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復合材料先進連接技術 版權信息
- ISBN：9787030752963
- 條形碼：9787030752963 ; 978-7-03-075296-3
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
復合材料先進連接技術 內容簡介
陶瓷基復合材料具有質量輕、強度高、耐高溫及耐腐蝕等優點，在航空航天、核電、能源、機械工程等領域得到廣泛應用，為了克服其難加工、脆性大等缺點，實際應用中常采用陶瓷基復合材料與金屬的連接異種結構。由于陶瓷基復合材料與金屬兩者之間物理、化學等方面心更難差異巨大，常規的熔焊難以實現兩者間有效連接，目前常采用釬焊連接方法。本書針對陶瓷基復合材料等優選材料與金屬釬焊連接時，存在陶瓷基復合材料表面難潤濕、界面易形成多種脆性化合物、接頭殘余應力大等難題，探討了陶瓷基復合材料與金屬連接時遇到的共性基礎問題，以典型的陶瓷基復合材料為例，介紹他們與金屬的優選連接技術，以解決陶瓷基復合材料與金屬的實際應用問題。本書將重點介紹以石墨烯、碳納米管及負膨脹材料等優選材料為增強體，以納米顆粒、梯度層及三維網狀等多種結構形式，來改善釬料/釬焊中間層性能，配合陶瓷基復合材料母材焊前表面改性，調控釬焊接頭應力分布狀態，提高接頭的連接質量。同時，闡述復合釬焊及中間層設計原則、陶瓷基復合材料表面改性機制、界面反應機理、接頭應力緩解機制等基礎科學問題。
復合材料先進連接技術 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 陶瓷材料介紹 2
1.2 復合材料介紹 3
1.3 金屬材料介紹 5
1.3.1 金屬的成鍵及結構 6
1.3.2 金屬的分類 7
1.4 復合材料異質釬焊連接 8
1.4.1 陶瓷與金屬的釬焊連接 9
1.4.2 陶瓷與金屬釬焊連接存在的問題 11
1.4.3 陶瓷與金屬釬焊連接的中間層設計 11
1.5 本書主要內容 14
參考文獻 15
第2章 納米顆粒增強中間層輔助復合材料異質結構釬焊連接 18
2.1 TiC顆粒增強Ti-Co釬料輔助釬焊C/SiC復合材料和Nb 18
2.1.1 TiC顆粒含量對Ti-Co釬焊C/SiC與Nb的研究 20
2.1.2 增強相燒結溫度對Ti-Co釬焊C/SiC與Nb的研究 22
2.2 Si3N4和SiO2顆粒增強AgCu釬料輔助C/C復合材料和TC4鈦合金的釬焊連接 24
2.2.1 不同增強相對AgCu釬焊TC4與C/C復合材料的研究 25
2.2.2 有限元方法對接頭應力的分析 32
2.3 BNi2+W復合釬料釬焊C/C復合材料和Nb 33
2.3.1 BNi2+W復合釬料的優化設計 34
2.3.2 C/C-HEA釬焊接頭典型界面結構分析 39
2.3.3 W顆粒含量對接頭界面結構與性能的影響 41
2.3.4 優化后的C/C-Nb組合接頭界面結構及力學性能分析 45
2.4 本章小結 46
參考文獻 47
第3章 碳納米管復合中間層輔助復合材料異質結構釬焊連接 52
3.1 碳納米管復合釬料的特點與制備 52
3.2 CNTs/TiNi復合釬料釬焊SiO2-BN與Nb組織性能以及機理研究 53
3.2.1 CNTs/TiH2復合釬料的表征 53
3.2.2 CNTs/TiNi復合釬料釬焊SiO2-BN與Nb界面組織及力學性能分析 59
3.2.3 CNTs/TiNi復合釬料釬焊SiO2-BN復合材料與Nb的機理分析 64
3.3 CNTs/AlSiCu復合釬料釬焊MBOW/Al組織性能以及機理研究 68
3.3.1 CNTs/AlSiCu復合粉末的表征 68
3.3.2 CNTs/AlSiCu復合釬料釬焊MBOW/Al界面組織及力學性能分析 70
3.3.3 CNTs/AlSiCu復合釬料釬焊MBOW/Al的機理分析 73
3.4 本章小結 77
參考文獻 77
第4章 石墨烯復合中間層輔助復合材料異質結構釬焊連接 79
4.1 石墨烯網絡復合中間層的制備及其對潤濕行為的影響 79
4.1.1 制備石墨烯網絡復合中間層 79
4.1.2 石墨烯對銅表面釬料潤濕行為的影響機制 83
4.2 石墨烯網絡復合中間層輔助釬焊C/C與Nb 92
4.2.1 石墨烯網絡復合中間層輔助釬焊C/C與Nb的組織及性能 93
4.2.2 石墨烯網絡復合中間層對接頭殘余應力的影響 110
4.3 本章小結 113
參考文獻 114
第5章 負膨脹材料復合中間層輔助復合材料異質結構釬焊連接 119
5.1 鋰霞石顆粒增強復合釬料釬焊C/C復合材料與Nb金屬 120
5.1.1 AgCuTi釬焊C/C復合材料與Nb金屬 120
5.1.2 鋰霞石顆粒增強復合釬料釬焊C/C復合材料與Nb金屬 124
5.1.3 鋰霞石顆粒增強復合釬料釬焊接頭殘余應力有限元模擬 129
5.2 鋰霞石增強銅基復合中間層釬焊C/C復合材料與Nb金屬 132
5.2.1 制備鋰霞石增強銅基復合材料 132
5.2.2 鋰霞石增強銅基復合材料輔助釬焊C/C復合材料和Nb金屬 133
5.2.3 鋰霞石增強銅基復合中間層釬焊接頭殘余應力有限元模擬 140
5.3 網狀鋰霞石中間層釬焊C/C復合材料與Nb金屬的工藝研究 142
5.3.1 制備網狀鋰霞石材料 142
5.3.2 網狀鋰霞石材料輔助釬焊C/C復合材料和Nb金屬 146
5.4 本章小結 152
參考文獻 153
第6章 表面改性輔助復合材料異質結構釬焊連接 155
6.1 潤濕及表面改性的物理基礎 156
6.1.1 潤濕的物理含義及意義 156
6.1.2 表面改性的物理基礎 157
6.2 陶瓷表面改性對潤濕的影響 159
6.2.1 BN-SiO2復合材料的潤濕 159
6.2.2 表面腐蝕促進潤濕 161
6.2.3 原位合成碳納米管表面處理 163
6.2.4 復合材料的潤濕與改性情況 166
6.3 表面改性后界面結構分析 176
6.3.1 SiO2-BN復合材料表面改性界面結構 176
6.3.2 SiO2f/SiO2復合材料表面改性界面特點 179
6.4 本章小結 185
參考文獻 185
第7章 表面微結構調控輔助復合材料異質結構釬焊連接 188
7.1 表面選擇性腐蝕處理方法調控微觀結構 188
7.1.1 SiO2f/SiO2表面結構優化輔助潤濕機理及接頭力學性能研究 188
7.1.2 SiO2f/SiO2-Nb接頭體系殘余應力與接頭結構和力學性能之間的關系 198
7.2 SiO2-BN陶瓷表面狀態調控及釬焊工藝研究 214
7.2.1 SiO2-BN陶瓷表面結構優化 215
7.2.2 氫氟酸腐蝕時間對界面結構的影響 216
7.2.3 氫氟酸腐蝕時間對反應層形貌及接頭力學性能的影響 217
7.3 C/SiC表面狀態調控及釬焊工藝研究 218
7.3.1 電化學腐蝕參數對C/SiC表面形貌的影響規律 218
7.3.2 電化學腐蝕參數對C/SiC-Nb界面結構的影響規律 222
7.3.3 腐蝕深度對釬焊接頭力學性能的影響及接頭的斷裂模式 226
7.3.4 釬焊接頭殘余應力分析 228
7.4 本章小結 230
參考文獻 231
第8章 網絡中間層輔助復合材料異質結構釬焊連接 233
8.1 低膨脹疏松中間層對接頭結構和組織性能的影響 233
8.1.1 AgCuTi活性釬料在3D-SiO2f表面潤濕性的研究 233
8.1.2 典型界面組織分析 235
8.1.3 3D-SiO2f中間層對接頭力學性能的影響 237
8.1.4 釬焊溫度對接頭微觀組織及力學性能的影響 238
8.1.5 保溫時間對接頭微觀組織及力學性能的影響 239
8.2 泡沫銅中間層輔助釬焊 241
8.2.1 接頭界面組織分析 241
8.2.2 接頭室溫強度測試及斷口分析 242
8.3 CNTs-泡沫鎳中間層輔助釬焊工藝研究 244
8.3.1 CNTs增強泡沫鎳中間層制備與表征 244
8.3.2 中間層輔助釬焊SiO2-BN與TC4 246
8.3.3 CNTs增強泡沫鎳輔助釬焊CNTs修飾SiO2-BN與TC4 255
8.4 碳層網絡復合中間層輔助釬焊C/C與Nb 256
8.4.1 碳層/石墨烯網絡復合中間層釬焊C/C與Nb 257
8.4.2 碳層/Cu網絡復合中間層輔助釬焊C/C與Nb 260
8.5 本章小結 269
參考文獻 270
第9章 片層結構梯度中間層輔助復合材料異質結構釬焊連接 273
9.1 FeCoNiCrCu高熵合金中間層輔助釬焊C/C復合材料和Nb 274
9.1.1 BNi2釬焊C/C-Nb接頭典型界面結構分析 274
9.1.2 高熵合金中間層輔助釬焊C/C-Nb釬焊接頭典型界面結構分析 276
9.1.3 中間層厚度 279
9.2 C/SiC表面金屬化層的制備與形成機制研究 280
9.2.1 C/SiC表面金屬化層的制備 280
9.2.2 Ni-Cr-Si合金與C/SiC復合材料作用機理 282
9.3 C/SiC表面金屬化層的結構設計與優化 287
9.3.1 金屬化工藝參數對接頭界面結構的影響 287
9.3.2 W顆粒的添加對C/SiC表面金屬化層的影響 292
9.3.3 WC顆粒的添加對C/SiC表面金屬化層的影響 298
9.4 W增強碳纖維編織布中間層輔助釬焊工藝及機理研究 301
9.4.1 碳纖維編織布原位合成W的制備及其工藝探究 301
9.4.2 碳纖維編織布中間層輔助釬焊工藝研究 305
9.4.3 金屬化層與中間層輔助釬焊接頭界面結構分析 309
9.5 本章小結 310
參考文獻 312
前言
第1章 緒論 1
1.1 陶瓷材料介紹 2
1.2 復合材料介紹 3
1.3 金屬材料介紹 5
1.3.1 金屬的成鍵及結構 6
1.3.2 金屬的分類 7
1.4 復合材料異質釬焊連接 8
1.4.1 陶瓷與金屬的釬焊連接 9
1.4.2 陶瓷與金屬釬焊連接存在的問題 11
1.4.3 陶瓷與金屬釬焊連接的中間層設計 11
1.5 本書主要內容 14
參考文獻 15
第2章 納米顆粒增強中間層輔助復合材料異質結構釬焊連接 18
2.1 TiC顆粒增強Ti-Co釬料輔助釬焊C/SiC復合材料和Nb 18
2.1.1 TiC顆粒含量對Ti-Co釬焊C/SiC與Nb的研究 20
2.1.2 增強相燒結溫度對Ti-Co釬焊C/SiC與Nb的研究 22
2.2 Si3N4和SiO2顆粒增強AgCu釬料輔助C/C復合材料和TC4鈦合金的釬焊連接 24
2.2.1 不同增強相對AgCu釬焊TC4與C/C復合材料的研究 25
2.2.2 有限元方法對接頭應力的分析 32
2.3 BNi2+W復合釬料釬焊C/C復合材料和Nb 33
2.3.1 BNi2+W復合釬料的優化設計 34
2.3.2 C/C-HEA釬焊接頭典型界面結構分析 39
2.3.3 W顆粒含量對接頭界面結構與性能的影響 41
2.3.4 優化后的C/C-Nb組合接頭界面結構及力學性能分析 45
2.4 本章小結 46
參考文獻 47
第3章 碳納米管復合中間層輔助復合材料異質結構釬焊連接 52
3.1 碳納米管復合釬料的特點與制備 52
3.2 CNTs/TiNi復合釬料釬焊SiO2-BN與Nb組織性能以及機理研究 53
3.2.1 CNTs/TiH2復合釬料的表征 53
3.2.2 CNTs/TiNi復合釬料釬焊SiO2-BN與Nb界面組織及力學性能分析 59
3.2.3 CNTs/TiNi復合釬料釬焊SiO2-BN復合材料與Nb的機理分析 64
3.3 CNTs/AlSiCu復合釬料釬焊MBOW/Al組織性能以及機理研究 68
3.3.1 CNTs/AlSiCu復合粉末的表征 68
3.3.2 CNTs/AlSiCu復合釬料釬焊MBOW/Al界面組織及力學性能分析 70
3.3.3 CNTs/AlSiCu復合釬料釬焊MBOW/Al的機理分析 73
3.4 本章小結 77
參考文獻 77
第4章 石墨烯復合中間層輔助復合材料異質結構釬焊連接 79
4.1 石墨烯網絡復合中間層的制備及其對潤濕行為的影響 79
4.1.1 制備石墨烯網絡復合中間層 79
4.1.2 石墨烯對銅表面釬料潤濕行為的影響機制 83
4.2 石墨烯網絡復合中間層輔助釬焊C/C與Nb 92
4.2.1 石墨烯網絡復合中間層輔助釬焊C/C與Nb的組織及性能 93
4.2.2 石墨烯網絡復合中間層對接頭殘余應力的影響 110
4.3 本章小結 113
參考文獻 114
第5章 負膨脹材料復合中間層輔助復合材料異質結構釬焊連接 119
5.1 鋰霞石顆粒增強復合釬料釬焊C/C復合材料與Nb金屬 120
5.1.1 AgCuTi釬焊C/C復合材料與Nb金屬 120
5.1.2 鋰霞石顆粒增強復合釬料釬焊C/C復合材料與Nb金屬 124
5.1.3 鋰霞石顆粒增強復合釬料釬焊接頭殘余應力有限元模擬 129
5.2 鋰霞石增強銅基復合中間層釬焊C/C復合材料與Nb金屬 132
5.2.1 制備鋰霞石增強銅基復合材料 132
5.2.2 鋰霞石增強銅基復合材料輔助釬焊C/C復合材料和Nb金屬 133
5.2.3 鋰霞石增強銅基復合中間層釬焊接頭殘余應力有限元模擬 140
5.3 網狀鋰霞石中間層釬焊C/C復合材料與Nb金屬的工藝研究 142
5.3.1 制備網狀鋰霞石材料 142
5.3.2 網狀鋰霞石材料輔助釬焊C/C復合材料和Nb金屬 146
5.4 本章小結 152
參考文獻 153
第6章 表面改性輔助復合材料異質結構釬焊連接 155
6.1 潤濕及表面改性的物理基礎 156
6.1.1 潤濕的物理含義及意義 156
6.1.2 表面改性的物理基礎 157
6.2 陶瓷表面改性對潤濕的影響 159
6.2.1 BN-SiO2復合材料的潤濕 159
6.2.2 表面腐蝕促進潤濕 161
6.2.3 原位合成碳納米管表面處理 163
6.2.4 復合材料的潤濕與改性情況 166
6.3 表面改性后界面結構分析 176
6.3.1 SiO2-BN復合材料表面改性界面結構 176
6.3.2 SiO2f/SiO2復合材料表面改性界面特點 179
6.4 本章小結 185
參考文獻 185
第7章 表面微結構調控輔助復合材料異質結構釬焊連接 188
7.1 表面選擇性腐蝕處理方法調控微觀結構 188
7.1.1 SiO2f/SiO2表面結構優化輔助潤濕機理及接頭力學性能研究 188
7.1.2 SiO2f/SiO2-Nb接頭體系殘余應力與接頭結構和力學性能之間的關系 198
7.2 SiO2-BN陶瓷表面狀態調控及釬焊工藝研究 214
7.2.1 SiO2-BN陶瓷表面結構優化 215
7.2.2 氫氟酸腐蝕時間對界面結構的影響 216
7.2.3 氫氟酸腐蝕時間對反應層形貌及接頭力學性能的影響 217
7.3 C/SiC表面狀態調控及釬焊工藝研究 218
7.3.1 電化學腐蝕參數對C/SiC表面形貌的影響規律 218
7.3.2 電化學腐蝕參數對C/SiC-Nb界面結構的影響規律 222
7.3.3 腐蝕深度對釬焊接頭力學性能的影響及接頭的斷裂模式 226
7.3.4 釬焊接頭殘余應力分析 228
7.4 本章小結 230
參考文獻 231
第8章 網絡中間層輔助復合材料異質結構釬焊連接 233
8.1 低膨脹疏松中間層對接頭結構和組織性能的影響 233
8.1.1 AgCuTi活性釬料在3D-SiO2f表面潤濕性的研究 233
8.1.2 典型界面組織分析 235
8.1.3 3D-SiO2f中間層對接頭力學性能的影響 237
8.1.4 釬焊溫度對接頭微觀組織及力學性能的影響 238
8.1.5 保溫時間對接頭微觀組織及力學性能的影響 239
8.2 泡沫銅中間層輔助釬焊 241
8.2.1 接頭界面組織分析 241
8.2.2 接頭室溫強度測試及斷口分析 242
8.3 CNTs-泡沫鎳中間層輔助釬焊工藝研究 244
8.3.1 CNTs增強泡沫鎳中間層制備與表征 244
8.3.2 中間層輔助釬焊SiO2-BN與TC4 246
8.3.3 CNTs增強泡沫鎳輔助釬焊CNTs修飾SiO2-BN與TC4 255
8.4 碳層網絡復合中間層輔助釬焊C/C與Nb 256
8.4.1 碳層/石墨烯網絡復合中間層釬焊C/C與Nb 257
8.4.2 碳層/Cu網絡復合中間層輔助釬焊C/C與Nb 260
8.5 本章小結 269
參考文獻 270
第9章 片層結構梯度中間層輔助復合材料異質結構釬焊連接 273
9.1 FeCoNiCrCu高熵合金中間層輔助釬焊C/C復合材料和Nb 274
9.1.1 BNi2釬焊C/C-Nb接頭典型界面結構分析 274
9.1.2 高熵合金中間層輔助釬焊C/C-Nb釬焊接頭典型界面結構分析 276
9.1.3 中間層厚度 279
9.2 C/SiC表面金屬化層的制備與形成機制研究 280
9.2.1 C/SiC表面金屬化層的制備 280
9.2.2 Ni-Cr-Si合金與C/SiC復合材料作用機理 282
9.3 C/SiC表面金屬化層的結構設計與優化 287
9.3.1 金屬化工藝參數對接頭界面結構的影響 287
9.3.2 W顆粒的添加對C/SiC表面金屬化層的影響 292
9.3.3 WC顆粒的添加對C/SiC表面金屬化層的影響 298
9.4 W增強碳纖維編織布中間層輔助釬焊工藝及機理研究 301
9.4.1 碳纖維編織布原位合成W的制備及其工藝探究 301
9.4.2 碳纖維編織布中間層輔助釬焊工藝研究 305
9.4.3 金屬化層與中間層輔助釬焊接頭界面結構分析 309
9.5 本章小結 310
參考文獻 312
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復合材料先進連接技術 節選
第1章緒論 從文明演化開始，在不同的應用場景中，材料結構設計和建造一直是支撐社會發展的關鍵技術。隨著材料工程的進步和具有優異性能的先進材料的發展，對新材料以及新結構的需求為先進焊接及連接技術的發展提供了充足的動力。陶瓷材料被公認為是新一代輕質高強度材料候選者，此外，陶瓷以及陶瓷-金屬復合結構材料具有優異的耐高溫性和更好的機械性能，并廣泛應用于航空航天工業、冶金、熱交換器、熱電、汽車和船舶工業。為了形成牢固的接頭，通常需要高溫和高壓的環境。熔焊會導致陶瓷在熔融基體金屬中的部分分解，所以熔焊無法實現制造可靠的陶瓷-金屬接頭[3]。此外，由于金屬和陶瓷之間的各種物理、機械性質差異較大，因而兩種或多種異種材料的可靠連接一直是一個挑戰。因此，需要開發簡單、經濟和創新的連接方法，以便將陶瓷材料與金屬材料進行可靠連接。為了連接異種材料，人們已開發了各種焊接技術，如機械連接、擴散連接、超聲波焊接、瞬態液相連接、反應連接、釬焊和攪拌摩擦焊接等方法[4]。其中，釬焊、擴散連接和攪拌摩擦焊是比較有前途的連接方法，已被廣泛用在將金屬連接到陶瓷材料的應用場景。本書旨在呈現和總結陶瓷與金屬連接的*新進展，以指明陶瓷-金屬異種連接技術未來可能的發展方向。 陶瓷和金屬作為兩種重要的工業制造材料，在物理、化學和機械性能方面各有優缺點。陶瓷本質上是易碎的，其強度幾乎是其理論強度的三分之二。它們重量輕、硬度高、高溫穩定性優良，但是易碎，且斷裂韌性低。與陶瓷相比，大多數金屬柔軟、韌性好，斷裂韌性更好，強度更低。為了結合陶瓷的功能特性，彌補其脆性和低斷裂韌性，需要將陶瓷與特定應用場景下的金屬材料連接，以形成滿足服役要求的構件[5]。焊接工藝要求母材具備穩定的形式，從而在加熱和壓力作用下，不同材料原子之間產生原子間或分子間作用力[6]。由于金屬和陶瓷固有的電子結構和鍵合類型差異大，即陶瓷具有離子或共價鍵，以及金屬主要具有金屬鍵，因此金屬和陶瓷的鍵合過程十分困難。在材料制造領域，人們正努力開發能夠將這兩類材料有效連接的技術手段，以有效利用它們各自的優勢。本章對陶瓷與金屬的焊接連接技術這一具有廣闊前景的研究課題進行了簡要深入的分析，從母材、工藝及微觀組織結構調控機理等不同角度分析了該領域的研究進展。 1.1陶瓷材料介紹 傳統陶瓷又稱普通陶瓷，是以黏土等天然硅酸鹽為主要原料燒成的制品，現代陶瓷又稱新型陶瓷、精細陶瓷或特種陶瓷。常用非硅酸鹽類化工原料或人工合成原料，如氧化物（氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦等）和非氧化物（氮化硅、碳化硼等）制造。陶瓷具有優異的絕緣、耐腐蝕、耐高溫、硬度高、密度低、耐輻射等諸多優點，并且已在國民經濟各領域得到廣泛應用。傳統陶瓷制品包括日用陶瓷、建筑衛生陶瓷、工藝美術陶瓷、化工陶瓷、電氣陶瓷等，種類繁多，性能各異。隨著高新技術工業的興起，各種新型特種陶瓷也獲得較大發展，特種陶瓷已日趨成為卓越的結構材料和功能材料。它們具有比傳統陶瓷更高的耐溫性能、力學性能、特殊的電性能和優異的耐化學性能。隨著現代材料科學和工業的發展，人們對所需材料的性能要求越來越高。除了需要一些常規的機械性能外，在某些情況下還需要高溫強度、低溫韌性、高耐磨性和耐腐蝕性[7]。 而陶瓷材料恰恰具有人們所期待的性能，如高硬度、高耐磨性、優異的耐腐蝕性以及高熱穩定性和化學穩定性（表1-1）陶瓷所具有的獨*性質往往與化學鍵的“混合”性質有關，即共價鍵、離子鍵，有時還與金屬鍵性質相混合。它們由相互連接的原子陣列組成，沒有離散的分子。這一特性使陶瓷區別于分子固體，如碘晶體（由離散的I2分子組成）和石蠟（由長鏈烷烴分子組成）。大多數陶瓷是金屬或類金屬與非金屬的化合物。*常見的是氧化物、氮化物和碳化物。從*基本的意義上來說，構成這些化合物的分子是無機的，并且以共價鍵結合。陶瓷在航空航天、能源、機械和光學等領域的應用已得到廣泛認可，然而，由于其固有的脆性、低延展性和較差的可加工性，在使用過程中容易斷裂，并且不容易生產大型復合材料構件，因此，陶瓷的工程應用受到限制。 1.2復合材料介紹 在某些情況下，單一材料的性能已無法滿足快速發展的工業的要求。由于陶瓷材料具備優良的耐磨性，并且硬度高、耐腐蝕性好，所以得到了廣泛應用。但是，陶瓷的*大缺點是脆性大，對裂紋、氣孔等很敏感。20世紀80年代以來，人們在陶瓷材料中加入顆粒、晶須及纖維等得到了陶瓷基復合材料，使得陶瓷的韌性大大提高[11，12]。 陶瓷基材料的復合結構結合了多種材料的優點，具有良好的綜合性能和廣闊的應用前景。陶瓷基復合材料是以陶瓷為基體與各種纖維復合的一類復合材料。陶瓷基體可為氮化硅、碳化硅等高溫結構陶瓷。這些先進陶瓷具有耐高溫、高強度和剛度、相對質量較輕、抗腐蝕等優異性能，而陶瓷*致命的弱點是具有脆性，處于應力狀態時，會產生裂紋，甚至斷裂導致材料失效。而采用高強度、高彈性的纖維與基體復合，則是提高陶瓷韌性和可靠性的一個有效的方法。纖維能阻止裂紋的擴展，從而得到有優良韌性的纖維增強陶瓷基復合材料。陶瓷基復合材料已用作液體火箭發動機噴管、導彈天線罩、航天飛機鼻錐、飛機剎車盤和高檔汽車剎車盤等，并且成為高技術新材料的一個重要分支[13]。 纖維增韌高溫陶瓷基復合材料（CMCs）目前是一類非常有競爭力的極端環境熱結構候選材料。其主要包括非氧化物SC纖維和C纖維增強SIC基復合材料，如SiCf/SiC和Cf/SiC[14，15]。陶瓷基復合材料的典型應用包括新型飛行器熱防護系統和動力系統的關鍵部件以及其他民用動力裝置的關鍵部件，先進核能系統中作為燃料包殼和面向高溫等離子體材料及高溫熱交換材料，高性能制動系統的關鍵部件材料等。這些系統的服役環境對材料要求極為苛刻，傳統材料對性能提升具有一定的局限性，而陶瓷基復合材料除了具有耐高溫、高比強度、高比模量、高熱導率、低熱膨脹系數等一系列優良性能外，還具有基體致密度高、耐熱震、抗燒蝕、耐輻照及低放射活性、抗疲勞和抗蠕變等特性，展現了優越的高溫熱力學性能和微觀組織穩定性。陶瓷基復合材料是一種集結構承載和耐苛刻環境的輕質新型復合材料，在空天飛行器的隔熱/防熱、航空發動機渦輪葉片、火箭發動機及先進核能耐高溫部件上擁有巨大的應用潛力。 陶瓷基復合材料具有高強度、高模量、低密度、耐高溫、耐磨、耐蝕和良好的韌性，已用于高速切削工具和內燃機部件上。但這類材料發展較晚，其潛能尚待進一步發揮。研究重點是將其應用于高溫材料和耐磨、耐蝕材料，如大功率內燃機的增強渦輪、航空航天器的熱部件以及代替金屬制造車輛發動機、石油化工容器、廢物垃圾焚燒處理設備等。本書陶瓷基纖維復合材料的定義采用的是《中國土木建筑百科辭典：工程材料（下）》中對陶瓷基復合材料的**種描述，即纖維增強陶瓷基復合材料，主要指用碳纖維、石墨纖維、碳化硅纖維、氮化硅纖維、氧化鋯纖維等增強氧化鎂、氧化硅、氮化硅、氧化鋁、氧化鋯等制成的復合材料。陶瓷基復合材料具有高溫抗壓強度大、彈性模量高、耐氧化性強、耐沖擊性能好等特點，是一種耐高溫結構材料，已被試用于各種燃氣輪機和內燃機的部分零件[16，17]。 陶瓷基纖維復合材料生產方法有泥漿法、熱壓法和浸漬法等。陶瓷基復合材料的成形方法分為兩類：一類是針對陶瓷短纖維、晶須、顆粒等增強體，復合材料的成形工藝與陶瓷基本相同，如料漿澆鑄法、熱壓燒結法等；另一類是針對碳、石墨、陶瓷連續纖維增強體，復合材料的成形工藝常采用粉末冶金法、料漿浸滲法、料漿浸漬熱壓燒結法和化學氣相滲透（chemicalvaporinfiltration，CVI）法[18-20]。 （1）粉末冶金法，又稱為壓制燒結法或混合壓制法，廣泛應用于制備特種陶瓷以及某些玻璃陶瓷。這種方法是將作為基體的陶瓷粉末和增強材料以及加入的黏接劑混合均勻，冷壓制成所需形狀，然后進行燒結或直接熱壓燒結制成陶瓷基復合材料。前者稱為冷壓燒結法，后者稱為熱壓燒結法。熱壓燒結法時，在壓力和高溫的同時作用下，致密化速度可得到提高，從而獲得無氣孔、細晶粒、具有優良力學性能的制品。但用粉末冶金法進行成形加工的難點在于基體與增強材料不易混合，并且晶須和纖維在混合或壓制過程中，尤其是在冷壓情況下容易折斷[21，22]。 （2）料漿浸滲法，這種方法是將纖維增強體編織成所需形狀，用陶瓷漿料投密，干燥后進行燒結。該方法與粉末冶金法的不同之處在于混合體采用漿料形式。其優點是不損傷增強體，工藝較簡單，無須模具；缺點是增強體在陶瓷基體中的分布不大均勻[23，24]。 （3）料漿浸漬熱壓成形法，這種方法將纖維或織物增強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體制成一定結構的坯體，干燥后在高溫、高壓下熱壓燒結成為制品。料漿浸漬熱壓法的優點是加熱溫度比晶體陶瓷低，不易損傷增強體，層板的堆垛改序可任意排列，纖維分布均勻，氣孔率較低，獲得的強度高，工藝比較簡單，無須成形模具，能生產大型零件。缺點是不能制作形狀太復雜的零件，基體材料必須是低熔點或低軟化點的陶瓷[25]。 （4）化學氣相滲透法是將增強纖維編織成所需形狀的預成形體，并置于一定溫度的反應室內，然后通入某種氣源，在預成形體孔穴的纖維表面上產生熱分解或化學反應沉積出所需陶瓷基質，直至預成形體中各孔穴被完全填滿，獲得高致密度、高強度、高韌性的制件[26，27]。 界面是陶瓷基復合材料強韌化的關鍵，主要功能有以下幾點[28，29]： （1）脫黏偏轉裂紋作用。當基體裂紋擴展到有結合程度適中的界面區時，此界面發生解離，并使裂紋發生偏轉，從而調節界面應力，阻止裂紋直接越過纖維擴展。 （2）傳遞載荷作用。由于纖維是復合材料中主要的承載相，因此界面相需要有足夠的強度來向纖維傳遞載荷。 （3）緩解熱失配作用。陶瓷基復合材料是在高溫下制備的，由于纖維與基體的熱膨脹系數（CTE）存在差異，當冷卻至室溫時會產生內應力，因此，界面區應具備緩解熱殘余應力的作用。 （4）阻擋層作用。在復合材料制備所經歷的高溫下，纖維和基體的元素會相互擴散、溶解，甚至發生化學反應，導致纖維/基體的界面結合過強。因此，要求界面區應具有阻止元素擴散和阻止發生有害化學反應的作用。 纖維增強陶瓷基復合材料沿纖維方向受拉伸時，根據纖維/基體界面結合強度的不同，復合材料的斷裂模式不同，以此為依據分為三種類型[3a31]： （1）強結合界面-脆性斷裂。當外加載荷增加時，基體裂紋擴展到界面處，由于界面結合強，裂紋無法在界面處發生偏轉而直接橫穿過纖維，使復合材料斷裂，但是對于顆粒增強陶瓷基復合材料來說，強結合界面是強韌化的必要條件。 （2）弱結合界面-韌性斷裂。當基體裂紋擴展到界面處時，由于界面結合不是很強，因此裂紋可以在界面處發生偏轉，從而實現纖維與基體的界面解離、纖維橋聯和纖維拔出。 （3）強弱混合界面-混合斷裂。混合斷裂是以上兩種理想情況斷裂模式的混合，即在界面結合強處發生脆性斷裂，而在界面結合弱處發生韌性斷裂。 1.3金屬材料介紹 金屬，無論是純金屬還是合金金屬，都是由克服離子核之間相互排斥的非定域電子連接在一起的原子組成的。許多主要的族元素以及所有的過渡元素和內部過渡元素都是金屬。它們還包括金屬元素或金屬和非金屬元素的合金組合（如鋼中的合金，主要由鐵和碳組成）。離域電子賦予金屬許多特性（如良好的導熱性和導電性）（表1-2）[32，33]。由于金屬的電子傾向脫離，因此具有良好的導電性，且金屬元素在化合物中通常帶正價電，但當溫度升高時，由于受到了原子核的熱震蕩阻礙，電阻將會變大。金屬分子之間的連接是金屬鍵，因此隨意更換位置都可再重新建立連接，這也是金屬伸展性良好的原因之一。許多金屬具有緊密的堆積結構，并在室溫下發生塑性變形。 在自然界中，絕大多數金屬以化合態存在，少數金屬例如金、銀、鉑、鉍可以游離態存在。金屬礦物多數是氧化物及硫化物。其他存在
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