陶瓷基復合材料界面強度計算公式

『壹』 陶瓷基復合材料有何特性

由纖維增強陶瓷的陶瓷基復合材料既可保留陶瓷材料耐高溫、高硬高強和耐磨蝕的性能，同時又克服了陶瓷的脆性，陶瓷基復合材料可滿足1200℃～1900℃的使用條件。人造地球衛星、載人宇宙飛船等的發射成功，取決於稱為「燒蝕材料「的陶瓷基復合材料，當宇宙飛行器從外層空間返回地球時，稠密的大氣層是它的必經之地，高速的飛行速度使飛行器和空氣之間產生強烈的摩擦，由此而放出的熱量瞬間可高達8000℃～10000℃，」燒蝕材料」此時吸收大量的熱燒掉自己的一部分，與些同時使周圍的溫度降低，以保證飛行器本體安然無恙。

陶瓷基復合材料除了用於航空航天部件，還可用於滑動構件、發動機部件和刀件具等。法國用長纖維增強碳化硅復合材料作為超高速列車的制動機，其優異的摩擦磨損特性是傳統制動件無法相比的。

陶瓷基復合材料以優異的耐高溫和耐磨損性能取勝於其他復合材料，但由於價格昂貴使其應用受到一定限制。

先進復合材料為航天航空事業做出了重大貢獻，最新研究結果表明，在某些特種飛機上先進復合材料用量已佔50%以上，美國最新生產的具有隱身功能的轟炸機B-2，其機體的結構材料幾乎全是復合材料。當今先進復合材料已廣泛擴展到其他領域，如用復合材料製成的箭，其箭桿重量減輕4%，命中率也大大提高。在汽車工業領域，用先進復合材料製成的製件代替同樣性能的鋼製件，可減重70%左右，而且在工藝上可一次成型，可用來製造汽車車體、受力構件、發動機架和內部構件。先進復合材料在化工、紡織業、醫療和精密儀器等領域也發揮著不可估量的作用。

先進復合材料的研究十分活躍，發展趨向有以下特點：由宏觀復合向微觀復合發展；由增強性的雙元混雜向超混雜復合發展；由結構復合向多功能復合發展。復合材料除具有力學性能外，還有其他如電、磁、光等性能。

『貳』 什麼是陶瓷基復合材料

合成材料
合成材料又稱人造材料，是人為地把不同物質經化學方法或聚合作用加工而成的材料，其特質與原料不同，如塑料、玻璃、鋼鐵等。

無機非金屬材料
無機非金屬材料(inorganic nonmetallic materials)是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、鹵素化合物、棚化物以及硅酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽、棚酸鹽等物質組成的材料。是除有機高分子材料和金屬材料以外的所有材料的統稱。元機非金屬材料的提法是20世紀40年代以後,隨著現代科學技術的發展從傳統的硅酸鹽材料演變而來的。元機非金屬材料是與有機高分子材料和金屬材料並列的三大材料之一。在晶體結構上,元旦主企是材料的元素結合力主更主Af鍵、共價鍵主豆子-共價混合蟹。這些化學鍵所特有的高鍵能、高鍵強賦予這一大類材料以高熔點、高硬度、耐腐蝕、耐磨損、高強度和良好的抗氧化性等基本屬性,以及寬廣的導電性、隔熱性、透光性及良好的鐵電性、鐵磁性和壓電性。元機非金屬材料品種和名目極其繁多,用途各異,因此,還沒有一個統一而完善的分類方法。通常把它們分為普通的(傳統的)和先進的(新型的)無機非金屬材料兩大類。傳統的元機非金屬材料是工業和基本建設所必需的基礎材料。如水泥是一種重要的建築材料;耐火材料與高溫技術,尤其與鋼鐵工業的發展關系密切;各種規格的平板玻璃、儀器玻璃和普通的光學玻璃以及日用陶瓷、衛生陶瓷、建築陶瓷、化工陶瓷和電瓷等與人們的生產、生活休戚相關。它們產量大,用途廣。其他產品,如搪瓷、磨料(碳化硅、氧化鋁)、鑄石(輝綠岩、玄武岩等)、碳素材料、非金屬礦(石棉、雲母、大理石等)也都屬於傳統的無機非金屬材料。新型元機非金屬材料是20世紀中期以後發展起來的,具有特殊性能和用途的材料。它們是現代新技術、新產業、傳統工業技術改造、現代國防和生物醫學所不可缺少的物質基礎。主要有先進陶瓷(advanced ceramics)、非晶態材料(noncrystal material〉、人工晶體〈artificial crys-tal〉、無機塗層(inorganic coating)、無機纖維(inorganic fibre〉等。

無機非金屬材料的分類

(1)傳統無機非金屬材料：水泥、玻璃、陶瓷等硅酸材料。

『叄』 陶瓷基復合材料的加工與封接

連續纖維補強陶瓷基復合材料(Continuous FiberReinforced Ceramic Matrix Composites,簡稱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合材料。由於其具有高強度和高韌性,特別是具有與普通陶瓷不同的非失效性斷裂方式,使其受到世界各國的極大關注。連續纖維增強陶瓷基復合材料已經開始在航天航空、國防等領域得到廣泛應用[1~3]。20世紀70年代初,J Aveston[2]在連續纖維增強聚合物基復合材料和纖維增強金屬基復合材料研究基礎上,首次提出纖維增強陶瓷基復合材料的概念,為高性能陶瓷材料的研究與開發開辟了一個方向。隨著纖維制備技術和其它相關技術的進步,人們逐步開發出制備這類材料的有效方法,使得纖維增強陶瓷基復合材料的制備技術日漸成熟。20多年來,世界各國特別是歐美以及日本等對纖維增強陶瓷基復合材料的制備工藝和增強理論進行了大量的研究,取得了許多重要的成果,有的已經達到實用化水平。如法國生產的「Cerasep」可作為「Rafale」戰斗機的噴氣發動機和「Hermes」太空梭的部件和內燃機的部件[4];SiO2纖維增強SiO2復合材料已用作「哥倫比亞號」和「挑戰者號」太空梭的隔熱瓦[5]。由於纖維增強陶瓷基復合材料有著優異的高溫性能、高韌性、高比強、高比模以及熱穩定性好等優點,能有效地克服對裂紋和熱震的敏感性[6~7],因此,在代寫論文重復使用的熱防護領域有著重要的應用和廣泛的市場。1 CFCC的選材原則[8]

1)陶瓷基體和纖維應該滿足結構件的使用環境要求。使用環境包括:工作最低溫度、最高溫度、濕度、工作介質的腐蝕性等。

2)陶瓷基體和纖維間彈性模量的匹配。當復合材料承受負載時,其應力和彈性模量服從加和原則[4]。 σc=σfVf+σmVm(1)

Ec=EfVf+EmVm

Vf+Vm= 1

上述方程中,σ表示承受的應力,V為體積分數,E為彈性模量。下標c、f、m分別代表復合材料、纖維、基體。

在復合材料斷裂前,基體和纖維其應變是一致的:

εc=εm=εf=σm/Em=σf/Ef(2)對於脆性基體復合材料,當基體的應變大於其臨界斷裂應變時基體發生斷裂。由於基體的彈性變形非常小,所以在基體斷裂瞬間,纖維並未充分發揮作用。假設基體斷裂時,它所承擔的應力分量全部轉移給纖維。此時復合材料所承擔的應力由式(1)和式(2)可得:

σc=σmu[1+Vf(EfEm-1)] (3)式中下標mu和f分別代表基體和纖維斷裂。從式(3)可看出,對於脆性基體復合材料,如果基體的斷裂應變小於纖維的斷裂應變,要想提高復合材料的強度,必須Ef大於Em,選擇高模量的纖維。這時Ef/Em越大,復合材料的強度越高。如果Ef小於Em,基體不僅得不到強化,反而會降低。

3)陶瓷基體和纖維的熱膨脹系數的匹配。復合材料組元之間必須要滿足物理化學相容性,其中最重要的就是熱膨脹系數的匹配。設αm、αfa、αfr分別代表基體、纖維軸向和纖維徑向熱膨脹系數的平衡值。則基體所承受的應力:

軸向 σa= (αm-αfa)ΔTEm(4)

徑向 σr= (αm-αfr)ΔTEm(5)

式中ΔT為應力馳豫溫度與室溫之差值,Em為基體的彈性模量。

如果αm>αfa,則σa為正值。復合材料冷卻後纖維受壓縮熱殘余應力,基體受拉伸熱殘余應力。這種熱殘余拉伸應力在材料使用時將疊加於外加拉伸載荷,對材料的強度不利。如果σa>σmu,材料在冷卻過程中就可能垂直於纖維軸向形成微裂紋網路,使材料的性能大大降低。如果αm<αfa,則σa為負值,纖維受熱殘余拉伸應力,基體受壓應力。這個應力可能抵消外加拉伸載荷,對材料性能的提高有益。但如果該應力過大,超過纖維的斷裂應力時,對強化不利。

如果αm>αfr,則σr為正,那麼纖維-基體界面則承受熱壓縮應力。過大的界面壓應力使復合材料在斷裂過程中難以形成纖維「脫粘」、「拔出」等吸能機制,對材料性能的提高不利。如果αm<αfr,則σr為負,那麼界面受拉應力,適當的拉應力是有益的。

4)材料應滿足結構的特殊要求,但組元之間不能發生明顯的化學反應、溶解和嚴重的擴散。而且在滿足性能要求的前提下,成本盡可能低。

2 CFCC的增韌機制

任何固體材料在載荷作用下,吸收能量的方式只有兩種:材料變形和形成新的表面[9]。對於脆性的陶瓷材料而言,材料只能發生很小的變形,只能增加斷裂表面,增加裂紋的擴展路徑來消耗能量。對於CFCC其增韌機理主要包括因模量差異而引起的載荷轉移、微裂紋增韌、裂紋偏轉、纖維脫粘和纖維拔出等[10]。在軸向力作用下,CFCC斷裂包括3個階段(如圖1(a)所示):OA段,此段應力水平較低,材料處於線彈性階段。在A點開始出現線性偏離,A點為基體的極限強度,基體開始出現裂紋。AB段,隨著應力的提高裂紋越來越多、越來越大[15]。在B點處復合材料內部纖維開始斷裂,即B點為CFCC的極限強度。與單相的陶瓷材料相比(如圖1(b)所示),雖然單相陶瓷的極限強度可能大於CFCC的極限強度,但是其應變值卻遠遠小於CFCC的應變值,因此CFCC的斷裂功遠大於單相陶瓷的斷裂功。BC段,隨著應力的繼續增加,纖維和基體脫粘,伴隨著纖維的斷裂和拔出(如圖2所示)。在軸向力作用下,CFCC的斷裂包括:基體開裂、纖維斷裂、纖維脫粘、纖維拔出和纖維斷裂等復雜過程。因此對於CFCC而言,纖維拔出和纖維橋接是主要的增韌

3 CFCC的製造方法

3.1 泥漿浸滲/熱壓法

這種方法是最早用於制備CFCC的方法,也是制備低熔點陶瓷基復合材料的傳統方法[18]。工藝要點如下:將纖維束連續通過含有粘結劑的泥漿中,將浸有漿料的纖維纏繞於滾筒上,製成無緯布,經切片、疊加、熱模壓成形和熱壓燒結制備出CFCC。泥漿浸滲/熱壓法工藝過程如圖3所示。

圖3 泥漿浸滲/熱壓法工藝過程示意圖

泥漿一般由液體介質、基體粉末和有機粘結劑組成,在熱壓過程中,隨著粘結劑的揮發、逸出,將發生基體顆粒的重新分布、燒結和粘結流動等過程,從而獲得緻密的復合材料。

張建良等在碳纖維表面塗敷SiC和SiO2,用熱壓法制備了碳纖維補強氧化鋁陶瓷基復合材料,使復合材料的彎曲強度增加47%,斷裂韌性增加58%[19]。雖然此法在製造玻璃及玻璃陶瓷基復合材料方面取得了較好的效果,但是泥漿浸滲/熱壓法存在以下不足而使其應用范圍受到限制[20]:只能製得一維或二維纖維強化復合材料,製造三維材料時,因熱壓使纖維骨架受到損傷;由於工藝的局限,難以製得形狀復雜的大型構件。

3.2 原位化學反應法/化學氣相滲透法[9]

化學氣相滲透法(Chemical Vapor Infiltration,CVI)是20世紀60年代中期在化學氣相沉積法(CVD)基礎上發展起來的,二者的區別在於CVD主要從外表面開始沉積,而CVI則是通過空隙滲入預制體內部沉積[21]。CVI是製造CFCC最適合的方法之一,用CVI法可以在低溫條件下製得高溫陶瓷基體,製得的復合材料具有良好的機械性能;它具有能在同一個反應爐中同時沉積多個或不同形狀的預製件,可方便地制備具有三維網路結構的CFCC以及可以通過控制沉積條件改變基體的顯微結構等優點[22]。但主要缺陷是只能沉積簡單的薄壁件,對於粗厚型件內部往往會出現孔洞,存在緻密性差,材料沉積不均勻的問題,同時其工藝周期特別長,制備成本高。為了獲得性能優良的CFCC,發展了各種CVI工藝,分為以下5類:均熱CVI法、熱梯度CVI法、激光CVI法、強制流CVI、微波CVI法等[23~26]。德國已經用CVI法制備出性能優異的二維SiC纖維增強陶瓷基復合材料,其彎曲強度達到500~560MPa、斷裂韌性為25MPa·m1/2。

3.3 溶膠-凝膠法及聚合物先驅體裂解法[5]溶膠-凝膠法及聚合物先驅體裂解法又稱先驅體轉化法或聚合物浸漬裂解法,是近期發展出的製造CFCC的新方法[27]。其主要工藝:將具有一定形狀的纖維坯體浸入多聚物液體中,使多聚物填滿纖維間的空隙,然後將多聚物在一定條件下固化後,在一定氣氛下使其發生高溫分解,便製得CFCC[28]。溶膠-凝膠法主要用於氧化物陶瓷基體,而先驅體轉化法主要用於非氧化物陶瓷基體。採用合適的聚合物裂解和多次浸漬的方法可以提高復合材料的緻密度和提高復合材料的力學性能。國防科學技術大學採用先驅體液相浸漬工藝制備三維編織連續纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料[29~31],復合材料的彎曲強度達570MPa,斷裂韌性為18.25MPa·m1/2,材料的密度為1.7~1.9 g/c。此法的優點是裂解溫度低,材料制備過程中對纖維造成的熱損傷和機械損傷較小;可制備形狀復雜的異型構件。但這一工藝的缺點是燒結過程中基體出現較大的收縮;由於高溫裂解過程中有小分子逸出,材料空隙率較高緻密度低;為了達到較高的緻密度,必須經過多次浸滲和高溫處理,制備周期長。

3.4 熔融金屬直接氧化法[18](Lanxide法)熔融金屬直接氧化法是美國Lanxide公司首先提出並進行研究的,所以又稱為Lanxide法。目前此法主要用於以氧化鋁陶瓷為基體的CFCC,具體步驟如下:將編織成一定形狀的纖維預制體的底部與熔融的鋁合金接觸,在空氣中熔融的金屬鋁發生氧化反應生成Al2O3基體。Al2O3通過纖維坯體中的空隙由毛細管作用向上生長,最終坯體中的所有空隙被Al2O3填滿,製成緻密的CFCC。熔融金屬直接氧化法製造CFCC示意圖如圖4所示。

圖4 熔融金屬直接氧化法製造CFCC示意圖Lanxide法制備CFCC可以在900~1 000℃較低溫度下進行,對纖維熱損傷和機械損傷小,制備的復合材料具有高強度和高韌性;此法制備過程中不存在燒成收縮,也適合制備大型構件。但是由於復合材料中或多或少的會殘留有一定量的金屬,導致材料的高溫抗蠕變性能降低,所制備的材料緻密度較低[32]。

4 CFCC的界面改性

纖維與基體間界面的主要作用為傳遞作用和阻斷作用,而這種作用與纖維和基體間的界面特性密切相關。要想製得性能優異的復合材料,則復合材料必須滿足以下基本條件[5]:

1)纖維與基體間的界面結合適中;

2)纖維與基體間的物理和化學相容性好。

高溫處理是纖維和基體產生結合強度的必要過程,因此在復合材料中,纖維與基體的反應和互擴散作用以及兩者之間熱膨脹系數的差異等使界面的形狀、尺寸、成分和結構變得十分復雜。為了獲得高強度高韌性的CFCC,必須嚴格控制纖維和基體間的界面結構與性能,使復合材料滿足上述基本條件,從而獲得較好的實現纖維的補強增韌作用。目前,較理想的方法是界面改性,主要是通過在纖維與基體間設計界面相來改善纖維與基體的界面特性,從而達到改善復合材料性能的要求。界面相應該具有以下功能:①傳遞載荷作用。纖維是主要的載荷承擔者,因此界面相應有足夠的強度使纖維承受大部分載荷。②緩解作用。界面相應具備緩解纖維與基體間界面殘余熱應力的作用,而且能降低纖維與基體間的互擴散。③松粘作用。界面相能使裂紋發生偏轉,從而阻止裂紋進一步向纖維內部擴展[33~36]。

界面改性最主要的方法是引入第三相來阻止纖維與基體間的界面反應,具體方法有[37~40]:①纖維表面塗層(單一塗層或復合塗層);②採用復合纖維;③添加組分在界面處形成偏聚來改善界面特性。由於纖維表面塗層工藝簡單、效果好,因此在制備CFCC中得到廣泛應用。

5 結語

由於連續纖維增強陶瓷基復合材料有著優異的力學性能和優良的高溫性能,特別是在燃氣渦輪、發動機的葉片、高速軸承、活塞、太空梭的防熱體等都有重要的應用。近年來世界各國如美國、日本、德國、中國等都對CFCC的研究投入較多,纖維增強陶瓷基復合材料必然將成為今後材料研究的熱點。但是,目前CFCC的制備工藝還不完善,而且目前研究最多的是非氧化物纖維,這就給CFCC在高溫高氧化條件下的應用帶來了局限。因此,氧化物纖維增強陶瓷基復合材料的應用必然是未來研究的一個重要方向。纖維表面塗層技術是提高纖維增韌效果的一種有效途徑,研究更加簡單方便的塗層工藝是我們當前研究工作的重點。

『肆』 陶瓷基復合材料有什麼作用

由纖維增強陶瓷的陶瓷基復合材料既可保留陶瓷材料耐高溫、高硬高強和耐磨蝕的性能，同時又克服了陶瓷的脆性，陶瓷基復合材料可滿足1200℃～1900℃的使用條件。人造地球衛星、載人宇宙飛船等的發射成功，取決於稱為「燒蝕材料」的陶瓷基復合材料，當宇宙飛行器從外層空間返回地球時，稠密的大氣層是它的必經之地，高速的飛行速度使飛行器和空氣之間產生強烈的摩擦，由此而放出的熱量瞬間可高達8000℃～10000℃，「燒蝕材料」此時吸收大量的熱燒掉自己的一部分，與些同時使周圍的溫度降低，以保證飛行器本體安然無恙。

陶瓷基復合材料除了用於航空航天部件，還可用於滑動構件、發動機部件和刀件具等。法國用長纖維增強碳化硅復合材料作為超高速列車的制動機，其優異的摩擦磨損特性是傳統制動件無法相比的。

陶瓷基復合材料以優異的耐高溫和耐磨損性能取勝於其他復合材料，但由於價格昂貴使其應用受到一定限制。

先進復合材料為航天航空事業做出了重大貢獻，最新研究結果表明，在某些特種飛機上先進復合材料用量已佔50%以上，美國最新生產的具有隱身功能的轟炸機B-2，其機體的結構材料幾乎全是復合材料。當今先進復合材料已廣泛擴展到其他領域，如用復合材料製成的箭，其箭桿重量減輕4%，命中率也大大提高。在汽車工業領域，用先進復合材料製成的製件代替同樣性能的鋼製件，可減重70%左右，而且在工藝上可一次成型，可用來製造汽車車體、受力構件、發動機架和內部構件。先進復合材料在化工、紡織業、醫療和精密儀器等領域也發揮著不可估量的作用。

先進復合材料的研究十分活躍，發展趨向有以下特點：由宏觀復合向微觀復合發展；由增強性的雙元混雜向超混雜復合發展；由結構復合向多功能復合發展。復合材料除具有力學性能外，還有其他如電、磁、光等性能。

『伍』 陶瓷基復合材料的增強增韌機理有哪些

近年來，作為納米復合材料--納米碳酸鈣填充聚合物改性已成為材料科學的一支新秀，引起人們的極大興趣。這類材料兼有有機物和無機物的優點，由於無機物與聚合物之間界面面積非常大，且存在聚合物與無機填料界面間的化學結合，因此具有理想的粘接性能，可消除無機物與聚合物基體兩種物質熱膨脹系數不匹配問題，充分發揮無機材料優異的力學性能及耐熱性。由於此類納米復合材料熔體或流體具有相似的流變性能，因此對各種類型的成型加工有廣泛的適用性，具有廣闊的發展前景。

目前在納米碳酸鈣的使用過程中，不少採用常規共混復合方法制備的納米粉體填充聚合物復合材料遠遠沒有達到納米分散水平，而只屬於微觀復合材料。原因在於當填料粒徑減小到納米尺寸時，粒子的表面能如此之大，致使粒子間的自聚集作用非常顯著，故採用現有的共混技術難以獲得納米尺度的均勻共混，並且現有的界面改性技術難以完全消除填料與聚合物基體間的界面張力，實現理想的界面粘接。如果填料在聚合物基體中的分散達到納米尺度，就有可能將無機填充物的剛性、尺寸穩定性和熱穩定性與聚合物的韌性、加工性及介電性完美地結合起來，獲得性能優異的聚合物基納米基復合材料。

一、增強增韌機理

納米碳酸鈣作為聚合物中的功能性填料，其對聚合物性能的影響因素主要是粒子大小、聚集狀態和表面活性等方面。

納米碳酸鈣的粒子比普通碳酸鈣更細微。隨著粒子的微細化，境料粒子表面原子數目的比例增大，使粒子表面的電子和晶體結構都發生變化，到了納米級水平，填料粒子將成為有限個原子的集合體，使納米材料具有一系列優良的理化性能。最明顯最有代表性的體現在比表面積和表面能的變化上，粒子愈小，單位質量的比表面能愈大，增大了填料與聚合物基質的接觸面積，為形成物理纏結提供了保證。

根據無機剛性粒子在聚合物中的增韌理論，一個必要條件是分散粒子與樹脂界面結合良好。樹脂受到外力作用時，剛性納米級碳酸鈣粒子引起基體樹脂銀紋化吸收能量，從而提高增韌效果。

從納米碳酸鈣的聚集狀態看，有部分納米粒子形成了鏈狀結構，它屬於一次結構。這種結構越多，填料的結構化水平越高，與聚合物形成纏結的可能性越大。另外填料的酸鹼性也是其表面化學活性的一種反映，可影響膠料的硫化速度和物理性能。

由上述幾個方面的分析可知，從無機填料的優化角度看，納米碳酸鈣確是一種優化材料，既具有因粒子微細和鏈狀結構而生成的物理纏結作用，又具有由於表面活性而引起的化學結合作用，在聚合物填充中表現出良好的補強作用。
二、在聚合物中的應用

1．聚丙烯

納米級碳酸鈣混煉於PP材料中，對PP的結晶有明顯的誘導作用，起到了異相成核作用，使PP的結晶度提高。納米級碳酸鈣的粒徑小，比表面積大、表層原子數多、表面活性高，則PP結晶體的顆粒小。由於納米級碳酸鈣與聚合物的界面粘接強度高，從而改善PP的抗沖擊強度和聚合物的力學性能。實驗表明，隨著填充量的增加，熔融吸收量呈現先升後降趨勢。納米級碳酸鈣在低於3.5%(質量分數，下同)時，其在基體中分散性良好，對PP的結晶度提高較大。當含量大於3.5%後，由於團聚現象加劇，無機粒子的異相成核作用減弱，因此，PP的結晶度下降。對普通碳酸鈣(9цm左右)而言，雖然對PP的結晶有誘導作用，但是粒子對PP基體的界面粘接強度差，因此，隨著普通碳酸鈣含量的增加，材料的力學性能有所下降。PP／納米能碳酸鈣材料的綜合力學性能要明顯優於PP和PP微米級碳酸鈣復合材料。

2．聚氯乙烯

PVC是目前用量最大的通用塑料之一，隨著共混改性技術的發展，其應用領域越來越廣。傳統PVC增韌改性通常是在樹脂中加入橡膠類彈性體，但是是以降低材料寶貴的剛性、耐熱性、尺寸穩定性為代價的。用納米碳酸鈣改性能明顯提高PVC的力學性能。研究表明，當納米碳酸鈣用量逐漸增加時，其體系的拉伸強度也增加，當其用量為10%時出現最大值58MPa，為純PVC(47MPa)的123%，再增加其用量，體系拉伸強度下降。同樣加入納米碳酸鈣對體系缺口沖擊強度均有較大的增加，當用量為10%時，缺口沖擊強度達到最大值16.3kJ／m2，為純PVC(5.2kJ／m2)的313%；而微米級碳酸鈣對體系的最大沖擊強度為純PVC的238%。這是因為納米級碳酸鈣顆粒細小，在基體中成點陣分布，粒子與基體界面間無明顯間隙，象粘在基體上，基體在沖擊方向則存在一定的網絲狀屈服，從而提高PVC的綜合理化性能。

3．硅橡膠

近年來，補強型填料白炭黑對硅橡膠性能的研究已較為深入，但填充型材料碳酸鈣對硅橡膠性能影響的研究報道較少。由於納米碳酸鈣性能穩定，相對價格比白炭黑低得多，填充量大，且對硅橡膠有一定的補強作用，所以日益受到人們的重視。

納米碳酸鈣對硅橡膠性能的影響主要是水分、粒徑大小和表面狀態。一般情況下，納米碳酸鈣的水分能滿足要求，即使存在少量水分，也可以通過捏合過程中，在一定的溫度下減壓脫水，使其達到要求。碳酸鈣粒徑的大小對硅橡膠的拉伸強度和扯斷伸長率的影響較大。碳酸鈣的粒徑越小，與硅氧烷分子鏈作用的表面積越大，補強點越多，對硅橡膠的拉伸強度和扯斷伸長率影響也就越大。表面狀態也是影響硅橡膠的拉伸強度和扯斷伸長率的重要因素，納米碳酸鈣經脂肪酸表面處理，表面由親水性變為親油性，與硅橡膠間的潤濕分散性好，使納米碳酸鈣均勻地分散在硅橡膠中，不但起到增強作用，而且改善硅橡膠的流變性能，碳酸鈣的粒徑越小，其體系的觸變性越好。上海卓越納米新材料股份有限公司生產的納米牌活性碳酸鈣廣泛應用於硅橡膠中，得到用戶的一致好評。

綜上所述，納米碳酸鈣填充於聚合物中，自身具有補強填料的功能，顯著改善聚合物的應用性能已得到人們的共識，主要表現在提高塑性製品機械力學性能、熱力學性能、改善成型加工性能。

三、應用要點

要真正獲得納米碳酸鈣填充的最佳效果，與其使用方法有關。實踐證明，在相同的混煉設備和配方工藝條件下，納米碳酸鈣比普通粒子混煉能大、生熱大、混入速度慢。在應用中必須注意根據所用膠種選擇合適的活化品種，確保具有相容性；配方設計要求填充量適宜，整個填充體系的組合和搭配合理；工藝條件包括加料順序和操作溫度等要合理；必要時，通過選擇其他適宜的輔助分散劑，提高與膠料的相容性。

『陸』 如何控制陶瓷基復合材料的界面。

無反應層界面
增強相與基體直接結合形成原子鍵共格界面和半共格界面，有時形成非晶格界面。
優點：界面結合強度高，提高復合材料強度。
中間反應層界面
存在於增韌相與基體之間，並將兩者結合。
優點：界面層一般都是低熔點共晶相，因此它有利於復合材料的緻密化，這種界面增韌相與基體無固定的取向關系。
界面的特徵
陶瓷基復合材料往往在高溫下制備，由於增強體與基體的原子擴散，在界面上更容易形成固溶體和化合物。此時其界面是具有一定厚度的反應區，它與基體和增強體都能較好的結合，但通常是脆性的。因增加纖維的橫截面多為圓形，故界面反應層常為空心圓筒狀，其厚度可以控制。
第一臨界厚度：當反應層達到某一厚度時，復合材料的抗張強度開始降低，此時反應層的厚度。
第二臨界厚度：如果反應層厚度繼續增大，材料強度也隨之降低，直至達某一強度時不再降低，此時反應層的厚度。
下面我們就以氮化硅陶瓷為例，看看不同界面的特徵。
碳纖維增韌氮化硅
成型工藝對界面結構的影響：
①無壓燒結工藝：C與Si間反應嚴重，SEM可觀察到非常粗糙的纖維表面，纖維周圍存在空隙；
②高溫等靜壓工藝：壓力和溫度較低，使得反應受到抑制，界面上不發生反應，無裂紋或空隙，是比較理想的物理結合。
SiC晶須增韌氮化硅
反應燒結、無壓燒結或高溫等靜壓工藝可獲得無界面反應的復合材料：
①反應燒結、無壓燒結：隨著SiC晶須含量增加，材料密度下降，導致強度下降；
②高溫等靜壓工藝：不出現上述情況。
陶瓷基復合材料界面的粘結
兩相界面的粘結（粘接、粘合或粘著等）方式有多種，如靜電粘結、機械作用粘結、浸潤粘結、反應粘結等。對於陶瓷基復合材料來講，界面的粘結形式主要有兩種：機械粘結和化學粘結。
機械粘結：
由於基體的收縮率較大，冷卻收縮後基體將增強相包裹產生壓應力。
通過滲透、高溫擴散等基體滲入或浸入增強纖維的表面而形成機械結合。
機械粘結為低能量弱粘結，其界面強度較化學粘結低。
化學粘結：
通過原子或分子的擴散在界面上形成了固溶體或化合物，即為化學粘結。

『柒』 制備陶瓷基復合材料的方法有哪些

1、料漿浸漬和熱壓燒結法
料漿浸漬和熱壓燒結法的基本原理是將具有可燒結性的基體原料粉末與連續纖維用浸漬工藝製成坯件，然後高溫下加壓燒結，使基體材料與纖維結合成復合材料 。
2、直接氧化沉積法
直接氧化沉積法最早被用於制備A12O3／A1復合材料，後推廣用於制備連續纖維增強氧化物陶瓷基復合材料。LANXIDE法工藝原理為：將連續纖維預成型坯件置於熔融金屬上面，因毛細管作用，熔融金屬向預成型體中滲透。由於熔融金屬中含有少量添加劑，並處於空氣或氧化氣氛中，浸漬到纖維預成型體中的熔融金屬與氣相氧化劑反應形成氧化物基體，產生的氧化物沉積在纖維周圍，形成含有少量殘余金屬的、緻密的連續纖維增強陶瓷基復合材料。此種方法適用於制備以氧化鋁為基體的陶瓷基復合材料，如SiC／A1203，在1200~C的抗彎強度為350MPa，斷裂韌性為18 MPa·m1/2 ，室溫時的抗彎強度為450 MPa，斷裂韌性為21 M Pa·m1/2
3、溶膠-凝膠法
溶膠一凝膠法(Sol—ge1)是用有機先驅體製成的溶膠浸漬纖維預制體，然後水解、縮聚，形成凝膠，凝膠經乾燥和熱解後形成復合材料。此工藝組分純度高，分散性好，而且熱解溫度不高(低於1400~C)，溶膠易於潤濕纖維，因此更利於制備連續纖維增強陶瓷基復合材料。該工藝缺點是：由於是用醇鹽水解來製得基體，所以復合材料的緻密性差，不經過多次浸漬很難達到緻密化，且此工藝不適於部分非氧化物陶瓷基復合材料的制備。