高性能多相複合陶瓷

本書是對過去20多年有關多相複合陶瓷材料研究的系統性總結，內容包括： 晶須補強增韌的多相複合陶瓷材料，顆粒彌散增韌的多相複合陶瓷材料，相變增韌的多相複合陶瓷材料，仿竹木結構的纖維獨石多相複合陶瓷，仿貝殼珍珠岩結構的層狀多相複合陶瓷，多相複合陶瓷材料的套用等。

本書可供材料科學與工程領域的科技工作者參考，也可供材料科學與工程領域的研究生和本科生參考。

基本介紹

• 書名：高性能多相複合陶瓷
• 作者：黃勇、汪長安
• ISBN：9787302160038
• 定價：75元
• 出版社：清華大學出版社
• 出版時間：2008-1-28
• 裝幀：平裝

內容簡介

複合材料是採用兩種或兩種以上異質、異形、異性的材料通過適當的工藝複合而製成的一種新材料，屬於多相材料。自然界的天然材料如木、竹、骨骼、貝殼等幾乎無一例外地屬於複合材料。通常複合材料的增強劑有長纖維、短纖維或晶須、顆粒等，基體材料有高聚物（樹脂）、金屬、陶瓷（包括玻璃）等，人們根據不同基體而把複合材料分為樹脂基複合材料、金屬基複合材料和陶瓷（玻璃）基複合材料等。

對於陶瓷基複合材料來說，纖維和晶須等增強劑的引入，不僅只著眼於提高材料的強度，更重要的是期望克服陶瓷材料脆性大的固有缺點。事實證明，陶瓷基複合材料確實表現出了不僅在陶瓷材料強度上有極大的增強效果，而且可以大幅度地提高陶瓷材料的斷裂功，再加上陶瓷材料本身又具有極好的耐腐蝕、耐高溫性能，因此陶瓷基複合材料得到了廣泛的重視和套用。隨著科學技術的發展和進步，人們又相繼開發出顆粒彌散強韌化複合陶瓷、層狀複合陶瓷、功能梯度複合陶瓷、氧化鋯相變增韌複合陶瓷、多種增韌機制協同作用的複合陶瓷等。這類陶瓷實際上已經超出原先陶瓷基複合材料的概念，是名副其實的多相複合陶瓷。總之，多相複合陶瓷材料由於具有高強、高韌，優異的耐磨性，卓越的抗腐蝕能力以及很好的抗燒蝕性，可以在高溫動態高負荷的工況以及磨損和腐蝕的環境中服役，因而受到關注並得到迅速的發展。

廣義地講，陶瓷是無機非金屬材料的同義詞，因此多相複合陶瓷應包含所有無機非金屬材料作為基體所製備的多相材料，即無機非金屬材料基多相材料，如陶瓷基複合材料、玻璃基複合材料、水泥基複合材料、碳基複合材料以及兩種以上的基體相構成的層狀結構、梯度結構或機械混合的多相材料等，這類材料統一稱為多相複合陶瓷（multiphase composite ceramics），簡稱為複合陶瓷。

與其他複合材料一樣，多相複合陶瓷也是一種可設計性強的非均質材料。通過對原材料的選擇、各組分分布的設計和工藝條件的保證等，可以使各種原組分材料的優點產生互補作用，從而得到綜合性能優異的新型材料。

在過去20年間，我們課題組先後承擔了十多項與多相複合陶瓷相關的國家重點基礎研究發展規劃項目（“973”項目）、國家自然科學基金重大或重點項目、國家“863”高技術研究計畫項目等研究工作，積累了豐富的研究成果，獲得了多項省部級以上科技獎勵，有些成果已得到實際套用並取得了顯著的經濟與社會效益。為了總結以往的研究成果，促進今後的研究和套用向縱深發展，我們撰寫了這本學術專著，目的就是希望通過這本書的出版，能夠讓更多的科技人員、高校師生和管理人員增進對這個領域的了解，進而推動多相複合陶瓷的研究和套用。

本書由黃勇和汪長安主筆並負責統稿、定稿，曾在本課題組從事博士後研究的徐利華教授撰寫第4章，翟洪祥教授撰寫第3章的3.7節並對整章內容進行了校對，清華大學力學系蔡乾煌教授撰寫第5章的5.7節並校對全章內容，戚建強幫助繪製部分圖表。

書稿完成後，郭景坤院士、張立同院士等對書稿提出了寶貴意見，郭景坤院士還為本書欣然作序。我們特別邀請陶瓷領域的專家對書稿內容進行了審閱： 第1章由歐陽世翕教授審閱，第2章由郭景坤院士審閱，第3章由宋慎泰教授審閱，第4章由鄭元善教授審閱，第5章由余壽文教授審閱，第6章由翟洪祥教授審閱，第7章由李敬峰教授審閱。在此，我們謹對上述合作者和審閱專家一併表示衷心的感謝！

由於我們水平有限，書中如有疏漏或錯誤之處，敬請讀者不吝指正。

黃勇 汪長安

2007年5月於北京清華園

作品目錄

序Ⅰ

前言Ⅲ

符號表Ⅴ

第1章緒論

1.1先進陶瓷材料的現狀與研究進展

1.1.1功能陶瓷

1.1.2結構陶瓷

1.2多相複合陶瓷的出現和發展前景

1.3本書的主要內容

參考文獻

第2章多相複合陶瓷

2.1多相複合陶瓷的定義

2.2多相複合陶瓷的分類

2.3多相複合陶瓷的原材料及其特性

2.3.1基體材料及其特性

2.3.2增強體材料及其特性

2.4多相複合陶瓷的強韌化機制

2.4.1陶瓷材料的脆性本質及其強韌化類型

2.4.2多相複合陶瓷常見的強韌化機制及其影響因素

2.4.3強韌化機理的發展

2.5多相複合陶瓷的顯微結構設計

2.5.1非相變型的多相複合陶瓷增韌的微觀結構模型

2.5.2相變型顯微結構設計

參考文獻

第3章晶須補強增韌多相複合陶瓷

3.1概述

3.2晶須

3.3晶須的增韌機理及其影響因素

3.3.1晶須的增韌機理

3.3.2晶須增韌作用的影響因素

3.4晶須補強增韌多相複合陶瓷的設計

3.4.1概述

3.4.2晶須與基體之間的物理匹配

3.4.3晶須和基體之間的化學相容性

3.5晶須補強增韌多相複合陶瓷的製備

3.5.1SiC晶須的分散工藝

3.5.2燒結緻密化工藝

3.6晶界和界面的設計與調控

3.6.1助燒劑的選擇和最佳化

3.6.2晶須的處理和表面狀態

3.6.3晶界與界面的結晶化熱處理

3.7晶須增韌行為分析模型

3.7.1尾流區與晶須分布

3.7.2尾流區晶須補強基本模式

3.7.3晶須的力學行為

3.7.4架橋應力分析

3.7.5R曲線行為

3.8晶須定向排布與複合材料的性能

3.8.1定向排布的SiC（w）/Si3N4複合材料的製備工藝

3.8.2晶須定向度的表征方法

3.8.3晶須定向排布對SiC（w）/Si3N4複合材料燒結性能的影響

3.8.4晶須定向排布對SiC（w）/Si3N4複合材料的力學性能的影響

3.8.5晶須定向排布對SiC（w）/Si3N4複合材料電學性能的影響

3.9常見的晶須補強增韌多相複合陶瓷

3.9.1晶須補強增韌Al2O3陶瓷基複合材料

3.9.2晶須補強Si3N4陶瓷基複合材料

3.9.3晶須補強ZrO2陶瓷基複合材料

3.9.4晶須補強莫來石陶瓷基複合材料

3.9.5晶須補強增韌石英玻璃基複合材料

3.9.6晶須增強玻璃基複合材料

參考文獻

第4章顆粒彌散增韌多相複合陶瓷

4.1顆粒彌散增韌多相複合陶瓷的設計

4.2顆粒彌散增韌多相複合陶瓷的增韌機理

4.2.1非相變顆粒彌散複合陶瓷的增韌機理

4.2.2多顆粒多層次微觀複合陶瓷的內應力表征與強韌化設計

4.2.3顆粒彌散複合陶瓷斷裂分形的微觀韌化理論

4.3顆粒彌散增韌多相複合陶瓷的製備

4.3.1顆粒彌散複合陶瓷的先進制備工藝

4.3.2納米複合陶瓷的製備工藝

4.4顆粒彌散增韌陶瓷的最佳化設計與性能分析

4.4.1概述

4.4.2複合陶瓷的組分最佳化與設計

4.4.3非相變與相變顆粒複合陶瓷的組分設計與性能分析

4.4.4納米?微米顆粒複合陶瓷組分與性能的量化分析

4.4.5硬質顆粒混合增強陶瓷的分階段最佳化設計

4.4.6高組元顆粒彌散複合陶瓷的群相最佳化設計

4.4.7複合陶瓷粉體合成過程中的工藝最佳化

4.5顆粒彌散增韌耐磨複合陶瓷的套用

4.5.1耐磨複合陶瓷的系統化設計

4.5.2耐磨性評估與實驗驗證

4.5.3新型耐磨複合陶瓷系列產品的開發套用

參考文獻

第5章ZrO2相變增韌陶瓷

5.1概述

5.2ZrO2的結構與性能

5.2.1ZrO2的晶體結構類型及其特性

5.2.2ZrO2的穩定性

5.2.3氧化鋯中的m?t馬氏體相變

5.3ZrO2超細粉體的製備

5.3.1ZrO2超細粉體是製備高性能ZrO2相變增韌陶瓷的基礎

5.3.2陶瓷超細粉體製備工藝

5.3.3共沉澱法製備超細ZrO2粉體

5.3.4微乳液法製備超細球形ZrO2粉體

5.3.5其他常用的超細ZrO2粉體製備工藝

5.4ZrO2相變增韌機理

5.4.1應力誘導相變增韌

5.4.2相變誘發微裂紋增韌

5.4.3裂紋偏轉和彎曲增韌

5.4.4裂紋分叉增韌

5.4.5表面相變增韌

5.5ZrO2相變增韌陶瓷的類型

5.5.1概述

5.5.2部分穩定氧化鋯陶瓷

5.5.3四方相氧化鋯多晶體陶瓷

5.5.4氧化鋯增韌陶瓷

5.6ZrO2相變增韌陶瓷的特異性能

5.6.1Ce?TZP陶瓷的形狀記憶效應

5.6.2Ce?TZP材料形狀記憶效應分析

5.6.3Ce?TZP陶瓷鐵彈性疇轉及偽彈性增韌機理

5.6.4Ce?TZP陶瓷在應力作用下的相變特性

5.7ZrO2相變增韌陶瓷的增韌力學行為與相變準則

5.7.1裂紋尖端高應力引發相變增韌的力學行為

5.7.2相變多晶體細觀本構理論與增韌研究

5.7.3陶瓷增韌力學中的相變準則

5.8ZrO2相變增韌陶瓷的套用

5.8.1在發動機、內燃機中的套用

5.8.2在磨介和磨具領域的套用

5.8.3其他領域的套用

5.8.4在國內的套用展望

參考文獻

第6章仿竹木結構的纖維獨石複合陶瓷

6.1概述

6.2纖維獨石結構複合陶瓷的設計要點

6.2.1材料體系的選擇和最佳化

6.2.2工藝參數、結構參數和幾何參數的最佳化

6.3纖維獨石結構複合陶瓷的製備工藝

6.3.1基體纖維坯體的成型

6.3.2界面分隔層的形成

6.3.3纖維的排布

6.3.4排膠和燒結

6.4一維定向排列的纖維獨石結構複合陶瓷的結構與性能

6.4.1Si3N4/BN纖維獨石結構複合陶瓷的結構

6.4.2Si3N4/BN纖維獨石結構複合陶瓷的特殊性能

6.4.3影響纖維獨石結構複合陶瓷性能的主要因素

6.5二維片層垂直交叉排布的纖維獨石結構複合陶瓷的結構與力學性能

6.5.1二維片層垂直交叉排布的Si3N4/BN纖維獨石結構複合陶瓷的結構

6.5.2二維片層垂直交叉排布的Si3N4/BN纖維獨石結構複合陶瓷的力學性能

6.5.3二維片層垂直交叉排布的Si3N4/BN纖維獨石結構複合陶瓷的斷裂機制

6.60°/45°/90°/-45°/0°排布的纖維獨石結構複合陶瓷的結構與力學性能

6.6.10°/45°/90°/-45°/0°排布的Si3N4/BN纖維獨石結構複合陶瓷的結構

6.6.20°/45°/90°/-45°/0°排布的Si3N4/BN纖維獨石結構複合陶瓷的力學性能

6.6.30°/45°/90°/-45°/0°排布纖維獨石結構複合陶瓷的斷裂機制

6.7Si3N4/BN纖維獨石結構複合陶瓷的阻力曲線行為

6.7.1阻力曲線的理論基礎

6.7.2陶瓷材料R曲線測定方法

6.7.3實驗方案與過程

6.7.4R曲線的計算

6.7.5實驗結果

6.8Si3N4/BN纖維獨石結構複合陶瓷的高溫強度

6.8.1概述

6.8.2Si3N4/BN纖維獨石結構複合陶瓷的力學性能

6.8.3分析與討論

6.9Si3N4/BN纖維獨石結構複合陶瓷的抗熱震性能

6.9.1概述

6.9.2實驗方法

6.9.3試樣的抗熱震性能

6.9.4影響抗熱震性能的因素

6.10Si3N4/BN纖維獨石結構複合陶瓷的高溫蠕變行為

6.10.1概述

6.10.2Si3N4/BN纖維獨石結構複合陶瓷的抗蠕變性能

6.10.3高溫蠕變理論

6.10.4Si3N4/BN纖維獨石結構複合陶瓷的蠕變機理

6.11纖維獨石結構複合陶瓷的斷裂行為

6.11.1斷裂模型的基本假設

6.11.2模型的計算

6.11.3計算結果與實驗的對比及預測

6.11.4影響斷裂韌性的主要因素

參考文獻

第7章仿貝殼珍珠岩結構的層狀複合陶瓷

7.1概述

7.2層狀結構複合陶瓷的設計

7.2.1層狀結構複合陶瓷的基本類型

7.2.2基體材料的選擇與最佳化

7.2.3界面層的選擇與最佳化

7.2.4影響層狀結構複合陶瓷性能的因素

7.3層狀結構複合陶瓷的製備工藝

7.3.1基體片層的成型

7.3.2界面層的形成

7.4層狀結構複合陶瓷的結構與性能

7.4.1特殊的結構特徵與開裂方式

7.4.2非脆性破壞行為

7.4.3斷裂功

7.4.4影響層狀結構複合陶瓷力學性能的因素

7.4.5界面層的精細結構

7.4.6不同尺度多級增韌機制的協同增韌作用

7.5Si3N4/BN層狀結構複合陶瓷的高溫性能

7.5.1Si3N4/BN層狀結構複合陶瓷的高溫彈性模量

7.5.2Si3N4/BN層狀結構複合陶瓷的高溫抗彎強度

7.5.3Si3N4/BN層狀結構複合陶瓷的高溫載荷?位移曲線

7.5.4Si3N4/BN層狀結構複合陶瓷的高溫顯微結構

7.6Si3N4/BN層狀結構複合陶瓷的高溫氧化行為

7.6.1MYA?LC的氧化行為

7.6.2LYA?LC的氧化行為

7.7Si3N4/BN層狀結構複合陶瓷的抗蠕變性能

7.7.1實驗方法

7.7.2Si3N4/BN層狀結構複合陶瓷的高溫蠕變行為

7.7.3Si3N4/BN層狀結構複合陶瓷的蠕變機制

7.8Si3N4/BN層狀結構複合陶瓷界面韌性的測試與表征

7.8.1概述

7.8.2Si3N4/BN層狀結構複合陶瓷界面韌性的實驗方法

7.8.3三點彎曲法對界面韌性的測試與表征

7.8.4四點彎曲法對界面韌性的測試與表征

7.9層狀結構複合陶瓷的斷裂模型與預測

7.9.1層狀結構複合陶瓷的斷裂模型

7.9.2斷裂過程的模擬計算

7.9.3模擬結果與預測

7.10其他層狀結構複合陶瓷

7.10.1Al2O3/ZrO2層狀結構複合陶瓷

7.10.2Al2O3/Ti3SiC2層狀結構複合陶瓷

7.10.3可加工梯度功能層狀結構複合陶瓷

7.11仿生結構複合陶瓷的套用前景

參考文獻

名詞索引

人名索引

附錄與本書內容有關的背景材料

作品影響

該書獲得第三屆中華優秀出版物提名獎。