第八章第八章 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料8.1 陶瓷基复合材料的陶瓷基复合材料的种类及基本性能种类及基本性能8.2 陶瓷基复合材料的陶瓷基复合材料的成型加工技术成型加工技术8.3 陶瓷基复合材料的陶瓷基复合材料的应用应用18.1 陶瓷基复合材料的种类及基本性能陶瓷基复合材料的种类及基本性能现代陶瓷材料现代陶瓷材料具个具个耐高温耐高温、耐磨损耐磨损、耐腐蚀耐腐蚀及及重量轻重量轻等许多优良的性能。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致命的缺致命的缺点点，即，即脆性脆性，这一弱点正是目前淘瓷材料，这一弱点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。2因此，陶瓷材料的因此，陶瓷材料的韧性化问题韧性化问题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韧化陶瓷的途径韧化陶瓷的途径。3其中，往陶陶瓷材料中加入其中，往陶陶瓷材料中加入起起增韧作用的第二相增韧作用的第二相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。48.1.1 陶瓷基复合材料的基体与增强体陶瓷基复合材料的基体与增强体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陶瓷陶瓷，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，属于无机化合无机化合物物而不是单质，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。5现代陶瓷材料的研究，最早是从对现代陶瓷材料的研究，最早是从对硅硅酸盐材料的研究酸盐材料的研究开始的，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无机非金属材料无机非金属材料。目前被人们研究最多的是目前被人们研究最多的是碳化硅碳化硅、氮氮化硅化硅、氧化铝氧化铝等，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。6 2陶瓷复合材料的增强体陶瓷复合材料的增强体陶瓷基复合材料中的陶瓷基复合材料中的增强体增强体，通常，通常也称为也称为增韧体增韧体。从几何尺寸上增强体可分为从几何尺寸上增强体可分为纤维纤维(长、短纤维长、短纤维)、晶须晶须和和颗粒颗粒三类。三类。7碳纤维碳纤维是用来制造是用来制造陶瓷基复合材陶瓷基复合材料料最常用的纤维之一。最常用的纤维之一。碳纤维可用多种方法进行生产。碳纤维可用多种方法进行生产。工业上主要采用工业上主要采用有机母体的热氧化有机母体的热氧化和和石墨化石墨化。8碳纤维的生产过程碳纤维的生产过程主要包括三个阶段。主要包括三个阶段。第一阶段第一阶段在空气中于在空气中于200400进行进行低低温氧化温氧化；第二阶段第二阶段是在惰性气体中在是在惰性气体中在1000左左右进行右进行碳化处理碳化处理；第三阶段第三阶段则是在惰性气体中于则是在惰性气体中于2000以上的温度作以上的温度作石墨化处理石墨化处理。9目前，碳纤维常规生产的品种主要有两种，目前，碳纤维常规生产的品种主要有两种，即即高模量型高模量型和和低模量型低模量型。其中，高模量型的其中，高模量型的拉伸模量拉伸模量约为约为400 GPa，拉伸强度拉伸强度约为约为1.7 GPa；低模量型的低模量型的拉伸模量拉伸模量约为约为240 GPa，拉伸拉伸强度强度约为约为2.5 GPa。10碳纤维碳纤维主要用在把主要用在把强度强度、刚度刚度、重量重量和和抗化学性抗化学性作为设计参数的作为设计参数的构构件件，在，在1500的温度下，碳纤维仍的温度下，碳纤维仍能保持其性能不变。能保持其性能不变。11但是，必须对碳纤维进行但是，必须对碳纤维进行有效有效的保护的保护以防止它以防止它在空气中或氧化性在空气中或氧化性气氛中被腐蚀气氛中被腐蚀，只有这样，才能充，只有这样，才能充分发挥它的优良性能。分发挥它的优良性能。12陶瓷基复合材料中的陶瓷基复合材料中的增强体增强体中，中，另一种常用纤维是另一种常用纤维是玻璃纤维玻璃纤维。制造玻璃纤维的制造玻璃纤维的基本流程基本流程如下如下图所示：图所示：13玻璃球玻璃球玻璃球再熔化玻璃球再熔化连续纤维连续纤维上浆上浆纱线纱线绕线筒绕线筒玻玻璃璃纤纤维维生生产产流流程程图图将玻璃小球将玻璃小球熔化，然后通过熔化，然后通过1mm左右直径的左右直径的小孔把它们拉出小孔把它们拉出来。来。另外，缠绕另外，缠绕纤维的纤维的心轴的转心轴的转动速度动速度决定纤维决定纤维的直径，通常为的直径，通常为10um的数量级。的数量级。14为了为了便于操作便于操作和和避免纤维受潮并避免纤维受潮并形成纱束形成纱束，在刚凝固成纤维时，表面，在刚凝固成纤维时，表面就就涂覆薄薄一层保护膜涂覆薄薄一层保护膜，这层保护膜，这层保护膜还有利于还有利于与基体的粘结与基体的粘结。 15玻璃的组成玻璃的组成可在一个可在一个很宽的范围内很宽的范围内调调整，因而可生产出具有整，因而可生产出具有较高杨氏模量较高杨氏模量的品的品种，这些特殊品种的纤维通常需要种，这些特殊品种的纤维通常需要在较高在较高的温度下的温度下熔化后拉丝熔化后拉丝，因而，因而成本较高成本较高，但，但可满足制造一些可满足制造一些有特殊要求的有特殊要求的复合材料。复合材料。16还有一种还有一种常用的纤维常用的纤维是是硼纤维硼纤维。它属于它属于多相的多相的，又是，又是无定形的无定形的，因，因为它是用为它是用化学沉积法化学沉积法将将无定形硼无定形硼沉沉积在钨丝积在钨丝或者或者碳纤维上碳纤维上形成的。形成的。17在实际结构的在实际结构的硼纤维硼纤维中，由于中，由于缺少大晶体结构缺少大晶体结构，使其，使其纤维强度下纤维强度下降降到只有晶体硼纤维一半左右。到只有晶体硼纤维一半左右。18由由化学分解化学分解所获得的所获得的硼纤维的平均性能硼纤维的平均性能为，杨氏模量为，杨氏模量420GPa，拉伸强度拉伸强度2.8GPa。硼纤维硼纤维对任何可能的对任何可能的表面损伤表面损伤都非常都非常敏敏感感，甚至比玻璃纤维更敏感，甚至比玻璃纤维更敏感，热或化学处理热或化学处理对硼纤维都有影响，高于对硼纤维都有影响，高于500 时强度会急时强度会急剧下降。剧下降。19为了阻止为了阻止随温度而变化的降解作用随温度而变化的降解作用，已采用了已采用了不同类型的涂层不同类型的涂层作试验。作试验。例如，例如，商业上使用的硼纤维商业上使用的硼纤维通常是在通常是在表面涂了一层表面涂了一层碳化硅碳化硅，它可使纤维，它可使纤维长期暴长期暴露在高温后露在高温后仍有保持仍有保持室温强度室温强度的优点。的优点。20陶瓷材料中另一种增强体为陶瓷材料中另一种增强体为晶须晶须。晶须为具有晶须为具有一定长径比一定长径比(直径直径0.31um,长长30100um)的的小单晶体小单晶体。1952年，年，Herring和和Galt验证了验证了锡的晶须锡的晶须的强度的强度比比块状锡块状锡高得多，这促使人们去对高得多，这促使人们去对纤纤维状的单晶维状的单晶进行详细的研究。进行详细的研究。21从结构上看，从结构上看，晶须的特点晶须的特点是没有是没有微微裂纹裂纹、位错位错、孔洞孔洞和和表面损伤表面损伤等一类缺等一类缺陷，而这些缺陷正是陷，而这些缺陷正是大块晶体中大量存大块晶体中大量存在在且促使且促使强度下降强度下降的主要原因。的主要原因。22在某些情况下，在某些情况下，晶须的拉伸强度晶须的拉伸强度可达可达0.1E(E为杨氏模量为杨氏模量)，这已非常接，这已非常接近于近于理想拉伸强度理想拉伸强度0.2E。相比之下，相比之下，多晶的金属纤维多晶的金属纤维和和块块状金属状金属的的拉伸强度拉伸强度只有只有0.02E和和0.001E。23由于晶须具有由于晶须具有最佳的热性能最佳的热性能、低密度低密度和和高杨氏模量高杨氏模量，从而引起了人们对其特别的关，从而引起了人们对其特别的关注。注。在在陶瓷基复合材料中陶瓷基复合材料中使用得较为普遍的使用得较为普遍的是是SiC、A12O3及及Si3N4晶须。晶须。24陶瓷材料中的另一种增强体为陶瓷材料中的另一种增强体为颗粒颗粒。从从几何尺寸几何尺寸上看，颗粒在各个方向上上看，颗粒在各个方向上的长度是大致相同的，一般为的长度是大致相同的，一般为几个微米几个微米。常用得的颗粒也是常用得的颗粒也是SiC、Si3N4等。等。25颗粒的增韧效果颗粒的增韧效果虽不如虽不如纤维纤维和和晶须晶须，但，但是，如果颗粒种类、是，如果颗粒种类、粒径粒径、含量含量及及基体材料基体材料选择适当选择适当仍会仍会有一定的韧化效果有一定的韧化效果，同时还会，同时还会带来带来高温强度高温强度，高温蠕变性能高温蠕变性能的改善。的改善。所以，所以，颗粒增韧复合材料颗粒增韧复合材料同样受到重视同样受到重视并对其进行了一定的研究。并对其进行了一定的研究。268.1.2 纤维增强陶瓷基复合材料纤维增强陶瓷基复合材料在陶瓷材料中，加入在陶瓷材料中，加入第二相纤维制成第二相纤维制成复合材料复合材料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，按按纤维排布方式纤维排布方式的不同，又可将其分为的不同，又可将其分为单单向排布长纤维向排布长纤维复合材料和复合材料和多向排布纤维多向排布纤维复复合材料。合材料。271、单向排布长纤维复合材料、单向排布长纤维复合材料单向排布纤维单向排布纤维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各向异性各向异性，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。28在在单向排布纤维单向排布纤维增韧陶瓷基复合材增韧陶瓷基复合材料料中，当中，当裂纹扩展裂纹扩展遇到纤维时遇到纤维时会受阻会受阻，这时，如果要使这时，如果要使裂纹进一步扩展裂纹进一步扩展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：29裂纹垂直于纤维方向扩展示意图裂纹垂直于纤维方向扩展示意图30当当外加应力进一步提高外加应力进一步提高时，由于时，由于基基体与纤维间的体与纤维间的界面离解界面离解，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，从而使纤维使纤维从基体中拔出从基体中拔出。当当拔出的长度拔出的长度达到某一临界值达到某一临界值时，时，会使会使纤维发生断裂纤维发生断裂。31因此，因此，裂纹的扩展裂纹的扩展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拔出功拔出功和和纤维断纤维断裂功裂功，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。32实际实际材料断裂过程材料断裂过程中，中，纤维的断裂纤维的断裂并并非发生在非发生在同一裂纹平面同一裂纹平面，这样，这样主裂纹主裂纹还将还将沿纤维断裂位置的不同沿纤维断裂位置的不同而发生而发生裂纹转向裂纹转向。这也同样会这也同样会使裂纹的扩展阻力增加使裂纹的扩展阻力增加，从而，从而使使韧性进一步提高韧性进一步提高。33 2多向排布纤维增韧复合材料多向排布纤维增韧复合材料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纵向性能纵向性能较为优越，而其较为优越，而其横向横向性能性能显著低于显著低于纵向性能纵向性能，所以只适用于，所以只适用于单单轴应力轴应力的场合。的场合。34而许多而许多陶瓷构件陶瓷构件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优良的性能优良的性能，这就，这就要进一步研究要进一步研究多向排布纤维多向排布纤维增韧陶瓷增韧陶瓷基复合材料。基复合材料。35(1) 二维多向排布纤维增韧复合材料二维多向排布纤维增韧复合材料这种复合材料中，这种复合材料中，纤维的排布方式纤维的排布方式有两种有两种。一种是一种是将纤维编织成纤维布将纤维编织成纤维布，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单层或若干单层或若干层层进行进行热压烧结成型热压烧结成型，如下图所示：，如下图所示：36纤维层纤维层基体基体纤维布层压复合材料示意图纤维布层压复合材料示意图纤维布层压复合材料示意图纤维布层压复合材料示意图37这种材料在这种材料在纤维排布平面的二维方向纤维排布平面的二维方向上上性能优越性能优越，而在，而在垂直于纤维排布面方向垂直于纤维排布面方向上上的性能较差。的性能较差。一般应用在对一般应用在对二维方向上有较高性能二维方向上有较高性能要求要求的构件上。的构件上。38另一种是另一种是纤维分层单向排布纤维分层单向排布，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。39纤维层纤维层纤维层纤维层基体基体基体基体多层纤维按不同角度方向层压示意图多层纤维按不同角度方向层压示意图多层纤维按不同角度方向层压示意图多层纤维按不同角度方向层压示意图40后一种复合材料可以根据后一种复合材料可以根据构件的形构件的形状状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壳层状构件壳层状构件。而前一种材料而前一种材料成型板状构件成型板状构件曲率不曲率不宜太大宜太大。41这种这种二维多向纤维二维多向纤维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单向排布纤维单向排布纤维复合材料是复合材料是一样的，主要也是靠一样的，主要也是靠纤维的拔出纤维的拔出与与裂纹转裂纹转向机制向机制，使其，使其韧性及强度韧性及强度比基体材料大幅比基体材料大幅度提高。度提高。42(2) 三维多向排布纤维增韧陶瓷基复合材料三维多向排布纤维增韧陶瓷基复合材料三维多向编织纤维三维多向编织纤维增韧陶瓷是为了增韧陶瓷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三向三向C/C复合复合材料材料开始的，现已发展到开始的，现已发展到三向石英三向石英/石英石英等等陶瓷复合材料。陶瓷复合材料。43下图为下图为三向正交三向正交C/C纤维编织纤维编织结构结构示意图。它是按直角坐标示意图。它是按直角坐标将多将多束纤维分层交替编织束纤维分层交替编织而成。而成。44X XY YZ Z三向三向C/C编织结构示意图编织结构示意图 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，不存在相相互交缠和绕曲互交缠和绕曲，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。45这种这种三维多向三维多向编织结构编织结构还可以通过还可以通过调节纤维束的根数和股数调节纤维束的根数和股数，相邻束间的相邻束间的间距间距，织物的体积密度织物的体积密度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。468.1.3 晶须和颗粒增强陶瓷基复合材料晶须和颗粒增强陶瓷基复合材料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然虽然性能性能优越优越，但它的，但它的制备工艺复杂制备工艺复杂，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，近年来又发展了短纤维短纤维、晶须晶须及及颗粒颗粒增韧陶瓷基复合材料。由于短纤维增韧陶瓷基复合材料。由于短纤维与晶须相似，故只讨论后两种情形。与晶须相似，故只讨论后两种情形。47由于由于晶须的尺寸晶须的尺寸很小，从客观上看与很小，从客观上看与粉末粉末一样，因此一样，因此在制备复合材料在制备复合材料时，只需时，只需将将晶须分散后晶须分散后与与基体粉末基体粉末混合均匀，然后混合均匀，然后对对混好的粉末混好的粉末进行进行热压烧结热压烧结，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。48目前常用的是目前常用的是SiC，Si3N4，Al2O3晶须，常用的基体则为晶须，常用的基体则为Al2O3，ZrO2，SiO2，Si3N4及及莫来石莫来石等。等。49晶须增韧晶须增韧陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料的性能的性能与与基基体和晶须的选择体和晶须的选择，晶须的含量及分布晶须的含量及分布等因等因素有关。素有关。下面两个图分别给出了下面两个图分别给出了ZrO2(2mol % Y2O3) + SiCw及及A12O3+ SiCw陶瓷复合材料陶瓷复合材料的性能与的性能与SiCw含量含量之间的关系。之间的关系。50断断断断裂裂裂裂韧韧韧韧性性性性KKI IC C( (MMP Pa a. .mm1 1/ /2 2) )SiCSiCw w含量（含量（含量（含量（vol%vol%） 弯弯弯弯曲曲曲曲强强强强度度度度 f f( (MMP Pa a)SiCw含量（含量（vol%） 维维维维氏氏氏氏硬硬硬硬度度度度HHV V( (GGP Pa a) ) 弹弹弹弹性性性性模模模模量量量量E E( (GGP Pa a)SiCw含量（含量（vol%）Z Zr rOO2 2( (Y Y2 2OO3 3) )复复复复合合合合材材材材料料料料的的的的力力力力学学学学性性性性能能能能51SiCSiCw w含量（含量（含量（含量（vol%vol%） 维维维维氏氏氏氏硬硬硬硬度度度度HHV V( (GGP Pa a) ) 弹弹弹弹性性性性模模模模量量量量E E( (GGP Pa a) )SiCSiCw w含量（含量（含量（含量（vol%vol%） 弯弯弯弯曲曲曲曲强强强强度度度度 f f( (MMP Pa a) )SiCSiCw w含量（含量（含量（含量（vol%vol%）断断断断裂裂裂裂韧韧韧韧性性性性KKI IC C( (MMP Pa a. .mm1 1/ /2 2) )A Al l2 2OO3 3+ + S Si iC Cw w复复复复合合合合材材材材料料料料的的的的力力力力学学学学性性性性能能能能52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弹性模量弹性模量、硬度硬度及及断裂韧断裂韧性性均均随着随着SiCw含量的增加含量的增加而提高。而提高。53而而弯曲强度弯曲强度的变化规律则是，对的变化规律则是，对Al2O3基复合材料基复合材料，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ZrO2基体基体，在，在10 vol SiCw时时出现峰出现峰值值，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。54这可解释为由于这可解释为由于SiCw含量高时含量高时造成热造成热失配过大失配过大，同时，同时使致密化困难使致密化困难而而引起密度引起密度下降下降，从而使，从而使界面强度降低界面强度降低，导致了复合导致了复合材料强度的下降材料强度的下降。55由图中可知，对由图中可知，对A12O3基复合材料基复合材料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断裂韧性断裂韧性KIC=7MPa.M1/2，弯曲强度弯曲强度 f=600MPa；ZrO2基复合材料基复合材料的的断裂韧性断裂韧性KIC=16MPa.M1/2 ，弯曲强度弯曲强度 f=1400MPa。由此可见，由此可见，SiCw对陶瓷材料对陶瓷材料同时具有增同时具有增强和增韧的效果强和增韧的效果。56从上面的讨论知道，由于从上面的讨论知道，由于晶须具晶须具有长径比有长径比，因此，因此，当其含量较高时，当其含量较高时，因其因其桥架效应桥架效应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。57为了克服这一弱点，可采用为了克服这一弱点，可采用颗粒颗粒来来代替晶须代替晶须制成复合材料，这种复合制成复合材料，这种复合材料在材料在原料的混合均匀化原料的混合均匀化及及烧结致密烧结致密化方面化方面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。58当所用的颗粒为当所用的颗粒为SiC，TiC时，时，基体材料采用最多的是基体材料采用最多的是Al2O3，Si3N4。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。59右图显示了右图显示了SiCp含量含量对对SiCp /A12O3复合材料复合材料性能的影响性能的影响。 断断断断裂裂裂裂强强强强度度度度 f f( (MMP Pa a) )SiCSiCp p含量含量含量含量( (vol%vol%) )从中可以看出，在从中可以看出，在5 SiCp时时强度出现峰值。强度出现峰值。60下图为下图为SiCSiCp p含量含量含量含量对对SiCSiCp p / Si / Si3 3N N4 4复合材料性能的复合材料性能的影响。影响。SiCSiCp p含量（含量（含量（含量（vol%vol%）断断断断裂裂裂裂韧韧韧韧性性性性KKI IC C( (MMP Pa a. .mm1 1/ /2 2) )SiCSiCp p含量（含量（含量（含量（vol%vol%） 弯弯弯弯曲曲曲曲强强强强度度度度 f f( (MMP Pa a) ) 从中可以看出，在从中可以看出，在SiCSiCp p含量为含量为含量为含量为5 5时时时时强度及强度及韧性达到了最高值。韧性达到了最高值。61从上面的讨论可知，从上面的讨论可知，晶须与颗粒晶须与颗粒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。晶须晶须的的增强增韧效果好增强增韧效果好，但，但含量高时会含量高时会使致密度下降使致密度下降；颗粒颗粒可克服晶须的这一弱点，但其可克服晶须的这一弱点，但其增强增强增韧效果却不如晶须增韧效果却不如晶须。62由此很容易想到，若将由此很容易想到，若将晶须晶须与与颗粒颗粒共共同使用同使用，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SiCw与与ZrO2来来共同增韧共同增韧，用，用SiCw与与SiCp来来共同增韧共同增韧等。等。63下面两个图分别给出了下面两个图分别给出了Al2O3+ZrO2(Y2O3)+SiCw复合材料的复合材料的性能随性能随SiCw及及ZrO2(Y2O3)含量含量的变的变化情况。化情况。64 维维维维氏氏氏氏硬硬硬硬度度度度HHV V( (GGP Pa a) ) 弹弹弹弹性性性性模模模模量量量量E E( (GGP Pa a) )SiCSiCw w含量含量含量含量( (vol%vol%) ) (a) (a) 弹弹弹弹性性性性模模模模量量量量E E( (GGP Pa a) ) 维维维维氏氏氏氏硬硬硬硬度度度度HHV V( (GGP Pa a) )ZrOZrO2 2含量含量含量含量( (vol%vol%) ) (b) (b)SiCw与与ZrO2复合增韧复合增韧Al2O3的硬度与弹性模量的硬度与弹性模量AlAl2 2OO3 3+20mol%+20mol%ZrOZrO2 2(Y(Y2 2OO3 3)+SiC)+SiCw w65AlAl2 2OO3 3+20mol%+20mol%ZrOZrO2 2(Y(Y2 2OO3 3)+SiC)+SiCw w 弯弯弯弯曲曲曲曲强强强强度度度度 f f( (MMP Pa a) )SiCSiCw w含量含量含量含量( (vol%vol%) )断断断断裂裂裂裂韧韧韧韧性性性性KKI IC C( (MMP Pa a. .mm1 1/ /2 2) )SiCSiCw w含量含量含量含量( (vol%vol%) )SiCw与与ZrO2复合增韧复合增韧Al2O3的强度与断裂韧性的强度与断裂韧性66SiCw与与ZrO2复合增韧复合增韧Al2O3的强度与断裂韧性的强度与断裂韧性AlAl2 2OO3 3+20mol%+20mol%SiCSiCw w+ZrO+ZrO2 2(Y(Y2 2OO3 3) )ZrOZrO2 2含量含量含量含量( (vol%vol%) ) 弯弯弯弯曲曲曲曲强强强强度度度度 f f( (MMP Pa a) )ZrOZrO2 2含量含量含量含量( (vol%vol%) )断断断断裂裂裂裂韧韧韧韧性性性性KKI IC C( (MMP Pa a. .mm1 1/ /2 2) )67可以看出，随着可以看出，随着SiCw及及ZrO2(Y2O3)含量含量的增加的增加，其，其强度强度与与韧性韧性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 MPa.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=7.5 MPa.M1/2有明显有明显的提高，这充分体现了这种的提高，这充分体现了这种复合强化的效果复合强化的效果。68下表则给出了下表则给出了莫来石及其制得的复合材料的莫来石及其制得的复合材料的强度与韧性强度与韧性。材料材料 f (Mpa)KIC (MPa.M1/2)莫来石莫来石2442.8莫来石莫来石莫来石莫来石+ + SiCSiCw w4524524.44.4莫来石莫来石莫来石莫来石+ + ZrOZrO2 2+SiC+SiCw w5515805515805.46.75.46.7Si3N4+SiCw10001112很明显，由很明显，由ZrOZrO2 2+SiC+SiCw w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SiCSiCw w与莫来石与莫来石与莫来石与莫来石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。69一、陶瓷基复合材料的界面一、陶瓷基复合材料的界面1、界面的粘结形式、界面的粘结形式2、界面的作用、界面的作用3、界面性能的改善、界面性能的改善8.1.4 陶瓷基复合材料的界面和强韧化机理陶瓷基复合材料的界面和强韧化机理701、界面的粘结形式、界面的粘结形式对于陶瓷基复合材料来讲，对于陶瓷基复合材料来讲，界面界面的粘结形式的粘结形式主要有两种：主要有两种：(1)机械粘结机械粘结(2)化学粘结化学粘结71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高温条高温条件件下制备，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，因此因此增强体与陶瓷之间增强体与陶瓷之间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界面层界面层或或反应层反应层。72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，陶瓷的收缩陶瓷的收缩大于大于增强体增强体，由于收，由于收缩而产生的缩而产生的径向压应力径向压应力 r 与与界面剪应力界面剪应力 有关：有关：73 r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，它也可渗入或浸入纤维表面的渗入或浸入纤维表面的缝隙缝隙等缺陷处，冷却后形成等缺陷处，冷却后形成机械结合机械结合。74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，由原子的扩散速度较室温大的多，由于于增强体与陶瓷基体的原子扩散增强体与陶瓷基体的原子扩散，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。75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界面反应区界面反应区，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，但通常是常是脆性脆性的。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。76 2、界面的作用、界面的作用对于对于陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料来讲，来讲，界面粘结界面粘结性能性能影响影响陶瓷基体和复合材料的陶瓷基体和复合材料的断裂行为断裂行为。对于陶瓷基复合材料的对于陶瓷基复合材料的界面界面来说，一来说，一方面应强到方面应强到足以传递轴向载荷，足以传递轴向载荷，并具有并具有高高的横向强度的横向强度；77另一方面，陶瓷基复合材料的另一方面，陶瓷基复合材料的界面界面要要弱到弱到足以沿界面发生横向裂纹足以沿界面发生横向裂纹及及裂纹偏转裂纹偏转直到纤维的拔出直到纤维的拔出。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最佳的界面强度最佳的界面强度。78强的界面粘结强的界面粘结往往导致往往导致脆性破坏脆性破坏，如下图如下图 (a)所示，所示，裂纹可以在复合材裂纹可以在复合材料的料的任一部位形成，任一部位形成，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，导致致平面断裂平面断裂。纤维纤维基体基体(a)强界面结合强界面结合79平面断裂平面断裂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不产生不产生额外的能量消耗额外的能量消耗。80若若界面结合较界面结合较弱弱，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，将导致将导致界面脱粘界面脱粘，其后其后裂纹发生偏转裂纹发生偏转、裂纹搭桥裂纹搭桥、纤维断纤维断裂裂以致最后以致最后纤维拔纤维拔出出(图图 b)。(b)弱界面结合弱界面结合81裂纹的偏转裂纹的偏转、搭桥搭桥、断裂断裂以致最后以致最后纤维纤维拔出拔出等，这些过程都要等，这些过程都要吸收能量吸收能量，从而，从而提高提高复合材料的断裂韧性复合材料的断裂韧性，避免了，避免了突然的脆性失突然的脆性失效效。82 3、界面性能的改善、界面性能的改善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完全避免完全避免界面间的化学反应界面间的化学反应或或尽量降低尽量降低界面间的化学反应界面间的化学反应程度和范围程度和范围。83在实际应用中，除选择在实际应用中，除选择纤维和基体纤维和基体在在加工和使用期间加工和使用期间能能形成稳定的热力学界面形成稳定的热力学界面外，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沉积一层薄的涂层沉积一层薄的涂层。84C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。涂层的厚度涂层的厚度通常在通常在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、加工加工和和服役要求服役要求。85纤维上的涂层除了可以改变复合材料纤维上的涂层除了可以改变复合材料界界面结合强度面结合强度外，对纤维还可起到外，对纤维还可起到保护作用保护作用，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机械损造成纤维的机械损坏。坏。86下图为下图为莫来石纤维莫来石纤维增强增强玻璃基体玻璃基体复合材料的复合材料的断裂行为差异断裂行为差异。87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，若纤维未涂未涂未涂未涂BNBN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脆性的平面断裂脆性的平面断裂脆性的平面断裂脆性的平面断裂：而经：而经CVD沉积沉积0.2um的的BNBN涂层涂层涂层涂层后，断面上可见到大量的后，断面上可见到大量的纤维拔出纤维拔出纤维拔出纤维拔出。88 二、陶瓷基复合材料的强韧化机理二、陶瓷基复合材料的强韧化机理界面的性质界面的性质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强韧化机理强韧化机理。以以晶须增强陶瓷基晶须增强陶瓷基复合材料为例，来复合材料为例，来对其对其强韧化机理强韧化机理进行探讨。进行探讨。89晶须晶须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纤维纤维增强陶瓷基复合材料大增强陶瓷基复合材料大致相同，主要是靠致相同，主要是靠晶须的拔出桥连晶须的拔出桥连与与裂纹转向机制裂纹转向机制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。90研究结果表明，研究结果表明，晶须的拔出长度晶须的拔出长度存在一个存在一个临界值临界值lpo，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小于这一临界值小于这一临界值时，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 ；91如果如果晶须的两端到主裂纹的距离晶须的两端到主裂纹的距离均均大于临界拔出长度大于临界拔出长度时，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，断裂长度仍小于临断裂长度仍小于临界拔出长度界拔出长度lpo ；92界面结合强度界面结合强度直接影响了复合材料直接影响了复合材料的的韧化机制韧化机制与与韧化效果韧化效果。界面强度界面强度过高过高，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，因而也就就减小了晶须拔出机制对韧性的贡献减小了晶须拔出机制对韧性的贡献。93但另一方面，但另一方面，界面强度的提高界面强度的提高有有利于利于载荷转移载荷转移，因而，因而提高了强化效果提高了强化效果。界面强度界面强度过低过低、则使、则使晶须的拔出晶须的拔出功减小功减小，这，这对韧化和强化都不利对韧化和强化都不利，因，因此此界面强度存在一个最佳值界面强度存在一个最佳值。94下图为下图为SiCw/ ZrO2材料的材料的载荷载荷-位移位移曲线。曲线。( (位移位移位移位移 um)um)载载载载荷荷荷荷( (N N) )从图中可以看出，有明显的从图中可以看出，有明显的锯齿效应锯齿效应，这是这是晶须拔出晶须拔出桥连机制桥连机制作用的结果。作用的结果。958.2 陶瓷基复合材料的成型加工陶瓷基复合材料的成型加工8.2.1 纤维增强陶瓷基复合材料的加工纤维增强陶瓷基复合材料的加工;8.2.2 晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工;8.3 陶瓷基复合材料的应用。陶瓷基复合材料的应用。96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取决于多种因素取决于多种因素，如，如基体基体、纤维纤维及及二者之间的结合二者之间的结合等。等。8.2.1 纤维增强陶瓷基复合材料的加工纤维增强陶瓷基复合材料的加工97从从基体方面基体方面看，与看，与气孔的尺寸及数气孔的尺寸及数量量，裂纹的大小裂纹的大小以及一些以及一些其它缺陷其它缺陷有关；有关；从从纤维方面纤维方面来看，则与来看，则与纤维中的杂纤维中的杂质质、纤维的氧化程度纤维的氧化程度、损伤损伤及其他及其他固有固有缺陷缺陷有关；有关；98从从基体与纤维的结合基体与纤维的结合情况上看，则与情况上看，则与界面界面及及结合效果结合效果、纤维在基体中的取向纤维在基体中的取向，以及以及载体与纤维的热膨胀系数差载体与纤维的热膨胀系数差有关。有关。99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，所以在实际中实际中针对不同的材料的制作方法针对不同的材料的制作方法也会不也会不同，同，成型技术成型技术的不断研究与改进，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纤维增强陶瓷基复合材料纤维增强陶瓷基复合材料的成型主法的成型主法主要有以下几种：主要有以下几种：100 1泥浆烧铸法泥浆烧铸法这种方法是这种方法是在陶瓷泥浆中在陶瓷泥浆中分散纤维分散纤维。然。然后后浇铸浇铸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，适合于短纤维适合于短纤维增强陶瓷基复增强陶瓷基复合材料的制作。合材料的制作。1012热压烧结法热压烧结法将将特长纤维特长纤维切短切短(3mm)，然后然后分散分散并并与基体粉末与基体粉末混合混合，再用，再用热压烧结的方法热压烧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，纤维与基体之间的结合纤维与基体之间的结合较好较好，是目前采用较多的方法。，是目前采用较多的方法。102这种这种短纤维增强体短纤维增强体在与基体粉末混合时在与基体粉末混合时取取向是无序的向是无序的，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，短纤维由于在基体压实在基体压实与与致密化致密化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，短纤维沿加压面而择优取向短纤维沿加压面而择优取向，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。1033. 浸渍法浸渍法这种方法这种方法适用于长纤维适用于长纤维。首先。首先把纤把纤维维编织编织成所需形状成所需形状，然后，然后用陶瓷泥浆用陶瓷泥浆浸浸渍渍，干燥后进行干燥后进行焙烧焙烧。104浸渍法浸渍法的优点是的优点是纤维取向可自由纤维取向可自由调节调节，如，如单向排布单向排布及及多向排布多向排布等。等。浸渍法浸渍法的缺点则是的缺点则是不能制造大尺寸不能制造大尺寸的制品的制品，而且所得，而且所得制品的致密度较低制品的致密度较低。105 8.2.2 晶须与颗粒增韧陶瓷基复合晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工与制备材料的加工与制备晶须与颗粒晶须与颗粒的的尺寸均很小尺寸均很小，只是，只是几何形几何形状上状上有些区别，用它们进行增韧的陶瓷基复有些区别，用它们进行增韧的陶瓷基复合材料的合材料的制造工艺制造工艺是基本相同的。是基本相同的。106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简便简便得多，只需将得多，只需将晶须或颗粒晶须或颗粒分散后分散后并并与基体粉末与基体粉末混合均匀混合均匀，再用，再用热压烧结的方法热压烧结的方法即可制得即可制得高性能的复台材料高性能的复台材料。107与与陶瓷材料陶瓷材料相似，相似，晶须与颗粒增韧陶晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料瓷基复合材料的的制造工艺制造工艺也可大致分为以也可大致分为以下几个步骤：下几个步骤：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108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，这方面的研究还必持进一步深入。究还必持进一步深入。109 1配料配料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均质均质、孔隙少孔隙少的微观组织。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，必须首先严格挑选原料严格挑选原料。110把几种把几种原料粉末原料粉末混合混合配成坯料配成坯料的方法可的方法可分为分为干法干法和和湿法湿法两种。两种。现今新型陶瓷领域现今新型陶瓷领域混合处理加工混合处理加工的的微米微米级级、超微米级粉末方法超微米级粉末方法由于由于效率和可靠性效率和可靠性的的原因原因大多采用湿法大多采用湿法。111湿法湿法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、碳化尼碳化尼等等非氧化物系的原料非氧化物系的原料混合时，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有机溶剂有机溶剂。112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球磨机球磨机。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球和内衬砖球和内衬砖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材质相同的材质相同的陶瓷球和内衬。陶瓷球和内衬。1132成型成型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：(1)经一次干燥经一次干燥制成粉末坯料后制成粉末坯料后制成粉末坯料后制成粉末坯料后供给成型工序；供给成型工序；(2)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，保保保保持浆状持浆状持浆状持浆状供给成型工序；供给成型工序；(3)用压滤机用压滤机将料浆状的粉将料浆状的粉脱水后成坯料脱水后成坯料脱水后成坯料脱水后成坯料供给供给成型工序。成型工序。114把上述的把上述的干燥粉料干燥粉料充入模型内充入模型内，加压后加压后即可成型即可成型。通常有。通常有金属模成型法金属模成型法和和橡皮模成橡皮模成型法型法。金属模成型法金属模成型法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，仍它的加压方向是单向加压方向是单向的。的。粉粉末与金属模壁的摩擦力大末与金属模壁的摩擦力大，粉末间传递压力粉末间传递压力不太均匀不太均匀。故易造成。故易造成烧成后的生坯变形烧成后的生坯变形或或开开裂裂、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。115采用采用橡皮模成型法橡皮模成型法是是用静水压用静水压从各从各个方向个方向均匀加压均匀加压于橡皮模来成型，故不于橡皮模来成型，故不会发生会发生生坯密度不均匀生坯密度不均匀和和具有方向性具有方向性之之类的问题。类的问题。116此方法虽此方法虽不能做到不能做到完全均匀地加压完全均匀地加压，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毛坯与橡皮模接触毛坯与橡皮模接触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。117另一种成型法为另一种成型法为注射成型法注射成型法。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从生坯里将粘合剂除去从生坯里将粘合剂除去并并再烧结再烧结，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。118注浆成型法是注浆成型法是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。它是将料浆将料浆浇入浇入石膏模内石膏模内，静置，静置片刻，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。然后除除去多余的料浆去多余的料浆，将生坯和石膏模一起干燥将生坯和石膏模一起干燥，生坯干燥后保持一定的强度，生坯干燥后保持一定的强度，并并从石膏中从石膏中取取出。这种方法可成型出。这种方法可成型壁薄壁薄且且形状复杂形状复杂的制品。的制品。119还有一种成型法为还有一种成型法为挤压成型法挤压成型法。这种。这种方法是方法是把料浆放入把料浆放入压滤机压滤机内内挤出水分，形挤出水分，形成成块状块状后，从后，从安装各种挤形口安装各种挤形口的的真空挤出真空挤出成型机成型机挤出成型挤出成型的方法，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长条形坯件长条形坯件的成型。的成型。 1203. 烧结烧结 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陶瓷素坯陶瓷素坯烧固成烧固成致密制品致密制品的过程叫的过程叫烧结烧结。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间歇式间歇式和和连续式连续式。121间歇式窑炉间歇式窑炉是放入窑炉内是放入窑炉内生坯的硬化生坯的硬化、烧结烧结、冷却冷却及及制品的取出制品的取出等工序等工序是间歇地进是间歇地进行的行的。间歇式窑炉间歇式窑炉不适合于不适合于大规模生产大规模生产，但适，但适合处理合处理特殊大型制品特殊大型制品或或长尺寸制品长尺寸制品的优点，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。122连续窑炉连续窑炉适合于适合于大批量制品的大批量制品的烧结烧结，由，由预热预热、烧结烧结和和冷却冷却三个部三个部分组成。分组成。123把把装生坯的窑车装生坯的窑车从窑的一端从窑的一端以一定时以一定时间间间歇推进，间歇推进，窑车沿导轨前进窑车沿导轨前进，沿着窑内，沿着窑内设定的温度分布设定的温度分布经经预热预热、烧结烧结、冷却冷却过程过程后，后，从窑的另一端从窑的另一端取出成品。取出成品。124 4精加工精加工由于由于高精度制品的需求高精度制品的需求不断增多，因此不断增多，因此在在烧结后的许多制品烧结后的许多制品还需还需进行精加工进行精加工。精加工的目的是精加工的目的是为了提高烧成品的尺寸为了提高烧成品的尺寸精度和表面平滑性精度和表面平滑性，前者主要用，前者主要用金刚石砂轮金刚石砂轮进行进行磨削加工磨削加工，后者则用，后者则用磨料磨料进行进行研磨加工研磨加工。125金刚石砂轮金刚石砂轮依依埋在金刚石磨粒之间的结埋在金刚石磨粒之间的结合剂的种类不同合剂的种类不同有着其各自的特征。大致分有着其各自的特征。大致分为为电沉积砂轮电沉积砂轮，金属结合剂砂轮金属结合剂砂轮、树脂结合树脂结合剂砂轮剂砂轮等。等。126电沉积砂轮电沉积砂轮的的切削性能好切削性能好但但加工性加工性能欠佳能欠佳。金属粘合剂砂轮金属粘合剂砂轮对加工面稍差的制对加工面稍差的制品也较易加工。品也较易加工。树脂结合剂砂轮树脂结合剂砂轮则由于其则由于其强度低强度低，耐热性差耐热性差，适合于，适合于表面的精加工表面的精加工。127因此，在实际因此，在实际磨削磨削操作时，除操作时，除选选用砂轮用砂轮外，还需外，还需确定砂轮的速度确定砂轮的速度、切切削量削量、给进量给进量等各种磨削条件，才能等各种磨削条件，才能获得好的结果。获得好的结果。128 以上是以上是陶瓷基复合材料制备工艺陶瓷基复合材料制备工艺的的几个几个主要步骤主要步骤，但，但实际情况实际情况则是则是相当复杂的相当复杂的。陶瓷与金属的一个重要区别也在于它对陶瓷与金属的一个重要区别也在于它对制造工艺中的微小变化特别敏感而这些微小制造工艺中的微小变化特别敏感而这些微小的变化在最终烧成产品前是很难察觉的。的变化在最终烧成产品前是很难察觉的。129陶瓷制品一旦陶瓷制品一旦烧结结束烧结结束，发现产品的质发现产品的质量有问题时量有问题时则为时已晚。则为时已晚。而且，由于而且，由于工艺路线很长工艺路线很长，要，要查找原因查找原因十分困难十分困难。这就使得。这就使得实际经验的积累实际经验的积累变得越变得越发重要。发重要。130陶瓷的陶瓷的制备质量制备质量与其与其制备工艺制备工艺有很大有很大的关系。的关系。在实验室规模下在实验室规模下能够稳定重复制造的能够稳定重复制造的材料，材料，在扩大的生产规模下在扩大的生产规模下常常难于重现。常常难于重现。131在生产规模下在生产规模下可能重复再现的陶瓷材料可能重复再现的陶瓷材料，常常在常常在原材料波动原材料波动和和工艺装备工艺装备有所变化的条有所变化的条件下件下难于实现难于实现。这是陶瓷制备中的关键问题。这是陶瓷制备中的关键问题之一。之一。132先进淘瓷制品的先进淘瓷制品的一致性，一致性，则是它则是它能否大能否大规摸推广应用规摸推广应用的最关键问题之一。的最关键问题之一。现今的现今的先进陶瓷制备技术先进陶瓷制备技术可以做到可以做到成批成批地生产出性能很好的产品地生产出性能很好的产品，但却，但却不容易保证不容易保证所有制品的品质一致所有制品的品质一致。1338.3 陶瓷基复合材料的应用陶瓷基复合材料的应用 8.3.1 陶瓷基复合材料在工业上的应用陶瓷基复合材料在工业上的应用陶瓷材料具有陶瓷材料具有耐高温耐高温、高强度高强度、高硬度高硬度及及耐腐蚀性好耐腐蚀性好等特点，但其等特点，但其脆性大脆性大的弱点限的弱点限制了它的广泛应用。制了它的广泛应用。134随着现代高科技的迅猛发展，要求材料随着现代高科技的迅猛发展，要求材料能在能在更高的温度下更高的温度下保持优良的综合性能。保持优良的综合性能。陶陶瓷基复合材料瓷基复合材料可较好地满足这一要求。可较好地满足这一要求。它的它的最高使用温度最高使用温度主要取决于主要取决于基体特性基体特性，其工作温度按下列基体材料依次提高：其工作温度按下列基体材料依次提高：玻璃玻璃、玻璃陶瓷玻璃陶瓷、氧化物陶瓷氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷、碳碳素材料素材料，其最高工作温度可达，其最高工作温度可达1900 。135陶瓷基复合材料已陶瓷基复合材料已实用化实用化或即将实用或即将实用化的领域包括：化的领域包括：刀具刀具、滑动构件滑动构件、航空航航空航天构件天构件、发动机制件发动机制件、能源构件能源构件等。等。136在在切削工具切削工具方面，方面， SiCw增韧的细颗粒增韧的细颗粒Al2O3陶瓷复合材料陶瓷复合材料已成功用于工业生产已成功用于工业生产制造制造切削刀具切削刀具。下图为用热压法制备的。下图为用热压法制备的SiCw/ Al2O3复合材料钻头。复合材料钻头。137SiCw/ Al2O3复合材料钻头复合材料钻头138由美国格林利夫公司研制、一家生产切由美国格林利夫公司研制、一家生产切削工具和陶瓷材料的厂家和美国大西洋富田削工具和陶瓷材料的厂家和美国大西洋富田化工公司合作生产的化工公司合作生产的WC-300复合材料刀具复合材料刀具具有具有耐高温、稳定性好、强度高和优异的抗耐高温、稳定性好、强度高和优异的抗热展性能热展性能，熔点为，熔点为2040，切削速度可达，切削速度可达200尺尺/分，甚至更高。分，甚至更高。139作为对比，常用的作为对比，常用的WC-Co硬质合金刀硬质合金刀具具的切削速度限制在的切削速度限制在100尺分以内，因为尺分以内，因为钴在钴在1350 时会发生熔化，甚至在切削表时会发生熔化，甚至在切削表面温度达到约面温度达到约1000 左右就开始软化。左右就开始软化。140某燃汽轮机厂采用这种新型某燃汽轮机厂采用这种新型WC-300复复合材料合材料刀具后，机加工时间从原来的刀具后，机加工时间从原来的5小时小时缩短到缩短到20分钟，仅此一项，每年就可节约分钟，仅此一项，每年就可节约25万美元。万美元。141山东工业大学研制生产的山东工业大学研制生产的SiCw/Al2O3复合复合材料刀具切削材料刀具切削镍基合金时，不但刀具使用寿命镍基合金时，不但刀具使用寿命增加，而且进刀量和切削速度也大大提高。除增加，而且进刀量和切削速度也大大提高。除SiCw/Al2O3外，外，SiCf/Al2O3 、TiO2p/ Al2O3复合复合材料也用于制造机加工刀具。材料也用于制造机加工刀具。142另外，另外，氧化物基复合材料氧化物基复合材料还可用于制还可用于制造耐磨件，如拔丝模具、密封阀、耐蚀轴造耐磨件，如拔丝模具、密封阀、耐蚀轴承、化工泵的活塞等。承、化工泵的活塞等。143在在航空航天航空航天领域，用陶瓷基复合材料领域，用陶瓷基复合材料制作的制作的导弹的头锥导弹的头锥、火箭的喷管、航天飞火箭的喷管、航天飞机的结构件机的结构件等也收到了良好的效果。等也收到了良好的效果。144法国已将法国已将长纤维增强碳化硅复合材料长纤维增强碳化硅复合材料应应用于制作用于制作超高速列车的制动件超高速列车的制动件，而且取得了，而且取得了传统的制动件所无法比拟的优异的磨擦磨损传统的制动件所无法比拟的优异的磨擦磨损特性，取得了满意的应用效果。特性，取得了满意的应用效果。145热机的循环压力和循环气体的温度越高，热机的循环压力和循环气体的温度越高，其热效率也就越高。现在普通使用的燃气轮其热效率也就越高。现在普通使用的燃气轮机高温部件还是镍基台金或钴基合金，它可机高温部件还是镍基台金或钴基合金，它可使汽轮机的进口温度高达使汽轮机的进口温度高达1400 ，但这些但这些合金的耐高温极限受到了其熔点的限制，因合金的耐高温极限受到了其熔点的限制，因此采用此采用陶瓷材料陶瓷材料来代替来代替高温合金高温合金已成了目前已成了目前研究的一个重点内容。研究的一个重点内容。146为此，美国能源部和宇航局开展了为此，美国能源部和宇航局开展了AGT(先进的燃气轮机先进的燃气轮机)100、101、CATE(陶陶瓷在涡轮发动机中的应用瓷在涡轮发动机中的应用)等计划。德国、等计划。德国、瑞典等国也进行了研究开发。这个瑞典等国也进行了研究开发。这个取代现用取代现用耐热合金的应用技术耐热合金的应用技术是难度最高的陶瓷应用是难度最高的陶瓷应用技术，也可以说是这方面的最终目标。目前技术，也可以说是这方面的最终目标。目前看来，要实现这一目标还有相当大的难度看来，要实现这一目标还有相当大的难度。 1478.3.2 今后面对的问题及前景展望今后面对的问题及前景展望现在看来，人们已开始对陶瓷基复合材现在看来，人们已开始对陶瓷基复合材料的料的结构、性能及制造技术结构、性能及制造技术等问题进行科学等问题进行科学系统的研究，但这其中还有许多尚未研究情系统的研究，但这其中还有许多尚未研究情楚的问题。楚的问题。148因此，从这一方面来说，还需要陶瓷专因此，从这一方面来说，还需要陶瓷专家们对理论问题进一步研究。家们对理论问题进一步研究。另一方面，另一方面，陶瓷的制备过程陶瓷的制备过程是一个十分是一个十分复杂的工艺过程，其品质影响因素众多。复杂的工艺过程，其品质影响因素众多。所以，如何所以，如何进一步稳定陶瓷的制造工艺，进一步稳定陶瓷的制造工艺，提高产品的可靠性与一致性提高产品的可靠性与一致性，则是进一步扩，则是进一步扩大陶瓷应用范围所面临的问题。大陶瓷应用范围所面临的问题。149新型材料的开发与应用新型材料的开发与应用已成为当今科已成为当今科技进步的一个重要标志，技进步的一个重要标志，陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料正以其优良的性能正以其优良的性能引起人们的重视，可以引起人们的重视，可以预见，随着对其理论问题的不断深入研究预见，随着对其理论问题的不断深入研究和制备技术的不断开发与完善，它的应用和制备技术的不断开发与完善，它的应用范围将不断扩大，它的应用前景是十分光范围将不断扩大，它的应用前景是十分光明的。明的。150