2.3　顆粒

用于改善復(fù)合材料力學(xué)性能，提高斷裂功、耐磨性和硬度，以及增強(qiáng)耐腐蝕性能的顆粒狀材料，稱為“顆粒增強(qiáng)體”。

顆粒增強(qiáng)體可以通過三種機(jī)制產(chǎn)生增韌效果。

①當(dāng)材料受到破壞應(yīng)力時(shí)，裂紋尖端處的顆粒發(fā)生顯著的物理變化（如晶型轉(zhuǎn)變、體積改變、微裂紋產(chǎn)生與增殖等），它們均能消耗能量，從而提高了復(fù)合材料的韌性，這種增韌機(jī)制稱為“相變?cè)鲰g”和“微裂紋增韌”。其典型例子是四方晶相ZrO₂顆粒的相變?cè)鲰g。

②復(fù)合材料中的第二相顆粒使裂紋擴(kuò)展路徑發(fā)生改變（如裂紋偏轉(zhuǎn)、彎曲、分叉、裂紋橋接或裂紋釘扎等），從而產(chǎn)生增韌效果。

③以上兩種機(jī)制同時(shí)發(fā)生，此時(shí)稱為“混合增韌”。常用的顆粒增強(qiáng)體的性能見表2.14。

顆粒增強(qiáng)體的平均尺寸為3.5～10μm，最細(xì)的為納米級(jí)（1～100nm），最粗的顆粒粒徑大于30μm。在復(fù)合材料中，顆粒增強(qiáng)體的體積含量一般為15%～20%，特殊的也可達(dá)5%～75%。

復(fù)合材料中的顆粒增強(qiáng)體，按照顆粒尺寸可以分為兩類：一類是顆粒尺寸在0.1～1μm以上的顆粒增強(qiáng)體，它們與金屬基體或陶瓷基體復(fù)合的材料在耐磨性能、耐熱性能及超硬性能方面都有很好的應(yīng)用前景；另一類是顆粒尺寸在0.01～0.1μm范圍內(nèi)的微型增強(qiáng)體，其強(qiáng)化機(jī)理與第一類不同，由于微粒對(duì)基體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙而產(chǎn)生強(qiáng)化，屬于彌散強(qiáng)化，如Ni-ThO₂系列和Mo-ZrO₂。

按照變形性能，顆粒增強(qiáng)體可以分為剛性顆粒和延性顆粒兩種。剛性顆粒主要是陶瓷顆粒，其特點(diǎn)是高彈性模量、高拉伸強(qiáng)度、高硬度、高熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。剛性顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料具有較好的高溫力學(xué)性能，是制造切削刀具（如WC/Co復(fù)合材料）、高速軸承零件、熱結(jié)構(gòu)零部件等的優(yōu)良候選材料。

此外，剛性顆粒增強(qiáng)體一般具有以下特點(diǎn)。

①高模量、高強(qiáng)度、高硬度、高熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。

②增強(qiáng)體與基體之間具有一定的結(jié)合度，否則在界面處易誘發(fā)裂紋，從而降低韌性。

③增強(qiáng)體熱膨脹系數(shù)大于基體材料，形成熱膨脹系數(shù)失配，促使基體處于徑向受脹、切向受壓的應(yīng)力狀態(tài)，促使裂紋繞剛性增強(qiáng)體偏析，可抑制機(jī)體內(nèi)部裂紋生長，使材料的韌性得以提高。

④在一定范圍內(nèi)，增強(qiáng)體的顆粒增大，復(fù)合材料的韌性提高，但強(qiáng)度降低。

⑤不同形貌的剛性顆粒增強(qiáng)體對(duì)于裂紋的偏析、橋聯(lián)作用不同。剛性顆粒增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料比單相陶瓷具有更好的高溫力學(xué)性能。這類材料能夠耐高溫、耐高應(yīng)力，是制造切削刀具、高速軸承和陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)部件的優(yōu)良材料。

延性顆粒主要是金屬顆粒，加入陶瓷、玻璃和微晶玻璃等脆性基體中，目的是增加基體材料的韌性。顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能取決于顆粒的形貌、直徑、結(jié)晶完整度和顆粒在復(fù)合材料中的分布情況及體積分?jǐn)?shù)。其增韌機(jī)理大致分為兩類。

①橋聯(lián)機(jī)制，延性顆粒攔截裂紋，并且在裂紋尾區(qū)塑性伸長，這樣既消耗了能量，又使裂紋得以被橋接，從而提高復(fù)合材料的斷裂韌性。在WC/Co體系中已得到很好的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

②區(qū)域屏蔽機(jī)制，延性顆粒的塑性變形對(duì)宏觀裂紋尖端的外加應(yīng)力場(chǎng)形成屏蔽，從而使復(fù)合材料的韌性得以提高，在這種機(jī)制下，延性顆粒的尺寸大小以及延性相的屈服強(qiáng)度值等因素，對(duì)增韌效果有顯著的影響。如在Al₂O₃/Al、WC/Co等復(fù)合材料體系中，由于金屬顆粒的加入，材料的韌性顯著提高，但高溫力學(xué)性能有所下降。

常見的增強(qiáng)顆粒有SiC顆粒、Si₃N₄顆粒、TiB₂顆粒、Al₂O₃顆粒等。

SiC顆粒的硬度高（莫氏硬度為9.2～9.5），β-SiC顆粒的熱膨脹系數(shù)為4.5×10^-6℃^-1，具有負(fù)電阻溫度系數(shù)。SiC顆粒的表面常有一薄層氧化物（SiO₂）妨礙燒結(jié)，在制造陶瓷基復(fù)合材料時(shí)，可用AlN、BN、BeSiN₂或MgSN₂等共價(jià)鍵材料作為燒結(jié)促進(jìn)劑，如用10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）AlN作為SiC顆粒的燒結(jié)促進(jìn)劑時(shí)，可以提高產(chǎn)品的致密度和韌性。由于SiC與金屬的相容性好，所以SiC顆粒增強(qiáng)金屬鋁可以采用成本相對(duì)較低的液態(tài)浸滲工藝制造，在航天、航空、電子、光學(xué)儀表和民用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

高強(qiáng)度Si₃N₄顆粒主要作為氮化硅陶瓷、多相陶瓷的基體和其他陶瓷基體的增強(qiáng)體使用。氮化硅顆粒增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的定子葉片、熱氣通道元件、渦輪增壓器轉(zhuǎn)子、火箭噴管、內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)零件、高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)零部件、切削工具、軸承、雷達(dá)天線罩、熱保護(hù)系統(tǒng)、核材料的支架、隔板等高技術(shù)領(lǐng)域。

硼化鈦（TiB₂）顆粒熔點(diǎn)為2980℃，顯微硬度為3370MPa，電阻率為15.2～28.40Ω·cm，還具有耐磨損性和耐腐蝕性，被用來增強(qiáng)金屬鋁和增強(qiáng)碳化硅、碳化鈦和碳化硼陶瓷。TiB₂顆粒增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料具有卓越的耐磨性、高韌性和高溫穩(wěn)定性，已用于制造切削刀具、加熱設(shè)備和點(diǎn)火裝置的電導(dǎo)部件以及超高溫條件下工作的耐磨結(jié)構(gòu)件。

氧化鋁顆粒用于增強(qiáng)金屬鋁、鎂和鈦合金，這類復(fù)合材料可望在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用。

此外，氮化鋁顆粒和石墨顆粒用于增強(qiáng)金屬鋁，具有較高的硬度和抗拉強(qiáng)度，而且不降低金屬的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，可以作為電子封裝材料。