第二章陶瓷基复合材料ppt课件

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1、第二章第二章 陶瓷基复合资料陶瓷基复合资料2.1 陶瓷资料的特点陶瓷资料的特点陶瓷资料也称为无机非金属资料。陶瓷资料也称为无机非金属资料。陶瓷资料与金属资料的区分：陶瓷资料与金属资料的区分：根据两种资料的电阻根据两种资料的电阻 温度系数来区温度系数来区别。别。陶瓷资料与有机高分子资料的区分：陶瓷资料与有机高分子资料的区分：可以从分子构造上来区别。高分子资可以从分子构造上来区别。高分子资料含有不延续的大分子，在分子内的碳原料含有不延续的大分子，在分子内的碳原子是由共价键相联，分子与分子间那么经子是由共价键相联，分子与分子间那么经过较弱的过较弱的van-der-Waal 或氢键结合。或氢键结合。陶

2、瓷资料没有不延续的分子，是一种陶瓷资料没有不延续的分子，是一种或多种原子的空间陈列，有序为晶体，否或多种原子的空间陈列，有序为晶体，否那么为非晶资料。那么为非晶资料。2.1 陶瓷资料的特点陶瓷资料的特点陶瓷资料可分为：陶瓷资料可分为：普通陶瓷普通陶瓷(Conventional Ceramics：砖、陶砖、陶器、瓷器等器、瓷器等 精细陶瓷精细陶瓷(Advanced Ceramics)：硅、铝、：硅、铝、钛、锆等的氧化物、氮化物和碳化物等。钛、锆等的氧化物、氮化物和碳化物等。陶瓷资料以高的抗压性能、很高的化学陶瓷资料以高的抗压性能、很高的化学稳定性和高的熔点著称。稳定性和高的熔点著称。2.1 陶瓷

3、资料的特点陶瓷资料的特点陶瓷资料的特点：陶瓷资料的特点：很好的耐热性很好的耐热性 很好的化学稳定性很好的化学稳定性 高的耐磨性能高的耐磨性能 低的密度低的密度 低的韧性低的韧性K1C2.1 陶瓷资料的特点陶瓷资料的特点)(2/12/31PamNmaKC2.1 陶瓷资料的特点陶瓷资料的特点断裂韧性断裂韧性K1C 反映含裂纹资料或构件的抗裂纹扩展反映含裂纹资料或构件的抗裂纹扩展的才干，又称为强度因子。的才干，又称为强度因子。陶瓷资料不象金属资料有塑性变形，因此在受机械陶瓷资料不象金属资料有塑性变形，因此在受机械拉伸或热冲击载荷时能够出现灾难性的失效。所以提高拉伸或热冲击载荷时能够出现灾难性的失效。

4、所以提高其韧性是陶瓷基复合资料最重要的目的。其韧性是陶瓷基复合资料最重要的目的。2.1 陶瓷资料的特点陶瓷资料的特点 运用温度运用温度2.1 陶瓷资料的特点陶瓷资料的特点 资料的密度资料的密度2.1 陶瓷资料的特点陶瓷资料的特点 热膨胀系数热膨胀系数2.1 陶瓷资料的特点陶瓷资料的特点 表表 2-1 一些材料典型断裂韧性一些材料典型断裂韧性(K1C)值值材材 料料 K1C,MPa m1/2聚合物聚合物聚乙烯聚乙烯 1-2尼龙尼龙 3环氧树脂，聚酯环氧树脂，聚酯 0.5金属金属纯金属纯金属（铜、镍、铝）（铜、镍、铝）100-300铝合金铝合金 20-50钛合金钛合金 50-100低碳钢低碳钢 4

5、 10陶瓷陶瓷玻璃玻璃 0.5 1氧化镁氧化镁 3氧化铝氧化铝 1 3碳化硅碳化硅 2 4氮化硅氮化硅 3-5断裂韧性断裂韧性2.2 陶瓷基复合资料的特点陶瓷基复合资料的特点 加强相与基体的模量之比相当低，为加强相与基体的模量之比相当低，为 0.1-1 陶瓷基复合资料中，提高强度不是其目的，最主要陶瓷基复合资料中，提高强度不是其目的，最主要的是提高其韧性。的是提高其韧性。2.2.1 陶瓷基体资料的根本要求陶瓷基体资料的根本要求2.2.1 陶瓷基体资料的根本要求陶瓷基体资料的根本要求2.2.1 陶瓷基体资料的根本要求陶瓷基体资料的根本要求 具有良好的抗蠕变、疲劳和冲击性能具有良好的抗蠕变、疲劳和

6、冲击性能 具有很好的化学稳定性，不易遭到环境中温度、氧具有很好的化学稳定性，不易遭到环境中温度、氧化或复原气氛的影响，不易挥发化或复原气氛的影响，不易挥发 具有较高的韧性具有较高的韧性 可以渗入、浸润纤维束、晶须束或颗粒预成型件中可以渗入、浸润纤维束、晶须束或颗粒预成型件中 与加强相能构成良好的界面联接与加强相能构成良好的界面联接 在制造和运用过程中，与加强纤维不发生化学反响在制造和运用过程中，与加强纤维不发生化学反响 不会物理损坏加强纤维不会物理损坏加强纤维2.2.2 陶瓷资料的化学键及晶体构造陶瓷资料的化学键及晶体构造1 陶瓷资料的化学键陶瓷资料的化学键原子结合键：原子结合键：三种强结合力

7、的化学键三种强结合力的化学键:共价键共价键Covalent bond)、离、离子键子键(Ionic bond)、金属键、金属键(metallic bond)二种弱结合键：范德华键二种弱结合键：范德华键(van der Waals bond)、氢键、氢键(hydrogen bond)陶瓷资料：离子键或共价键陶瓷资料：离子键或共价键2.2.2 陶瓷资料的化学键及晶体构造陶瓷资料的化学键及晶体构造2.2.2 陶瓷资料的化学键及晶体构造陶瓷资料的化学键及晶体构造2 陶瓷资料的晶体构造陶瓷资料的晶体构造通常金属阳离子尺寸较非金属的阴离子要小，因此通常金属阳离子尺寸较非金属的阴离子要小，因此在陶瓷晶体中的

8、金属阳离子经常占据的是由非金属阴离在陶瓷晶体中的金属阳离子经常占据的是由非金属阴离子构成的晶格中的间隙位置。子构成的晶格中的间隙位置。简单立方：简单立方：CsCl,CsBr,CsI 面心立方：面心立方：NaCl,CaO,MgO,MnO,NiO,FeO,BaO 密排六方：密排六方：ZnS,Al2O32.2.2 陶瓷资料的化学键及晶体构造陶瓷资料的化学键及晶体构造陶瓷资料的晶体构造陶瓷资料的晶体构造2.2.2 陶瓷资料的化学键及晶体构造陶瓷资料的化学键及晶体构造陶瓷资料陶瓷资料的晶体构造的晶体构造2.2.2 陶瓷资料的化学键及晶体构造陶瓷资料的化学键及晶体构造陶瓷资料的晶体构造陶瓷资料的晶体构造陶

9、瓷资料能够是非晶吗？陶瓷资料能够是非晶吗？2.2.2 陶瓷资料的化学键及晶体构造陶瓷资料的化学键及晶体构造几种陶瓷晶体构造引见几种陶瓷晶体构造引见MX型构造型构造M为金属阳离子，为金属阳离子，X为阴离子为阴离子 闪锌矿构造闪锌矿构造2.2.2 陶瓷资料的化学键及晶体构造陶瓷资料的化学键及晶体构造几种陶瓷晶体构造引见几种陶瓷晶体构造引见MX型构造型构造M为金属阳离子，为金属阳离子，X为阴离子为阴离子 NaCl型构造型构造MgO,NiO,TiC,VC,VN等等都是这种构造，具有这种结都是这种构造，具有这种结构的化合物多数有熔点高、构的化合物多数有熔点高、稳定性好的特点。稳定性好的特点。2.2.2

10、陶瓷资料的化学键及晶体构造陶瓷资料的化学键及晶体构造几种陶瓷晶体构造引见几种陶瓷晶体构造引见MX2型构造型构造 这种构造的典型代表是金红石构造。单位晶胞中的这种构造的典型代表是金红石构造。单位晶胞中的8个顶角和中心为阳离子，阴离子的位置那么正益处于由个顶角和中心为阳离子，阴离子的位置那么正益处于由阳离子构成的稍有变形阳离子构成的稍有变形的八面体中心。的八面体中心。2.2.2 陶瓷资料的化学键及晶体构造陶瓷资料的化学键及晶体构造几种典型陶瓷晶体构造引见几种典型陶瓷晶体构造引见M2X型构造型构造 这种构造以赤铜矿为代表。阴离子构成体心立方构这种构造以赤铜矿为代表。阴离子构成体心立方构造，阳离子处于

11、间隙中。造，阳离子处于间隙中。2.3陶瓷资料的制备方法陶瓷资料的制备方法2.3.1 陶瓷普通制备工艺陶瓷普通制备工艺在普通工艺中都包括以下几个步骤：在普通工艺中都包括以下几个步骤：原资料制成粉状原资料制成粉状 粉末压制成一定的外形的坯料粉末压制成一定的外形的坯料 坯料在高温下的烧结，也能够在高温暖压力下进展坯料在高温下的烧结，也能够在高温暖压力下进展 加工至最终外形和尺寸加工至最终外形和尺寸2.3陶瓷资料的制备方法陶瓷资料的制备方法2.3.1 陶瓷普通制备工艺陶瓷普通制备工艺一、热等静压工艺一、热等静压工艺Hot Isostatic Pressing,HIP)压力为压力为 100-300 MP

12、a，温度可达，温度可达 2000，时间在，时间在1-8 hr。2.3陶瓷资料的制备方法陶瓷资料的制备方法2.3.1 陶瓷普通制备工艺陶瓷普通制备工艺一、一、热热等等静静压压工工艺艺2.3陶瓷资料的制备方法陶瓷资料的制备方法2.3.1 陶瓷普通制备工艺陶瓷普通制备工艺一、化学气相堆积工艺一、化学气相堆积工艺Chemical Vapor Deposition,CVD)加热炉加热炉石英舟石英舟基底基底石英管石英管进 气 口进 气 口端端出气口端出气口端电源线电源线热电偶热电偶控温仪控温仪2.3陶瓷资料的制备方法陶瓷资料的制备方法2.3.2 新型陶瓷制备工艺新型陶瓷制备工艺一、溶胶一、溶胶-凝胶工艺凝

13、胶工艺Sol-gel2.3陶瓷资料的制备方法陶瓷资料的制备方法2.3.2 新型陶瓷制备工艺新型陶瓷制备工艺一、溶胶一、溶胶-凝胶工艺凝胶工艺Sol-gel2.3陶瓷资料的制备方法陶瓷资料的制备方法2.3.2 新型陶瓷制备工艺新型陶瓷制备工艺一、溶胶一、溶胶-凝胶工艺凝胶工艺Sol-gel2.3陶瓷资料的制备方法陶瓷资料的制备方法2.3.2 新型陶瓷制备工艺新型陶瓷制备工艺一、溶胶一、溶胶-凝胶工艺凝胶工艺Sol-gel2.3陶瓷资料的制备方法陶瓷资料的制备方法2.3.2 新型陶瓷制备工艺新型陶瓷制备工艺二、自延高温合成工艺二、自延高温合成工艺Self-propagating high temp

14、erature synthesis,SHS该类工艺的又一称号为铝热熄灭反响。铝与氧化铁的放该类工艺的又一称号为铝热熄灭反响。铝与氧化铁的放热反响释放出的热量很多，可使温度到达热反响释放出的热量很多，可使温度到达 2500。SHS 的突出特点：的突出特点：极高的熄灭温度接近极高的熄灭温度接近 4000 简单、低本钱的设备简单、低本钱的设备 能准确控制其化学成分能准确控制其化学成分 能制备不同的外形的零件能制备不同的外形的零件 2.3陶瓷资料的制备方法陶瓷资料的制备方法2.3.2 新型陶瓷制备工艺新型陶瓷制备工艺二、自延高温合成工艺二、自延高温合成工艺Self-propagating high t

15、emperature synthesis,SHS2.4一些常用陶瓷资料的引见一些常用陶瓷资料的引见2.4.1 碳化硅碳化硅碳化硅碳化硅SiC是一种非常硬而脆的资料。在复原气氛是一种非常硬而脆的资料。在复原气氛中，碳化硅具有很好的耐烧蚀与化学腐蚀才干。在氧化气氛中，碳化硅具有很好的耐烧蚀与化学腐蚀才干。在氧化气氛中，碳化硅中的自在中，碳化硅中的自在 Si 能够被氧化，在极高温度下，碳化能够被氧化，在极高温度下，碳化硅也能够被氧化。硅也能够被氧化。碳化硅主要有两种晶体构造，一种为碳化硅主要有两种晶体构造，一种为-SiC，属于六方，属于六方晶系，另一种为晶系，另一种为 -SiC，属立方晶系。多数碳化

16、硅以，属立方晶系。多数碳化硅以-SiC为主晶相。为主晶相。碳化硅并不是一种天然存在的矿物，虽然硅和碳都是地碳化硅并不是一种天然存在的矿物，虽然硅和碳都是地球上存在着的最丰富的元素之一。球上存在着的最丰富的元素之一。2.4一些常用陶瓷资料的引见一些常用陶瓷资料的引见2.4.1 碳化硅碳化硅主要的制备工艺有：主要的制备工艺有：热压烧结法热压烧结法 反响烧结法反响烧结法 化学气相堆积法化学气相堆积法一、热压烧结法一、热压烧结法需求添加剂：需求添加剂：MgO,B,C,Al 需求的热压温度非常高：需求的热压温度非常高：1900-2200 压力：压力：35 Mpa 热压后的碳化硅制品必需用金刚石来打磨、修

17、整，很贵热压后的碳化硅制品必需用金刚石来打磨、修整，很贵2.4一些常用陶瓷资料的引见一些常用陶瓷资料的引见2.4.1 碳化硅碳化硅二、反响烧结法二、反响烧结法原资料为碳化硅粉、石墨和增塑剂混合料。原资料为碳化硅粉、石墨和增塑剂混合料。粉状的原资料被压制、拉挤或注射到模具中，得到坯料。粉状的原资料被压制、拉挤或注射到模具中，得到坯料。分解增塑剂。分解增塑剂。渗入硅的固体、液体或气体到坯料中与其中的碳反响原渗入硅的固体、液体或气体到坯料中与其中的碳反响原位构成碳化硅。位构成碳化硅。在这一工艺中，额外的在这一工艺中，额外的 2-12%硅被渗入进去，以填充构硅被渗入进去，以填充构成的空隙，因此可得到致

18、密的制件。成的空隙，因此可得到致密的制件。2.4一些常用陶瓷资料的引见一些常用陶瓷资料的引见2.4.1 碳化硅碳化硅表表 2-3 用不同工艺制备的碳化硅的典型性能用不同工艺制备的碳化硅的典型性能四点弯曲强度四点弯曲强度(MP(MPa a）杨 氏 模杨 氏 模量，量，E E热膨胀系热膨胀系数，数，热导率热导率25 10001375(GPa)(10-6 K-1)(Wm-1 K-1)热压热压（添（添加加 MgOMgO）6906203303173.030-15烧结烧结（添（添加加 Y Y2 2O O3 3）6555852752363.228-12反应烧结反应烧结（2.452.45gcmgcm-3-3）

19、2103453801652.86-32.4一些常用陶瓷资料的引见一些常用陶瓷资料的引见2.4.2 氮化硅氮化硅氮化硅氮化硅Si3N4)是键合能很高的共价化合物。有两种晶是键合能很高的共价化合物。有两种晶体构造，体构造，型与型与型，两者均为密排六方构造，但型，两者均为密排六方构造，但 -Si3N4的的C-轴长度是轴长度是 -Si3N4的两倍。的两倍。主要的制备工艺有：主要的制备工艺有：冷压烧结法冷压烧结法 热压烧结法热压烧结法 反响烧结法反响烧结法 热等静压法热等静压法 化学气相堆积法化学气相堆积法 2.4一些常用陶瓷资料的引见一些常用陶瓷资料的引见2.4.2 氮化硅氮化硅 一、反响烧结法一、反

20、响烧结法将硅粉压成需求的外形，然后在将硅粉压成需求的外形，然后在 1100-1400 的高温下的高温下通入纯氮气或氮气与氢气的混合气，这时就有以下反响发生：通入纯氮气或氮气与氢气的混合气，这时就有以下反响发生：3Si(s)+2 N2(g)Si3N4(s)3Si(g)+2 N2(g)Si3N4(s)Si(s)+SiO2 2SiO(g)第三个反响阐明了在反响过程中硅的减少。第三个反响阐明了在反响过程中硅的减少。反响烧结法制备的氮化硅孔隙率较热压制品高反响烧结法制备的氮化硅孔隙率较热压制品高10%，因此其中温下的抗氧化才干也较低，通常其强度因此其中温下的抗氧化才干也较低，通常其强度 400MPa,普

21、通为普通为250 MPa左右。左右。2.4一些常用陶瓷资料的引见一些常用陶瓷资料的引见2.4.2 氮化硅氮化硅 二、化学气相堆积二、化学气相堆积化学气相堆积法用来制备氮化硅的纯缘热或防分散化学气相堆积法用来制备氮化硅的纯缘热或防分散膜。膜。将硅烷或氯化硅在将硅烷或氯化硅在800 -1100 的温度下与氨气反响，的温度下与氨气反响，就可制备得到氮化硅，详细的化学反响如下：就可制备得到氮化硅，详细的化学反响如下：3SiH4(g)+4NH3(g)Si3N4(s)+12 H2(g)3SiCl4(g)+4NH3(g)Si3N4(s)+12 HCl(g)3SiHCl3(g)+4NH3(g)Si3N4(s)

22、+9HCl(g)+3 H2(g)用该方法制备的氮化硅致密，但不能制备复杂的外形。用该方法制备的氮化硅致密，但不能制备复杂的外形。2.4一些常用陶瓷资料的引见一些常用陶瓷资料的引见2.4.2 氮化硅氮化硅 表表 2-4 不同工艺制备氮化硅的性能不同工艺制备氮化硅的性能 反应烧结法反应烧结法 热压法热压法（MgOMgO）热压法热压法（Y Y2 2O O3 3）冷压烧结冷压烧结（Y Y2 2O O3 3）密度密度,(gcm,(gcm-3-3）2.83.23.43.2杨氏模量，杨氏模量，（GpaGpa）210300310275泊松比，泊松比，0.220.250.270.23剪切模量剪切模量(Gpa)(

23、Gpa)86120122113四点弯曲强度四点弯曲强度（MpaMpa）2887609206652.4一些常用陶瓷资料的引见一些常用陶瓷资料的引见2.4.3 氧化铝氧化铝氧化铝陶瓷也称为高铝陶瓷，主要成分为氧化铝陶瓷也称为高铝陶瓷，主要成分为Al2O3和和SiO2。Al2O3含量越高，性能越好。含量越高，性能越好。Al2O3只需一种稳定的晶体构造，只需一种稳定的晶体构造，即即-Al2O3，呈密排六方构造。，呈密排六方构造。氧化铝的制备原料是工业氧化氧化铝的制备原料是工业氧化铝，参与少量的添加剂后，经压铝，参与少量的添加剂后，经压制坯料烧结而成。制坯料烧结而成。氧化铝的硬度很高，有很好的氧化铝的硬

24、度很高，有很好的耐磨性，很好的耐高温性能，在耐磨性，很好的耐高温性能，在1600下仍能长期下仍能长期 任务。任务。2.4一些常用陶瓷资料的引见一些常用陶瓷资料的引见2.4.3 氧化铝氧化铝表表 2-5 氧化铝陶瓷的主要性能氧化铝陶瓷的主要性能名名 称称刚玉刚玉-莫来石瓷莫来石瓷刚玉瓷刚玉瓷刚玉瓷刚玉瓷牌牌 号号75 瓷瓷95 瓷瓷99 瓷瓷主晶相主晶相-Al2O3和和 -Al2O3 2SiO2-Al2O3-Al2O3密度密度,(gcm,(gcm-3-3）3.2 3.43.53.9抗拉强度，抗拉强度，MPaMPa140180250抗弯强度，抗弯强度，MPaMPa250 300280-350370

25、-450热膨胀系数热膨胀系数,1010-6-6/5-5.55.5 7.56.7介电强度，介电强度，KV/mmKV/mm25 3015 18 25-302.4一些常用陶瓷资料的引见一些常用陶瓷资料的引见2.4.5 金属间化合物金属间化合物Intermetallics)金属间化合物是指一切两种或两种以上金属组成的化合金属间化合物是指一切两种或两种以上金属组成的化合物有序的或无序的。物有序的或无序的。最有能够运用于飞机涡轮叶片上的金属间化合物是铝镍最有能够运用于飞机涡轮叶片上的金属间化合物是铝镍和铁钛化合物，但其运用温度普通低于和铁钛化合物，但其运用温度普通低于1600 0.8 Tm)，只需一些含硅

26、的金属间化合物的构造与耐氧化性能能够到达只需一些含硅的金属间化合物的构造与耐氧化性能能够到达 1600以上。以上。2.4一些常用陶瓷资料的引见一些常用陶瓷资料的引见2.4.5 金属间化合物金属间化合物Intermetallics)2.4一些常用陶瓷资料的引见一些常用陶瓷资料的引见2.4.5 金属间化合物金属间化合物Intermetallics)表表2-6 一些金属间化合物的性能一些金属间化合物的性能金属间化合金属间化合物物晶体结构晶体结构熔点熔点（）（）密度密度（g/cmg/cm3 3）杨氏模量杨氏模量（GpaGpa）FeAlFeAlB2(BCC)1250-14005.6263FeFe3 3AlAlDO315406.7NiAlNiAlB2(FCC)16405.9206NiNi3 3AlAlL1213907.533.7TiAlTiAlL1014603.994TiTi3 3AlAlDO1916004.2210问题：问题：碳元素有不同的形状，以下碳元素有不同的形状，以下形状有何区别：形状有何区别：金刚石金刚石石墨石墨 碳黑碳黑非晶碳非晶碳