2.3 颗粒
用于改善复合材料力学性能，提高断裂功、耐磨性和硬度，以及增强耐腐蚀性能的颗粒状材料，称为“颗粒增强体”。
颗粒增强体可以通过三种机制产生增韧效果。
①当材料受到破坏应力时，裂纹尖端处的颗粒发生显著的物理变化（如晶型转变、体积改变、微裂纹产生与增殖等），它们均能消耗能量，从而提高了复合材料的韧性，这种增韧机制称为“相变增韧”和“微裂纹增韧”。其典型例子是四方晶相ZrO2颗粒的相变增韧。
②复合材料中的第二相颗粒使裂纹扩展路径发生改变（如裂纹偏转、弯曲、分叉、裂纹桥接或裂纹钉扎等），从而产生增韧效果。
③以上两种机制同时发生，此时称为“混合增韧”。常用的颗粒增强体的性能见表2.14。
表2.14 常用的颗粒增强体的性能
颗粒增强体的平均尺寸为3.5～10μm，最细的为纳米级（1～100nm），最粗的颗粒粒径大于30μm。在复合材料中，颗粒增强体的体积含量一般为15%～20%，特殊的也可达5%～75%。
复合材料中的颗粒增强体，按照颗粒尺寸可以分为两类：一类是颗粒尺寸在0.1～1μm以上的颗粒增强体，它们与金属基体或陶瓷基体复合的材料在耐磨性能、耐热性能及超硬性能方面都有很好的应用前景；另一类是颗粒尺寸在0.01～0.1μm范围内的微型增强体，其强化机理与第一类不同，由于微粒对基体位错运动的阻碍而产生强化，属于弥散强化，如Ni-ThO2系列和Mo-ZrO2。
按照变形性能，颗粒增强体可以分为刚性颗粒和延性颗粒两种。刚性颗粒主要是陶瓷颗粒，其特点是高弹性模量、高拉伸强度、高硬度、高热稳定性和化学稳定性。刚性颗粒增强的复合材料具有较好的高温力学性能，是制造切削刀具（如WC/Co复合材料）、高速轴承零件、热结构零部件等的优良候选材料。
此外，刚性颗粒增强体一般具有以下特点。
①高模量、高强度、高硬度、高热稳定性和化学稳定性。
②增强体与基体之间具有一定的结合度，否则在界面处易诱发裂纹，从而降低韧性。
③增强体热膨胀系数大于基体材料，形成热膨胀系数失配，促使基体处于径向受胀、切向受压的应力状态，促使裂纹绕刚性增强体偏析，可抑制机体内部裂纹生长，使材料的韧性得以提高。
④在一定范围内，增强体的颗粒增大，复合材料的韧性提高，但强度降低。
⑤不同形貌的刚性颗粒增强体对于裂纹的偏析、桥联作用不同。刚性颗粒增强陶瓷基复合材料比单相陶瓷具有更好的高温力学性能。这类材料能够耐高温、耐高应力，是制造切削刀具、高速轴承和陶瓷发动机部件的优良材料。
延性颗粒主要是金属颗粒，加入陶瓷、玻璃和微晶玻璃等脆性基体中，目的是增加基体材料的韧性。颗粒增强复合材料的力学性能取决于颗粒的形貌、直径、结晶完整度和颗粒在复合材料中的分布情况及体积分数。其增韧机理大致分为两类。
①桥联机制，延性颗粒拦截裂纹，并且在裂纹尾区塑性伸长，这样既消耗了能量，又使裂纹得以被桥接，从而提高复合材料的断裂韧性。在WC/Co体系中已得到很好的实验验证。
②区域屏蔽机制，延性颗粒的塑性变形对宏观裂纹尖端的外加应力场形成屏蔽，从而使复合材料的韧性得以提高，在这种机制下，延性颗粒的尺寸大小以及延性相的屈服强度值等因素，对增韧效果有显著的影响。如在Al2O3/Al、WC/Co等复合材料体系中，由于金属颗粒的加入，材料的韧性显著提高，但高温力学性能有所下降。
常见的增强颗粒有SiC颗粒、Si3N4颗粒、TiB2颗粒、Al2O3颗粒等。
SiC颗粒的硬度高（莫氏硬度为9.2～9.5），β-SiC颗粒的热膨胀系数为4.5×10-6℃-1，具有负电阻温度系数。SiC颗粒的表面常有一薄层氧化物（SiO2）妨碍烧结，在制造陶瓷基复合材料时，可用AlN、BN、BeSiN2或MgSN2等共价键材料作为烧结促进剂，如用10%（质量分数）AlN作为SiC颗粒的烧结促进剂时，可以提高产品的致密度和韧性。由于SiC与金属的相容性好，所以SiC颗粒增强金属铝可以采用成本相对较低的液态浸渗工艺制造，在航天、航空、电子、光学仪表和民用领域具有广泛的应用前景。
高强度Si3N4颗粒主要作为氮化硅陶瓷、多相陶瓷的基体和其他陶瓷基体的增强体使用。氮化硅颗粒增强陶瓷基复合材料应用于涡轮发动机的定子叶片、热气通道元件、涡轮增压器转子、火箭喷管、内燃发动机零件、高温热结构零部件、切削工具、轴承、雷达天线罩、热保护系统、核材料的支架、隔板等高技术领域。
硼化钛（TiB2）颗粒熔点为2980℃，显微硬度为3370MPa，电阻率为15.2～28.40Ω·cm，还具有耐磨损性和耐腐蚀性，被用来增强金属铝和增强碳化硅、碳化钛和碳化硼陶瓷。TiB2颗粒增强陶瓷基复合材料具有卓越的耐磨性、高韧性和高温稳定性，已用于制造切削刀具、加热设备和点火装置的电导部件以及超高温条件下工作的耐磨结构件。
氧化铝颗粒用于增强金属铝、镁和钛合金，这类复合材料可望在内燃发动机上应用。
此外，氮化铝颗粒和石墨颗粒用于增强金属铝，具有较高的硬度和抗拉强度，而且不降低金属的电导率和热导率，可以作为电子封装材料。