层状复合陶瓷——设计、制备及性能调控

本书基于飞行器热防护、重载直升机防护等领域对高强韧陶瓷复合材料的应用需求，结合作者团队研究成果，系统介绍了层状复合陶瓷的设计、制备及性能调控，具体包括ZrO-Zr2CN/Si3N4抗冲击层状复合陶瓷、SiC基抗冲击层状复合陶瓷、层状复合陶瓷的计算模拟与预测、HfB2(或ZrB2)-SiC抗烧蚀层状复合陶瓷、SiCw/SiC热结构层状复合陶瓷，最终总结了层状复合陶瓷的研究现状并展望了其未来的发展方向。
本书可供陶瓷材料领域的研究者阅读，也可供航空航天、核电、装甲防护等领域高端装备研发人员参考使用。

陶瓷材料的应用长期受限于其本征脆性。受到仿生结构材料的启发，研究人员在脆性陶瓷材料中加入耐高温软质材料，设计和制备了层状复合材料，以提高陶瓷材料的韧性。这一策略可尽量减少原始裂纹缺陷对材料力学性能的影响，从而有助于开发对缺陷不敏感的材料。同时，基体组元的可多样化设计，赋予了层状复合陶瓷适应各种应用场合的能力。层状陶瓷所展现出的高强、高韧、耐高温、抗氧化等优异性能使之受到了研究者的广泛关注，开展层状陶瓷的基础研究具有重要的科学意义和重大的实际应用背景。然而相关研究多侧重于结构性能，未能深入认识层状陶瓷结构设计的灵活性和巨大潜力。通过独特的层内和层间的结构设计和组分调控，可在赋予层状陶瓷优异结构性能的同时使其具备多功能特性，从而拓宽其应用场景，这也成为当前层状陶瓷发展的技术前沿之一。
自21世纪以来，西北工业大学超高温结构复合材料重点实验室陶瓷基复合材料团队针对国家一系列重大工程需求，围绕层状陶瓷材料结构设计、增材制造方法和界面作用机理三个科学问题，提出了新型多元层状陶瓷结构功能一体化及其复杂构件成型这一研究方向，结合实验与理论模拟深入研究了层状复合陶瓷的制造过程机理、结构耦合作用机理、结构与性能响应以及结构/性能匹配设计，相关工作得到了国家自然科学基金重点项目的资助。研究成果解决了组元协同制造、界面应力调控、结构与功能协同三个难题，促进了层状耐冲击结构陶瓷、层状超高温结构陶瓷和层状热结构陶瓷等系列层状复合材料的制备与应用，通过试验考核验证了复杂型面层状陶瓷件的结构功能一体化特征，为高性能层状陶瓷的设计、制备及其在国家重大工程领域的应用提供了重要的科学指导。
团队研究还获得了国家重点研发计划的大力支持。研究围绕新一代核电工业、国防装备和人体防护等高端装备领域对高强韧陶瓷材料的迫切需求，设计了层内融合高度取向增强纤维/晶须/纳米片多组元材料的软/硬交替增韧补强Si-B(Zr)-C-N系陶瓷复合材料，开发了兼具宏-微观双尺度的增材制造技术。在科学层面，提出了普适性科学原理，用以指导满足高端装备“高温高强高韧性”需求的层状复合陶瓷的制备，以及复杂形状构件的制造与设计；在技术层面，实现了层状复合陶瓷结构和功能协同设计控“性”与复杂形状增材制造过程控“形”的完美结合；在应用层面，奠定了高强韧陶瓷复合材料在核电工业、舰船防护、飞行器热防护、重载直升机防护、装甲防护等高端装备以及其他相关领域产业化应用的重要技术基础。
本书为上述研究成果的归纳和总结，围绕着新型结构功能一体化层状复合陶瓷的研究设计展开，全书共7章，由成来飞教授统筹，叶昉副教授和张毅副研究员协助完成。第1章绪论主要介绍层状复合陶瓷的应用背景、结构设计、制备工艺、抗冲击理论和强韧化机制，由成来飞教授执笔。第2章主要介绍ZrO-Zr2CN/Si3N4抗冲击层状复合陶瓷，重点讨论界面性质和软硬交替层结构对其动态抗冲击性能的影响机理，由成来飞教授和叶昉副教授执笔。第3章主要介绍SiC基抗冲击层状复合陶瓷，重点讨论界面强度、层结构对裂纹扩展的影响机制，由成来飞教授和叶昉副教授执笔。第4章主要介绍层状复合陶瓷的计算模拟与预测，重点讨论层内残余应力对材料增韧的影响，由成来飞教授和叶昉副教授执笔。第5章主要介绍HfB2(或ZrB2)-SiC抗烧蚀层状复合陶瓷，重点讨论结构及组分对其力学、抗烧蚀和抗热震性能的影响机理，由成来飞教授执笔。第6章主要介绍SiCw/SiC热结构层状复合陶瓷，重点讨论了三种改性工艺对其力学性能的影响规律，由成来飞教授和张毅副研究员执笔。第7章总结了层状复合陶瓷的研究现状，并对其未来的发展方向进行了展望，由成来飞教授执笔。
本书内容引用了李良军、孙孟勇、刘运芳、向六一、白钰航和谢玉鹏等的博士学位论文的研究内容，同时也收录了范尚武教授、栾新刚教授和张亚妮副教授在陶瓷强韧化设计和力学性能考核方面的研究结果。在长年研究中，团队的工程技术人员在样品制备和性能测试等方面提供了鼎力支持。此外，博士研究生杨劲松和李朝晨、硕士研究生陈金露和杨航负责本书的校对与整理。在此一并表示感谢。
本书作为新型层状复合陶瓷材料专著，可供相关领域的研究人员参考，并恳请广大读者批评指正。

成来飞
叶昉
西北工业大学

第1章 绪　论	001
1.1.多尺度的层状复合陶瓷：宏观、介观、微观	002
1.2.层状复合陶瓷的应用背景	003
1.3.层状复合陶瓷的结构设计	003
1.3.1.界面层设计	004
1.3.2.基体层设计	005
1.4.层状复合陶瓷的制备工艺	006
1.4.1.成型工艺	007
1.4.2.烧结工艺	010
1.5.层状复合陶瓷的抗冲击理论	011
1.5.1.抗冲击防护机理	012
1.5.2.冲击动力学行为	012
1.5.3.一维应力波传播简介	015
1.6.层状复合陶瓷的强韧化机制	022
1.6.1.弱界面结合强韧化	022
1.6.2.强界面结合强韧化	023
1.6.3.延性夹层强韧化	024
参考文献	024

第2章 ZrO-Zr2CN/Si3N4抗冲击层状复合陶瓷	029
2.1.ZrO-Zr2CN/Si3N4层状复合陶瓷的反应热压烧结制备工艺	031
2.1.1.烧结温度优化	032
2.1.2.烧结压力优化	042
2.2.ZrO-Zr2CN/Si3N4层状复合陶瓷的结构设计	051
2.2.1.轧制工艺	052
2.2.2.界面设计	057
2.2.3.层内结构设计	062
2.2.4.力学行为	070
2.3.ZrO-Zr2CN/Si3N4层状复合陶瓷的动态压缩性能	078
2.3.1.应变率的影响	079
2.3.2.界面的影响	086
2.3.3.基体层结构的影响	096
2.3.4.软硬交替叠层结构的影响	103
参考文献	105

第3章 SiC基抗冲击层状复合陶瓷	109
3.1.SiC基层状复合陶瓷的无压液相烧结工艺及层间界面强度调控	110
3.1.1.烧结工艺优化与层内界面设计	111
3.1.2.层间界面强度设计与层结构设计	115
3.1.3.界面强度对层状复合陶瓷失效模式与力学性能的影响	120
3.2.SiC基层状复合陶瓷的无压固相烧结工艺及层间界面种类设计	129
3.2.1.烧结工艺优化	130
3.2.2.界面类型及结构设计	140
3.2.3.界面类型的影响	144
3.3.SiC基层状复合陶瓷的无压反应烧结工艺及结构设计	149
3.3.1.反应熔渗工艺优化	150
3.3.2.反应烧结制备与结构设计	160
3.3.3.层结构的影响	167
3.4.无压烧结SiC基层状复合陶瓷的动态压缩性能	174
3.4.1.动态失效及损伤演化	174
3.4.2.层结构的影响	186
3.4.3.动态压缩性能比较	206
参考文献	210

第4章 层状复合陶瓷的计算模拟与预测	213
4.1.层状复合陶瓷的残余应力	214
4.1.1.微结构与参数化设计	215
4.1.2.残余应力分析	215
4.1.3.表观断裂韧性	220
4.2.残余应力对层状复合陶瓷增韧行为的影响	221
4.2.1.层数的影响	221
4.2.2.层厚比的影响	223
4.2.3.烧结温度的影响	224
4.2.4.模量比的影响	225
4.3.层状复合陶瓷的宏微观设计	226
4.3.1.宏微观设计思路	226
4.3.2.基于第一性原理计算的材料体系设计	227
4.3.3.基于蒙特卡罗方法的多晶结构模拟	229
4.3.4.基于有限元计算的多物理场分析与性能预测	230
参考文献	232

第5章 Zr(Hf)B2-SiC抗烧蚀层状复合陶瓷	235
5.1.ZrB2-SiC层状复合陶瓷	237
5.1.1.组分设计与制备工艺	237
5.1.2.微结构特征与力学性能	239
5.1.3.抗烧蚀性能	244
5.2.ZrB2-SiCw/p层状复合陶瓷	247
5.2.1.组分设计与制备工艺	247
5.2.2.微结构特征与力学性能	254
5.2.3.抗热震性能	257
5.3.HfB2-SiC层状复合陶瓷	260
5.3.1.组分设计与制备工艺	260
5.3.2.微结构特征与力学性能	262
5.3.3.抗烧蚀性能	264
参考文献	267

第6章 SiCw/SiC热结构层状复合陶瓷	269
6.1.SiCw/SiC层状复合陶瓷的制备工艺	271
6.1.1.SiCw浆料的制备	272
6.1.2.SiCw/SiC层状复合陶瓷的流延工艺	276
6.1.3.SiCw/SiC层状复合陶瓷的力学性能	276
6.2.SiCw/SiC层状复合陶瓷的颗粒改性工艺与力学性能	286
6.2.1.微米SiC颗粒与纳米SiC颗粒改性	287
6.2.2.SiC颗粒与Si3N4颗粒改性	298
6.3.SiCw/SiC层状复合陶瓷的致密化改性工艺与力学性能	303
6.3.1.先驱体浸渍-裂解（PIP）改性	304
6.3.2.液硅渗透（LSI）改性	308
6.4.SiCw/SiC层状复合陶瓷的界面设计与力学性能	311
6.4.1.界面对致密化的影响	312
6.4.2.界面对力学性能的影响	315
参考文献	318

第7章 总结与展望	321
7.1.总结	322
7.2.展望	323