下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
陶瓷基增强复合材料是指通过在陶瓷基体中引入第二相增强材料，以实现增强、增韧为目的的多相材料，又称为多相复合陶瓷或复相陶瓷。
下面介绍陶瓷基增强复合材料的分类方法。
1.根据基体的不同进行分类
根据基体的不同陶瓷基增强复合材料可以分为玻璃基复合材料、氧化物陶瓷基复合材料和非氧化物陶瓷基复合材料。
（1）玻璃基复合材料 玻璃基复合材料的优点是可以在较低温度下制备，增强纤维不会受到热损伤，因而增韧效果好；而且在制造过程中可以通过基体的黏性流动进行致密化，增韧效果好。其主要的基体有：钙铝硅酸盐（CAS）、锂铝硅酸盐（LAS）、镁铝硅酸盐（MAS）、硼硅酸盐（BS）等。典型的玻璃基复合材料有CP/石英玻璃、碳化硅/LAS复合材料等。玻璃基复合材料的致命缺点是由于玻璃相的存在而容易产生高温蠕变，同时玻璃相很容易向晶态转变而发生析晶，使性能受到损害。
（2）氧化物陶瓷基复合材料 氧化物陶瓷基复合材料主要是以MgO、Al 2 O 3 、SiO 2 、ZrO 2 以及莫来石等为基体的复合材料。这些材料都不宜在高应力和高温环境下使用，因为Al 2 O 3 和ZrO 2 抗热振性较差；SiO 2 易发生高温蠕变和相变；莫来石虽然有较低的线胀系数和良好的抗蠕变性能，但是使用温度不能超过1200℃。
（3）非氧化物陶瓷基复合材料 非氧化物陶瓷基复合材料主要有Si 3 N 4 、SiC等。由于这类非氧化物陶瓷基复合材料具有较高的强度、弹性模量和抗热振性以及优良的高温力学性能而受到重视。
2.以增强相的化学成分进行分类
（1）Al 2 O 3 系列（包括莫来石）纤维 这类纤维材料的优点是高温抗氧化性能优良，有可能用于1400℃的高温环境。但是，作为增强材料主要存在两个问题：一是高温下产生晶体相变、晶粒粗化，以及由于玻璃相的蠕变导致纤维的高温强度下降；二是在高温成型及使用过程中，氧化物纤维容易与陶瓷基体（特别是氧化物陶瓷）形成很强的结合界面，易于导致连续增强纤维的脆性破坏，丧失纤维的增强作用。
（2）SiC系列纤维 SiC系列纤维的制造有两种方法：一类是化学气相沉积法，这种方法制造的碳化硅系列纤维高温性能好，但是直径太大（大于0.1mm），不利于制造形状复杂的工件，而且价格昂贵；二是有机聚合物先驱体转化法，这类纤维存在有氧和游离碳等杂质，从而影响纤维的高温性能，日本碳公司已经能够生产含氧量低的碳化硅系列纤维，具有良好的高温性能，其强度在1500～1600℃下变化不大。
（3）氮化硅系列纤维 它实际上是由Si、N、C和O组成的复相陶瓷纤维。这类纤维也是采用有机聚合物先驱体转化法制造的，与同样方法制造的SiC系列纤维存在同样的问题，性能也相近。
（4）碳纤维 这种纤维已经有30余年的发展历史，也是目前开发得最成功、性能最好的纤维之一，被广泛用于复合材料的增强材料。碳纤维的高温性能很好，在惰性气体中，在2000℃的高温下强度基本不变，是目前高温性能最佳的增强纤维。其最大的缺点是高温抗氧化性能差，在空气中360℃以上就出现明显的氧化，引起质量损耗和强度下降。
除了上述几种增强纤维之外，正在开发的增强纤维还有BN、TiC、B 4 C等复相纤维。
3.以增强相的形态进行分类
1）纤维增强陶瓷基复合材料。常用的纤维有SiC、C及Al 2 O 3 等。它们与陶瓷基体有良好的化学相容性和物理相容性。
2）晶须增强陶瓷基复合材料。常用的晶须有SiC晶须等。
3）颗粒增强陶瓷基复合材料。颗粒有刚性（硬质）颗粒及延性颗粒两种，均匀分散于陶瓷基体中，起到增加强度和韧性的作用。刚性（硬质）颗粒是高强度、高硬度、高热稳定性及高化学稳定性的陶瓷颗粒，如SiC、TiC及B 4 C等。延性颗粒是金属颗粒，如Cr等。金属的高温性能比陶瓷基体低，因此延性颗粒增强陶瓷基复合材料的高温性能较差，但中、低温时的韧性显著提高。
4）原位生长陶瓷基复合材料。通过在基体原料中加入可以生成第二相的元素或化合物，在陶瓷基体致密化的过程中直接通过高温化学反应或相变过程，原位生长出均匀分布的增强相，而形成陶瓷基复合材料。这种陶瓷基复合材料的室温和高温力学性能均优于同组分的其他类型复合材料。
与一般陶瓷相比，陶瓷基增强复合材料具有更高的强度和韧性，而与一般金属相比，陶瓷基增强复合材料具有耐高温、耐氧化、强度高、耐腐蚀、弹性模量大等特点。
（1）陶瓷基颗粒增强复合材料的性能 表1-21给出了陶瓷基颗粒增强复合材料的性能。
（2）陶瓷基晶须增强复合材料的性能 陶瓷基晶须增强复合材料具有增韧的效果，SiC晶须/Al 2 O 3 和SiC晶须/Si 3 N 4 最为成熟。表1-22给出了陶瓷基晶须增强复合材料的性能。
（3）陶瓷基纤维增强复合材料的性能 陶瓷基纤维增强复合材料具有最佳增强、增韧的效果。表1-23给出了陶瓷基纤维增强复合材料的性能。
表1-21 陶瓷基颗粒增强复合材料的性能
表1-22 陶瓷基晶须增强复合材料的性能
表1-23 陶瓷基纤维增强复合材料的性能
（4）陶瓷基增强复合材料的应用 陶瓷基颗粒增强复合材料主要应用于高温材料和超硬高强材料，如陶瓷发动机中燃气轮机的转子、定子和蜗形管，无水冷陶瓷发动机中的活塞顶盖、燃烧器，柴油机的火花塞、活塞罩、气缸套、副燃烧室等。
SiC晶须/Al 2 O 3 陶瓷基晶须增强复合材料主要应用于制造磨具，刀具，耐磨球阀和轴承，内燃机喷嘴、缸套、抽油阀门和各种内衬等；SiC晶须/Si 3 N 4 可以应用于制造燃气轮机的转子、定子，无水冷陶瓷发动机中的活塞顶盖、燃烧器，柴油机的火花塞、活塞罩、气缸套等。
陶瓷基连续增强纤维复合材料还可以应用于制动系统、光学反射镜、高温连接件及热保护系统中。
关于陶瓷基增强纤维复合材料的焊接读者可参阅《复合材料的焊接》（于启湛、史春元编，机械工业出版社2011年出版），本书不再述及。