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1、陶瓷材料的制备CERAMIC,非金属材料一般指无机非金属陶瓷材料，主要包括晶体、陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。陶瓷材料有广义和狭义之分，广义陶瓷即指无机非金属陶瓷材料，狭义陶瓷包括传统陶瓷和精细陶瓷。,一、陶瓷(ceramics)基本概念,传统陶瓷以粘土（塑性组分），长石（熔剂组分），石英（惰性组分）等天然矿物为原料，经粉碎、混合、磨细、成型、干燥、烧成等工序制成的产品。现代（特种）陶瓷以人工合成化合物为原料制备，用于技术和工程领域，如电子信息、能源、机械、化工、动力、生物、航天航空和其它高新技术领域。,2.陶瓷材料的分类,传统陶瓷,现代陶瓷,现代陶瓷的分类,结构陶瓷主要利用其热、机械、化学等
2、功能，有耐磨损材料、高强度材料、耐热材料，硬质材料、耐冲击材料、低膨胀材料、隔热材料等结构材料。功能陶瓷利用其电、磁、声、光、催化、生物化学等功能，其中最主要的是绝缘材料、电介质材料、压电材料、磁性材料、半导体材料和透光性陶瓷等电子材料、具有生物化学功能的生物医用材料、抗菌陶瓷材料等。,3、陶瓷材料的特点,陶瓷材料的结构特点 众所周知，金属材料(纯金属或合金)的化学健大都是金属健，是由金属正高于和充满其间的电子云所组成，金属键没有方向性因此金属有很好的塑性变形性能。而作为非金属化合物的陶瓷来讲，其化学键是离子健和共价键。这种化学性有很强的方向性和很高的结合能。因此，陶瓷材料很难产生塑性变形脆性
3、大，裂纹敏感性强。这就是陶瓷材料的致命弱点。,传统陶瓷和特种陶瓷的主要区别,4.陶瓷材料性能介绍,力学性能 陶瓷材料是工程材料中刚度最好、硬度最高的材料，其硬度大多在1500HV以上。陶瓷的抗压强度较高，但抗拉强度较低，塑性和韧性很差。热性能 陶瓷材料一般具有高的熔点（大多在2000以上），且在高温下具有极好的化学稳定性；陶瓷的导热性低于金属材料，陶瓷还是良好的隔热材料。同时陶瓷的线膨胀系数比金属低，当温度发生变化时，陶瓷具有良好的尺寸稳定性。,电性能 大多数陶瓷具有良好的电绝缘性，因此大量用于制作各种电压（1kV110kV）的绝缘器件。铁电陶瓷（钛酸钡BaTiO3）具有较高的介电常数，可用于
4、制作电容器，铁电陶瓷在外电场的作用下，还能改变形状，将电能转换为机械能（具有压电材料的特性），可用作扩音机、电唱机、超声波仪、声纳、医疗用声谱仪等。少数陶瓷还具有半导体的特性，可作整流器。化学性能 陶瓷材料在高温下不易氧化，并对酸、碱、盐具有良好的抗腐蚀能力。,光学性能 陶瓷材料还有独特的光学性能，可用作固体激光器材料、光导纤维材料、光储存器等，透明陶瓷可用于高压钠灯管等。磁性陶瓷（铁氧体如：MgFe2O4、CuFe2O4、Fe3O4）在录音磁带、唱片、变压器铁芯、大型计算机记忆元件方面的应用有着广泛的前途。,5.烧成,4.干燥,3.釉制备及施釉,2.成型,1.陶瓷坯料的制备,二、陶瓷材料的制
5、备工艺,2.1、陶瓷坯料的制备,坯料是指将陶瓷原料经筛选、破碎等工序后进行配料，再经混合、细磨等工序后得到的具有成型性能的多组分混合物。坯料的制备过程可大致分为原料处理、配料、混合制备三部分。,陶瓷坯料的制备,（1）原料处理 a、预烧对原料进行的预先烧制b、精选对原料进行分离，提纯，除去原料中的各种杂质（尤其含铁杂质），使之在化学组成、矿物组成、颗粒尺寸上更符合原料的质量要求。物理方法：水选、筛选、磁选、超声波选 化学方法：溶解法、升华法 物理化学方法：电解法、浮选法,(2)配 料根据制品的化学性能要求、生产工艺确定坯料的组成；根据原料的性质选择合适的原料；根据特定的方法（如成分满足法）确定配
6、方。,(3)混合制备 a、粉碎 粒度分析、比表面测定和X射线衍射技术 影响研磨效果的因素：研磨工艺和设备、研磨时间、强度和研磨介质。,b、脱水 注浆料的含水量为3035%时才能浇注成型 可塑泥料是采用压滤机脱水至含水量为2025 压制粉料可分为：湿法压制粉料：含水量815；干法压制粉料：含水量37 脱水操作：压滤脱水法、喷雾干燥技术,（4）、陈腐与练泥（a）陈腐 所谓陈腐就是把泥饼置于避光、空气不流通的室内或密闭容器内，保持一段时间，该工艺也叫困料。因料室内温度应保持在20左右，相对湿度要求在80%-90%。坯料在困制过程中，在毛细管的作用下，水分分布渐趋均匀。坯料困制时间越长，水分分布就越均
7、匀，其成型性也就越好。一般困料时间为10天左右。,（b）练泥 经过压滤得到的泥饼和困料得到的坯料的组织疏松且不均匀，含有大量的气泡。这样既降低了坯料的可塑性，难以挤压成型，通常采用真空练泥机多次练泥的方法，排除泥饼中的残留空气，提高泥料的致密度和可塑性，并使泥料组织均匀，改善成形性能，提高干燥强度和成瓷后的机械强度。,特种陶瓷的粉料制备,固相法 通过从固相到固相的变化，来制造粉体。其中包括化合或还原-化合法。制取硼化物的碳化硼法、热分解法、自蔓延高温合成法等。气相法 直接利用气体或通过各种手段将物质变成气体，使之在气体状态下发生物理化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米颗粒。包括气相合成法
8、、气相热分解法。,液相法 共同点是均以相溶液为出发点，通过各种方法使溶质和溶液分离，溶质形成一定大小和形状的颗粒，得到所需粉末的前躯体，热解后得到粉体。其中有直接沉淀法、共沉淀法、醇盐水解法、溶胶-凝胶法。,机械法 有球磨、振动球磨、搅动球磨、气流粉碎等。溶剂蒸发法 有酒精干燥法、冷冻干燥法、热石油干燥法和喷雾干燥法等。气相法和液相法是制取超细粉的主要方法。,蔓延高温合成法 原理 自蔓延高温合成（selfpropagation hightemperature synthesis，简称SHS），又称为燃烧合成（combustion synthesis）技术，是利用反应物之间高的化学反应热的自加热
9、和自传导作用来合成材料的一种技术，当反应物一旦被引燃，便会自动向尚未反应的区域传播，直至反应完全，是制备无机化合物高温材料的一种新方法。,特点 燃烧引发的反应或燃烧波的蔓延相当快，一般为0.120.0cms，最高可达25.0cms，燃烧波的温度或反应温度通常都在21003500K以上，最高可达5000K。SHS以自蔓延方式实现粉末间的反应，与制备材料的传统工艺比较，工序减少，流程缩短，工艺简单，一经引燃启动过程后就不需要对其进一步提供任何能量。由于燃烧波通过试样时产生的高温，可将易挥发杂质排除，使产品纯度高。,气相合成法 原理 气在等离子体高温反应器中，通过物理冷凝或化学气相反应过程，直接制取
10、粒径小于100um超细粉体的一种气相沉积制粉法。常用的是等离子化学气相合成法制粉。,特点:高温，温度可达3000一20000K;气氛(中性、氧化性或还原性)可任意选择和控制;采用低沸点反应物，易于提纯，因此所得产品纯度很高;粒度可控并容易获得粒度分布很窄的球形粉末;可获得介稳相和低温相结构的粉末产品;过程连续，可实现自动化工业生产。,机械法-球磨 原理 球磨机粉碎物料时筒体内装有物料、研磨体和水。它是依靠研磨体（球石）对原料的摩擦、撞击作用及原料与球磨机筒壁的摩擦作用而进行粉碎的。,泻落式运动状态,抛落式运动状态,离心式运动状态,机械法-振动球磨 原理 碰撞、挤压及研磨，产品粒度可细至数微米。
11、,特点：适应性强，可用于干磨也可用于湿磨；可以粉碎各种软的及硬的物料；可以得到较细的产品，干法可将最大粒径 为1-2mm的物料磨至2um，湿法可粉磨至5-0.1um；,机械法-搅拌法,原理:筒体内填充一定的磨矿介质，螺旋搅拌器作缓慢旋转，磨矿介质和物料在筒体内作整体的多维循环运动和自转运动，物料在磨矿介质重量压力与旋回转共同产生的摩擦、挤压、剪切和冲击力的作用下，被有效地粉碎。可用于干法和湿法工艺，在干法工艺中常与空气分级机构成闭路流程，产品粒度可小于3um。湿法工艺多采用开路流程，产量较高，产品粒度一般小于56um。,气流粉碎法 原理 气流粉碎是利用气流的能量进行粉碎的。特点 经气流粉碎后的
12、物料平均粒度细，粒度分布较窄，颗粒表面光滑，颗粒形状规整，纯度高，活性大，分散性好;可粉碎低熔点和热敏性材料及生物活性制品(因为气流粉碎机以压缩空气为动力，压缩气体在喷嘴处的绝热膨胀会使系统温度降低)。,溶剂蒸发法 原理 将溶剂中的水蒸发逸出,使溶液处于过饱和状态,从而使晶体生长有足够驱动力的晶体生长法。溶液蒸发法将溶液制成小滴后进行快速蒸发得到粉体的方法，为了在溶剂蒸发过程中保持溶液的均匀性，使液滴内组分偏析最小，必须将溶液分散成极微小的液滴，而且应迅速进行蒸发。,粉碎的目的和意义,粉碎的目的：在于减小固体物料的尺寸，使之变成颗粒体（或称粉体）。其意义在于：有利于不同组分的分离，选矿及除去原
13、料中的杂质；,粉碎使固体物料颗粒化，将具有某些流体性质，而具有良好的流动性，因而有利于物料的输送及给料控制；减少固体颗粒尺寸，提高分散度，因而使之容易和流体或气体作用，有利于均匀混合，促进制品的均质化；,2.2、成 型,陶瓷制品的成形，就是将坯料制成具有一定形状和规格的坯体，并使坯料具有所要的机械强度和一定的致密度。普通成型方法主要有注浆成型、塑制成型与压制成型三种工艺。具体选择何种工艺需要依据最终产品的性质，形状和尺寸。,（1）普通成型方法,a.可塑成型 可塑成型是利用模具或刀具等工艺装备运动造成的压力、剪力或挤压力等外力，对具有可塑性坯料进行加工，迫使材料在外力作用下发生可塑变形而制成坯体
14、的方法。可塑成型方法有旋压成形，滚压成形，塑压成形、注塑成形和轧膜成形等集中类型。,旋压成型 原理 旋压是一种综合了锻造、挤压、拉伸、弯曲、环轧、横轧和滚挤等工艺特点的少无切削加工的先进工艺，将金属筒坯、平板毛坯或预制坯用尾顶顶紧在旋压机芯模上，由主轴带动芯棒和坯料旋转，同时旋压轮从毛坯一侧将材料挤压在旋转的芯模上，使材料产生逐点连续的塑性变形，从而获得各种母线形状的空心旋转体零件。旋压工艺的加工原理如图2-1,滚压成型 原理 滚压成型工艺主要是靠材料的塑性移动滚压加工成各种形状复杂的轴杆、阀门芯和特殊紧固件等产品。滚压变形是线接触，连续逐步地进行，所需变形力较小，一个行程可生产一个或几个工件
15、,塑压成型 原理 塑压成型是将含水量20%左右的可塑坯料，置于特殊的模型内，用金属或石膏模头加压而成型粗坯的一种方法。这种成型方法已成功地用于压制鱼盘等异型产品。,注塑成型 工艺流程：塑件的注塑成型工艺过程主要包括填充保压冷却脱模等4个阶段，这4个阶段直接决定着制品的成型质量，而且这4个阶段是一个完整的连续过程。,b.注浆成形法注浆成形法是指将具有流动性的液态泥浆注入多孔模型内（石膏模，多孔树脂模等）。借助模型的吸水的能力，泥浆脱水、硬化，经脱模获得一定形状的坯体的过程。注浆成形法的适应性较强，能得到各种结构、形状的坯体。根据成形压力的大小和方式不同，分为基本注浆法、强化注浆法、热压铸成形法和
16、流延法等。,热压铸成型 原理 其基本原理是利用石蜡受热熔化和遇冷凝固的特点，将无可塑性的瘠性陶瓷粉料与热石蜡液均匀混合形成可流动的浆料，在一定压力下注入金属模具中成型，冷却待蜡浆凝固后脱模取出成型好的坯体。坯体经适当修整，埋入吸附剂中加热进行脱蜡处理，然后再脱蜡坯体烧结成最终制品。,流延成型 工艺过程:将陶瓷粉末与分散剂、有机粘结剂、塑性剂在有机溶剂中混合，形成均匀稳定的悬浮浆料。成型时浆料从料斗下部留至基带上，通过基带和刮刀的相对运动形成素坯，在表面张力的作用下形成光滑的上表面，坯膜的厚度有刮刀控制。待溶剂蒸发，有机结合剂在陶瓷颗粒形成网络结构，形成具有一定强度和柔韧性的素坯，干燥的素坯与基
17、带剥离后卷轴，经过烧结得到成品。,c.压制成形法压制成形是将含有一定水分的粒状粉料填充到模具中，使其在压力下成为具有一定形状和强度的陶瓷坯体的成形方法。根据粉料中含水量的多少可分为：干压成形（水含量小于7）、半干压成形（水含量715）、特殊的压制成形方法（如等静压法，水含量可低于3）。,干压成型法 原理 高纯度粉体属于瘠性材料，用传统工艺无法使之成型。首先，通过加入一定量的表面活性剂，改变粉体表面性质，包括改变颗粒表面吸附性能，改变粉体颗粒形状，从而减少超细粉的团聚效应，使之均匀分布；加入润滑剂减少颗粒之间及颗粒与模具表面的摩擦；加入黏合剂增强粉料的粘结强度。将粉体进行上述预处理后装入模具，用
18、压机或专用干压成型机以一定压力和压制方式使粉料成为致密坯体。,半干压成型 原理 在配料中加入较少水分（79%），拌匀并在较高的压力下压制或捣打成型。制品尺寸准确，机械强度高。,成形设备：多为摩擦螺旋压力机或液压机。压制机理：较大的压力，将粉末状坯料在模具内压制成形。主要工艺参数：成形压力、加压速度,(2)等静压成形法,将粉末装在合适的模具中，将装压模放在一定的传压介质内，使其各个方向均匀受压而成形的方法叫等静压。传递压力的介质有液体，气体，固体。理论基础根据帕斯卡原理关于液体传递压强的规律：加在密闭液体上的压强，能够大小不变的被液体向各个方向传递,(3)微机控制无模具成形方法,无模制造成形技术
19、实际上由两部分构成：一是用于计算机图形处理和象素信息输出的计算机软件系统，二是用于接收计算机输出指令并将数字命令转换成实际的陶瓷成形单元的外围输出设备和技术。相关的外用输出设备及技术是实现无模制造的关键，针对不同的材料体系和不同的输出方法，已逐渐形成了各具特色的无模制造方法。,微机控制无模具成形方法,无模制造过程,(4)原位凝固成形方法,利用原位凝固剂催化浆料发生化学反应而产生原位凝固的一种方法。传统方法：密度不均匀，容易分层；产生缺陷等 原位凝固注模成形法基本上克服了上述方法中的缺陷。该方法可成形大尺寸复杂形状的部件，其坯体密度高且均匀，具有足够的脱模强度，实现了凝固时间的可控性。,2.3、
20、釉制备及施釉,釉是指覆盖在陶瓷坯体表面上的一层很薄的均匀的玻璃态物质。陶瓷坯体表面的釉层，从外观来说，使陶瓷具有平滑而光泽的表面，增加了陶瓷的美观；从机械性能来说，正确配合的釉层可以增加陶瓷的强度与表面硬度，同时还可以使陶瓷的电绝缘性能、抗化学侵蚀性能有所提高。平滑而光泽的表面，不仅增加美观，而且就日用瓷来说，为饮用器皿的洗涤清洁提供了方便条件。,(1)釉的分类,(2)釉 组 成,1、玻璃形成剂：形成玻璃的主要氧化物在釉层中以多面体的形式相互结合为连续网络，又称为网络形成剂。2、助熔剂：在釉料熔化过程中能促进高温化学反应，加速高熔点晶体（如SiO2）结构键的断裂和生成低共熔点的化合物。同时还起
21、调整釉层物理化学性质的作用。,3、乳浊剂：它是保证釉层有足够覆盖能力的成分,也就是保证烧成时熔体析出的晶体、气体或分散粒子出现折射率的差别，引起光线散射产生乳浊的化合物。4、着色剂：使釉层吸收可见光波，从而呈现不同颜色。5、其他辅助剂：为了提高釉面质量、改善釉层物化性能，控制釉浆性能(如悬浮性、与坯体的粘附性)等而加入。,(3)釉层的形成,釉料在加热过程中将发生一系列复杂的物理化学反应，如脱水、固相反应、碳酸盐和硫酸盐分解、部分原料熔化并生成共熔体、熔融物相互溶解、部分原料挥发和坯釉间的相互反应等。在反应的同时，釉料开始烧结、熔化并在坯体上铺展为光滑釉面。,2.4、干燥,排除坯体中水分的工艺过
22、程称为“干燥”。干燥的目的：除去坯体中所含的一部分水分，使坯体具有一定的强度；提高坯体吸附釉层能力；缩短烧成周期，提高窑炉的周转率，降低燃料消耗。,1.热空气干燥法 热源及加热原理 以热空气为热源，热空气通过对流传热将热量传给坯体，热量由表及里传递，水分由里及表扩散。应用范围与特点 热量传递方向与水分扩散方向相反，干燥效率低，设备简单，热源易得便于控制，适合传统陶瓷小件产品的干燥。,干燥方法,2.共频电干燥法 热源及加热原理 热源为共频电流，当共频电流通过湿坯，坯内产生的热量使水分蒸发。应用范围与特点 坯体内外同时加热，受热均匀，热湿扩散方向一致，干燥效率高，热损耗少，设备简单且易控制，适合大
23、件厚坯制品干燥。,干燥方法,3.微波干燥法 热源及加热原理 以高频率长波长的电磁波为热源，通过微波辐射坯体使其内部极性水分子剧烈运动并摩擦生热使水分排除。应用范围与特点 坯体内外同时加热，快速加热均匀，热湿扩散方向一致；干燥效率和质量高；设备体小轻巧，易自控，但费用高，电耗大，需避免微波辐射损害，他的使用范围较广。,干燥方法,4.红外干燥法 热源及加热原理 使用短波长的远红外线做热源，当坯体吸收红外线后改变并加剧坯内水分子的振动和转动，坯体温度升高，水分排除。应用范围与特点 其主要特点与微波干燥类似，不同的是设备造价低。,干燥方法,2.5、烧成,概念：将陶瓷坯体加热至高温，经过一系列的物理化学
24、变化（如膨胀、收缩、气体的产生、液相的出现、旧晶相的消失、新晶相的析出等），冷却至室温后，坯体的矿物组成与显微结构发生显著变化，外形尺寸得以固定，强度得以提高，最终获得某种特定使用性能（如机械强度、致密度、绝缘、耐热等）陶瓷制品，这一工艺过程称为烧成。,冷却阶段(烧成温度-室温),中温阶段（300-950）,低温阶段（室温-300）,坯体水分蒸发期,氧化分解及晶型转化期,玻化成瓷期,高温阶段（950-最高烧成温度）,急冷阶段、缓冷阶段,烧成过程中的物理化学变化,粉料粒度,盐类选择及煅烧条件,添加剂,烧结温度及保温时间,成型压力,气氛,影响因素,烧成过程的影响因素,1.成型压力 成型压力对基体的
25、体积密度、吸水率和显气孔率都有影响；随着成型压力增大、集体体积密度增大而吸水率、显气孔率降低；在压力增大的开始阶段，三者的变化幅度显著，随后变化平缓。,2.粉料粒度 在相同的成型压力下，粒度大的粉体压坯密度大，粒度小的粉体烧结密度大；同一粒度粉体，压坯密度和烧结敏度均随压力的增大而增大。所以粉体粒度对坯体的致密度有影响。,3.添加剂 通常添加剂的作用有解凝（或称稀释，减水），缓凝，促凝，可塑，塑化，悬浮等。具体的应用应根据陶瓷坯、釉浆的性能和工艺需要来选用。常见的陶瓷添加剂包括减水剂、增塑剂、絮凝剂、悬浮剂、粘合剂、坯体增强剂等。,4.烧结温度 烧结温度与致密性有密切的关系。烧结温度过低，经历
26、生长缓慢，晶界移动速率慢，驱动力小，直接导致晶粒发育不完整，气孔较多，晶界模糊。但是温度过高，会造成晶界移动速率大、驱动力大，直接造成晶界移动速率大于气孔移动速率,5.保温时间 适当的保温可以排除气孔，促进致密化，但过长的保温时间非但不会促进致密，反而由于晶粒异常长大而使致密度下降，坯体变形，有的材料弹性模量与抗压强度等力学性能也会下降,6.煅烧温度 不同煅烧条件下的陶瓷表现出的烧结性能不一样，煅烧温度越高尤其是高于析晶温度时，越不利于致密化。,7.气氛 气氛会影响陶瓷坯体在高温下的物化反应速度、体积变化、晶粒尺寸与气孔大小等，尤其对陶瓷坯的颜色、透光度和釉面质量的影响，更显突出。,三、陶瓷基
27、复合材料的制备,1.陶瓷基复合材料的简介 现代陶瓷材料具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀及重量轻等许多优良的性能。但是，陶瓷材料同时也具有致命的缺点，即脆性，这一弱点正是目前陶瓷材料的使用受到很大限制的主要原因。因此，陶瓷材料的韧性化问题便成了近年来陶瓷工作者们研究的一个重点问题。现在这方面的研究已取得了初步进展，探索出了若干种韧化陶瓷的途径。其中，往陶瓷材料中加入起增韧作用的第二相而制成陶瓷基复合材料即是一种重要方法。,(1)基体陶瓷基复合材料的基体为陶瓷，这是一种包括范围很广的材料，属于无机化合物而不是单质，所以它的结构远比金属合金复杂得多。现代陶瓷材料的研究，最早是从对硅酸盐材料的研究开始的，随
28、后又逐步扩大到了其他的无机非金属材料。目前被人们研究最多的是碳化硅、氮化硅、氧化铝等，它们普遍具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量轻和价格低等优点。,陶瓷基基复合材料的基体与增强体,陶瓷基复合材料中的增强体，通常也称为增韧体。从几何尺寸上增强体可分为纤维(长、短纤维)、晶须和颗粒三类。,(2)增强体,a.纤维:在陶瓷基复合材料中使用得较为普遍的是碳纤维、玻璃纤维、硼纤维等；,将玻璃小球熔化，然后通过1mm左右直径的小孔把它们拉出来。另外，缠绕纤维的心轴的转动速度决定纤维的直径，通常为10m的数量级。,b.晶须：晶须为具有一定长径比(直径0.31m,长0100 m)的小单晶体。晶须的特点是没有微裂纹
29、、位错、孔洞和表面损伤等一类缺陷，因此其强度接近理论强度。由于晶须具有最佳的热性能、低密度和高杨氏模量，从而引起了人们对其特别的关注。在陶瓷基复合材料中使用得较为普遍的是SiC、A12O3及Si3N4晶须。,1.纤维增强陶瓷基复合材料 在陶瓷材料中，加入第二相纤维制成复合材料是改善陶瓷材料韧性的重要手段，按纤维排布方式的不同，又可将其分为单向排布长纤维复合材料和多向排布纤维复合材料。,陶瓷基基复合材料的种类,单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料的显著特点是它具有各向异性，即沿纤维长度方向上的纵向性能要大大优于其横向性能。在实际构件中，主要是使用其纵向性能。在单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料中，当裂纹扩
30、展遇到纤维时会受阻，这时，如果要使裂纹进一步扩展就必须提高外加应力。这一过程的示意图如下：,单向排布纤维陶瓷基复合材料,多向排布纤维陶瓷基复合材料,单向排布纤维增韧陶瓷只是在纤维排列方向上的纵向性能较为优越，而其横向性能显著低于纵向性能，所以只适用于单轴应力的场合。而许多陶瓷构件则要求在二维及三维方向上均具有优良的性能，这就要进一步研究多向排布纤维增韧陶瓷基复合材料。,二维多向排布纤维增韧复合材料的纤维的排布方式有两种：一种是将纤维编织成纤维布，浸渍浆料后，根据需要的厚度将单层或若干层进行热压烧结成型，如下图所示。,这种材料在纤维排布平面的二维方向上性能优越，而在垂直于纤维排布面方向上的性能较
31、差。一般应用在对二维方向上有较高性能要求的构件上。,另一种是纤维分层单向排布，层间纤维成一定角度，如下图所示。,三维多向编织纤维增韧陶瓷是为了满足某些情况的性能要求而设计的。这种材料最初是从宇航用三向C/C复合材料开始的，现已发展到三向石英/石英等陶瓷复合材料。下图为三向正交C/C纤维编织结构示意图。它是按直角坐标将多束纤维分层交替编织而成。,由于每束纤维呈直线伸展，不存在相互交缠和绕曲，因而使纤维可以充分发挥最大的结构强度。,这种三维多向编织结构还可以通过调节纤维束的根数和股数，相邻束间的间距，织物的体积密度以及纤维的总体积分数等参数进行设计以满足性能要求。,长纤维增韧陶瓷基复合材料虽然性能
32、优越，但它的制备工艺复杂，而且纤维在基体中不易分布均匀。因此，近年来又发展了短纤维、晶须及颗粒增韧陶瓷基复合材料。,2.晶须和颗粒增强陶瓷基复合材料,由于晶须的尺寸很小，从宏观上看与粉末一样，因此在制备复合材料时，只需将晶须分散后与基体粉末混合均匀，然后对混好的粉末进行热压烧结，即可制得致密的晶须增韧陶瓷基复合材料。目前常用的是SiC，Si3N4，Al2O3晶须，常用的基体则为Al2O3，ZrO2，SiO2，Si3N4及莫来石等。晶须增韧陶瓷基复合材料的性能与基体和晶须的选择、晶须的含量及分布等因素有关。,由于晶须具有较大的长径比，因此，当其含量较高时，因其桥架效应而使致密化变得因难，从而引起
33、了密度的下降并导致性能的下降。为了克服这一弱点，可采用颗粒来代替晶须制成复合材料，这种复合材料在原料的混合均匀化及烧结致密化方面均比晶须增强陶瓷基复合材料要容易。,当所用的颗粒为SiC，TiC时，基体材料采用最多的是Al2O3，Si3N4。目前，这些复合材料已广泛用来制造刀具。晶须与颗粒对陶瓷材料的增韧均有一定作用，且各有利弊：晶须的增强增韧效果好，但含量高时会使致密度下降；颗粒可克服晶须的一弱点，但其增强增韧效果却不如晶须。,纤维增强陶瓷基复合材料的制备,纤维增强陶瓷基复合材料的性能取决于多种因素，如基体、纤维及二者之间的结合等。,从基体方面看，与气孔的尺寸及数量，裂纹的大小以及一些其它缺陷
34、有关；从纤维方面来看，则与纤维中的杂质、纤维的氧化程度、损伤及其他固有缺陷有关；从基体与纤维的结合情况上看，则与界面及结合效果、纤维在基体中的取向，以及载体与纤维的热膨胀系数差有关。,正因为有如此多的影响因素，所以在实际中针对不同的材料的制作方法也会不同，成型技术的不断研究与改进，正是为了能获得性能更为优良的材料。,1泥浆烧铸法这种方法是在陶瓷泥浆中分散纤维。然后浇铸在石膏模型中。这种方法比较古老，不受制品形状的限制。但对提高产品性能的效果显著，成本低，工艺简单，适合于短纤维增强陶瓷基复合材料的制作。,目前采用的纤维增强陶瓷基复合材料的成型主法主要有以下几种：,2热压烧结法将特长纤维切短(3m
35、m)，然后分散并与基体粉末混合，再用热压烧结的方法即可制得高性能的复合材料。这种方法中，纤维与基体之间的结合较好，是目前采用较多的方法。,这种短纤维增强体在与基体粉末混合时取向是无序的，但在冷压成型及热压烧结的过程中，短纤维由于在基体压实与致密化过程中沿压力方向转动，所以导致了在最终制得的复合材料中，短纤维沿加压面而择优取向，这也就产生了材料性能上一定程度的各向异性。,3.浸渍法 这种方法适用于长纤维。首先把纤维编织成所需形状，然后用陶瓷泥浆浸渍，干燥后进行焙烧。浸渍法的优点是纤维取向可自由调节，如单向排布及多向排布等。浸渍法的缺点则是不能制造大尺寸的制品，而且所得制品的致密度较低。,晶须与颗
36、粒增韧陶瓷基复合材料的加工与制备,晶须与颗粒的尺寸均很小，只是几何形状上有些区别，用它们进行增韧的陶瓷基复合材料的制造工艺是基本相同的。,这种复合材料的制备工艺比长纤维复合材料简便得多，只需将晶须或颗粒分散后并与基体粉末混合均匀，再用热压烧结的方法即可制得高性能的复合材料。,与陶瓷材料相似，晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的制造工艺也可大致分为以下几个步骤：,这一过程看似简单，实则包含着相当复杂的内容。即使坯体由超细粉(微米级)原料组成，其产品质量也不易控制，所以随着现代科技对材料提出的要求的不断提高，这方面的研究还必持进一步深入。,把几种原料粉末混合配成坯料的方法可分为干法和湿法两种。现今新型陶
37、瓷领域混合处理加工的微米级、超微米级粉末方法由于效率和可靠性的原因大多采用湿法。,1配料高性能的陶瓷基复合材料应具有均质、孔隙少的微观组织。为了得到这样品质的材料，必须首先严格挑选原料。,湿法主要采用水作溶剂，但在氮化硅、碳化尼等非氧化物系的原料混合时，为防止原料的氧化则使用有机溶剂。,原料混合时的装置一般为专用球磨机。为了防止球磨机运行过程中因球和内衬砖磨损下来而作为杂质混入原料中，最好采用与加工原料材质相同的陶瓷球和内衬。,2成型混好后的料浆在成型时有三种不同的情况：(1)经一次干燥制成粉末坯料后供给成型工序；(2)把结合剂添加于料浆中、不干燥坯料，保持浆状供给成型工序；(3)用压滤机将料
38、浆状的粉脱水后成坯料供给成型工序。,把上述的干燥粉料充入模型内，加压后即可成型。通常有金属模成型法和橡皮模成型法。金属模成型法具有装置简单，成型成本低廉的优点，仍它的加压方向是单向的。粉末与金属模壁的摩擦力大，粉末间传递压力不太均匀。故易造成烧成后的生坯变形或开裂、只能适用于形状比较简单的制件。,采用橡皮模成型法是用静水压从各个方向均匀加压于橡皮模来成型，故不会发生生坯密度不均匀和具有方向性之类的问题。由于在成型过程中毛坯与橡皮模接触而压成生坯，故难以制成精密形状，通常还要用刚玉对细节部分进行修整。,另一种成型法为注射成型法。从成型过程上看，与塑料的注射成型过程相类似，但是在陶瓷中必须从生坯里
39、将粘合剂除去并再烧结，这些工艺均较为复杂，因此也使这种方法具有很大的局限性。,注浆成型法是具有十分悠久历史的陶瓷成型方法。它是将料浆浇入石膏模内，静置片刻，料浆中的水分被石膏模吸收。然后除去多余的料浆，将生坯和石膏模一起干燥，生坯干燥后保持一定的强度，并从石膏中取出。这种方法可成型壁薄且形状复杂的制品。,还有一种成型法为挤压成型法。这种方法是把料浆放入压滤机内挤出水分，形成块状后，从安装各种挤形口的真空挤出成型的方法，它适用于断面形状简单的长条形坯件的成型。,3.烧结 从生坯中除去粘合剂组分后的陶瓷素坯烧固成致密制品的过程叫烧结。为了烧结，必需有专门的窑炉。窑炉的种类繁多，按其功能进行划分可分
40、为间歇式和连续式。,间歇式窑炉是放入窑炉内生坯的硬化、烧结、冷却及制品的取出等工序是间歇地进行的。间歇式窑炉不适合于大规模生产，但适合处理特殊大型制品或长尺寸制品的优点，且烧结条件灵活，筑炉价格也比较便宜。,连续窑炉适合于大批量制品的烧结，由预热、烧结和冷却三个部分组成。把装生坯的窑车从窑的一端以一定时间间歇推进，窑车沿导轨前进，沿着窑内设定的温度分布经预热、烧结、冷却过程后，从窑的另一端取出成品。,4精加工由于高精度制品的需求不断增多，因此在烧结后的许多制品还需进行精加工。精加工的目的是为了提高烧成品的尺寸精度和表面平滑性，前者主要用金刚石砂轮进行磨削加工，后者则用磨料进行研磨加工。,陶瓷的制备质量与其制备工艺有很大的关系。在实验室规模下能够稳定重复制造的材料，在扩大的生产规模下常常难于重现。在生产规模下可能重复再现的陶瓷材料，常常在原材料波动和工艺装备有所变化的条件下难于实现。这是陶瓷制备中的关键问题之一。先进陶瓷制品的一致性，则是它能否大规摸推广应用的最关键问题之一。现今的先进陶瓷制备技术可以做到成批地生产出性能很好的产品，但却不容易保证所有制品的品质一致。,总结,
