1、第七章 陶瓷基復(fù)合材料,HNUST,以高性能陶瓷為基體，通過加入顆粒、晶須、連續(xù)纖維和層狀材料等增強(qiáng)體而形成的復(fù)合材料,Company Logo,HNUST,7.1 陶瓷基復(fù)合材料的種類和性能,1陶瓷基復(fù)合材料的基體 氧化物基陶瓷基體 Al2O3, ZrO2, SiO2 碳化物陶瓷基體 SiC, B4C, 氮化物陶瓷基體 Si3N4, BN 目前被人們研究最多的是碳化硅、氮化硅、氧化鋁等，它們普遍具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、重量輕和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。,7.1.1 陶瓷基復(fù)合材料的基體與增強(qiáng)體,Company Logo,HNUST,2陶瓷復(fù)合材料的增強(qiáng)體 陶瓷基復(fù)合材料中的增強(qiáng)體，通常也稱為增韌體。

2、 從幾何尺寸上增強(qiáng)體可分為纖維(長(zhǎng)、短纖維)、晶須和顆粒三類。,碳纖維是用來制造陶瓷基復(fù)合材料最常用的纖維之一。 碳纖維常規(guī)生產(chǎn)的品種主要有兩種，即高模量型和低模量型。 高模量型的拉伸模量約為400 GPa，拉伸強(qiáng)度約為1.7 GPa；低模量型的拉伸模量約為240 GPa，拉伸強(qiáng)度約為2.5 GPa。,Company Logo,HNUST,玻璃纖維,硼纖維，屬于多相的，又是無定形的，用化學(xué)沉積法將無定形硼沉積在鎢絲或者碳纖維上形成的。 硼纖維對(duì)任何可能的表面損傷都非常敏感，熱或化學(xué)處理對(duì)硼纖維都有影響，高于500 時(shí)強(qiáng)度會(huì)急劇下降。 商業(yè)上使用的硼纖維通常是在表面涂了一層碳化硅，它可使纖維長(zhǎng)期

3、暴露在高溫后仍有保持室溫強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)。,Company Logo,HNUST,晶須，具有一定長(zhǎng)徑比(直徑0.31um,長(zhǎng)30100um)的小單晶體。,晶須的特點(diǎn)是沒有微裂紋、位錯(cuò)、孔洞和表面損傷等一類缺陷，而這些缺陷正是大塊晶體中大量存在且促使強(qiáng)度下降的主要原因。,晶須的拉伸強(qiáng)度可達(dá)0.1E(E為楊氏模量)，這已非常接近于理想拉伸強(qiáng)度0.2E；最佳的熱性能、低密度和高楊氏模量，在陶瓷基復(fù)合材料中使用得較為普遍的是SiC、A12O3及Si3N4晶須。,Company Logo,HNUST,顆粒，從幾何尺寸上看，顆粒在各個(gè)方向上的長(zhǎng)度是大致相同的，一般為幾個(gè)微米。 常用得的顆粒也是SiC、Si3N4

4、等。,顆粒的增韌效果雖不如纖維和晶須，但是，如果顆粒種類、粒徑、含量及基體材料選擇適當(dāng)仍會(huì)有一定的韌化效果，同時(shí)還會(huì)帶來高溫強(qiáng)度，高溫蠕變性能的改善。顆粒增韌復(fù)合材料同樣受到重視并對(duì)其進(jìn)行了一定的研究。,Company Logo,HNUST,7.1.2 纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料,1、單向排布長(zhǎng)纖維復(fù)合材料 單向排布纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的顯著特點(diǎn)：各向異性，即沿纖維長(zhǎng)度方向上的縱向性能要大大高于其橫向性能。,裂紋的擴(kuò)展必須克服由于纖維的加入而產(chǎn)生的拔出功和纖維斷裂功，使得材料的斷裂更為困難，起到增韌的作用。,Company Logo,HNUST,實(shí)際材料斷裂過程中，纖維的斷裂并非發(fā)生在同一裂紋平

5、面，這樣主裂紋還將沿纖維斷裂位置的不同而發(fā)生裂紋轉(zhuǎn)向。這也同樣會(huì)使裂紋的擴(kuò)展阻力增加，從而使韌性進(jìn)一步提高。,Company Logo,HNUST,2多向排布纖維增韌復(fù)合材料,二維多向排布纖維增韌復(fù)合材料,1. 將纖維編織成纖維布，浸漬漿料后，根據(jù)需要的厚度將單層或若干層進(jìn)行熱壓燒結(jié)成型。在纖維排布平面的二維方向上性能優(yōu)越，而在垂直于纖維排布面方向上的性能較差。,2. 纖維分層單向排布，層間纖維成一定角度，根據(jù)構(gòu)件的形狀用纖維浸漿纏繞的方法做成所需要形狀的殼層狀構(gòu)件。,增韌機(jī)理,Company Logo,HNUST,三維多向排布纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料,三維多向編織纖維增韌陶瓷是為了滿足某些情況

6、的性能要求而設(shè)計(jì)的。 這種材料最初是從宇航用三向C/C復(fù)合材料開始的，現(xiàn)已發(fā)展到三向石英/石英等陶瓷復(fù)合材料。,由于每束纖維呈直線伸展，不存在相互交纏和繞曲，因而使纖維可以充分發(fā)揮最大的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。 變化參數(shù)：纖維束的根數(shù)和股數(shù)、相鄰束間的間距、織物的體積密度及纖維的總體積分?jǐn)?shù)等,Company Logo,HNUST,7.1.3 晶須和顆粒增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料,彈性模量、硬度及斷裂韌性均隨著SiCw含量的增加而提高,彎曲強(qiáng)度，對(duì)Al2O3，隨SiCw含量的增加單調(diào)上升；對(duì)ZrO2基體，出現(xiàn)峰值后有所下降,晶須增韌陶瓷材料的性能與基體和晶須的選擇，晶須的含量及分布等因素有關(guān)。,SiCw含量高時(shí)造成熱

7、失配過大，同時(shí)使致密化困難而引起密度下降，界面強(qiáng)度降低，導(dǎo)致強(qiáng)度的下降。,Company Logo,HNUST,顆粒來代替晶須制成復(fù)合材料，在原料的混合均勻化及燒結(jié)致密化方面均比晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料要容易。當(dāng)顆粒為SiC，TiC時(shí)，基體材料采用Al2O3，Si3N4，已廣泛用來制造刀具。,Company Logo,HNUST,晶須與顆粒對(duì)陶瓷材料的增韌均有一定作用，且各有利弊。 晶須的增強(qiáng)增韌效果好，但含量高時(shí)會(huì)使致密度下降； 顆?？煽朔ы毜倪@一弱點(diǎn)，但其增強(qiáng)增韌效果卻不如晶須。,Company Logo,HNUST,Company Logo,HNUST,7.1.4 陶瓷基復(fù)合材料的界面和

8、強(qiáng)韌化機(jī)理,無反應(yīng)界面：界面上的增強(qiáng)相與基體直接結(jié)合形成原子鍵合共格界面、半共格界面、或非共格界面，結(jié)合較強(qiáng),增韌體與基體間形成中間反應(yīng)層：界面是低熔點(diǎn)非晶相，利于材料的致密化。 控制界面層厚度：涂層處理；加入不同界面層形成物質(zhì)控制反應(yīng)層的強(qiáng)度,Company Logo,HNUST,晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)韌化機(jī)理是靠晶須的拔出橋連與裂紋轉(zhuǎn)向機(jī)制對(duì)強(qiáng)度和韌性的提高產(chǎn)生作用。,界面結(jié)合強(qiáng)度直接影響韌化機(jī)制與韌化效果。 界面強(qiáng)度過高，晶須將與基體一起斷裂，限制了晶須的拔出，因而也就減小了晶須拔出機(jī)制對(duì)韌性的貢獻(xiàn)。 界面強(qiáng)度的提高有利于載荷轉(zhuǎn)移，因而提高了強(qiáng)化效果。,晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)韌化

9、機(jī)理,Company Logo,HNUST,有明顯的鋸齒效應(yīng)，這是晶須拔出橋連機(jī)制作用的結(jié)果。,界面強(qiáng)度過低、則使晶須的拔出功減小，這對(duì)韌化和強(qiáng)化都不利，因此界面強(qiáng)度存在一個(gè)最佳值。,Company Logo,HNUST,7.2 陶瓷基復(fù)合材料的成型加工,7.2.1 纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的加工,基體方面：與氣孔的尺寸及數(shù)量，裂紋的大小以及一些其它缺陷有關(guān)； 纖維方面：則與纖維中的雜質(zhì)、纖維的氧化程度、損傷及其他固有缺陷有關(guān)；,基體與纖維的結(jié)合情況：與界面及結(jié)合效果、纖維在基體中的取向，以及載體與纖維的熱膨脹系數(shù)差有關(guān)。,Company Logo,在陶瓷泥漿中分散纖維，澆鑄在石膏模型中，適合于

10、短纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。 優(yōu)點(diǎn)：不受制品形狀的限制，成本低，工藝簡(jiǎn)單， 缺點(diǎn)：對(duì)提高產(chǎn)品性能的效果不顯著。,1泥漿燒鑄法,將短切纖維與基體粉末混合，用熱壓燒結(jié)的方法制得高性能的復(fù)合材料，短纖維沿加壓面擇優(yōu)取向。 纖維與基體之間的結(jié)合較好，是目前采用較多的方法。,2熱壓燒結(jié)法,HNUST,Company Logo,3. 浸漬法 適用于長(zhǎng)纖維。首先把纖維編織成所需形狀，然后用陶瓷泥漿浸漬，干燥后進(jìn)行焙燒。,優(yōu)點(diǎn)：纖維取向可自由調(diào)節(jié)，如單向排布及多向排布等。 缺點(diǎn)：不能制造大尺寸的制品，而且所得制品的致密度較低。,HNUST,Company Logo,7.2.2 晶須與顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料的加工

11、與制備,1配料,把幾種原料粉末混合配成坯料的方法可分為干法和濕法兩種。 新型陶瓷領(lǐng)域混合處理加工的微米級(jí)、超微米級(jí)粉末方法由于效率和可靠性的原因大多采用濕法。,濕法主要采用水作溶劑，但在氮化硅、碳化硅等非氧化物系的原料混合時(shí)，為防止原料的氧化則使用有機(jī)溶劑。 混合裝置：球磨機(jī),HNUST,Company Logo,混好后的料漿在成型時(shí)有三種不同的情況： (1)經(jīng)一次干燥制成粉末坯料后供給成型工序； (2)把結(jié)合劑添加于料漿中、不干燥坯料，保持漿狀供給成型工序； (3)用壓濾機(jī)將料漿狀的粉脫水后成坯料供給成型工序。,模壓成型：金屬模成型法和橡皮模成型法,注射成型法：工藝復(fù)雜，很大的局限性,注漿成

12、型法：壁薄且形狀復(fù)雜的制品,擠壓成型法：斷面形狀簡(jiǎn)單的長(zhǎng)條形制品,2成型,HNUST,Company Logo,從陶瓷素坯燒固成致密制品的過程。 窯爐按其功能進(jìn)行劃分可分為間歇式和連續(xù)式。,3. 燒結(jié),間歇式窯爐：生坯的硬化、燒結(jié)、冷卻及制品的取出等工序是間歇進(jìn)行，不適合于大規(guī)模生產(chǎn)，適合處理特殊大型制品或長(zhǎng)尺寸制品的優(yōu)點(diǎn)，且燒結(jié)條件靈活，筑爐價(jià)格也比較便宜。,連續(xù)窯爐：適合于大批量制品的燒結(jié)，由預(yù)熱、燒結(jié)和冷卻三個(gè)部分組成。,HNUST,Company Logo,目的：提高燒成品的尺寸精度和表面平滑性，前者主要用金剛石砂輪進(jìn)行磨削加工，后者則用磨料進(jìn)行研磨加工。,4精加工,陶瓷與金屬的一個(gè)重

13、要區(qū)別也在于它對(duì)制造工藝中的微小變化特別敏感而這些微小的變化在最終燒成產(chǎn)品前是很難察覺的。,HNUST,重現(xiàn)性、一致性,Company Logo,7.3.1 陶瓷基復(fù)合材料在工業(yè)上的應(yīng)用 耐高溫、高強(qiáng)度、高硬度及耐腐蝕性好等特點(diǎn)，但脆性大的弱點(diǎn)限制了它的廣泛應(yīng)用。,最高使用溫度主要取決于基體特性，其工作溫度按下列基體材料依次提高：玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、碳素材料，其最高工作溫度可達(dá)1900 。,7.3 陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用,HNUST,Company Logo,實(shí)用化的領(lǐng)域包括：刀具、滑動(dòng)構(gòu)件、航空航天構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)制件、能源構(gòu)件等。,切削工具， SiCw增韌的細(xì)顆粒Al2O3

14、陶瓷復(fù)合材料已成功用于工業(yè)生產(chǎn)制造切削刀具。熱壓法制備的SiCw/ Al2O3復(fù)合材料鉆頭。,HNUST,Company Logo,美國(guó)某公司生產(chǎn)的WC-300復(fù)合材料刀具具有耐高溫、穩(wěn)定性好和優(yōu)異的抗熱展性能，熔點(diǎn)為2040，切削速度可達(dá)200尺/分，甚至更高。,山東工業(yè)大學(xué)研制生產(chǎn)的SiCw/Al2O3復(fù)合材料刀具切削鎳基合金時(shí)，刀具的使用壽命和切削速度大大提高。除SiCw/Al2O3外，SiCf/Al2O3 、TiO2p/ Al2O3復(fù)合材料也用于制造機(jī)加工刀具。,HNUST,Company Logo,航空航天領(lǐng)域，用陶瓷基復(fù)合材料制作的導(dǎo)彈的頭錐、火箭的噴管等也收到了良好的效果。,法國(guó)已將長(zhǎng)纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料應(yīng)用于制作超高速列車的制動(dòng)件，具有優(yōu)異的磨擦磨損特性。,HNUST,Company Logo,普通使用的燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件: 鎳基臺(tái)金或鈷基合金 可使汽輪機(jī)的進(jìn)口溫度高達(dá)1400 ，但這些合金的耐高溫極限受到了其熔點(diǎn)的限制，因此采用陶瓷材料來代替高溫合金已成了目前研究的一個(gè)