陶瓷基复合材料 新

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1、会计学1陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 新新密度密度第2页/共69页热膨胀系数热膨胀系数第3页/共69页断裂韧性断裂韧性第4页/共69页v5.1 5.1 陶瓷基复合材料的种类和性能陶瓷基复合材料的种类和性能5.1.1 5.1.1 陶瓷基复合材料的种类陶瓷基复合材料的种类5.1.1.1 按用途分按用途分 结构用复合材料结构用复合材料 功能复合材料功能复合材料 第5页/共69页5.1.1.2 按增强体形态分按增强体形态分 （1）颗粒增强陶瓷基复合材料）颗粒增强陶瓷基复合材料延性颗粒延性颗粒 刚性颗粒刚性颗粒 金属颗粒，金属颗粒，如如Ni,Fe,Co等等。 陶瓷颗粒，如陶瓷颗粒，如SiC，Si3N4等

2、等。 v5.1 5.1 陶瓷基复合材料的种类和性能陶瓷基复合材料的种类和性能第6页/共69页SiCp/Si3N4复合材料复合材料v5.1 5.1 陶瓷基复合材料的种类和性能陶瓷基复合材料的种类和性能第7页/共69页增韧机制：利用第二相粒子与基体晶粒之间的弹性模量增韧机制：利用第二相粒子与基体晶粒之间的弹性模量与热膨胀系数上的差异，在冷却中粒子和基体周围形成与热膨胀系数上的差异，在冷却中粒子和基体周围形成残余应力场。这种应力场与扩展裂纹尖端应力交互作用残余应力场。这种应力场与扩展裂纹尖端应力交互作用，从而产生裂纹偏转、绕道、分支和钉扎等效应，对基，从而产生裂纹偏转、绕道、分支和钉扎等效应，对基体

3、其增韧作用。体其增韧作用。v5.1 5.1 陶瓷基复合材料的种类和性能陶瓷基复合材料的种类和性能第8页/共69页v 第二相颗粒增韧机制第二相颗粒增韧机制1 1）热膨胀失配增韧机制）热膨胀失配增韧机制在应力场中，颗粒受力：在应力场中，颗粒受力：在基体中产生的径向应力和切向应力：在基体中产生的径向应力和切向应力：第9页/共69页当当 裂纹的扩展路径：裂纹的扩展路径：v 第二相颗粒增韧机制第二相颗粒增韧机制第10页/共69页当当 裂纹的扩展路径：裂纹的扩展路径：v 第二相颗粒增韧机制第二相颗粒增韧机制第11页/共69页v 第二相颗粒增韧机制第二相颗粒增韧机制2 2）应力诱导微裂纹区增韧机制）应力诱导

4、微裂纹区增韧机制第12页/共69页3 3）残余应力场增韧机制）残余应力场增韧机制v 第二相颗粒增韧机制第二相颗粒增韧机制第13页/共69页4 4）颗粒的裂纹侨联增韧机制）颗粒的裂纹侨联增韧机制v 第二相颗粒增韧机制第二相颗粒增韧机制第14页/共69页影响第二相颗粒增韧效果的主要因素是影响第二相颗粒增韧效果的主要因素是基体与第二相颗基体与第二相颗粒的弹性模量和线膨胀系数之差以及两相的化学相容性粒的弹性模量和线膨胀系数之差以及两相的化学相容性。化学相容性要求既不出现过量的相间化学反应，同时又化学相容性要求既不出现过量的相间化学反应，同时又能保证较高的界面结合强度，这是颗粒产生有效增韧的能保证较高的

5、界面结合强度，这是颗粒产生有效增韧的前提条件。前提条件。第15页/共69页（2）晶须增强陶瓷基复合材料）晶须增强陶瓷基复合材料如如SiCw，(Si3N4)w，(Al2O3)W等。等。 v5.1 5.1 陶瓷基复合材料的种类和性能陶瓷基复合材料的种类和性能第16页/共69页v晶须的增韧机制晶须的增韧机制1 1）晶须侨联）晶须侨联晶须晶须第17页/共69页2 2）晶须拔出）晶须拔出v晶须的增韧机制晶须的增韧机制第18页/共69页v5.1 5.1 陶瓷基复合材料的种类和性能陶瓷基复合材料的种类和性能第19页/共69页（3）纤维增强陶瓷基复合材料）纤维增强陶瓷基复合材料如如CF、GF、BF、 (Al2

6、O3)f、SiCf等。等。v5.1 5.1 陶瓷基复合材料的种类和性能陶瓷基复合材料的种类和性能纤维增韧的机理在于：陶瓷受力时，由于纤维的强度及纤维增韧的机理在于：陶瓷受力时，由于纤维的强度及弹性模量高，大部分应力由纤维承受，减轻了陶瓷的负弹性模量高，大部分应力由纤维承受，减轻了陶瓷的负担；而且纤维还可以阻止裂纹扩展，起到增韧的作用。担；而且纤维还可以阻止裂纹扩展，起到增韧的作用。第20页/共69页在靠近裂纹尖端的纤维在外力作用下沿着它与基体的界面产生界面分离，形成新的表面，这需要消耗外界能量。尽管单位面积的表面能很小，但所有脱粘纤维总的表面能则很大。在靠近裂纹尖端的纤维在外力作用下沿着它与基

7、体的界面产生界面分离，形成新的表面，这需要消耗外界能量。尽管单位面积的表面能很小，但所有脱粘纤维总的表面能则很大。1 1）纤维脱粘韧化纤维脱粘韧化机理机理v纤维的增韧机制纤维的增韧机制第21页/共69页纤维拔出是指在靠近裂纹尖端的纤维在外力作用下沿着它与基体的界面滑出的现象。很显然纤维首先应发生脱粘和断裂才能被拔出。纤维拔出需要外力做功，因此起到增韧作用。纤维拔出是指在靠近裂纹尖端的纤维在外力作用下沿着它与基体的界面滑出的现象。很显然纤维首先应发生脱粘和断裂才能被拔出。纤维拔出需要外力做功，因此起到增韧作用。2 2）纤维拔出韧化纤维拔出韧化机理机理v纤维的增韧机制纤维的增韧机制第22页/共69

8、页在裂纹扩展时，如果紧靠裂纹尖端处的纤维并未断裂，裂纹在基体中扩展，因此在裂纹的两边纤维搭起了小桥，使两岸联在一起，称之为纤维搭桥。这会在裂纹表面形成压应力，以抵销外加拉应力的作用，使裂纹难以进一步扩展，从而起到增韧作用。在裂纹扩展时，如果紧靠裂纹尖端处的纤维并未断裂，裂纹在基体中扩展，因此在裂纹的两边纤维搭起了小桥，使两岸联在一起，称之为纤维搭桥。这会在裂纹表面形成压应力，以抵销外加拉应力的作用，使裂纹难以进一步扩展，从而起到增韧作用。3 3）纤维搭桥韧化纤维搭桥韧化机理机理v纤维的增韧机制纤维的增韧机制第23页/共69页设计纤维或晶须增强陶瓷时的原则：设计纤维或晶须增强陶瓷时的原则： 尽量

9、使纤维在基体中均匀分散尽量使纤维在基体中均匀分散弹性模量要匹配弹性模量要匹配热膨胀系数要匹配热膨胀系数要匹配适量的纤维体积分数适量的纤维体积分数纤维直径必须在某个纤维直径必须在某个临界尺寸临界尺寸之下之下良好的化学相容性良好的化学相容性与基体晶粒尺寸在与基体晶粒尺寸在同一数量级。同一数量级。v5.1 5.1 陶瓷基复合材料的种类和性能陶瓷基复合材料的种类和性能第24页/共69页5.1.1.3 按基体材料分按基体材料分 （1）氧化物基陶瓷复合材料）氧化物基陶瓷复合材料如如Al2O3、SiO2、ZrO2、MgO等等。（2）非氧化物基陶瓷复合材料）非氧化物基陶瓷复合材料如碳化物（如碳化物（SiC、T

10、iC）、氮化物（）、氮化物（Si3N4、TiN、BN）、硼化物（）、硼化物（TiB2）及硅化物（）及硅化物（MoSi2）等。等。v5.1 5.1 陶瓷基复合材料的种类和性能陶瓷基复合材料的种类和性能第25页/共69页（3）微晶玻璃基复合材料）微晶玻璃基复合材料如硅酸盐、铝硅酸盐、硼硅酸盐、硼酸盐及磷如硅酸盐、铝硅酸盐、硼硅酸盐、硼酸盐及磷酸盐等。酸盐等。（4）碳）碳/碳复合材料碳复合材料v5.1 5.1 陶瓷基复合材料的种类和性能陶瓷基复合材料的种类和性能第26页/共69页5.1.2 5.1.2 陶瓷基复合材料的性能陶瓷基复合材料的性能陶瓷基复合材料的力陶瓷基复合材料的力 位移曲线位移曲线 v

11、5.1 5.1 陶瓷基复合材料的种类和性能陶瓷基复合材料的种类和性能第27页/共69页不同金属、陶瓷基体和陶瓷基复合材料的断裂韧性比较不同金属、陶瓷基体和陶瓷基复合材料的断裂韧性比较 材料材料整体陶瓷整体陶瓷颗颗粒增粒增韧韧晶晶须须增增韧韧金金 属属AlAl2 20 03 3ZrOZrO2 2/Al/Al2 20 03 3SiC/ AlSiC/ Al2 20 03 3铝铝钢钢断断裂裂韧韧性性2.72.74.24.26.56.515158 810103333444444446666v5.1 5.1 陶瓷基复合材料的种类和性能陶瓷基复合材料的种类和性能第28页/共69页5.2 5.2 陶瓷基复合材

12、料的制备工艺陶瓷基复合材料的制备工艺陶瓷制作过程第29页/共69页5.2 5.2 陶瓷基复合材料的制备工艺陶瓷基复合材料的制备工艺（1）粉末冶金法）粉末冶金法 工艺流程：工艺流程：原料（陶瓷粉末、增强剂、粘结剂和助烧剂）原料（陶瓷粉末、增强剂、粘结剂和助烧剂）均匀均匀混合（球磨、超声等）混合（球磨、超声等） 冷压成形冷压成形 （热压）烧结（热压）烧结适用于颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料。适用于颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料。第30页/共69页（2）浆体法（湿态法）浆体法（湿态法）为了克服粉末冶金法中各组元混合不均的问题，可采用浆体（湿态）法制备颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料。

13、为了克服粉末冶金法中各组元混合不均的问题，可采用浆体（湿态）法制备颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料。其混合体为浆体形式。混合体中各组元保持散凝状。即在浆体中呈弥散分布。其混合体为浆体形式。混合体中各组元保持散凝状。即在浆体中呈弥散分布。采用浆体浸渍法也可制备连续纤维增韧陶瓷基复合材料。采用浆体浸渍法也可制备连续纤维增韧陶瓷基复合材料。5.2.2 5.2.2 陶瓷基复合材料的制备工艺陶瓷基复合材料的制备工艺第31页/共69页浆体法制备陶瓷基复合材料示意图浆体法制备陶瓷基复合材料示意图 5.2.2 5.2.2 陶瓷基复合材料的制备工艺陶瓷基复合材料的制备工艺第32页/共69页（3）反应烧结法）

14、反应烧结法用此方法制备陶瓷基复合材料，除基体材料几乎无收缩外，用此方法制备陶瓷基复合材料，除基体材料几乎无收缩外，还具有以下优点：还具有以下优点：（1）增强剂的体积比可以相当大；）增强剂的体积比可以相当大；（2）可用多种连续纤维预制体；）可用多种连续纤维预制体；（3）大多数陶瓷基复合材料的反应烧结温度低于陶瓷的）大多数陶瓷基复合材料的反应烧结温度低于陶瓷的烧结温度，因此可避免纤维的损伤。烧结温度，因此可避免纤维的损伤。 此方法最大的缺点是高气孔率难以避免。此方法最大的缺点是高气孔率难以避免。5.2.2 5.2.2 陶瓷基复合材料的制备工艺陶瓷基复合材料的制备工艺第33页/共69页反应烧结法反应

15、烧结法制备制备SiC/Si3N4基复合材料工基复合材料工艺流程图艺流程图第34页/共69页（4）熔体渗透法）熔体渗透法将复合材料基体升到高温使其熔化呈熔体，然后渗入增强物的预制体中，再冷却形成所需的复合材料。将复合材料基体升到高温使其熔化呈熔体，然后渗入增强物的预制体中，再冷却形成所需的复合材料。易于制备复杂形状和精确尺寸构件。易于制备复杂形状和精确尺寸构件。5.2.2 5.2.2 陶瓷基复合材料的制备工艺陶瓷基复合材料的制备工艺第35页/共69页 液态浸渍法制备陶瓷基复合材料示意图液态浸渍法制备陶瓷基复合材料示意图 第36页/共69页（5）化学气相渗透法）化学气相渗透法将含挥发性金属化合物的

16、气体在高温反应形成陶瓷固体沉积在增强剂预制体的空隙中，使将含挥发性金属化合物的气体在高温反应形成陶瓷固体沉积在增强剂预制体的空隙中，使预制体预制体逐渐致密而形成陶瓷基复合材料。逐渐致密而形成陶瓷基复合材料。可以是纤维、可以是纤维、晶须和颗粒。晶须和颗粒。5.2.2 5.2.2 陶瓷基复合材料的制备工艺陶瓷基复合材料的制备工艺第37页/共69页优点：工艺温度低；适用范围广，可制备碳化物优点：工艺温度低；适用范围广，可制备碳化物、氮化物、氧化物、硼化物及碳、氮化物、氧化物、硼化物及碳/碳复合材料。碳复合材料。缺点：难以致密化，形成材料的致密度难以达到缺点：难以致密化，形成材料的致密度难以达到理论密

17、度的理论密度的90%；反应气体常会损伤增强剂；排；反应气体常会损伤增强剂；排放的余气一般有腐蚀性或有毒，危害环境；工艺放的余气一般有腐蚀性或有毒，危害环境；工艺时间长，成本较高。时间长，成本较高。5.2.2 5.2.2 陶瓷基复合材料的制备工艺陶瓷基复合材料的制备工艺第38页/共69页v5.3 5.3 氧化物基陶瓷复合材料氧化物基陶瓷复合材料5.3.1 5.3.1 氧化铝基复合材料氧化铝基复合材料第39页/共69页v5.3 5.3 氧化物基陶瓷复合材料氧化物基陶瓷复合材料第40页/共69页5.3.1.1 5.3.1.1 颗粒强化氧化铝基复合材料颗粒强化氧化铝基复合材料（1）刚性颗粒）刚性颗粒如

18、如TiC、SiC、ZrO2、Si3N4等等。5.3.1 5.3.1 氧化铝基复合材料氧化铝基复合材料第41页/共69页5.3.1 5.3.1 氧化铝基复合材料氧化铝基复合材料第42页/共69页（2）延性颗粒）延性颗粒如如Cr, Fe, Ni, Co, Mo, W, Ti等。等。a. Cr/Al2O3复合材料复合材料润湿性不好润湿性不好？热膨胀系数热膨胀系数不匹配？不匹配？5.3.1 5.3.1 氧化铝基复合材料氧化铝基复合材料第43页/共69页应用：导弹喷管的衬套、熔融金属流量控制针、热应用：导弹喷管的衬套、熔融金属流量控制针、热电偶保护套、机械密封环、炉管、火焰防护杆等。电偶保护套、机械密封

19、环、炉管、火焰防护杆等。特性：优良的高温抗氧化性能、耐腐蚀性能和较高特性：优良的高温抗氧化性能、耐腐蚀性能和较高的强度。的强度。5.3.1 5.3.1 氧化铝基复合材料氧化铝基复合材料第44页/共69页b. Fe/Al2O3复合材料复合材料特性：硬度高、耐磨、耐腐蚀、热稳定性高。特性：硬度高、耐磨、耐腐蚀、热稳定性高。应用：机械密封环，农用潜水泵机械密封用。应用：机械密封环，农用潜水泵机械密封用。5.3.1 5.3.1 氧化铝基复合材料氧化铝基复合材料第45页/共69页5.3.1.2 晶须强化氧化铝基复合材料晶须强化氧化铝基复合材料SiCw， SiCw+ZrO2特性：硬度高、强度高、断裂韧性高

20、，热传导性好特性：硬度高、强度高、断裂韧性高，热传导性好。应用：小型、形状简单的切削工具，如木工钻头、应用：小型、形状简单的切削工具，如木工钻头、卷线导轨等。卷线导轨等。5.3.1 5.3.1 氧化铝基复合材料氧化铝基复合材料第46页/共69页5.3.1 5.3.1 氧化铝基复合材料氧化铝基复合材料第47页/共69页5.3.1 5.3.1 氧化铝基复合材料氧化铝基复合材料第48页/共69页5.3.2 氧化锆基复合材料氧化锆基复合材料5.3.2.1 ZrO2基体基体ZrO2第49页/共69页单斜单斜ZrO2（m相）相）四方四方ZrO2（t相）相）立方立方ZrO2（c相）相）11702370常用稳

21、定添加剂：常用稳定添加剂：CaO、MgO、Y2O3、CeO2和其他稀和其他稀土氧化物。土氧化物。5.3.2 氧化锆基复合材料氧化锆基复合材料第50页/共69页ZrO2增韧机制增韧机制（1） 应力诱导相变增韧应力诱导相变增韧第51页/共69页（2） 微裂纹增韧微裂纹增韧第52页/共69页（3） 表面增韧表面增韧分散于陶瓷基体表面的四方分散于陶瓷基体表面的四方ZrO2ZrO2相颗粒，由于在一个面上相颗粒，由于在一个面上没有受到约束，相对于基体内的四方没有受到约束，相对于基体内的四方ZrO2ZrO2相颗粒，比较容相颗粒，比较容易相变，在降温或受力后，表面的四方易相变，在降温或受力后，表面的四方ZrO

22、2ZrO2相颗粒发生相相颗粒发生相变，产生体积膨胀，使得陶瓷材料的表面受到压应力，达变，产生体积膨胀，使得陶瓷材料的表面受到压应力，达到增强、增韧的效果。到增强、增韧的效果。 第53页/共69页5.3.2.2 ZrO2基陶瓷复合材料基陶瓷复合材料目的：提高室温和高温强度，抑制晶粒长大。目的：提高室温和高温强度，抑制晶粒长大。常用增强体：常用增强体：Al2O3、 SiCw、尖晶石等。尖晶石等。5.3.2 氧化锆基复合材料氧化锆基复合材料第54页/共69页v5.4 5.4 非氧化物基陶瓷复合材料非氧化物基陶瓷复合材料5.4.1 SiC陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料5.4.1.1 SiC基体基体碳化硅

23、是用石英沙碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加热至高温还原而成：加焦碳直接加热至高温还原而成：SiO2+3CSiC+2CO碳化硅的烧结工艺也有碳化硅的烧结工艺也有热压热压和和反应烧结反应烧结两种。由于碳化硅两种。由于碳化硅表面有一层薄氧化膜，因此很难烧结，需添加烧结助剂促表面有一层薄氧化膜，因此很难烧结，需添加烧结助剂促进烧结，常加的助剂有硼、碳、铝等。进烧结，常加的助剂有硼、碳、铝等。第55页/共69页5.4.1 SiC陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料第56页/共69页5.4.1.2 颗粒弥散强化颗粒弥散强化SiC基复合材料基复合材料如：如：TiCp/SiC韧化机制：分担载荷，参与应力和裂纹

24、偏转。韧化机制：分担载荷，参与应力和裂纹偏转。5.4.1 SiC陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料第57页/共69页第58页/共69页5.4.1.3 晶须强化晶须强化SiC基复合材料基复合材料如：如：SiCW/SiC韧化机制：裂纹偏转。韧化机制：裂纹偏转。5.4.1 SiC陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料第59页/共69页5.4.1.4 连续纤维强化连续纤维强化SiC基复合材料基复合材料如：如：CF、SiCf界面层：界面层：BN、B4C、热解、热解C等等。5.4.1 SiC陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料第60页/共69页第61页/共69页第62页/共69页5.4.2 Si3N4陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料

25、5.4.2.1 Si3N4基体基体l氮化硅是由氮化硅是由SiSi3 3N N4 4四面体组成的共四面体组成的共 价键固体。价键固体。属于六方晶系，有属于六方晶系，有-（低温型） -（高温型）两种晶型。第63页/共69页氮化硅的制备与烧结工艺氮化硅的制备与烧结工艺工业硅直接氮化：工业硅直接氮化：3Si+2N2Si3N4二氧化硅还原氮化：二氧化硅还原氮化：3SiO2+6C+2N2Si3N4+6CO烧结工艺烧结工艺优点优点 缺点缺点 反应烧结反应烧结 烧结时几乎没有收缩，能得到烧结时几乎没有收缩，能得到复杂的形状复杂的形状 密度低，强度低，耐蚀性差密度低，强度低，耐蚀性差 热压烧结热压烧结 用较少的

26、助剂就能致密化，强用较少的助剂就能致密化，强度、耐蚀性最好度、耐蚀性最好 只能制造简单形状，烧结助只能制造简单形状，烧结助剂使高温强度降低剂使高温强度降低 5.4.2 Si3N4陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料第64页/共69页5.4.2 Si3N4陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料第65页/共69页5.4.2.2 颗粒强化颗粒强化Si3N4基复合材料基复合材料如：如：SiCP、TiNP等。等。5.4.2 Si3N4陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料第66页/共69页5.4.2.3 晶须强化晶须强化Si3N4基复合材料基复合材料如：如：SiCW/Si3N4等等。5.4.2 Si3N4陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料第67页/共69页5.4.2.4 长纤维强化长纤维强化Si3N4基复合材料基复合材料如：如：CF、SiCf制备方法：反应烧结法、添加烧结助剂法、液态硅氮化制备方法：反应烧结法、添加烧结助剂法、液态硅氮化法、法、CVI、聚合物热分解法等。、聚合物热分解法等。5.4.2 Si3N4陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料第68页/共69页感谢您的观看！感谢您的观看！第69页/共69页