第一篇：Al3O2陶瓷基電子封裝材料的研究

Al3O2陶瓷基電子封裝材料的研究

班級(jí)：材料應(yīng)用901

姓名：王瓊 指導(dǎo)老師：武志紅

摘要

本文從電子封裝材料的概念入手，介紹了電子封裝材料的種類及其特點(diǎn)，簡(jiǎn)要說(shuō)明了電子封裝材料的性能要求。著重闡述了Al3O2超細(xì)粉及Al3O2陶瓷基電子封裝材料的制備方法，并說(shuō)明了其研究進(jìn)展，展望了其應(yīng)用前景，旨在使讀者對(duì)Al3O2陶瓷基電子封裝材料有個(gè)系統(tǒng)的了解。

關(guān)鍵詞：電子封裝材料，Al3O2陶瓷基，制備方法，研究進(jìn)展

Al3O2 Ceramic Base Electronic Packaging

Materials 作者單位：西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院材料應(yīng)用901

Abstract This paper, from the concept of electronic packaging materials, this paper introduces the types of electronic packaging materials and its characteristics, this paper briefly illustrates the performance requirements of electronic packaging materials.Emphatically elaborated the Al3O2 superfine powder and Al3O2 ceramic base electronic encapsulation materials preparation method, and illustrates the research progress, and

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predicts their future prospect, in order to make readers to Al3O2 ceramic base electronic packaging materials have a system to understand.Key words: electronic packaging materials, Al3O2 ceramic base, preparation methods, research progress

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目錄

0 前言.............................................................4 1 西安地區(qū)建材行業(yè)狀況.............................................4 1.1建材產(chǎn)品的特點(diǎn).............................錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。

1.2消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)建材產(chǎn)品的行為特點(diǎn)...............錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。1.3西安地區(qū)建材銷售行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)情況.............錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。2 東方家園的營(yíng)銷策略分析...........................................5 2.1東方家園簡(jiǎn)介................................................5 2.2東方家園的營(yíng)銷現(xiàn)狀..........................................5 2.2.1東方家園的目標(biāo)市場(chǎng)選擇及定位分析..........................5 2.2.2東方家園的產(chǎn)品策略分析....................................5 2.2.3東方家園的價(jià)格策略分析....................................5 2.2.4東方家園的促銷策略分析....................................5 2.2.5東方家園的分銷策略分析....................................5 3 市場(chǎng)調(diào)查.........................................................6 3.1市場(chǎng)調(diào)查的目的..............................................6 3.2市場(chǎng)調(diào)查的說(shuō)明..............................................6 3.3市場(chǎng)調(diào)查的數(shù)據(jù)分析..........................................6 4 企業(yè)營(yíng)銷改進(jìn)的建議...............................................6

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0 前言

電子封裝就是把構(gòu)成電子元器件或集成電路的各個(gè)

部件按規(guī)定的要求合理布置、組裝、連接并與環(huán)境隔并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的合成 離，以防止水分、塵埃及有害氣體對(duì)元器件的侵蝕，減緩震動(dòng)，防止外力損傷并且穩(wěn)定元件參數(shù)。隨著電子產(chǎn)業(yè)的日益繁榮，電子元器件封裝產(chǎn)業(yè)也快速發(fā)展，從而帶動(dòng)塑封材料等行業(yè)的發(fā)展。電子封裝可分為塑料封裝、陶瓷封裝和金屬封裝3種，后2種為氣密性封裝，主要用于航天、航空及軍事領(lǐng)域，而塑料封裝則廣泛用于民品領(lǐng)域。由于采用塑料封裝成本低，又適用于大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)，近年來(lái)無(wú)論晶體管還是集成電路都已越來(lái) [3] 越多地采用塑料封裝，目前已占集成電路和電子元器件 [1] 封裝的90% 以上。性能優(yōu)異的電子封裝材料必須具備 2 低的介電常數(shù)和介電損耗因子（降低介電常數(shù)可縮小信

號(hào)線路之間的距離，又可以縮短導(dǎo)線的長(zhǎng)度，從而提高運(yùn)行速度）、高耐熱性、高導(dǎo)熱、高絕緣、與芯片和硅等元器件匹配且可調(diào)的熱線脹系數(shù)以及優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械性能?，F(xiàn)代電子系統(tǒng)要求信號(hào)傳播速度越來(lái)越快，電子元件的體積越來(lái)越小。材料和工藝是獲得高可靠性電子產(chǎn)品的主要限制因素，在對(duì)封裝質(zhì)量要求越來(lái)越高的情況下，必然要求材料的性能不斷提高，同時(shí)，工藝技術(shù)也需不斷提升。電子封裝材料的主要性能要求

現(xiàn)代電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品向小型化、便攜化、多功能化方向發(fā)展。電子封裝正在與電子設(shè)計(jì)和電子制造一起，共同推動(dòng)信息化社會(huì)的發(fā)展[1]。電子封裝材料主要包括基片、布線、框架、層間介質(zhì)和密封材料等。作為電子封裝材料的一部分，電子封裝基片材料應(yīng)滿足以下性能要求：1)高的熱導(dǎo)率，保證電子元件不受熱破壞；2)與芯片相匹配的線膨脹系數(shù)，確保芯片不因熱應(yīng)力而失效；3)良好的高頻特性，滿足高速傳輸要求[2?3]。此外，電子封裝基片還應(yīng)具有力學(xué)性能高、電絕緣性能好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定(對(duì)電鍍處理液、布線用金屬材料的腐蝕而言)以及易于加工等特點(diǎn)[4]。電子封裝基片材料的種類很多，包括陶瓷、環(huán)氧玻璃、金剛石、金屬及金屬基復(fù)合材料等[5]。陶瓷材料價(jià)格低廉、化學(xué)性能穩(wěn)定、熱導(dǎo)率高、介電常數(shù)低、耐熱沖擊性和電絕緣性好、高頻特性優(yōu)異、可靠性高、線膨脹系數(shù)與電子元器件非常相近[6]，主要用于對(duì)熱導(dǎo)率和氣密性要求較高的場(chǎng)合，是電子封裝中常用的基片材料[4]。當(dāng)今已投入使用的陶瓷基片主要有Al2O3、BeO、Si3N4、SiC 和AlN 等。其中Al2O3 基片價(jià)格低廉，強(qiáng)度、硬度、化學(xué)穩(wěn)定性和耐熱沖擊性能高，絕緣性和與金屬附著性良好，是目前電子行業(yè)中綜合性能較好、應(yīng)用最成熟的陶瓷材料，占陶瓷

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基片總量的90%。但是Al2O3 陶瓷熱導(dǎo)率相對(duì)較低，熱膨脹系數(shù)和Si 不太匹配，難以在大功率集成電路中大量使用[5, 7]。本文作者總結(jié)Al2O3 的多晶轉(zhuǎn)變和典型性能，介紹超細(xì)Al2O3 粉體的制備方法，探討Al2O3 陶瓷的常用燒結(jié)助劑和燒結(jié)方法，并指出Al2O3陶瓷基片的發(fā)展方向。

2超細(xì) Al2O3 粉體的制備

2.1東方家園簡(jiǎn)介

東方家園建材家居連鎖超市是由東方集團(tuán)全面引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)的經(jīng)營(yíng)

2.2東方家園的營(yíng)銷現(xiàn)狀

2.2.1東方家園的目標(biāo)市場(chǎng)選擇及定位分析

市場(chǎng)細(xì)分是建立在市場(chǎng)需求差異的基礎(chǔ)上，因此形成需求差異的各種因素 2.2.2東方家園的產(chǎn)品策略分析

在確定了市場(chǎng)定位和目標(biāo)顧客以后，用什么樣的商品和商品組合來(lái)滿足顧 2.2.3東方家園的價(jià)格策略分析[3] 價(jià)格是建材家居連鎖超市營(yíng)銷中的的一個(gè)決定性因素，價(jià)格的高低直接影 2.2.4東方家園的促銷策略分析[4] 從市場(chǎng)營(yíng)銷角度看，促銷是企業(yè)通過(guò)人員和非人員的方式，溝通企業(yè)與消 2.2.5東方家園的分銷策略分析[5] 東方家園建材超市的渠道過(guò)程為：生產(chǎn)商---建材超市---消費(fèi)者或者生產(chǎn)

第 頁(yè) Al2O3 陶瓷的燒結(jié)方法

3.1市場(chǎng)調(diào)查的目的

為了了解東方家園建材超市經(jīng)營(yíng)現(xiàn)狀、營(yíng)銷方面

3.2市場(chǎng)調(diào)查的說(shuō)明

調(diào)查時(shí)間：2012年6月24日

3.3市場(chǎng)調(diào)查的數(shù)據(jù)分析

從表3-5和圖3-5的分析中可以看出三大建材賣(mài)場(chǎng)的差別并不是很大 企業(yè)營(yíng)銷改進(jìn)的建議

依據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)及實(shí)地體驗(yàn)，對(duì)東方家園提出以下改進(jìn)意見(jiàn)：

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第二篇：電子封裝總結(jié)及思考題

第1章 緒論

2.封裝作用有哪些？

答：1).芯片保護(hù)

2).電信號(hào)傳輸、電源供電 3).熱管理（散熱）

4).方便工程應(yīng)用、與安裝工藝兼容 3.電子封裝的技術(shù)基礎(chǔ)包括哪些方面？ 答：1).基板技術(shù) 2).互連技術(shù)

3).包封/密封技術(shù) 4).測(cè)試技術(shù)

TO（Transistor Outline）三引腳晶體管型外殼 DIP 雙列直插式引腳封裝

SMT（Surface Mount Technology）表面安裝技術(shù) PGA（Pin Grid Array）針柵陣列封裝 BGA（Ball Grid Array）焊球陣列封裝 CSP（Chip Size Package）芯片尺寸封裝 MCM（Multi Chip Module）多芯片組件 3D電子封裝技術(shù)

SOP（System On a Package）SIP（System In a Package）IC影響封裝的主要因素： 1).芯片尺寸 ? 2).I/O引腳數(shù) ? 3).電源電壓 ? 4).工作頻率 ? 5).環(huán)境要求 微電子封裝發(fā)展特點(diǎn)：

1).向高密度、高I/O引腳數(shù)發(fā)展，引腳由四邊引出向面陣列發(fā)展 2).向表面安裝式封裝（SMP）發(fā)展，來(lái)適合表面安裝技術(shù)（SMT）? 3).從陶瓷封裝向塑料封裝發(fā)展

? 4).從注重IC發(fā)展芯片向先發(fā)展封裝，再發(fā)展芯片轉(zhuǎn)移 封裝的分級(jí)： 1).零級(jí)封裝：主要有引線鍵合（Wire Bonding，WB）載帶自動(dòng)焊（Tape Automated Bonding，TAB）倒裝焊（Flip Chip Bonding，F(xiàn)CB）以及埋置芯片互連技術(shù)（后布線技術(shù)）

2).一級(jí)封裝：將一個(gè)或多個(gè)IC芯片用于適宜的材料封裝起來(lái)，成為電子元器件或組合

3).二級(jí)封裝：組裝，將各種電子封裝產(chǎn)品安裝到PWB或其他基板上。包括通孔安裝技術(shù)（THT）、表面安裝技術(shù)（SMT）和芯片直接安裝（DCA）技術(shù) 4).三級(jí)封裝：密度更高，功能更全，組裝技術(shù)更加龐大復(fù)雜，是由二級(jí)組裝的各個(gè)插板或插卡再共同插裝在一個(gè)更大的母板上構(gòu)成的。這是一種立體組裝技術(shù)。

第2章 微電子工藝和厚薄膜技術(shù)

1.薄膜工藝應(yīng)用于在電子封裝的哪些方面? 2.為何需要表征薄膜材料的性能? 3.常用薄膜材料分哪幾類，分別有什么? 答：1).導(dǎo)體膜：用于形成電路圖形，為電路搭載部件提供電極以及電學(xué)連接 ? 2).電阻膜：用于形成電路中的各種電阻或電阻網(wǎng)路。

? 3).介質(zhì)膜：用于形成電容器膜和實(shí)現(xiàn)絕緣與表面鈍化的作用 ? 4).功能膜：用于實(shí)現(xiàn)除以上功能以外的特殊功能膜 微電子加工技術(shù)：

?材料制備：Si，SOI，ZnO，GaN，金屬

?結(jié)構(gòu)生成：o 圖形轉(zhuǎn)移：制版，光刻，膠光刻

o 材料堆積：PVD，CVD，電鍍，凝膠-溶膠 o 材料去除：濕法腐蝕，干法刻蝕，剝離 ?參數(shù)檢測(cè)：o 工藝過(guò)程參數(shù)

o 工藝結(jié)果參數(shù)

厚膜材料：厚膜加工工藝（幾微米至幾百微米）薄膜材料：薄膜加工工藝（幾微米以下）薄膜材料的重要性：

1).實(shí)現(xiàn)器件和系統(tǒng)微型化的最有效的技術(shù)手段

2).薄膜材料或其器件將顯示出許多全新的物理現(xiàn)象 3).可以將各種不同的材料靈活地組合在一起 薄膜材料的制備：

CVD：可以大大提高薄膜的沉積速率 PVD：蒸發(fā)法：沉積速率高、薄膜純度高

濺射法：薄膜物質(zhì)成分與靶材的成分相同，附著力強(qiáng) 薄膜表征的重要性：

1).工藝結(jié)果 2).對(duì)象性能 3).改進(jìn)參數(shù) 薄膜主要的表征量：

1).厚度 2).形貌和結(jié)構(gòu) 3).成分

1.厚膜電路形成技術(shù)有哪些？

答：1).多層厚膜印刷法，即在燒成的基板上，反復(fù)進(jìn)行印刷電路圖形、絕緣層、燒成的過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)（目前常用）

2).多層生片共燒法，在未燒成的各層生片上，分別打孔、印刷導(dǎo)體圖形、生片疊層、熱壓、脫膠、燒成，或者在生片上多次印刷后，一次燒成 2.簡(jiǎn)述絲網(wǎng)印刷厚膜制作方法？

答：使絲網(wǎng)模版與基板保持一定的間隙，用刮板以一定的速度和壓力使?jié){料從絲網(wǎng)模版的上方按圖形轉(zhuǎn)寫(xiě)在基板上，經(jīng)燒成制得厚膜電。3.厚膜導(dǎo)體和介電材料的發(fā)展趨勢(shì)是什么？ 厚膜技術(shù)：低成本、高效率

能夠用厚膜就不用薄膜 厚膜電路的優(yōu)點(diǎn)：

? 1).可直接形成電路 ? 2).容易實(shí)現(xiàn)低電路電阻 ? 3).可實(shí)現(xiàn)多層化

? 4).工藝簡(jiǎn)單、成本低廉 ? 5).可大面積、大范圍制作

第3章 基板技術(shù)

1.為什么基板技術(shù)是一項(xiàng)十分重要的微系統(tǒng)封裝技術(shù) 答：基板是實(shí)現(xiàn)元器件功能化、組件化的一個(gè)平臺(tái)。

作用：1).支撐 2).絕緣 3).導(dǎo)熱 4).信號(hào)優(yōu)化 2.常用基板分那幾類？它們的主要應(yīng)用場(chǎng)合有哪些？ 答：有機(jī)基板: 紙基板、玻璃布基板、復(fù)合材料基板、環(huán)氧樹(shù)脂類、聚酯樹(shù)脂類、耐熱塑性基板、擾性基板、積層多層基板

無(wú)機(jī)基板：金屬類基板、陶瓷類基板、玻璃類基板、硅基板、金剛石基板 3.對(duì)于功能密度越來(lái)越大的芯片，我們需要考慮的基板技術(shù)有哪些？ 4.對(duì)于本課程的內(nèi)容和講授方式，有什么樣的建議？ 基板發(fā)展趨勢(shì)：

1).布線高密度化 2).層間互連精細(xì)化 3).結(jié)構(gòu)的三維化立體化 常用基板材料：

1).Al2O3 Al2O3+SiO2，厚膜+薄膜、表面平整度

2).AlN 熱導(dǎo)率，膨脹系數(shù)，機(jī)械性能，無(wú)毒性 3).共燒陶瓷 LTCC，HTCC 4).有機(jī)多層基板 PWB 5).Si 電學(xué)、機(jī)械性能優(yōu)異，與IC完全兼容 6).金剛石 高熱導(dǎo)率，低K值，優(yōu)秀的鈍化性能 厚膜多層基板：

優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單，成本低、投資小，研制和生產(chǎn)周期短。

缺點(diǎn)：導(dǎo)體線寬、間距、布線層數(shù)及通孔尺寸受到絲網(wǎng)印制的限制 大功率密度基板的必要性：

1).各類IC芯片的功率密度越來(lái)越大 2).熱失效所占比例大

3).匹配的熱膨脹系數(shù)以及輕度高、重量輕、工藝實(shí)時(shí)性好、成本低

1.簡(jiǎn)述PWB基板的作用以及面臨的問(wèn)題 2.概述LTCC基板的特點(diǎn)、主要工藝過(guò)程 答：LTCC低溫共燒陶瓷主要優(yōu)點(diǎn): 1)燒結(jié)溫度低

2)可使用導(dǎo)電率高的材料 3)信號(hào)傳輸快 4)可提高系統(tǒng)性能

5)可埋入阻容元件，增加組裝密度

6)投資費(fèi)用低，可利用現(xiàn)有的厚膜設(shè)備和工藝 3.談?wù)勀銓?duì)顯示面板在電子行業(yè)中的作用的認(rèn)識(shí) PWB基板： 一塊具有復(fù)雜布線圖形及組裝各種元器件的平臺(tái) 新型PWB工藝：

1).薄和超薄銅箔的采用 2).小孔鉆削技術(shù)

3).小孔金屬化及深孔電鍍技術(shù) 4).精細(xì)線條的圖形刻蝕技術(shù) 5).真空層壓技術(shù)

PDP（Plasma Display Panel）等離子顯示屏

第4章 微互連技術(shù)

1.微互連主要有哪些技術(shù)？

答：1).釬焊：需要連接的母材不熔化，在其間隙中填充比母材熔點(diǎn)低、且呈熔化狀態(tài)的金屬或合金，經(jīng)冷卻固化而實(shí)現(xiàn)母材間的連接

2).引線鍵合法(WB)：將半導(dǎo)體芯片焊區(qū)與微電子封裝引線或基板上的金屬

布線用金屬絲連接起來(lái)

3).載帶自動(dòng)焊(TAB)：一種基于金屬化柔性高分子載帶將芯片組裝到基板

上的集成電路封裝技術(shù)

4).倒裝焊技術(shù)(FCB)：在裸芯片電極上形成連接用凸點(diǎn)，將芯片電極面朝

下經(jīng)釬焊或其它工藝將凸點(diǎn)和封裝基板互連 2.WB有什么樣的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)？ 3.FCB的主要思想有哪些？

答：為芯片與基板間互連用凸點(diǎn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的引線鍵合

芯片朝下、芯片覆蓋基板、陣列式引線、片間填充 表面平整度、焊接均勻性、自對(duì)準(zhǔn) 熱壓焊(TCB Thermocompressing Bonding)超聲鍵合(USB Ultrasonic Bonding)熱超聲鍵合(TSB Thermosonic Bonding)埋置芯片互連技術(shù)：

與前面先布線、后焊接不同，埋置芯片互連技術(shù)是先將IC芯片埋置到基板或PI介質(zhì)層中，再統(tǒng)一進(jìn)行金屬布線，又稱后布線技術(shù)

第5章 包封與密封技術(shù)

1.包封與密封技術(shù)的特別和各自的典型工藝 答：1).包封：用有機(jī)物材料封裝，通常用低溫聚合物來(lái)實(shí)現(xiàn)，為非氣密封裝

傳遞模注封裝：傳遞模注是熱固性塑料的一種成型方式，模注時(shí)先將原料在加熱室加熱軟化，然后壓入已被加熱的模腔內(nèi)固化成型 2).密封：用無(wú)機(jī)物材料封裝，氣密封裝

金屬封裝、陶瓷封裝、玻璃封裝 2.包封技術(shù)對(duì)于整個(gè)電子行業(yè)的影響

答：包封和密封是實(shí)現(xiàn)芯片和環(huán)境隔離、保護(hù)元器件長(zhǎng)期有效工作的重要手段 3.完整的電子封裝，應(yīng)該從哪些角度去解決設(shè)計(jì)和技術(shù)問(wèn)題

第6章 典型封裝

器件級(jí)封裝：

也稱單芯片封裝（single chip package），是對(duì)單個(gè)的電路或元器件芯片進(jìn)行包封或密封

對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上的芯片進(jìn)行封裝稱為多芯片封裝（multichip package）, 或多芯片模件（multi-chip module）

o 對(duì)芯片進(jìn)行包覆 o 引線連接 o 引出引線端子 o 完成封裝體 器件級(jí)封裝的分類：

1).金屬封裝：o 分立器件封裝

o 集成電路封裝：直插、表面扁平

o 光電器件封裝：窗口、濾鏡、光通道 o 特殊器件封裝 2).陶瓷封裝：o 直插型

o 表面貼裝型 o CBGA … 3).塑料封裝：o 直插型

o 表面貼裝型 o TAB 4).金屬陶瓷封裝：o 分立器件封裝型

o 微波電路封裝類 o 金屬框架、陶瓷絕緣 塑料封裝工藝過(guò)程： 1).模具制作、引線框架 2).芯片減薄、劃片 3).粘片 4).鍵合 5).塑封 6).固化

7).切筋、去毛刺、打標(biāo)等后處理 陶瓷封裝工藝：

1).生瓷片底板成型

2).金屬化、電鍍形成電極 3).瓷片疊層 4).燒結(jié) 5).粘片 6).鍵合

7).加強(qiáng)固定（如果必要）8).封蓋

SMT表面貼裝技術(shù)（Surface Mounting Technology）：

用自動(dòng)組裝設(shè)備將片式化、微型化的無(wú)引線、短引線表面組裝元器件（SMC/SMD）直接貼、焊到布線基板表面特定位置的一種電子裝聯(lián)技術(shù) SMT典型工藝（單面/雙面SMT）：

1).絲?。簩⒑父嗷蛸N片膠漏印到PCB的焊盤(pán)上

2).點(diǎn)膠：將膠水滴到PCB的的固定位置上，將SMC固定到PCB板上 3).貼裝：將SMC/SMD安裝到PCB的固定位置上

4).波峰焊：將熔化的焊料，經(jīng)電動(dòng)泵或電磁泵噴流成焊料波峰，實(shí)現(xiàn)元器件焊端或引腳與印制板焊盤(pán)之間機(jī)械與電氣連接的軟釬焊

5).回流焊：通過(guò)重新熔化預(yù)先分配到印制板焊盤(pán)上的膏狀軟釬焊料，實(shí)現(xiàn)元器件焊端或引腳與印制板焊盤(pán)之間機(jī)械與電氣連接的軟釬焊

6).清洗：將PCB板上面的焊接殘留物如助焊劑等除去 7).檢測(cè)：對(duì)PCB板進(jìn)行焊接質(zhì)量和裝配質(zhì)量的檢測(cè) 8).返修：對(duì)檢測(cè)出現(xiàn)故障的PCB板進(jìn)行返工 SMC泛指無(wú)源表面安裝元件 SMD泛指有源表面安裝器件

第三篇：陶瓷基復(fù)合材料

碳/碳化硅陶瓷基復(fù)合材料

一、簡(jiǎn)介

陶瓷基復(fù)合材料(Ceramic matr ix composite ,CMC)是在陶瓷基體中引入第二相材料, 使之增強(qiáng)、增韌的多相材料, 又稱為多相復(fù)合陶瓷(Multiphase composite ceramic)或復(fù)相陶瓷(Diphase ceramic)。陶瓷基復(fù)合材料是20 世紀(jì)80 年代逐漸發(fā)展起來(lái)的新型陶瓷材料, 包括纖維(或晶須)增韌(或增強(qiáng))陶瓷基復(fù)合材料、異相顆粒彌散強(qiáng)化復(fù)相陶瓷、原位生長(zhǎng)陶瓷復(fù)合材料、梯度功能復(fù)合陶瓷及納米陶瓷復(fù)合材料。其因具有耐高溫、耐磨、抗高溫蠕變、熱導(dǎo)率低、熱膨脹系數(shù)低、耐化學(xué)腐蝕、強(qiáng)度高、硬度大及介電、透波等特點(diǎn),在有機(jī)材料基和金屬材料基不能滿足性能要求的工況下可以得到廣泛應(yīng)用, 成為理想的高溫結(jié)構(gòu)材料。報(bào)道,陶瓷基復(fù)合材料正是人們預(yù)計(jì)在21 世紀(jì)中可替代金屬及其合金的發(fā)動(dòng)機(jī)熱端結(jié)構(gòu)的首選材料。鑒于此, 許多國(guó)家都在積極開(kāi)展陶瓷基復(fù)合材料的研究, 大大拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域, 并相繼研究出各種制備新技術(shù)。

其中,C/SiC 陶瓷基復(fù)合材料是其中一個(gè)非常重要的體系。C/SiC 陶瓷基復(fù)合材料主要有兩種類型, 即碳纖維/碳化硅(Cf /SiC)和碳顆粒/碳化硅(Cp/SiC)陶瓷基復(fù)合材料。Cf /SiC 陶瓷基復(fù)合材料是利用Cf 來(lái)增強(qiáng)增韌SiC 陶瓷, 從而改善陶瓷的脆性, 實(shí)現(xiàn)高溫結(jié)構(gòu)材料所必需的性能, 如抗氧化、耐高溫、耐腐蝕等;Cp/SiC 陶瓷基復(fù)合材料是利用Cp 來(lái)降低SiC 陶瓷的硬度, 實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)陶瓷的可加工性能,同時(shí)具有良好的抗氧化性、耐腐蝕、自潤(rùn)滑等。本文主要綜述了Cf /SiC 陶瓷基復(fù)合材料的制備及應(yīng)用研究現(xiàn)狀,并且從結(jié)構(gòu)和功能一體化的角度, 提出了采用軟機(jī)械力化學(xué)法制備Cp 與SiC 復(fù)合粉體, 通過(guò)無(wú)壓燒結(jié)得到強(qiáng)度、抗氧化性、耐腐蝕等性能以滿足普通民用工業(yè)用的Cp/SiC 陶瓷基復(fù)合材料的制備技術(shù)及應(yīng)用前景。陶瓷基復(fù)合材料的性能與其結(jié)構(gòu)緊密相關(guān), 原材料、結(jié)構(gòu)和工藝不同,材料的性能也不同。構(gòu)成復(fù)合材料的組分材料包括纖維、基體和界面, 對(duì)于C/SiC 陶瓷基復(fù)合材料而言,界面的材料和結(jié)構(gòu)是影響其性能的關(guān)鍵。陶瓷基復(fù)合材料的性能包括物理化學(xué)性能和力學(xué)性能, 物化性能主要有密度、孔隙率、線膨脹系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)、熱導(dǎo)率、比熱容、抗氧化等, 力學(xué)性能主要有強(qiáng)度、模量、斷裂韌性、疲勞、高溫蠕變、抗熱震性、耐燒蝕等性能。韓秀峰等[4] 通過(guò)對(duì)C/SiC 復(fù)合材料進(jìn)行基體改性, 制備了2D C/C-SiC 復(fù)合材料,并與2DC-SiC 的顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能作了對(duì)比, 結(jié)果表明, 2D C/CSiC復(fù)合材料可在基本保持2D C/SiC 的抗彎強(qiáng)度的基礎(chǔ)上, 顯著提高斷裂韌性,基體改性效果明顯, 并得出結(jié)論,纖維的逐級(jí)拔出是KIC提高的原因。郭友軍等[ 5] 采用CVI 法制備了在厚度方向上具有纖維增強(qiáng)的3D-C/SiC 陶瓷基復(fù)合材料,其層間抗剪切強(qiáng)度比二維碳布疊層C/SiC 復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度提高171.4 %, 表現(xiàn)出良好的結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)異的力學(xué)性能。然而, 2D 層合編織結(jié)構(gòu)雖工藝成熟、成本低、制品尺寸范圍廣,但層間結(jié)合強(qiáng)度不高, 易分層;3D 整體編織結(jié)構(gòu)雖能有效提高厚度方向的強(qiáng)度和抗沖擊損傷性能, 但編織角較小時(shí)橫向力學(xué)性能較差。2.5D C/SiC 復(fù)合材料是一種不同于2D 和3D 的新型復(fù)合材料, 其編織結(jié)構(gòu)是用緯紗貫穿經(jīng)紗, 形成互鎖, 從而增強(qiáng)材料層間結(jié)合強(qiáng)度, 并改善橫向力學(xué)性能。如Boitier 等對(duì)2.5D C/SiC 復(fù)合材料的拉伸蠕變性能進(jìn)行測(cè)試和研究。Dalmaz 等對(duì)2.5D C/SiC 復(fù)合材料的循環(huán)疲勞性能和彈性模量進(jìn)行研究和分析。李宏等對(duì)2.5D C/SiC 復(fù)合材料的熱物理性能進(jìn)行了研究并得出結(jié)論:從室溫到1400 ℃縱向、橫向的熱膨脹系數(shù)隨溫度的升高而緩慢增加,在350 ℃和700 ℃附近出現(xiàn)波動(dòng);橫向的熱膨脹系數(shù)略高于縱向, 厚度方向的熱擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的升高逐漸降低, 且下降速率隨溫度的升高而變緩;經(jīng)過(guò)CVD S iC 涂層后,材料熱擴(kuò)散系數(shù)提高1 ～ 2 倍。姚亞?wèn)|等以正硅酸乙酯和硝酸鋁為原料, 制備了莫來(lái)石溶膠, 用浸涂法在碳/碳化硅Cf /SiC)上制備莫來(lái)石涂層(Mullite coating , MC), 對(duì)Cf /S iC 和Cf /SiC MC 進(jìn)行了等溫-氧化實(shí)驗(yàn),并研究了兩者的氧化規(guī)律。結(jié)果表明,Cf /SiC 和Cf /SiC MC 的氧化都可以劃分為3 個(gè)主要階段:θ<700 ℃;700 ℃<θ<1000 ℃;1000 ℃<θ<1200 ℃。在各個(gè)階段, 控制氧化速率的機(jī)理各有不同,Cf /SiCMC 的氧化質(zhì)量損失比Cf /SiC 的低50 %左右, 由此得出,MC 有效提高了Cf /SiC 的抗氧化性能。

二、C/ SiC 陶瓷基復(fù)合材料的主要制備技術(shù)

前驅(qū)體有機(jī)聚合物浸漬熱解轉(zhuǎn)化技術(shù)

將前驅(qū)體有機(jī)聚合物浸漬熱解(裂解)轉(zhuǎn)化(Polymer infiltrationpyrolysis ,簡(jiǎn)稱PIP)制備陶瓷基復(fù)合材料是20世紀(jì)70 年代至80 年代發(fā)展起來(lái)的新工藝和新技術(shù)。其基本原理是:合成前驅(qū)體有機(jī)聚合物, 將纖維預(yù)制體在前驅(qū)體溶液中浸漬,在一定條件下交聯(lián)固化, 然后在一定的溫度和氣氛下熱解轉(zhuǎn)化為陶瓷基體, 經(jīng)反復(fù)浸漬熱解最終獲得致密陶瓷基復(fù)合材料。Yajima S 曾以聚碳硅烷(Polycarbosilane, 簡(jiǎn)稱PCS)為原料制備出SiC 纖維, 開(kāi)創(chuàng)了有機(jī)聚合制備陶瓷的新領(lǐng)域。20 世紀(jì)80 年代中期掀起了對(duì)PIP 技術(shù)制備陶瓷基復(fù)合材料的研究熱潮, 20 多年來(lái), 日本、美國(guó)、法國(guó)和中國(guó)等在PIP 技術(shù)制備陶瓷基復(fù)合材料領(lǐng)域展開(kāi)了廣泛深入的研究,并取得了一些實(shí)用化的成果。簡(jiǎn)科等將先驅(qū)體聚碳硅烷與二乙烯基苯按物質(zhì)的量比1 ∶0.4 配置成溶液, 真空浸漬碳纖維三維編織體, 120 ℃下交聯(lián)固化6h , 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后取出, 然后在氬氣保護(hù)下高溫?zé)峤? 制得三維編織碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料, 經(jīng)過(guò)7 個(gè)真空浸漬-交聯(lián)固化-高溫?zé)峤庵芷? 使材料致密化, 制得材料彎曲強(qiáng)度達(dá)到556.7MPa 的Cf /SiC 復(fù)合材料。然而, 前驅(qū)體有機(jī)聚合物浸漬熱分解轉(zhuǎn)化技術(shù)制備的陶瓷基復(fù)合材料孔隙率高、體積變形大、工藝周期長(zhǎng)、生產(chǎn)效率低、工藝成本高, 不利于其推廣應(yīng)用。因此, 有待于探討新的制備方法, 如PIP 與CV I 聯(lián)用,不僅能夠提高復(fù)合材料的致密性, 而且縮短周期, 提高生產(chǎn)效率。

化學(xué)氣相沉積及滲積技術(shù)

化學(xué)氣相沉積技術(shù)(Chemical vapor deposition , 簡(jiǎn)稱CVD)是在具有貫通間隙的增強(qiáng)相材料(如纖維、晶須或顆粒)坯體或纖維編織體骨架中沉積陶瓷基體制備陶瓷基復(fù)合材料的方法, 其工藝為纖維編織體骨架或坯體置于化學(xué)氣相沉積爐內(nèi),通入沉積反應(yīng)源氣, 在沉積溫度下熱解或發(fā)生反應(yīng),生成所需的陶瓷基體材料,沉積在坯體的孔隙中, 并逐步填滿?；瘜W(xué)氣相沉積溫度一般為1100 ～ 1500 ℃。如閆志巧等采用化學(xué)氣相沉積法, 于1100 ℃在碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料表面制備SiC 涂層, 研究了涂層連續(xù)沉積和分4 次沉積(每次沉積時(shí)間為6h)所制備的SiC 涂層的微觀結(jié)構(gòu)和涂層樣品的氧化性能。結(jié)果表明,與連續(xù)涂層樣品相比,4 次涂層能顯著提高C/SiC 樣品的抗氧化性能。CVD 工藝的優(yōu)點(diǎn)是:復(fù)合材料在制備過(guò)程中纖維受到的機(jī)械損傷和化學(xué)損傷小;可以制備纖維多向排布、編織和復(fù)雜形狀的制品;可用于制備組成可調(diào)的梯度功能復(fù)合材料。但CV D 技術(shù)也存在不足:生產(chǎn)周期長(zhǎng), 效率低, 成本高;坯體中的孔隙在CV D 過(guò)程中容易堵塞或形成閉孔, 即使提高壓強(qiáng), 反應(yīng)源氣體也無(wú)法進(jìn)入, 因而難以獲得高致密性的復(fù)合材料。目前常見(jiàn)的有常壓CV D、低壓CV D、等離子CVD、熱CVD、間隙CVD 和激光CVD 等方法。基于CVD 技術(shù)存在難以克服的缺點(diǎn), 人們又在此基礎(chǔ)上發(fā)展了化學(xué)氣相滲積技術(shù)。其基本原理是將氣態(tài)先驅(qū)體送達(dá)多孔隙的纖維編制預(yù)成型體中的纖維表面, 在其上發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成不揮發(fā)的產(chǎn)物并沉積, 形成陶瓷基體, 與預(yù)成型體中的纖維一道構(gòu)成復(fù)合材料, 并有可能用于凈成型而毋須對(duì)復(fù)合材料產(chǎn)品進(jìn)行二次機(jī)械加工。CVI 與CVD 相比具有效率高、速度快、密度高、強(qiáng)度高、韌性高、臨界應(yīng)變值高,可以制備大尺寸部件等諸多優(yōu)點(diǎn)。常規(guī)的CV I 工藝是等溫CVI , 它具有能在同一反應(yīng)爐中同時(shí)沉積多個(gè)或不同形狀的預(yù)制件的優(yōu)點(diǎn), 但只能沉積簡(jiǎn)單的薄壁件, 對(duì)于粗厚型件內(nèi)部往往出現(xiàn)孔洞, 存在致密性差, 材料沉積不均勻的問(wèn)題, 同時(shí)其工藝周期特別長(zhǎng), 材料制備成本較高。為了降低成本, 縮短工藝周期和優(yōu)化工藝,陸續(xù)出現(xiàn)了脈沖法、熱梯度法、壓差溫度梯度法等。北京航空材料研究院提出了一種位控化學(xué)氣相沉積法來(lái)制備Cf /SiC 材料, 制備的復(fù)合材料致密性好, 當(dāng)纖維的體積分?jǐn)?shù)約為50 %時(shí), 材料的密度達(dá)到2.44g/cm3 , 為理論密度的96 %。此外還有激光CV I(LCVI)法、強(qiáng)制流動(dòng)熱梯度CVI法(FCVI)、微波CVI 法(MWCVI)等, 應(yīng)用這些工藝, 可制備零維到三維的形狀稍微復(fù)雜的陶瓷材料構(gòu)件[ 17 ,18]。如魏璽等根據(jù)C 纖維預(yù)制體的結(jié)構(gòu)特征, 建立了ICVI 過(guò)程中預(yù)制體孔隙演變的“多尺度孔隙模型” , 并根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和傳質(zhì)學(xué)的基本理論, 建立了用于C/SiC 復(fù)合材料ICVI過(guò)程的數(shù)學(xué)模型, 很好地描述了C/SiC 復(fù)合材料ICVI 致密化過(guò)程,對(duì)ICVI 工藝的優(yōu)化有指導(dǎo)意義。因此, CVI 技術(shù)是目前應(yīng)用較廣泛的一種制備陶瓷基復(fù)合材料行之有效的方法。

料漿浸漬及熱壓燒結(jié)法

料漿浸漬及熱壓燒結(jié)法是最早用于制備連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的方法,其基本原理是將具有可燒結(jié)性的基體原料粉末與連續(xù)纖維用浸漬工藝制成坯體, 然后在高溫下加壓燒結(jié), 使基體材料與纖維結(jié)合制成復(fù)合材料。該技術(shù)已用于制備各種纖維增強(qiáng)玻璃和玻璃陶瓷基復(fù)合材料。20世紀(jì)90 年代初又將此工藝用于制備非氧化物陶瓷基體, 如S iC、Si3N4 陶瓷基體等, 并將該法用于先驅(qū)體轉(zhuǎn)化制備Cf /S iC 陶瓷基復(fù)合材料, 在料漿浸漬熱壓工藝制備Cf /SiC 復(fù)合材料中,可制備性能較好的纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。但用該法難以制備大尺寸及形狀復(fù)雜的陶瓷基復(fù)合材料,只能制得一維或二維的纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料, 對(duì)于三維編織物增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料, 熱壓時(shí)易使纖維骨架變形移位和受到損傷, 并且纖維與基體的比例較難控制, 成品中的纖維不易均勻分布。

液相硅浸漬法

液相硅浸漬法(Liquid silicon infiltration , 簡(jiǎn)稱LSI)是指在真空條件下, 固體硅在1600 ℃下熔融成液態(tài)硅, 通過(guò)多孔碳/碳坯體中氣孔的毛細(xì)作用滲透到坯體內(nèi)部與碳基體反應(yīng)生成碳化硅基體, 因此, 又稱反應(yīng)性熔體浸滲法(Reactivemelt infilt ration , RMI)。通過(guò)控制硅的用量可以得到C/CSiC 復(fù)合材料或C/Si-SiC 復(fù)合材料。德國(guó)宇航院曾采用反應(yīng)熔體浸滲多孔C/C 復(fù)合材料的方法制備了C/SiC 復(fù)合材料。萬(wàn)玉慧等采用液相硅浸漬法制備了密度為2.31g/cm3的2D C/SiC 陶瓷基復(fù)合材料, 并對(duì)材料的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。采用液相硅浸漬工藝可以制備大尺寸、復(fù)雜的薄壁結(jié)構(gòu)組件, 工藝時(shí)間短, 材料來(lái)源廣泛, 可以近凈成型, 成本較低。然而LS I 工藝的不足在于制備Cf /SiC 復(fù)合材料時(shí), 由于熔融Si 與基體C 發(fā)生反應(yīng)的過(guò)程中, 不可避免地會(huì)與碳纖維發(fā)生反應(yīng), 纖維被浸蝕導(dǎo)致性能下降;同時(shí), 復(fù)合材料中殘留有一定量的Si 導(dǎo)致復(fù)合材料抗蠕變性能降低。

其他制備方法

上述方法均用來(lái)制備碳纖維增強(qiáng)碳化硅(Cf /SiC)陶瓷基復(fù)合材料,對(duì)于制備碳顆粒復(fù)合碳化硅(Cp/SiC)陶瓷基復(fù) 合材料,采用軟化學(xué)方法[ 23] 較為經(jīng)濟(jì)合理、普遍。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和社會(huì)需求的不斷增長(zhǎng), 人們對(duì)基礎(chǔ)性材料之一———顆粒的粒徑、純度、形貌及微結(jié)構(gòu)提出了越來(lái)越高的要求。傳統(tǒng)的高溫固相燒結(jié)法制得的顆粒粒徑大且分布范圍寬,雜質(zhì)含量高且波動(dòng)性大, 一定程度上影響了材料的性能。因此, 高溫固相法已不能滿足科技發(fā)展的要求。相對(duì)于傳統(tǒng)的高溫固相法而言, 軟化學(xué)方法(Soft chemistry , SF)是一種在低溫低壓的“軟環(huán)境”中制備粉體材料的方法,近年來(lái)已廣泛應(yīng)用于制備功能納米材料。作為一類先進(jìn)的材料制備手段, 軟化學(xué)方法接近自然過(guò)程, 其因反應(yīng)條件溫和, 且生產(chǎn)出的納米顆粒高純超細(xì)、性能優(yōu)異, 引起了人們的廣泛關(guān)注, 并得到迅速發(fā)展[ 24]。因此, 加強(qiáng)軟化學(xué)穩(wěn)定體系的基礎(chǔ)理論及應(yīng)用研究, 對(duì)于開(kāi)發(fā)新的功能材料, 提高材料的性能,不斷拓展新的應(yīng)用空間具有重要意義。溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠(S ol-Gel)制備技術(shù)已用于生產(chǎn)各種高性能陶瓷[ 27] , 在軟化學(xué)方法中具有特殊的地位。溶膠-凝膠技術(shù)是一種由金屬有機(jī)化合物、金屬無(wú)機(jī)化合物或上述兩者混合物經(jīng)水解縮聚過(guò)程, 逐漸膠化并進(jìn)行相應(yīng)的后處理, 最終獲得氧化物或其他化合物的工藝。如今它已成為研究最多、應(yīng)用最廣泛的制備納米材料的化學(xué)方法之一。溶膠-凝膠法制備的復(fù)合組分純度高、分散性好,可廣泛用于制備顆粒(包括納米粒子)/陶瓷、(纖維-顆粒)/陶瓷復(fù)合材料, 且制得的陶瓷基復(fù)合材料性能良好。Liedtke 等[ 25] 采用快速溶膠-凝膠法, 將碳纖維預(yù)制體經(jīng)過(guò)溶膠浸漬、固化得到凝膠, 然后經(jīng)高溫高壓熱分解制備C/SiC 復(fù)合材料, 用此法制備的C/SiC 復(fù)合陶瓷的性能和可能的應(yīng)用將優(yōu)于商業(yè)化的產(chǎn)品。Gadiou 等通過(guò)溶膠-凝膠法制備的碳化物涂層提高了C 纖維的抗氧化性能。

軟機(jī)械力化學(xué)法

機(jī)械力化學(xué)技術(shù)(Mechanochemical process , CP)是利用機(jī)械能誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)和誘導(dǎo)材料組織、結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生變化來(lái)制備新材料或?qū)Σ牧线M(jìn)行改性處理。機(jī)械力化學(xué)法與傳統(tǒng)的技術(shù)工藝相比,具有以下優(yōu)勢(shì):①減少生產(chǎn)階段, 簡(jiǎn)化工藝流程;②不涉及溶劑的使用及熔煉, 減少了對(duì)環(huán)境的污染;③可獲得用傳統(tǒng)的工藝很難或不能獲得的亞穩(wěn)相產(chǎn)品。21 世紀(jì)初, Lu 等將Ti、Si、C 按Ti25 Si25C50 的比例混合, 采用機(jī)械力化學(xué)法, 經(jīng)過(guò)100h 行星球磨后, 制備出TiC-SiC 復(fù)合粉體;崔曉龍等以硅粉和石油焦為原料利用機(jī)械合金化技術(shù)制備出SiC , 并認(rèn)為生成物是六方晶型的α-SiC。然而,硬機(jī)械力化學(xué)法在隨機(jī)研磨過(guò)程中能量效率低, 并對(duì)材料產(chǎn)生污染。但是, 軟機(jī)械力化學(xué)法(“ Soft ” mechanochemicalprocesses , SMCP)是采用機(jī)械法將原材料進(jìn)行預(yù)處理,從而降低其反應(yīng)活化能, 制備陶瓷復(fù)合粉體的一種方法。如Yang Yun 等以C 粉、Si 粉、聚四氟乙烯/PVC/NH4Cl為原料, 采用機(jī)械激活(軟機(jī)械力化學(xué))燃燒合成反應(yīng)法(MASHS)在氬氣氛保護(hù)下球磨2 ～ 8h , 制備出β-SiC 不同粒徑的超細(xì)粉料, 將傳統(tǒng)的燃燒合成SiC 微粉的燃燒溫度從2273 ～ 3273K 降低到1600 ～ 1700K , 甚至更低。筆者通過(guò)試驗(yàn)得出, 軟機(jī)械力化學(xué)法是制備Cp/SiC 復(fù)合粉體行之有效的方法之一, 采用該法不僅較好地改善了碳顆粒在SiC 中的分散均勻性問(wèn)題, 而且能夠降低復(fù)合粉體的燒結(jié)溫度, 制備出綜合性能(熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、可加工性等)良好的陶瓷基復(fù)合材料。三、應(yīng)用前景

可應(yīng)用于剎車材料、航空航天用熱結(jié)構(gòu)材料、衛(wèi)星反射鏡用材料、高溫玻璃支架、夾具及模具材料等，應(yīng)用范圍之廣，作用之大是未來(lái)主要材料之一。

第四篇：陶瓷基復(fù)合材料（范文）

陶瓷基復(fù)合材料的研究與展望

涂秋梅

（中國(guó)計(jì)量學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

摘要

陶瓷基復(fù)合材料不是傳統(tǒng)意義上的陶瓷，它是以陶瓷為基體與各種纖維復(fù)合的一類復(fù)合材料，通過(guò)往陶瓷材料中加入起增韌作用的第二相而增加陶瓷的韌性來(lái)克服傳統(tǒng)陶瓷脆性差的缺點(diǎn)，使得陶瓷基復(fù)合材料成為了人們廣泛的研究熱點(diǎn)，也使陶瓷基復(fù)合材料展現(xiàn)出了廣泛的應(yīng)用前景。本文綜述了陶瓷基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀，闡述了復(fù)合陶瓷材料的特點(diǎn)，介紹了陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：陶瓷基復(fù)合材料；研究現(xiàn)狀；特點(diǎn)；應(yīng)用領(lǐng)域

Research and Prospect of composite ceramic

Qiumei Tu(College of Material Science and Engineering, China Jiliang University，Zhejiang Hangzhou 310018)

Abstract Ceramic matrix composite materials is not the traditional sense of ceramics, it is a kind of composite material with ceramic composite matrix with various fiber, the second phase in ceramic materials are added to the toughening effect and increase the toughness of ceramic to overcome the traditional shortcomings make the brittleness of ceramic, ceramic matrix composites becomes a research hotspot extensive, also make the ceramic matrix composites showed wide application prospect.This paper summarized the present research situation of ceramic matrix composites, expounds the characteristics of composite ceramic materials, introduces the field of application of Tao Ciji composites.Keywords: ceramic matrix composites;research status;characteristics;application 0.前言

近些年新材料的世界市場(chǎng)正以兩倍于整個(gè)世界經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度而發(fā)展。其中陶瓷基復(fù)合材料的發(fā)展尤為矚目。同金屬材料相比,陶瓷材料在耐熱性、耐磨性、抗氧化、抗腐蝕以及高溫力學(xué)性能等方面都具有不可替代的優(yōu)點(diǎn)，它克服了一般陶瓷的脆性，其應(yīng)用已涉及到空間探索、科研、生產(chǎn)、建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域[1]。

1.陶瓷基復(fù)合材料的概況

陶瓷基復(fù)合材料不是傳統(tǒng)意義上的陶瓷，陶瓷基復(fù)合材料是以陶瓷為基體與各種纖維復(fù)合的一類復(fù)合材料。陶瓷基體可為氮化硅、碳化硅等高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。這些先進(jìn)陶瓷具有耐高溫、高強(qiáng)度和剛度、相對(duì)重量較輕、抗腐蝕等優(yōu)異性能，而其致命的弱點(diǎn)是具有脆性，處于應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂導(dǎo)致材料失效。而采用高強(qiáng)度、高彈性的纖維與基體復(fù)合，則是提高陶瓷韌性和可靠性的一個(gè)有效的方法。纖維能阻止裂紋的擴(kuò)展，從而得到有優(yōu)良韌性的纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。

2.陶瓷基復(fù)合材料的增韌技術(shù)[2]

陶瓷基復(fù)合材料中的增強(qiáng)體通常也稱為增韌體。從幾何尺寸上可分為纖維（長(zhǎng)、短纖維）、晶須和顆粒三類。2.1纖維增韌

為了提高復(fù)合材料的韌性，必須盡可能提高材料斷裂時(shí)消耗的能量。任何固體材料在載荷作用下(靜態(tài)或沖擊)，吸收能量的方式無(wú)非是兩種：材料變形和形成新的表面。對(duì)于脆性基體和纖維來(lái)說(shuō)，允許的變形很小，因此變形吸收的斷裂能也很少。為了提高這類材料的吸能，只能是增加斷裂表面，即增加裂紋的擴(kuò)展路徑。

纖維的引入不僅提高了陶瓷材料的韌性，更重要的是使陶瓷材料的斷裂行為發(fā)生了根本性變化，由原來(lái)的脆性斷裂變成了非脆性斷裂。纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的增韌機(jī)制包括基體預(yù)壓縮應(yīng)力、裂紋擴(kuò)展受阻、纖維拔出、纖維橋聯(lián)、裂紋偏轉(zhuǎn)、相變?cè)鲰g等[3,4]。

能用于增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的纖維種類較多，包括氧化鋁系列(包括莫來(lái)石)、碳化硅系列、氮化硅系列、碳纖維等，除了上述系列纖維外，目前正在開(kāi)發(fā)的還有BN、TiC、B4C等復(fù)相纖維[5]。

纖維拔出是纖維復(fù)合材料的主要增韌機(jī)制，通過(guò)纖維拔出過(guò)程的摩擦耗能，使復(fù)合材料的斷裂功增大，纖維拔出過(guò)程的耗能取決于纖維拔出長(zhǎng)度和脫粘面的滑移阻力，滑移阻力過(guò)大，纖維拔出長(zhǎng)度較短，增韌效果不好，如果滑移阻力過(guò)小，盡管纖維拔出較長(zhǎng)，但摩擦做功較小，增韌效果也不好，反而強(qiáng)度較低。纖維拔出長(zhǎng)度取決于纖維強(qiáng)度分布、界面滑移阻力。2.2晶須增韌

陶瓷晶須是具有一定長(zhǎng)徑比且缺陷很少的陶瓷小單晶，因而具有很高的強(qiáng)度，是一種非常理想的陶瓷基復(fù)合材料的增韌增強(qiáng)體[6]。陶瓷晶須目前常用的有SiC晶須，Si3N4晶須和Al2O3晶須?；w常用的有ZrO2、Si3N4、SiO2、Al2O3和莫來(lái)石等。

晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料的主要增韌機(jī)制包括晶須拔出、裂紋偏轉(zhuǎn)、晶須橋聯(lián)、其增韌機(jī)理與纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料相類似。晶須增韌效果不隨溫度而變化，因此，晶須增韌被認(rèn)為是高溫結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料的主要增韌方式。晶須增韌陶瓷復(fù)合材料主要有2種方法[7]。(1)外加晶須法：即通過(guò)晶須分散、晶須與基體混合、成形、再經(jīng)煅燒制得增韌陶瓷。如加入到氧化物、碳化物、氮化物等基體中得到增韌陶瓷復(fù)合材料，此法目前較為普遍；(2)原位生長(zhǎng)晶須法：將陶瓷基體粉末和晶須生長(zhǎng)助劑等直接混合成形，在一定的條件下原位合成晶須，同時(shí)制備出含有該晶須的陶瓷復(fù)合材料，這種方法尚未成熟，有待進(jìn)一步探索。2.3顆粒增韌

用顆粒作為增韌劑，制備顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料，其原料的均勻分散及燒結(jié)致密化都比短纖維及晶須復(fù)合材料簡(jiǎn)便易行。因此，盡管顆粒的增韌效果不如晶須與纖維，但如顆粒種類、粒徑、含量及基體材料選擇得當(dāng)，仍有一定的韌化效果，同時(shí)會(huì)帶來(lái)高溫強(qiáng)度、高溫蠕變性能的改善。所以，顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料同樣受到重視，并開(kāi)展了有效的研究工作。從增韌機(jī)理上分，顆粒增韌分為非相變第二相顆粒增韌、延性顆粒增韌、納米顆粒增韌[8]。

非相變第二相顆粒增韌主要是通過(guò)添加顆粒使基體和顆粒間產(chǎn)生彈性模量和熱膨脹失配來(lái)達(dá)到強(qiáng)化和增韌的目的。延性顆粒增韌是在脆性陶瓷基體中加入第二相延性顆粒來(lái)提高陶瓷的韌性，一般加入金屬粒子。金屬粒子作為延性第二相引入陶瓷基體內(nèi)，不僅改善了陶瓷的燒結(jié)性能，而且可以以多種方式阻礙陶瓷中裂紋的擴(kuò)展，如裂紋的鈍化、偏轉(zhuǎn)、釘扎及金屬粒子的拔出等，使得復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性得以提高。Al2O3-10%(體積分?jǐn)?shù))Ni3Al復(fù)合材料中的斷裂主要是沿晶斷裂，Ni3Al顆粒的存在使裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖1(a)。圖1(a)所示的材料室溫下斷裂韌性值為7 MPa·m1/2。復(fù)合材料中裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中碰到緊鄰的長(zhǎng)條狀Ni3Al顆粒后發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)從而減小了裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力，提高了復(fù)合材料的韌性。而圖1(b)所示的材料的斷裂韌性值僅為3 MPa·m1/2，對(duì)Al2O3陶瓷基本起不到增韌的效果。這是因?yàn)榍驙畹腘i3Al對(duì)促使裂紋偏轉(zhuǎn)作用很小。由此可見(jiàn)第二相對(duì)裂紋偏轉(zhuǎn)的程度取決于其顆粒形狀。顆粒的長(zhǎng)徑比越大，對(duì)裂紋偏轉(zhuǎn)作用越明顯，阻止其擴(kuò)展的能量越大，直到阻止其繼續(xù)擴(kuò)展。因此為了顯著地提高復(fù)合材料的斷裂韌性，應(yīng)該合理地選擇第二相顆粒的長(zhǎng)徑比[9]。

圖1 Ni3Al顆粒對(duì)裂紋偏轉(zhuǎn)的作用(b)長(zhǎng)條狀Ni3Al顆粒；(b)球狀Ni3Al顆粒

另外，在圖1中還可以明顯的看出裂紋的彎曲，當(dāng)裂紋經(jīng)過(guò)顆粒時(shí)，其尖端在顆粒出發(fā)生彎曲，形狀改變，裂紋長(zhǎng)度的增加和新裂紋表面的形成都會(huì)消耗能量，從而達(dá)到提高復(fù)合材料韌性的效果。第二相增韌顆粒從微米級(jí)減小到亞微米或納米時(shí)，材料的性能同樣會(huì)發(fā)生顯著變化，納米復(fù)相陶瓷便應(yīng)運(yùn)而生。在實(shí)現(xiàn)陶瓷的完全納米化比較困難的情況下，納米復(fù)合增韌則是一種非常切實(shí)可行的技術(shù)。

2.陶瓷基復(fù)合材料的成型[1]

陶瓷基復(fù)合材料的成形方法分為兩類：一類是針對(duì)陶瓷短纖維、晶須、顆粒等增強(qiáng)體，復(fù)合材料的成形工藝與陶瓷基本相同，如料漿澆鑄法、熱壓燒結(jié)法等；另一類是針對(duì)碳、石墨、陶瓷連續(xù)纖維增強(qiáng)體，復(fù)合材料的成形工藝常采用料漿浸滲法、料漿浸漬后熱壓燒結(jié)法和化學(xué)氣相滲透法。料漿浸滲法是將纖維增強(qiáng)體編織成所需形狀，用陶瓷漿料浸滲，干燥后進(jìn)行燒結(jié)。該法的優(yōu)點(diǎn)是不損傷增強(qiáng)體，工藝較簡(jiǎn)單，無(wú)需模具。缺點(diǎn)是增強(qiáng)體在陶瓷基體中的分布不大均勻。

料漿浸漬熱壓成形法是將纖維或織物增強(qiáng)體置于制備好的陶瓷粉體漿料里浸漬，然后將含有漿料的纖維或織物增強(qiáng)體布成一定結(jié)構(gòu)的坯體，干燥后在高溫、高壓下熱壓燒結(jié)為制品。與浸滲法相比，該方法所獲制品的密度與力學(xué)性能均有所提高。

氣相滲透工藝是將增強(qiáng)纖維編織成所需形狀的預(yù)成形體，并置于一定溫度的反應(yīng)室內(nèi)，然后通入某種氣源，在預(yù)成形體孔穴的纖維表面上產(chǎn)生熱分解或化學(xué)反應(yīng)沉積出所需陶瓷基質(zhì)，直至預(yù)成形體中各孔穴被完全填滿，獲得高致密度、高強(qiáng)度、高韌度的制件。

3.陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用前景

目前有將陶瓷基復(fù)合材料用作耐磨材料，做軸承、刀具等。復(fù)合材料的應(yīng)用是十分廣泛，幾乎包括日常生活、化學(xué)工業(yè)、機(jī)械、電子、石油、食品、航空航天、國(guó)防等各個(gè)部門(mén)與領(lǐng)域。陶瓷基復(fù)合材料已實(shí)用化或即將實(shí)用化的領(lǐng)域有刀具、滑動(dòng)構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)制件、能源構(gòu)件等。法國(guó)已將長(zhǎng)纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料應(yīng)用于制造高速列車的制動(dòng)件，顯示出優(yōu)異的摩擦磨損特性，取得滿意的使用效果。連續(xù)纖維補(bǔ)強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料(Continuous FiberReinforced Ceramic Matrix Composites，簡(jiǎn)稱CFCC)是將耐高溫的纖維植入陶瓷基體中形成的一種高性能復(fù)合材料。由于其具有高強(qiáng)度和高韌性，特別是具有與普通陶瓷不同的非失效性斷裂方式，使其受到世界各國(guó)的極大關(guān)注。連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料已經(jīng)開(kāi)始在航天航空、國(guó)防等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[10,11]。20多年來(lái)，世界各國(guó)特別是歐美以及日本等對(duì)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝和增強(qiáng)理論進(jìn)行了大量的研究，取得了許多重要的成果，有的已經(jīng)達(dá)到實(shí)用化水平。如法國(guó)生產(chǎn)的“Cerasep”可作為“Rafale”戰(zhàn)斗機(jī)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和“Hermes”航天飛機(jī)的部件和內(nèi)燃機(jī)的部件[4]；SiO2纖維增強(qiáng)SiO2復(fù)合材料已用作“哥倫比亞號(hào)”和“挑戰(zhàn)者號(hào)”航天飛機(jī)的隔熱瓦[5]。由于纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料有著優(yōu)異的高溫性能、高韌性、高比強(qiáng)、高比模以及熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，能有效地克服對(duì)裂紋和熱震的敏感性。

4.總結(jié)

新型材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用已成為當(dāng)今科技進(jìn)步的一個(gè)重要標(biāo)志，陶瓷基復(fù)合材料使材料的韌性大大改善，同時(shí)其強(qiáng)度、模量有了提高。陶瓷基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐高溫性能，主要用作高溫及耐磨制品，其最高使用溫度主要取決于基體特征，并顯示出優(yōu)異的摩擦磨損特性，取得滿意的使用效果，陶瓷基復(fù)合材料已實(shí)用化，它正以其優(yōu)良的性能引起人們的重視。目前，陶瓷基復(fù)合材料幾乎遍及現(xiàn)代科技的每一個(gè)領(lǐng)域?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著對(duì)其理論問(wèn)題的不斷深入研究和制備技術(shù)的不斷開(kāi)發(fā)與完善，它的應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大，應(yīng)用前景十分廣闊。參考文獻(xiàn)：

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第五篇：陶瓷基復(fù)合材料

陶瓷基復(fù)合材料論文

2015年5月5日

摘要：陶瓷基復(fù)合材料主要以高性能陶瓷為基體．通過(guò)加入顆粒、晶須、連續(xù)纖維和層狀材料等增強(qiáng)體而形成的復(fù)合材料。如碳化硅、氮化硅、氧化鋁等，具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、重量輕和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。陶瓷基復(fù)合材料的研究還處于較初級(jí)階段，我國(guó)對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的研究則剛剛起步不久。

關(guān)鍵詞：陶瓷基復(fù)合材料

基體

增強(qiáng)體

強(qiáng)韌化機(jī)理

制備技術(shù)

前言：陶瓷基復(fù)合材料是以陶瓷為基體與各種纖維復(fù)合的一類復(fù)合材料。陶瓷基體可為氮化硅、碳化硅等高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。這些先進(jìn)陶瓷具有耐高溫、高強(qiáng)度和剛度、相對(duì)重量較輕、抗腐蝕等優(yōu)異性能，而其致命的弱點(diǎn)是具有脆性，處于應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂導(dǎo)致材料失效。而采用高強(qiáng)度、高彈性的纖維與基體復(fù)合，則是提高陶瓷韌性和可靠性的一個(gè)有效的方法。纖維能阻止裂紋的擴(kuò)展，從而得到有優(yōu)良韌性的纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。

陶瓷基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐高溫性能，主要用作高溫及耐磨制品。其最高使用溫度主要取決于基體特征。

正文

一、陶瓷基復(fù)合材料基本概述

陶瓷基復(fù)合材料的基體為陶瓷。如碳化硅、氮化硅、氧化鋁等，具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、重量輕和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)?；瘜W(xué)鍵往往是介于離子鍵與共價(jià)鍵之間的混合鍵。陶瓷基復(fù)合材料中的增強(qiáng)體通常也稱為增韌體。從幾何尺寸上可分為纖維(長(zhǎng)、短纖維)、晶須和顆粒三類。碳纖維主要用在把強(qiáng)度、剛度、重量和抗化學(xué)性作為設(shè)計(jì)參數(shù)的構(gòu)件；其它常用纖維是玻璃纖維和硼纖維。纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料是改善陶瓷材料韌性的重要手段。目前常用的晶須是SiC和A12O3，常用的基體則為A12O3，ZrO2，SiO2，Si3N4以及莫來(lái)石等。

晶須具有長(zhǎng)徑比，含量較高時(shí)，橋架效應(yīng)使致密化困難，引起了密度的下降導(dǎo)致性能下降。顆粒代替晶須在原料的混合均勻化及燒結(jié)致密化方面均比晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料要容易。常用的顆粒也是SiC、Si3N4和A12O3等。陶瓷基復(fù)合材料發(fā)展遲滯，發(fā)展過(guò)程中也遇到了比其它復(fù)合材料更大的困難。陶瓷基復(fù)合材料的研究還處于較初級(jí)階段，我國(guó)對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的研究則剛剛起步不久。

二、陶瓷基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)性能

(1)陶瓷能夠很好地滲透進(jìn)纖維點(diǎn)須和顆粒增強(qiáng)材料；(2)同增強(qiáng)材料之間形成較強(qiáng)的結(jié)合力；

(3)在制造和使用過(guò)程中同增強(qiáng)纖維間沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)；

(4)對(duì)纖維的物理性能沒(méi)有損傷；(5)很好的抗蠕變、抗沖擊、抗疲勞性能；

(6)高韌性；

(7)化學(xué)穩(wěn)定性，具有耐腐蝕、耐氧化、耐潮濕等化學(xué)性能 1．陶瓷基復(fù)合材料的基體

陶瓷基復(fù)合材料的基體為陶瓷，這是一種包括范圍很廣的材料，屬于無(wú)機(jī)化合物?，F(xiàn)代陶瓷材料的研究，最早是從對(duì)硅酸鹽材料的研究開(kāi)始的，隨后又逐步擴(kuò)大到了其他的無(wú)機(jī)非金屬材料。目前被人們研究最多的是碳化硅、氮化硅、氧化鋁等，它們普遍具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、重量輕和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。2.瓷基體的種類

陶瓷基體材料主要以結(jié)晶和非結(jié)晶兩種形態(tài)的化合物存在，按照組成化合物的元素不同，又可以分為氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷等。此外，還有一些會(huì)以混合氧化物的形態(tài)存在。

1）氧化物陶瓷基體

（1）氧化鋁陶瓷基體

以氧化鋁為主要成分的陶瓷稱為氧化鋁陶瓷，氧化鋁僅有一種熱動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的相態(tài)。氧化鋁陶瓷包括高純氧化鋁瓷，99氧化鋁陶瓷，95氧化鋁陶瓷，85氧化鋁陶瓷等。

(2)氧化鋯陶瓷基體

以氧化鋯為主要成分的陶瓷稱為氧化鋯陶瓷。氧化鋯密度5.6-5.9g/cm3，熔點(diǎn)2175℃。穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)小，韌性好，化學(xué)穩(wěn)定性良好，高溫時(shí)具有抗酸性和抗堿性。

2）氮化物陶瓷基體

(1)氮化硅陶瓷基體

以氮化硅為主要成分的陶瓷稱氮化硅陶瓷，氮化硅陶瓷有兩種形態(tài)。此外氮化硅還具有熱膨脹系數(shù)低，優(yōu)異的抗冷熱聚變能力，能耐除氫氟酸外的各種無(wú)機(jī)酸和堿溶液，還可耐熔融的鉛、錫、鎳、黃鋼、鋁等有色金屬及合金的侵蝕且不粘留這些金屬液。

(2)氮化硼陶瓷基體

以氮化硼為主要成分的陶瓷稱為氯化硼陶瓷。氮化硼是共價(jià)鍵化合物 3）碳化物陶瓷基體

以碳化硅為主要成分的陶瓷稱為碳化硅陶瓷。碳化硅是一種非常硬和抗磨蝕的材料，以熱壓法制造的碳化硅用來(lái)作為切割鉆石的刀具。碳化硅還具有優(yōu)異的抗腐蝕性能，抗氧化性能

(1)碳化硼陶瓷基體

以碳化硼為主要成分的陶瓷稱為碳化硼陶瓷。碳化硼是一種低密度、高熔點(diǎn)、高硬度陶瓷。碳化硼粉末可以通過(guò)無(wú)壓燒結(jié)、熱壓等制備技術(shù)形成致密的材料。3．陶瓷復(fù)合材料的增強(qiáng)體

陶瓷基復(fù)合材料中的增強(qiáng)體，通常也稱為增韌體。從幾何尺寸上增強(qiáng)體可分為纖維(長(zhǎng)、短纖維)、晶須和顆粒三類。1)纖維

纖維類增強(qiáng)體有連續(xù)長(zhǎng)纖維和短纖維。連續(xù)長(zhǎng)纖維的連續(xù)長(zhǎng)度均超過(guò)數(shù)百。纖維性能有方向性，一般沿軸向均有很高的強(qiáng)度和彈性模量。2)顆粒

顆粒類增強(qiáng)體主要是一些具有高強(qiáng)度、高模量。耐熱、耐磨。耐高溫的陶瓷等無(wú)機(jī)非金屬顆粒，主要有碳化硅、氧化鋁、碳化鈦、石墨。細(xì)金剛石、高嶺土、滑石、碳酸鈣等。主要還有一些金屬和聚合物顆粒類增強(qiáng)體，后者主要有熱塑性樹(shù)脂粉末。3)晶須

晶須是在人工條件下制造出的細(xì)小單晶，一般呈棒狀，其直徑為0.2~1微米，長(zhǎng)度為幾十微米，由于其具有細(xì)小組織結(jié)構(gòu)，缺陷少，具有很高的強(qiáng)度和模量。晶須與顆粒對(duì)陶瓷材料的增韌均有一定作用，且各有利弊。晶須的增強(qiáng)增韌效果好，但含量高時(shí)會(huì)使致密度下降；顆粒可克服晶須的這一弱點(diǎn)，但其增強(qiáng)增韌效果卻不如晶須。由此很容易想到，若將晶須與顆粒共同使用，則可取長(zhǎng)補(bǔ)短，達(dá)到更好的效果。目前，已有了這方面的研究工作，如使用SiCw與ZrO2來(lái)共同增韌，用SiCw與SiCp來(lái)共同增韌等。

4.陶瓷基復(fù)合材料增強(qiáng)體分布 1.纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料 1）單向排布長(zhǎng)纖維復(fù)合材料

當(dāng)外加應(yīng)力進(jìn)一步提高時(shí)，由于基體與纖維間的界面離解，同時(shí)又由于纖維的強(qiáng)度高于基體的強(qiáng)度，從而使纖維從基體中拔出。當(dāng)拔出的長(zhǎng)度達(dá)到某一臨界值時(shí)，會(huì)使纖維發(fā)生斷裂。因此，裂紋的擴(kuò)展必須克服由于纖維的加入而產(chǎn)生的拔出功和纖維斷裂功，這樣，使得材料的斷裂更為困難，從而起到了增韌的作用。2）多向排布纖維增韌復(fù)合材料

單向排布纖維增韌陶瓷只是在纖維排列方向上的縱向性能較為優(yōu)越，而其橫向性能顯著低于縱向性能，所以只適用于單軸應(yīng)力的場(chǎng)合。

而許多陶瓷構(gòu)件則要求在二維及三維方向上均具有優(yōu)良的性能，這就要進(jìn)一步研究多向排布纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。2.晶須和顆粒增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料

長(zhǎng)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料雖然性能優(yōu)越，但它的制備工藝復(fù)雜，而且纖維在基體中不易分布均勻。因此，近年來(lái)又發(fā)展了短纖維、晶須及顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料。由于短纖維與晶須相似，故只討論后兩種情形。由于晶須的尺寸很小，從客觀上看與粉末一樣，因此在制備復(fù)合材料時(shí)，只需將晶須分散后與基體粉末混合均勻，然后對(duì)混好的粉末進(jìn)行熱壓燒結(jié)，即可制得致密的晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料。晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料的性能與基體和晶須的選擇、晶須的含量及分布等因素有關(guān)。

5.陶瓷基復(fù)合材料的界面和強(qiáng)韌化機(jī)理 1）界面的粘結(jié)形式

（1）機(jī)械結(jié)合（2）化學(xué)結(jié)合 陶瓷基復(fù)合材料往往在高溫下制備，由于增強(qiáng)體與基體的原子擴(kuò)散，在界面上更易形成固溶體和化合物。此時(shí)其界面是具有一定厚度的反應(yīng)區(qū)，它與基體和增強(qiáng)體都能較好的結(jié)合，但通常是脆性的。

2）界面的作用

陶瓷基復(fù)合材料的界面一方面應(yīng)強(qiáng)到足以傳遞軸向載荷并具有高的橫向強(qiáng)度；另一方面要弱到足以沿界面發(fā)生橫向裂紋及裂紋偏轉(zhuǎn)直到纖維的拔出。3）界面性能的改善

在實(shí)際應(yīng)用中，除選擇纖維和基體在加工和使用期間能形成穩(wěn)定的熱力學(xué)界面外，最常用的方法就是在與基體復(fù)合之前，往增強(qiáng)材料表面上沉積一層薄的涂層。6.陶瓷的斷裂韌性及裂紋類型

陶瓷有很高的強(qiáng)度，但是它同樣有較低的斷裂韌性。陶瓷斷裂韌性低的主要原因是在它內(nèi)部存在著各種裂紋； 陶瓷的裂紋類型有：

（1）加工過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋；（2）產(chǎn)品設(shè)計(jì)導(dǎo)致產(chǎn)生的裂紋；（3）使用過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋；

三、瓷基復(fù)合材料的制備技術(shù)

陶瓷基復(fù)合材料的制造通常分為兩個(gè)步驟：第一步是將增強(qiáng)材料滲入未固結(jié)(成粉木狀)的基體材料排列整齊或混合均勾；第二步是運(yùn)用各種加工條件在盡 量不破壞增強(qiáng)材料和基體行能的前提下制成復(fù)合材料制品。

1.粉末冶金法

制備工藝過(guò)程：原料（陶瓷粉末、增強(qiáng)劑、粘結(jié)劑和助燒劑）均勻混合（球磨、超聲等）冷壓成形（熱壓）燒結(jié)。關(guān)鍵是均勻混合和燒結(jié)過(guò)程防止體積收縮而產(chǎn)生裂紋。2.漿體法（濕態(tài)法）

為克服粉末冶金法中各組元混合不均的問(wèn)題，采用漿體（濕態(tài)）法制備陶瓷基復(fù)合材料。其混合體為漿體形式，混合體中各組元保持散凝狀，即在漿體中呈彌散分布。這可通過(guò)調(diào)整水溶液的PH值來(lái)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)漿體進(jìn)行超聲波震動(dòng)攪拌可進(jìn)一步改善彌散性。彌散的漿體可直接澆鑄成型或熱（冷）壓后燒結(jié)成型。適用于顆粒、晶須和短纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。采用漿體浸漬法可制備連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。纖維分布均勻，氣孔率低。3.反應(yīng)燒結(jié)法

用反應(yīng)燒結(jié)法制備陶瓷基復(fù)合材料，除基體材料幾乎無(wú)收縮外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：增強(qiáng)劑的體積比可以相當(dāng)大；可用多種連續(xù)纖維預(yù)制體；

大多數(shù)陶瓷基復(fù)合材料的反應(yīng)燒結(jié)溫度低于陶瓷的燒結(jié)溫度,因此可避免纖維的損傷。反應(yīng)燒結(jié)法最大的缺點(diǎn)是高氣孔率難以避免。

4.液態(tài)浸漬法

用此方法制備陶瓷基復(fù)合材料，化學(xué)反應(yīng)、熔體粘度、熔體對(duì)增強(qiáng)材料的浸潤(rùn)性是首要考慮的問(wèn)題，直接影響材料的性能。陶瓷熔體可通過(guò)毛細(xì)作用滲入增強(qiáng)劑預(yù)制體的孔隙。施加壓力或抽真空將有利于浸漬過(guò)程。5.直接氧化法

按部件形狀制備增強(qiáng)體預(yù)制體,將隔板放在其表面上以阻止基體材料的生長(zhǎng)。熔化的金屬在氧氣的作用下發(fā)生直接氧化反應(yīng)形成所需的反應(yīng)產(chǎn)物。由于在氧化產(chǎn)物中的空隙管道的液吸作用，熔化金屬會(huì)連續(xù)不斷地供給到生長(zhǎng)前沿。6.溶膠–凝膠(Sol-Gel)法

溶膠(Sol)是由化學(xué)反應(yīng)沉積而產(chǎn)生的微小顆粒（100nm)的懸浮液；凝膠(Gel)是水分減少的溶膠，即比溶膠粘度大的膠體。Sol-Gel法是指金屬有機(jī)或無(wú)機(jī)化合物經(jīng)溶液、溶膠、凝膠等過(guò)程而固化，再經(jīng)熱處理生成氧化物或其它化合物固體的方法。該方法可控制材料的微觀結(jié)構(gòu), 使均勻性達(dá)到微米、納米甚至分子量級(jí)水平。使用這種方法，可將各種增強(qiáng)劑加入，基體溶膠中攪拌均勻，當(dāng)基體溶膠形成凝膠后，這些增強(qiáng)組元穩(wěn)定、均勻分布在基體中，經(jīng)過(guò)干燥或一定溫度熱處理，然后壓制燒結(jié)形成相應(yīng)的復(fù)合材料。

四、陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用

陶瓷材料具有耐高溫、高強(qiáng)度、高硬度及耐腐蝕性好等特點(diǎn)，但其脆性大的弱點(diǎn)限制了它的廣泛應(yīng)用。隨著現(xiàn)代高科技的迅猛發(fā)展，要求材料能在更高的溫度下保持優(yōu)良的綜合性能。陶瓷基復(fù)合材料可較好地滿足這一要求。

它的最高使用溫度主要取決于基體特性，其工作溫度按下列基體材料依次提高：玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、碳素材料，其最高工作溫度可達(dá)1900 ℃。陶瓷基復(fù)合材料已實(shí)用化或即將實(shí)用化的領(lǐng)域包括：刀具、滑動(dòng)構(gòu)件、航空航天構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)制件、能源構(gòu)件等。

五、今后面對(duì)的問(wèn)題及前景展望

現(xiàn)在看來(lái)，人們已開(kāi)始對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、性能及制造技術(shù)等問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)的研究，但這其中還有許多尚未研究情楚的問(wèn)題。因此，從這一方面來(lái)說(shuō)，還需要陶瓷專家們對(duì)理論問(wèn)題進(jìn)一步研究。新型材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用已成為當(dāng)今科技進(jìn)步的一個(gè)重要標(biāo)志，陶瓷基復(fù)合材料正以其優(yōu)良的性能引起人們的重視，可以預(yù)見(jiàn)，隨著對(duì)其理論問(wèn)題的不斷深入研究和制備技術(shù)的不斷開(kāi)發(fā)與完善，它的應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大，它的應(yīng)用前景是十分光明的。

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