在基体中不易分布均匀基体中不易分布均匀。因此，近年来又发展了因此，近年来又发展了、及及增韧陶瓷基复合材料。增韧陶瓷基复合材料。49由于由于很小，从客观上看与很小，从客观上看与一样，因此一样，因此在制备复合材料在制备复合材料时，只需时，只需将将与与混合均匀，然后混合均匀，然后对对混好的粉末混好的粉末进行进行，即可制得致，即可制得致密的晶须增韧陶瓷基复合材料。密的晶须增韧陶瓷基复合材料。50目前常用的是目前常用的是，晶须，常用的基体则为晶须，常用的基体则为,，及及等。等。51陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料与与，等因等因素有关。素有关。下面两个图分别给出了下
27、面两个图分别给出了及及陶瓷复合材料陶瓷复合材料的性能与的性能与之间的关系。之间的关系。52)SiCw含量（含量（vol%）)SiCw含量（含量（vol%）5354从上面两个图中可以看出，两从上面两个图中可以看出，两种材料的种材料的、及及均均随着随着SiCw含量的增加含量的增加而提高。而提高。55而而的变化规律则是，对的变化规律则是，对，随随SiCw含量的增加单调上升含量的增加单调上升，而对而对，在，在10 vol SiCw时时，随后又有所下降，但却，随后又有所下降，但却始终高于基体始终高于基体。56这可解释为由于这可解释为由于，同时，同时而而，从而使，从而使，。57由图中可知，对由图中可知，对
28、最佳最佳的韧性和强度的配合的韧性和强度的配合可使可使KIC=1MPa.M1/2，f=600MPa；的的KIC=16MPa.M1/2，f=1400MPa。由此可见，由此可见，SiCw对陶瓷材料对陶瓷材料。58从上面的讨论知道，由于从上面的讨论知道，由于，因此，因此，当其含量较高时，当其含量较高时，因其因其而而使致密化变得因难使致密化变得因难，从而引起了从而引起了密度的下降并导致性能的密度的下降并导致性能的下降下降。59为了克服这一弱点，可采用为了克服这一弱点，可采用来来制成复合材料，这种复合制成复合材料，这种复合材料在材料在及及均比晶均比晶须增强陶瓷基复合材料须增强陶瓷基复合材料要容易。要容易。
29、60当所用的颗粒为当所用的颗粒为，时，时，基体材料采用最多的是基体材料采用最多的是，。目前，这些复合材料已广泛用目前，这些复合材料已广泛用来来制造刀具制造刀具。61右图显示了右图显示了对对复合材料复合材料性能的影响。性能的影响。从中可以看出，在从中可以看出，在强度出现峰值。强度出现峰值。62下图为下图为对对复合材料性能的复合材料性能的影响。影响。从中可以看出，在从中可以看出，在强度及强度及韧性达到了最高值。韧性达到了最高值。63从上面的讨论可知，从上面的讨论可知，对陶瓷对陶瓷材料的增韧材料的增韧均有一定作用，且各有利弊。均有一定作用，且各有利弊。的的，但，但；可克服晶须的这一弱点，但其可克服晶
30、须的这一弱点，但其。64由此很容易想到，若将由此很容易想到，若将与与共共同使用同使用，则可取长补短，达到更好的效果。，则可取长补短，达到更好的效果。目前，已有了这方面的研究工作，如目前，已有了这方面的研究工作，如使用使用与与来来共同增韧共同增韧，用，用来来共同增韧共同增韧等。等。65下面两个图分别给出了下面两个图分别给出了Al2O3+复合材料的复合材料的性能随性能随的变的变化情况。化情况。66与与67与与6869可以看出，随着可以看出，随着，其，其与与均呈上升趋势均呈上升趋势，在，在20SiCw及及30 ZrO2(Y2O3)时时，复合材抖的，复合材抖的 f达达1200MPa。KIC达达10 M
31、Pa.M1/2 以上。以上。这比这比单独晶须韧化单独晶须韧化的的Al2O3+SiCw复合材复合材料的料的 f=634MPa，KIC=1.5 MPa.M1/2有明显有明显的提高，这充分体现了这种的提高，这充分体现了这种。70下表则给出了莫来石及其制得的复合材料的下表则给出了莫来石及其制得的复合材料的强度与韧性。强度与韧性。很明显，由很明显，由与莫来石制得的复合材料要比与莫来石制得的复合材料要比单独用单独用制得的复合材料的性能好得多。制得的复合材料的性能好得多。717273由于由于陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料往往是在往往是在下制备，而且往往下制备，而且往往在高温环境中工作在高温环境中工作，因此因此
32、容易容易发生化学反应发生化学反应形成化学粘结的形成化学粘结的或或。74若若基体与增强体之间基体与增强体之间不发生反应或控不发生反应或控制它们之间发生反应，那么当制它们之间发生反应，那么当从高温冷却从高温冷却下来时下来时，大于大于，由于收，由于收缩而产生的缩而产生的 r 与与 有关：有关：75式中，式中，是摩擦系数，一般为是摩擦系数，一般为0.10.6。此外，基此外，基体在高温时呈现为液体体在高温时呈现为液体(或或粘性体粘性体)，它也可，它也可等缺陷处，冷却后形成等缺陷处，冷却后形成机械结合机械结合。76实际上，高温下实际上，高温下原子的活性增大原子的活性增大，原子的扩散速度较室温大的多，由原子
33、的扩散速度较室温大的多，由于于，在界面上更易在界面上更易形成固溶体和化合物形成固溶体和化合物。77此时，此时，增强体与基体之间的界面增强体与基体之间的界面是是具有一定厚度的具有一定厚度的，它，它与与基体和增强体都能较好的结合基体和增强体都能较好的结合，但通，但通常是常是的。例如的。例如Al2O3f/SiO2系中会系中会发生反应形成发生反应形成强的化学键结合强的化学键结合。78对于对于陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料来讲，来讲，影响影响陶瓷基体和复合材料的陶瓷基体和复合材料的。对于陶瓷基复合材料的对于陶瓷基复合材料的来说，一方来说，一方面应强到面应强到并具有并具有；79另一方面，陶瓷基复合材料的另一
34、方面，陶瓷基复合材料的要要弱到弱到及及。因此，陶瓷基复合材料界面要有一个因此，陶瓷基复合材料界面要有一个。80往往导致往往导致，如下图如下图(a)所示，裂所示，裂纹可以在复合材料纹可以在复合材料的的并并迅速扩展迅速扩展至复合至复合材料的横截面，导材料的横截面，导致致。81主要是由于主要是由于纤维的弹纤维的弹性模量不是大大高于基体性模量不是大大高于基体，因此在，因此在断裂过程中，断裂过程中，强的界面结合强的界面结合。82若若，当基体中的裂当基体中的裂纹扩展至纤维时纹扩展至纤维时，将导致将导致，其后其后、以致最后以致最后(图图 b)。83、以致最后以致最后等，这些过程都要等，这些过程都要，从而，从
35、而提高复合材料的断裂韧性提高复合材料的断裂韧性，避免了，避免了突然的突然的脆性失效脆性失效。84为获得为获得最佳的界面结合强度最佳的界面结合强度，我们，我们常常希望常常希望或或。85在实际应用中，除选择在实际应用中，除选择在在加工和使用期间加工和使用期间能能外，外，最常用的方法最常用的方法就是在与基体复合之前，就是在与基体复合之前，往增强材料表面上往增强材料表面上。86C和和BN是最常用的涂层，此外还有是最常用的涂层，此外还有SiC、ZrO2和和SnO2涂层。涂层。通常在通常在0.11um，涂层的，涂层的选择取决于选择取决于纤维纤维、基体基体、加工加工和和应用要求应用要求。87纤维上的涂层除了
36、可以改变复合材料纤维上的涂层除了可以改变复合材料外，对纤维还可起到外，对纤维还可起到，避免，避免在加工和处理过程中在加工和处理过程中造成纤维的造成纤维的机械损坏。机械损坏。88下图为下图为增强增强复合材料的复合材料的断裂行为差异断裂行为差异。89莫来石纤维上未涂莫来石纤维上未涂BN涂层涂层莫来石纤维上涂有莫来石纤维上涂有BN涂层涂层从图中可看出，若纤维从图中可看出，若纤维涂层，则复合材涂层，则复合材料的断面呈现为料的断面呈现为：而经：而经CVD沉积沉积0.2um的的后，断面上可见到大量的后，断面上可见到大量的。90 还直接影响了陶瓷基复合还直接影响了陶瓷基复合材料的材料的。以以复合材料为例，来
37、复合材料为例，来对其对其强韧化机理强韧化机理进行探讨。进行探讨。2 2 颗粒增韧机制颗粒增韧机制第二相颗粒的引入可以改善陶瓷材料的力学性能，引入的第二相可以是金属颗粒，也可是无机非金属颗粒。影响第二相颗粒增韧效果的主要因素是基体与第二相颗粒的弹性模量和热膨胀系数之差以及两相之间的化学相容性，其中，化学相容性是要求既不出现过量的相间化学反应，同时又能保证较高的界面结合强度，这是颗粒产生有效增韧效果的前提条件92刚刚性性颗颗粒粒弥弥散散强强化化陶陶瓷瓷增增韧韧机机理理：v裂纹分支、裂纹偏转和钉扎。颗粒弥散增韧与温度裂纹分支、裂纹偏转和钉扎。颗粒弥散增韧与温度无关，因此可以作为高温增韧机制。颗粒弥散
38、强化无关，因此可以作为高温增韧机制。颗粒弥散强化是一种有效的增韧途径，是一种有效的增韧途径，可使材料的断裂韧性提可使材料的断裂韧性提高高50%50%以上。增韧机理受到刚性颗粒、陶瓷基体的以上。增韧机理受到刚性颗粒、陶瓷基体的自身特性自身特性(如弹性模量、热膨胀系数等）以及二者如弹性模量、热膨胀系数等）以及二者界面结合状态的影响界面结合状态的影响93延延性性金金属属颗颗粒粒增增韧韧机机理理：v裂纹桥联机制、延性颗粒塑性变形区域屏蔽机制、裂纹桥联机制、延性颗粒塑性变形区域屏蔽机制、金属颗粒拔出、裂纹偏转及裂纹陷入机理等。桥联金属颗粒拔出、裂纹偏转及裂纹陷入机理等。桥联机制是主要机制，即等裂纹前沿扩
39、展到延性金属颗机制是主要机制，即等裂纹前沿扩展到延性金属颗粒时，金属颗粒由于具有较大延性，将不发生破坏粒时，金属颗粒由于具有较大延性，将不发生破坏而产生塑性变形，因此扩展裂纹的上下表面在裂纹而产生塑性变形，因此扩展裂纹的上下表面在裂纹尖端后方一定距离内被未损伤的金属颗粒钉扎尖端后方一定距离内被未损伤的金属颗粒钉扎(桥桥联联)。由于桥联金属颗粒阻止了裂纹的进一步张开。由于桥联金属颗粒阻止了裂纹的进一步张开而减小了裂纹尖端的应力强度因子，从而达到增韧而减小了裂纹尖端的应力强度因子，从而达到增韧效果效果94增强陶瓷基复合材料的强韧增强陶瓷基复合材料的强韧化机理与化机理与增强陶瓷基复合材料大增强陶瓷基
40、复合材料大致相同，主要是靠致相同，主要是靠与与对对强度和韧性的提高强度和韧性的提高产产生作用。生作用。95研究结果表明，研究结果表明，存在一个存在一个，当，当晶须的某一端晶须的某一端距主裂纹距离距主裂纹距离时，则时，则晶须从此端拔出晶须从此端拔出，此时的，此时的拔出长度小拔出长度小于临界拔出长度于临界拔出长度lpo；96如果如果均均时，时，晶须在拔出晶须在拔出过程中产生断裂过程中产生断裂，lpo；97直接影响了复合材料直接影响了复合材料的的与与。界面强度界面强度，晶须将与基体一晶须将与基体一起断裂起断裂，限制了晶须的拔出限制了晶须的拔出，因而也，因而也就就。98但另一方面，但另一方面，有有利于
41、利于，因而，因而提高了强化效果提高了强化效果。界面强度界面强度、则使、则使，这，这对韧化和强化都不利对韧化和强化都不利，因，因此此。99下图为下图为SiCw/ZrO2材料的材料的曲线。曲线。从图中可以看出，有明显的从图中可以看出，有明显的，这是这是作用的结果。作用的结果。100101纤维增强陶瓷基复合材料纤维增强陶瓷基复合材料的性的性能能，如，如、及及等。等。102从从看，与看，与，以及一些以及一些有关；有关；从从来看，则与来看，则与、及其他及其他有关；有关；103从从情况上看，则与情况上看，则与及及、，以及以及有关。有关。104正因为有正因为有如此多的影响因素如此多的影响因素，所以在，所以在
42、实际中实际中也会不也会不同，同，的不断研究与改进，正是为的不断研究与改进，正是为了能了能获得性能更为优良的材料获得性能更为优良的材料。目前采用的目前采用的主要有以下几种：主要有以下几种：105这种方法是这种方法是在陶瓷泥浆中在陶瓷泥浆中。然。然后后在在石膏模型石膏模型中。中。这种方法比较古老，这种方法比较古老，不受制品形状的限不受制品形状的限制制。但对。但对提高产品性能的效果提高产品性能的效果不显著，不显著，成本成本低低，工艺简单工艺简单，增强陶瓷基复增强陶瓷基复合材料的制作。合材料的制作。106将将特长纤维特长纤维(3mm)，然后，然后并并与基体粉末与基体粉末，再用，再用热压烧结的方法热压烧
43、结的方法即即可制得高性能的复合材料。可制得高性能的复合材料。这种方法中，这种方法中，是目前采用较多的方法。，是目前采用较多的方法。107这种这种在与基体粉末混合时在与基体粉末混合时，但，但在冷压成型及热压烧结的过程在冷压成型及热压烧结的过程中中，短纤维由于，短纤维由于与与过程中过程中沿沿压力方向转动压力方向转动，所以导致了在最终制得的复合，所以导致了在最终制得的复合材料中，材料中，这也就，这也就产生了产生了材料性能上一定程度的各向异性。材料性能上一定程度的各向异性。108这种方法这种方法。首先。首先把纤把纤维维成所需形状成所需形状，然后，然后用陶瓷泥浆用陶瓷泥浆，干燥后进行干燥后进行。109的
44、优点是的优点是，如，如单向排布单向排布及及多向排布多向排布等。等。的缺点则是的缺点则是，而且所得，而且所得。110晶须与颗粒晶须与颗粒的的，只是，只是几何几何形状上形状上有些区别，用它们进行增韧的陶瓷有些区别，用它们进行增韧的陶瓷基复合材料的基复合材料的制造工艺制造工艺是基本相同的。是基本相同的。111这种复合材料的制备工艺这种复合材料的制备工艺比长纤维复合比长纤维复合材料材料得多，只需将得多，只需将晶须或颗粒晶须或颗粒并并与基体粉末与基体粉末，再用，再用即可制得即可制得高性能的复台材料高性能的复台材料。112与与陶瓷材料陶瓷材料相似，相似，的的也可大致分为以也可大致分为以下几个步骤：下几个步
45、骤：这一过程看似简单，实则包含着这一过程看似简单，实则包含着相当相当复杂的内容复杂的内容。配料配料成型成型烧结烧结精加工精加工113即使坯体由即使坯体由超细粉超细粉(微米级微米级)原料原料组成，组成，其其产品质量产品质量也不易控制，所以也不易控制，所以随着现代科技随着现代科技对材料提出的要求的不断提高对材料提出的要求的不断提高，这方面的研，这方面的研究还必需进一步深入。究还必需进一步深入。114高性能的陶瓷基复合材料高性能的陶瓷基复合材料应具有应具有、的微观组织。的微观组织。为了得到这样品质的材料，必须首先为了得到这样品质的材料，必须首先。115把几种把几种混合混合的方法可的方法可分为分为和和
46、两种。两种。现今新型陶瓷领域现今新型陶瓷领域的的微米微米级级、由于由于效率和可靠性效率和可靠性的的原因原因。116主要采用主要采用水作溶剂水作溶剂，但在，但在氮化氮化硅硅、碳化硅碳化硅等等混合时，混合时，为为防止原料的氧化防止原料的氧化则使用则使用。117原料混合时的装置一般为专用原料混合时的装置一般为专用。为了防止球磨机为了防止球磨机运行过程中运行过程中因因磨损下来而作为杂质混入原料中，最好采磨损下来而作为杂质混入原料中，最好采用用与加工原料与加工原料陶瓷球和内衬。陶瓷球和内衬。118混好后的料浆混好后的料浆在成型时在成型时有三种不同的情况：有三种不同的情况：A 经一次干燥经一次干燥供给成型
47、工序；供给成型工序；B 把把结合剂添加于料浆结合剂添加于料浆中、不干燥坯料，中、不干燥坯料，供给成型工序；供给成型工序；C 用压滤机用压滤机将料浆状的粉将料浆状的粉供给供给成型工序。成型工序。119把上述的把上述的充入模型内充入模型内，。通常有。通常有和和。具有具有装置简单装置简单，成型成本成型成本低廉低廉的优点，仍它的的优点，仍它的的。的。，。故易造成。故易造成或或、只能适用于、只能适用于形状比较简单的制件形状比较简单的制件。120采用采用是是用静水压用静水压从各从各个方向个方向于橡皮模来成型，故不于橡皮模来成型，故不会发生会发生和和之之类的问题。类的问题。121此方法虽此方法虽不能做到不能
48、做到，但仍但仍适合于批量生产适合于批量生产。由于由于在成型过程中在成型过程中而而压成生坯压成生坯，故，故难以制成精密形状难以制成精密形状，通常，通常还要用刚玉还要用刚玉对细节部分对细节部分进行修整。进行修整。122另一种成型法为另一种成型法为。从成型从成型过程上过程上看，看，与塑料的注射成型过程相类似与塑料的注射成型过程相类似，但是但是在陶瓷中在陶瓷中必须必须并并，这些，这些工艺均较为复杂工艺均较为复杂，因此也，因此也使这种方法具有很大的局限性。使这种方法具有很大的局限性。123具有十分悠久历史的具有十分悠久历史的陶瓷陶瓷成型方法成型方法。它是。它是将料浆将料浆石膏模内石膏模内，静置，静置片刻
49、，片刻，料浆中的水分被石膏模吸收料浆中的水分被石膏模吸收。然后。然后，将生坯和石膏模一起干燥将生坯和石膏模一起干燥，并并从石膏中从石膏中取取出。这种方法可成型出。这种方法可成型且且的制品。的制品。124还有一种成型法为还有一种成型法为。这种。这种方法是方法是把料浆放入把料浆放入内内挤出水分，形挤出水分，形成成后，从后，从安装各种挤形口安装各种挤形口的的的方法，它适用于的方法，它适用于断面形断面形状简单的状简单的的成型。的成型。125 从生坯中从生坯中除去粘合剂组分后的除去粘合剂组分后的烧固成烧固成致密制品致密制品的过程叫的过程叫。为了烧结，必需有为了烧结，必需有专门的窑炉专门的窑炉。窑炉的。窑
50、炉的种类繁多，按其功能进行划分可分为种类繁多，按其功能进行划分可分为和和。126是放入窑炉内是放入窑炉内、及及等工序等工序是间歇地进是间歇地进行的行的。不适合于不适合于大规模生产大规模生产，但适，但适合处理合处理或或的优点，的优点，且且烧结条件灵活烧结条件灵活，筑炉价格筑炉价格也比较便宜。也比较便宜。127适合于适合于大批量制品的大批量制品的烧结烧结，由，由、和和三个部三个部分组成。分组成。128把把装生坯的窑车装生坯的窑车从窑的一端从窑的一端间歇推进，间歇推进，窑车沿导轨前进窑车沿导轨前进，沿着窑内，沿着窑内经经、过程过程后，后，从窑的另一端从窑的另一端取出成品。取出成品。129由于由于高精
