纳米增强体有序组装三维结构陶瓷基复合材料

连续纤维增韧补强碳化硅陶瓷基复合材料（continuous fiber-reinforced SiC ceramic matrix composites，CFCC-SiC）具有耐高温、强韧、轻质等优异特点，是发展高超声速飞行器和高推重比航空发动机等国家战略装备的核心热结构材料。20世纪80年代以来，以法国、美国为代表的发达国家通过各种国家计划发展CFCC-SiC，并成功应用于航空、航天等领域，是其国防战略的重要支撑。20世纪90年代至今，西北工业大学超高温结构复合材料重点实验室张立同院士团队自主发展了以化学气相渗透（chemical vapor infiltration，CVI）工艺为主的CFCC-SiC制备技术，实现了工程化应用，发展了多种强韧化理论、复合材料自愈合理论，填补了我国本领域多项研究空白。
近年来，航空航天飞行器等国家战略装备的快速发展对CFCC-SiC提出了更高的要求，比如抗弯能力，抗分层能力，优异的电磁波吸收、屏蔽能力，制备复杂异形件等。因此，在此基础上利用一些纳米增强体对CFCC-SiC进行二次增强、增韧、改性等成为了一大研究方向。纳米增强体，如碳纳米管（carbon nanotube，CNT）、SiC纳米线（SiC nanowire，SiCnw）、Si3N4纳米线（Si3N4 nanowire，Si3N4nw）、SiC晶须（SiC whisker，SiCw）等一维纳米材料具有优异的力学与功能性能，已在诸多领域得到广泛应用，作为增强体、改性剂引入到陶瓷、树脂、金属等基体中，可改善复合材料力学、电磁、热学等性能。
笔者作为张立同院士团队核心成员，目前仍致力于CFCC-SiC基础研究、工程化应用、装备考核等研究，并在此基础上扩展至纳米增强体强韧化陶瓷基复合材料领域。近十年的研究发现，传统方法将纳米增强体引入到陶瓷基体中存在诸多问题，比如体积分数低、界面结合差和不易分散等，因此开发了纳米增强体有序组装三维结构强韧化新方法，纳米增强体与纤维协同的多尺度强韧化方法以及将连续纤维、短纤维、晶须、纳米线等多尺度增强体3D打印引入到陶瓷基体中，从而解决轻量化复杂陶瓷结构强韧化问题。微观上纳米增强体在陶瓷基体中以3D网络形式存在，宏观上可以是不同形式的存在，比如纤维、薄膜（纸）以及各种3D组装体等，除能极大改善陶瓷力学性能之外，其有序结构还可导通纳米增强体，提高其功能性。
笔者在张立同院士带领下以纳米增强体有序组装3D结构陶瓷基复合材料为对象，在国防973项目、国家杰出青年科学基金项目、国家自然科学基金重点项目等的支持下，研究了上述问题。本书是上述研究成果的总结和归纳，也是从纳米增强体有序组装3D结构角度系统研究陶瓷基复合材料的专著。本书旨在通过多种方式将纳米增强体有序组装3D网络引入到陶瓷基体中，研究纳米增强体的组装网络对陶瓷基复合材料强韧性以及功能性的影响及作用机制等，解决轻量化复杂陶瓷结构强韧化问题。
全书共6章。第1章介绍陶瓷复合材料的强韧化基础，注重介绍纳米增强体。第2章介绍将纳米增强体引入陶瓷基体中的几大途径以及致密化工艺，重点讨论纳米增强体强韧化机理及效果以及纳米增强体的有序组装。第3章介绍一维组装体/陶瓷基复合材料，包括几大一维Mini复合材料以及将此一维复合材料制备成多维陶瓷基复合材料的力学、电磁等性能，重点讨论纳米增强体强韧化机理。第4章介绍二维组装体的基本形式及其陶瓷复合材料，重点讨论二维复合材料以及将此二维复合材料制备成多维陶瓷基复合材料的力学、电磁等性能。第5章介绍三维组装体的基本形式及其陶瓷复合材料，重点讨论复合材料的力学、电磁、热学等性能。第6章介绍陶瓷材料3D打印原理与技术，重点讨论了打印结构、纳米增强体种类、引入方式对3D打孔陶瓷的影响。
本书包含了韩道洋、肖珊珊博士论文的主要内容，还包括了李海青、孙雨尧、百强来、季天鸣、夏俊超、张卉、赵伊之、李开元、解玉鹏等学位论文的部分内容。在长期研究过程中，课题组的全体成员参加了部分试样制备、性能测试等工作。博士研究生潘龙凯、闫岳凯、张明刚参加了资料收集、整理和校对工作。
本书力求专业性和实用性结合，希望为陶瓷基复合材料专业师生和相关研究人员提供参考，但是，陶瓷基复合材料强韧化问题十分复杂，虽经团队十余年研究，一些研究成果仍在实践检验过程中，一些问题还处于不断认识阶段，不当之处在所难免，恳请广大读者批评指正。

西北工业大学
梅  辉  教授
2023年1月

微观上纳米增强体是以3D网络形式存在于陶瓷基体中的，宏观上可以是不同形式的存在，比如纤维、薄膜（纸）以及各种3D组装体等，除能极大改善陶瓷力学性能之外，其有序结构还可导通纳米增强体，提高其功能性。本书以纳米增强体有序组装陶瓷基复合材料为研究对象，旨在通过多种方式将纳米增强体有序组装3D网络引入陶瓷基体中，并研究纳米增强体的组装网络对陶瓷基复合材料强韧性的影响及其作用机制，从而解决轻量化复杂陶瓷结构强韧化问题。本书的出版将为陶瓷基复合材料专业的师生和相关科研院所的研究人员以及生产设计人员提供有益参考。

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第1章绪论1
1.1引言    1
1.2陶瓷材料    1
1.2.1陶瓷材料的弹性    1
1.2.2陶瓷材料的断裂    2
1.2.3陶瓷材料的韧性    3
1.3陶瓷材料强韧化途径    3
1.3.1纳米晶粒增韧    4
1.3.2原位自生增韧    4
1.3.3仿生结构增韧    6
1.3.4增强体增韧    7
1.4纳米增强体    8
1.4.1纳米颗粒    8
1.4.2晶须    9
1.4.3纳米线（管）    10
1.5小结    12
参考文献    12

第2章纳米增强体强韧化陶瓷基复合材料14
2.1引言    14
2.2纳米增强体引入途径    14
2.2.1粉体法    14
2.2.2胶体法    15
2.2.3溶胶凝胶法    16
2.3纳米增强体/陶瓷基复合材料致密化工艺    17
2.3.1反应烧结    17
2.3.2前躯体浸渍热解    17
2.3.3反应熔体浸渗    18
2.3.4化学气相渗透    19
2.4强韧化机理与效果    20
2.5纳米增强体有序组装    21
2.5.1一维纤维    22
2.5.2二维薄膜（纸）    23
2.5.3三维网络    24
2.6小结    25
参考文献    25

第3章一维组装体/陶瓷基复合材料29
3.1引言    29
3.2一维Mini-CNTs/SiC复合材料    30
3.2.1显微结构    30
3.2.2力学性能    31
3.2.3抗氧化性能    35
3.3一维Mini-CNTs/B4C复合材料    38
3.3.1显微结构    38
3.3.2力学性能    38
3.3.3抗氧化性能    41
3.3.4一维Mini-CNTs/B4C复合材料的PyC界面层设计    44
3.4SiC晶须改性C/SiC复合材料    47
3.4.1显微结构    47
3.4.2弯曲性能    49
3.5Si3N4纳米线改性一维C/SiC纤维束复合材料    50
3.5.1Si3N4纳米线/C纤维束    50
3.5.2Si3N4纳米线/C/SiC纤维束复合材料    54
3.5.3Si3N4纳米线改性三维C/SiC复合材料    61
3.6电沉积CNTs改性C/SiC纤维束复合材料    73
3.6.1电沉积CNTs/C纤维束    73
3.6.2电沉积CNTs改性C/SiC纤维束复合材料    75
3.6.3电沉积CNTs改性的二维C/SiC复合材料    87
3.6.4电沉积CNTs改性的三维C/SiC复合材料    96
3.7小结    101
参考文献    101

第4章二维组装体/陶瓷基复合材料105
4.1引言    105
4.2巴基纸/SiC复合材料    106
4.3巴基纸/C/SiC复合材料    109
4.3.1显微结构    109
4.3.2弯曲性能    109
4.4CNTs薄膜/SiC复合材料    112
4.4.1显微结构    112
4.4.2拉伸性能    115
4.5CNTs薄膜/C/SiC复合材料    119
4.5.1显微结构    119
4.5.2弯曲性能    122
4.5.3电磁屏蔽效能    123
4.6SiC晶须/SiC层状结构陶瓷    126
4.6.1显微结构    126
4.6.2力学性能    131
4.6.3SiC晶须/SiC层状结构陶瓷热处理改性    134
4.6.4SiC晶须/SiC层状结构陶瓷致密化改性    138
4.6.5SiC晶须/SiC层状结构陶瓷颗粒改性    144
4.7小结    154
参考文献    154

第5章三维组装体/陶瓷基复合材料155
5.1引言    155
5.2CNTs阵列/SiC复合材料    157
5.2.1显微结构    157
5.2.2抗氧化性能    159
5.2.3压缩性能    162
5.2.4纳米压痕    164
5.3CNTs泡沫/SiC复合材料    167
5.3.1显微结构    167
5.3.2抗氧化性能    171
5.3.3压缩性能    172
5.3.4电磁屏蔽效能    173
5.4CNTs海绵/SiC复合材料    175
5.4.1显微结构    175
5.4.2弯曲性能    181
5.4.3电磁屏蔽效能    183
5.4.4热物理性能    185
5.5CNTs气凝胶/SiC复合材料    187
5.5.1显微结构    187
5.5.2弯曲性能    198
5.5.3压缩性能    200
5.5.4电磁屏蔽效能    204
5.5.5热物理性能    211
5.6SiC纳米线气凝胶/SiC复合材料    214
5.6.1显微结构    214
5.6.2力学性能    216
5.6.3电磁屏蔽性能    219
5.7小结    223
参考文献    223

第6章纳米增强体3D打印陶瓷基复合材料226
6.1引言    226
6.23D打印技术    226
6.3陶瓷材料3D打印    227
6.3.1陶瓷材料3D打印原理    227
6.3.2陶瓷材料3D打印技术特点    230
6.43D打印Al2O3多孔陶瓷    231
6.4.1显微结构    231
6.4.2压缩性能    235
6.4.3不同配位数结构的Al2O3/SiC多孔陶瓷    236
6.4.4不同镂空结构的Al2O3/SiC多孔陶瓷    237
6.4.5不同旋转角度的Al2O3/SiC多孔陶瓷    239
6.4.6微纳米纤维增强的Al2O3/SiC多孔陶瓷    241
6.4.7CVD CNTs增强的Al2O3/SiC多孔陶瓷    250
6.5连续碳纤维3D打印SiOC陶瓷    259
6.5.1连续纤维3D打印陶瓷原理    259
6.5.2热塑性陶瓷前驱体热行为规律    259
6.5.3连续碳纤维3D打印SiOC陶瓷基复合材料    261
6.63D打印三维高比表面积催化剂载体结构    263
6.6.1显微结构    264
6.6.2催化及力学性能    271
6.7小结    273
参考文献    274

微观上纳米增强体是以3D网络形式存在于陶瓷基体中的，宏观上可以是不同形式的存在，比如纤维、薄膜（纸）以及各种3D组装体等，除能极大改善陶瓷力学性能之外，其有序结构还可导通纳米增强体，提高其功能性。本书以纳米增强体有序组装陶瓷基复合材料为研究对象，旨在通过多种方式将纳米增强体有序组装3D网络引入陶瓷基体中，并研究纳米增强体的组装网络对陶瓷基复合材料强韧性的影响及其作用机制，从而解决轻量化复杂陶瓷结构强韧化问题。本书的出版将为陶瓷基复合材料专业的师生和相关科研院所的研究人员以及生产设计人员提供有益参考。

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