第七章 陶瓷基复合材料.ppt

LOGO第七章 陶瓷基复合材料HNUST以高性能陶瓷为基体，通过加入颗粒、晶须、连以高性能陶瓷为基体，通过加入颗粒、晶须、连续纤维和层状材料等增强体而形成的复合材料续纤维和层状材料等增强体而形成的复合材料HNUST7.1 7.1 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1．陶瓷基复合材料的基体氧化物基陶瓷基体Al2O3, ZrO2, SiO2碳化物陶瓷基体SiC, B4C,氮化物陶瓷基体Si3N4, BN目前被人们研究最多的是碳化硅、氮化硅、氧化铝等，它们普遍具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量轻和价格低等优点7.1.1 7.1.1 陶瓷基复合材料的基体与增强体陶瓷基复合材料的基体与增强体HNUST2 2．陶瓷复合材料的增强体．陶瓷复合材料的增强体陶瓷基复合材料中的增强体增强体，通常也称为增韧体增韧体从几何尺寸上增强体可分为纤维纤维(长、短纤维)、晶须晶须和颗粒颗粒三类碳纤维碳纤维是用来制造陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料最常用的纤维之一碳纤维常规生产的品种主要有两种，即高模量型高模量型和低模量型低模量型高模量型的拉伸模量拉伸模量约为400 GPa，拉伸强度拉伸强度约为1.7 GPa；低模量型的拉伸模量拉伸模量约为240 GPa，拉伸强度拉伸强度约为2.5 GPa。

HNUST玻璃纤维玻璃纤维硼纤维，硼纤维，属于多相的，又是无定形的，用化学化学沉积法沉积法将无定形硼沉积在钨丝沉积在钨丝或者碳纤维上碳纤维上形成的硼纤维硼纤维对任何可能的表面损伤表面损伤都非常敏感敏感，热热或化学处理或化学处理对硼纤维都有影响，高于500 ℃时强度会急剧下降商业上使用的硼纤维通常是在表面涂了一层碳碳化硅化硅，它可使纤维长期暴露在高温后仍有保持室温强度室温强度的优点HNUST晶须，晶须，具有一定长径比一定长径比(直径0.3~1um,长30~100um)的小单晶体小单晶体晶须的特点晶须的特点是没有微裂纹微裂纹、位错位错、孔洞孔洞和表面损伤表面损伤等一类缺陷，而这些缺陷正是大块晶体中大量存在且促使强度下降的主要原因晶须的拉伸强度可达0.1E(E为杨氏模量)，这已非常接近于理想拉伸强度0.2E；最佳的热性能、低密度和高杨氏模量，在陶瓷基复合材料中使用得较为普遍的是SiC、A12O3及Si3N4晶须HNUST颗粒颗粒，从几何尺寸上看，颗粒在各个方向上的长度是大致相同的，一般为几个微米常用得的颗粒也是SiCSiC、SiSi3 3N N4 4等颗粒的增韧效果颗粒的增韧效果虽不如纤维纤维和和晶须晶须，但是，如果颗粒种类、粒径、含量及基体材料选择适当选择适当仍会有一定的韧化效果，同时还会带来高温强高温强度度，高温蠕变性能高温蠕变性能的改善。

颗粒增韧复合材料颗粒增韧复合材料同样受到重视并对其进行了一定的研究HNUST7.1.2 7.1.2 纤维增强陶瓷基复合材料纤维增强陶瓷基复合材料1 1、单向排布长纤维复合材料、单向排布长纤维复合材料单向排布纤维单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料的显著特点：各向异性各向异性，即沿纤维长度方向上的纵向性能要大大高于其横向性能裂纹的扩展裂纹的扩展必须克服由于纤维的加入而产生的拔出功拔出功和纤维断纤维断裂功裂功，使得材料的断裂更为困难，起到增韧的作用HNUST实际材料断裂过程中，纤维的断裂纤维的断裂并非发生在同一裂纹平面，这样主主裂纹裂纹还将沿纤维断裂位置的不同而发生裂纹转向裂纹转向这也同样会使裂纹使裂纹的扩展阻力增加的扩展阻力增加，从而使韧性进一步提高HNUST2 2．多向排布纤维增韧复合材料．多向排布纤维增韧复合材料二维多向排布纤维增韧复合材料二维多向排布纤维增韧复合材料1. 将纤维编织成纤维布将纤维编织成纤维布，浸渍浆料后，根据需要的厚度将单层或若干层单层或若干层进行热压烧热压烧结成型在纤维排布平面的二维方向上纤维排布平面的二维方向上性能优越，而在垂直于纤维排布面方向上垂直于纤维排布面方向上的性能较差。

2. 纤维分层单向排布纤维分层单向排布，层间纤维成一定角度，根据构件构件的形状的形状用纤维浸浆缠绕的方法做成所需要形状的壳层状壳层状构件构件增韧机理HNUST三维多向排布纤维增韧陶瓷基复合材料三维多向排布纤维增韧陶瓷基复合材料三维多向编织纤维三维多向编织纤维增韧陶瓷是为了满足某些情况的性能要求而设计的这种材料最初是从宇航用三向三向C/CC/C复合材料复合材料开始的，现已发展到三向石英三向石英/ /石英石英等陶瓷复合材料由于每束纤维呈直线伸展，不存在相互交缠和绕曲，因而使纤维可以充分发挥最大的结构强度变化参数：纤维束的根数和股数、相邻束间的间距、织物的体积密度及纤维的总体积分数等HNUST7.1.3 7.1.3 晶须和颗粒增强陶瓷基复合材料晶须和颗粒增强陶瓷基复合材料弹性模量弹性模量、硬度硬度及断裂韧性断裂韧性均随着SiCw含量的增加而提高弯曲强度弯曲强度，对AlAl2 2OO3 3，随SiCw含量的增加单调上升；对ZrOZrO2 2基体基体，出出现峰值现峰值后有所下降晶须增韧晶须增韧陶瓷材料的性能的性能与基体和晶须的选择基体和晶须的选择，晶须的含量及分布晶须的含量及分布等因素有关SiCSiCw w含量高时造成热失配过大含量高时造成热失配过大，同时使致密化困难使致密化困难而引起密度下降引起密度下降，界面强度降低界面强度降低，导致强度的下降导致强度的下降。

HNUST颗粒颗粒来代替晶须代替晶须制成复合材料，在原料的混合均匀化原料的混合均匀化及烧结致密化烧结致密化方面方面均比晶须增强陶瓷基复合材料要容易当颗粒为SiCSiC，TiCTiC时，基体材料采用AlAl2 2OO3 3，SiSi3 3N N4 4，已广泛用来制造刀具HNUST晶须与颗粒晶须与颗粒对陶瓷材料的增韧均有一定作用，且各有利弊晶须晶须的增强增韧效果好增强增韧效果好，但含含量高时会使致密度下降量高时会使致密度下降；颗粒颗粒可克服晶须的这一弱点，但其增强增韧效果却不如晶须增强增韧效果却不如晶须HNUSTHNUST7.1.4 7.1.4 陶瓷基复合材料的界面和强韧化机理陶瓷基复合材料的界面和强韧化机理无反应界面：界面上的增强相与基体直接结合形成原子键合共格界面、半共格界面、或非共格界面，结合较强增韧体与基体间形成中间反应层：界面是低熔点非晶相，利于材料的致密化控制界面层厚度：涂层处理；加入不同界面层形成物质控制反应层的强度HNUST晶须晶须增强陶瓷基复合材料的强韧化机理是靠晶须的拔出桥连晶须的拔出桥连与裂纹转裂纹转向机制向机制对强度和韧性的提高产生作用界面结合强度界面结合强度直接影响韧化机制韧化机制与韧化效果韧化效果。

界面强度过高过高，晶须将与基体一起断裂，限制了晶须的拔出，因而也就减小了晶须拔出机制对韧性的贡献减小了晶须拔出机制对韧性的贡献界面强度的提高界面强度的提高有利于载荷转移载荷转移，因而提高了强化效果晶须增强陶瓷基复合材料的强韧化机理晶须增强陶瓷基复合材料的强韧化机理HNUST有明显的锯齿效应锯齿效应，这是晶须拔出晶须拔出桥连机制桥连机制作用的结果界面强度过低过低、则使晶须的拔出功晶须的拔出功减小减小，这对韧化和强化都不利，因此界面强度存在一个最佳值界面强度存在一个最佳值HNUST7.2 7.2 陶瓷基复合材料的成型加工陶瓷基复合材料的成型加工7.2.1 7.2.1 纤维增强陶瓷基复合材料的加工纤维增强陶瓷基复合材料的加工基体方面基体方面：与气孔的尺寸及数量气孔的尺寸及数量，裂纹的大小裂纹的大小以及一些其它缺陷其它缺陷有关；纤维方面纤维方面：则与纤维中的杂质纤维中的杂质、纤维的氧化程度纤维的氧化程度、损伤损伤及其他固有缺陷固有缺陷有关；基体与纤维的结合情况：与界面界面及结合效果结合效果、纤维在基体中的取向纤维在基体中的取向，以及载体与纤维的热膨胀系数差载体与纤维的热膨胀系数差有关在陶瓷泥浆中分散纤维分散纤维，浇铸浇铸在石膏模型中，适合于短纤维适合于短纤维增强陶瓷基复合材料。

优点：不受制品形状的限制，成本低，工艺简单，缺点：对提高产品性能的效果不显著1 1．泥浆烧铸法．泥浆烧铸法将短切短切纤维与基体粉末混合混合，用热压烧结的方法制得高性能的复合材料，短纤维沿加压面择优取向纤维与基体之间的结合较好纤维与基体之间的结合较好，是目前采用较多的方法2 2．热压烧结法．热压烧结法HNUST3. 3. 浸渍法浸渍法适用于长纤维适用于长纤维首先把纤维编织编织成所需形状，然后用陶瓷泥浆浸渍浸渍，干燥后进行焙烧焙烧优点：纤维取向可自由调节纤维取向可自由调节，如单向排布及多向排布等缺点：不能制造大尺寸的制品不能制造大尺寸的制品，而且所得制品的致密度较低制品的致密度较低HNUST7.2.2 7.2.2 晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工与制备晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工与制备1 1．配料．配料把几种原料粉末原料粉末混合配成坯料配成坯料的方法可分为干法干法和湿法湿法两种新型陶瓷领域混合处理加工混合处理加工的微米级、超微米级粉末方法超微米级粉末方法由于效率和可靠性的原因大多采用湿法大多采用湿法湿法湿法主要采用水作溶剂，但在氮化硅、碳化硅等非氧化物系的原料非氧化物系的原料混合时，为防止原料的氧化则使用有机溶剂有机溶剂。

混合装置：球磨机HNUST混好后的料浆在成型时有三种不同的情况：(1)经一次干燥制成粉末坯料后制成粉末坯料后供给成型工序；(2)把结合剂添加于料浆中、不干燥坯料，保持浆状保持浆状供给成型工序；(3)用压滤机将料浆状的粉脱水后成坯料脱水后成坯料供给成型工序模压成型模压成型：金属模成型法金属模成型法和橡皮模成型法橡皮模成型法注射成型法：注射成型法：工艺复杂，很大的局限性工艺复杂，很大的局限性注浆成型法：注浆成型法：壁薄且形状复杂的制品壁薄且形状复杂的制品挤压成型法：挤压成型法：断面形状简单的长条形制品断面形状简单的长条形制品2 2．成型．成型HNUST从陶瓷素坯陶瓷素坯烧固成致密制品的过程窑炉按其功能进行划分可分为间歇式间歇式和连续式连续式3. 3. 烧结烧结间歇式窑炉：生坯的硬化间歇式窑炉：生坯的硬化、烧结烧结、冷却冷却及制品的取出制品的取出等工序是间歇进行，不适合于大规模生产，适合处理特殊大型制品特殊大型制品或长尺寸制品长尺寸制品的优点，且烧结条件灵活，筑炉价格也比较便宜连续窑炉：连续窑炉：适合于大批量制品的烧结，由预热预热、烧结烧结和冷却冷却三个部分组成HNUST目的：提高烧成品的尺寸精度和表面平滑性提高烧成品的尺寸精度和表面平滑性，前者主要用金刚石砂轮金刚石砂轮进行磨削加工，后者则用磨料磨料进行研磨加工。

4 4．精加工．精加工陶瓷与金属的一个重要区别也在于它对制造工艺中的微小变化特别敏感而这些微小的变化在最终烧成产品前是很难察觉的HNUST重现性、一致性7.3.1 7.3.1 陶瓷基复合材料在工业上的应用陶瓷基复合材料在工业上的应用耐高温、高强度、高硬度及耐腐蚀性好等特点，但脆性大脆性大的弱点限制了它的广泛应用最高使用温度最高使用温度主要取决于基体特性基体特性，其工作温度按下列基体材料依次提高：玻璃玻璃、玻璃陶瓷玻璃陶瓷、氧化物陶瓷氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷、碳素材料碳素材料，其最高工作温度可达1900 ℃ 7.3 陶瓷基复合材料的应用陶瓷基复合材料的应用HNUST实用化的领域包括：刀具、滑动构件、航空航天构件、发动机制件、能源构件等切削工具切削工具， SiCwSiCw增韧的细颗粒增韧的细颗粒AlAl2 2OO3 3陶瓷复合材陶瓷复合材料料已成功用于工业生产制造切削刀具热压法制备的SiCw/ Al2O3复合材料钻头HNUST美国某公司生产的WCWC--300--300复合材料复合材料刀具刀具具有耐高温、稳定性好和优异的抗热展性能，熔点为2040℃，切削速度可达200尺/分，甚至更高。

山东工业大学研制生产的SiCSiCw w/Al/Al2 2OO3 3复合材料刀具切削复合材料刀具切削镍基合金时，刀具。