陶瓷基复合材料PPT演示课件

第七章 陶瓷基复合材料Ceramics Matrix Composites-CMC,7.1 陶瓷基复合材料的增韧机理 7.2 陶瓷基复合材料的制备工艺,陶瓷材料的优点高弹性模量高硬度低密度耐高温耐腐蚀陶瓷材料的缺点脆性：缺陷敏感、断裂韧性低低的抗热震和抗冲击拉伸强度较低,陶瓷基复合材料的特点金属和树脂基复合材料中Ef / Em远大于陶瓷基复合材料，增强体在陶瓷中承担载荷的贡献小陶瓷的断裂应变小于硼纤维、碳纤维和碳化硅纤维等，脆性大的基体先于纤维断裂,陶瓷复合的主要目的增韧,7.1 陶瓷复合材料的增韧机理,断裂力学理论表明：反映材料韧性本质的是裂纹扩展性质。固体中裂纹扩展的临界条件是弹性应变能释放率等于裂纹扩展单位面积所需的断裂能。凡是影响这一平衡的因素均可改变材料的强度和韧性。,7.1.1 颗粒增强陶瓷的增韧机制,热膨胀系数的失配在第二相颗粒及周围基体内部产生残余应力场是陶瓷得到增韧的主要根源。,（1）热膨胀系数的失配增韧,R,r,球形粒子,无限大基体中球形粒子引起的残余应力,r = F(r/R) 3, = -0.5F(r/R) 3,裂纹在材料中的扩展路径（a：p m；b、c：p m）,当热膨胀系数p m时，裂纹在基体中发展，增加了裂纹扩展路径，因而增加了裂纹扩展的阻力,当p m时，若颗粒在某一裂纹面内，则裂纹向颗粒扩展时将首先直接达到界面。此时如果外力不再增加，则裂纹就在此钉扎，这就是裂纹钉扎增韧机理的本质。,若外应力进一步增大，裂纹可能穿过颗粒发生穿晶断裂,或绕过颗粒，沿界面扩展，裂纹发生偏转,（2）裂纹偏转和裂纹桥联,裂纹偏转-桥联机理(脆性粒子),裂纹偏转:指裂纹扩展过程中当裂纹遇上偏转元（如增强相、界面等）时所发生的倾斜和偏转。 裂纹桥联:发生在裂纹尖端，靠桥联元（剂）连接裂纹的两个表面并提供一个使裂纹面相互靠近的应力，即闭合应力，这样导致强度因子随裂纹扩展而增加。裂纹桥联可能穿晶破坏，也有可能出现互锁现象。,（3）延性颗粒增韧,在脆性陶瓷基体中加入第二相延性颗粒能明显提高材料的断裂韧性。其增韧机理包括由于裂纹尖端形成的塑性变形区导致裂纹尖端屏蔽以及由延性颗粒形成的延性裂纹桥。当基体与延性颗粒的和E值相近时，利用延性裂纹桥可达最佳增韧效果。,延性颗粒裂纹桥联模型,当将氧化锆颗粒加入其它陶瓷基体中时，氧化锆的相变使陶瓷的韧性增加。 单斜相(m) ZrO2，1170C 四方相(t ) ZrO2；2370C 立方相ZrO2。 t-m转变具有马氏体的特征，伴随有3-5%的体积膨胀。这一相变温度正处在室温与烧结温度之间，对材料的韧性和强度有很大影响。 ZrO2发生t-m相变时体积膨胀，增加了材料的韧性。,（4）相变增韧, 氧化锆中四方相向单斜相的转变可通过应力诱发产生。当受到外力作用时，这种相变将吸收能量而使裂纹尖端的应力场松弛，增加裂纹扩展阻力，从而大幅度提高陶瓷材料的韧性。,部分稳定氧化锆组织,7.1.2 纤维（晶须）增强陶瓷的增韧机制,晶须有石墨、碳化硅、氮化硅和氧化铝等纤维多为多晶或非晶材料，如玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、氧化铝纤维和碳化硅纤维等。 纤维和晶须里面的缺陷和微裂纹很少，所以力学性能要优于块状材料，尤其是晶须的强度，接近理论强度。,7.1.2 纤维（晶须）增强陶瓷复合材料,纤维（晶须）增强陶瓷基复合材料增韧机理,（1）裂纹弯曲和偏转,裂纹弯曲韧化机理,在扩展裂纹尖端应力场中的增强体会导致裂纹发生弯曲（如上图），从而干扰应力场，导致基体的应力强度降低，起到阻碍裂纹扩展的作用。随着增强体长径比和体积比增加，裂纹弯曲增韧效果增加。,裂纹偏转增韧原理 a：裂纹倾斜偏转；b：裂纹扭转偏转； c：增强剂长径比对裂纹 扭转偏转的影响。,（1）裂纹弯曲和偏转,由于纤维周围的应力场，基体中的裂纹一般难以穿过纤维，而仍按原来的扩展方向继续扩展。相对来讲，它更易绕过纤维并尽量贴近纤维表面扩展，即裂纹偏转。裂纹偏转可绕着增强体倾斜发生偏转或扭转偏转（如上图a、b）。偏转后裂纹受的拉应力往往低于偏转前的裂纹受的拉应力，而且裂纹的扩展路径增长，裂纹扩展中需消耗更多的能量因而起到增韧作用。,（1）裂纹弯曲和偏转,（2）脱粘,复合材料在纤维脱粘后产生了新的表面，因此需要能量。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。,（3）纤维拔出（Pull out）,纤维拔出是指靠近裂纹尖端的纤维在外应力作用下沿着它和基体的界面滑出的现象。纤维首先脱粘才能拔出。纤维拔出会使裂纹尖端应力松弛，从而减缓了裂纹的扩展。纤维拔出需外力做功，因此起到增韧作用。纤维拔出需做的功Qp等于拔出纤维时克服的阻力乘以纤维拔出的距离：,（3）纤维拔出（Pull out）,Q p= 平均力 距离 = d l 2 / 2 。当纤维发生断裂，此时纤维的最大长度为l c / 2 ，拔出每根纤维所做的最大功为：Q p= d l c2 / 8 = d2 fu l c / 16， Qp/ Qp=3 Ef / fu。因Ef fu，所以纤维拔出能总大于纤维脱粘能，纤维拔出的增韧效果要比纤维脱粘更强。因此，纤维拔出是更重要的增韧机理。,纤维拔出示意图,（4）纤维桥接（Fiber Bridge）,纤维搭桥,对于特定位向和分布的纤维，裂纹很难偏转，只能沿着原来的扩展方向继续扩展。这时紧靠裂纹尖端处的纤维并未断裂，而是在裂纹两岸搭起小桥（如上图），使两岸连在一起。这会在裂纹表面产生一个压应力，以抵消外加应力的作用，从而使裂纹难以进一步扩展，起到增韧作用。,（4）纤维桥接（Fiber Bridge）,连续长纤维增强陶瓷复合材料的韧性、强度和模量都有不同程度增强，但制备工艺复杂，不容易均匀分布。短纤维（晶须）增强复合材料可以明显改善韧性，但强度提高不够显著。晶须具有长径比，当其含量较高时，因其桥架效应而使致密化变得因难，引起了密度的下降并导致性能的下降。复合材料的性能与基体的气孔率、界面结合有很大的关系,7.2 陶瓷基复合材料的制备,陶瓷基复合材料的制造分为两个步骤：第一步是将增强材料掺入未固结(或粉末状)的基体材料中，排列整齐或混合均匀；第二步是运用各种加工条件在尽量不破坏增强材料和基体性能的前提下，制成复合材料制品。,浆体法（湿态法) 冷压和烧结法（粉末冶金法） 热压烧结法 热等静压烧结成型 熔融渗透法 CVD、CVI法 溶胶-凝胶（Sol-Gel）法 先驱体热解(Pyrolysis)法 其他方法,具体的制备工艺,7.3.1 浆体法（湿态法）（Slurry sintering）,浆体法制备陶瓷基复合材料示意图,7.3.1 浆体法（湿态法）（Slurry sintering）,7.3.2 冷压和烧结法（Cold-Pressed Sintering）,传统的陶瓷生产工艺，是将粉末和纤维冷压，然后烧结。也可以在一定的条件下将陶瓷粉体和有机载体混合后，压制成型，除去有机黏结剂，然后烧结成制品。 在冷压和烧结法的生产过程中，通常会遇到烧结过程中制品收缩，同时最终产品中有许多裂纹的问题。在用纤维和晶须增强陶瓷基材料进行烧结时，除了会遇到陶瓷基收缩的问题外，还会使烧结材料在烧结和冷却时产生缺陷或内应力。,原理：热压烧结成型是使松散的或成型的陶瓷基复合材料混合物在高温下通过外加压力使其致密化的成型方法。加压方法为纵向(单轴)加压。热压时导致复合材料致密化的可能机制是基体颗粒重排、晶格扩散和包括粘滞变形的塑性流动。主要包括以下两个步骤：增强相渗入没有固化的基体中；固化的复合材料被热压成型。,7.3.2 热压烧结法（Hot-Pressed Sintering）, 特点,与无压烧结相比，能降低烧结温度，缩短保温时间，使基体晶粒较细能获得高致密度、高性能复合材料材料性能重复性好，使用可靠，控制热压模具尺寸精度能减少复合材料加工余量,缺点：只能制造形状简单的零件；模具消耗大，一次只能单件或少件烧结，成本较高；由于热压压力方向性，材料性能有方向性.,7.3.2 热压烧结法（Hot-Pressed Sintering）,7.3.3 热等静压烧结成型(hot isostatic pressing ,HIP),原理：热等静压烧结成型是通过气体介质将高温和高压同时均匀地作用于复合材料全部表面使之固结的工艺方法。此工艺获得的陶瓷基复合材料可基本消除内部气孔，接近理论密度，大大改善制品性能。,工艺：,包封烧结：一般以石英玻璃或硼玻璃、耐高温金属为包封材料。包封前抽真空加热，排除内部空气，再升温加压,无包封烧结：先将粉料成型和预烧封孔，使坯料成为基本无开口气孔的烧结体，然后再实施热等静压烧结,特点:,热等静压主要以均匀外加应力，而不是自由能变化为烧结驱动力，可以在较低的烧结温度，使用少量添加剂甚至不使用添加剂的条件下获得致密件 低温可防止第二相分解，及与基体或烧结助剂发生反应，可制备性能优异的陶瓷基复合材料 与无压烧结相比，可降低烧结温度、缩短烧结时间，其致密化程度大大提高 与热压烧结相比，由于热等静压是均匀地将压力作用于材料各个表面，进而材料各向同性。,7.3.3 热等静压烧结成型(hot isostatic pressing ,HIP),7.3.4 料浆浸渍热压成型法(impregnation-hot pressing ),原理：将纤维置于制备好的陶瓷粉体浆料(通常用蒸馏水加陶瓷粉体加粘结剂经搅拌或球磨制成)里，使纤维周围都黏附一层浆料，然后将含有浆料的纤维排布成一定结构的坯体，经干燥、排胶，热压烧结为产品。,工艺过程：纤维从卷筒放出浸入盛放料浆的容器将黏附浆料的纤维引导到绕丝机卷杆上开动绕丝机进行缠绕。纤维的缠绕走向按需要可垂直于卷杆；也可与卷杆成一定角度；还可以缠绕几层后铺一层与卷杆平行浸过浆料的纤维，交错进行。,缠绕时需要调节绕丝机的转速，使纤维与基体有恰当的比例；纤维束数量不能太多，以防一部分纤维不能被浆料浸渍。如要求纤维单向排列、正交排列或交叉排列，将浸渍过浆料的纤维一层一层堆积即可。纤维毡编织的纤维框架(多维方向排列)、短纤维和分散晶须都可以用料浆浸渍。,优点：不损伤增强体，不需要成型模具，能制造大型零件，工艺较简单。缺点：增强体与基体比例难以精确控制，增强体在基体中分布不太均匀。,特点,7.3.4 料浆浸渍热压成型法(impregnation-hot pressing ),纤维,浸渍浆料,纤维缠绕在辊筒上,纤维裁剪铺层,压力,纤维/玻璃陶瓷复合材料,热压，800925 ,脱黏结剂， 500,热压纤维增强玻璃陶瓷基复合材料的工艺路线,原理：在预制的增强材料坯件中使基体材料以液态的形式渗透制成复合材料。陶瓷熔体可通过毛细作用渗入增强剂预制体的孔隙 。施加压力或抽真空将有利于浸渍过程。 特点： 由于熔融的陶瓷具有较高的黏度，通过对增强材料的表面处理，来提高其浸渍性，加压和抽真空这两种物理方法也可以被用来提高渗透性。优点是制造工艺简单，制品均匀。,7.3.5 熔融渗透法,7.3.5 熔融渗透法,熔融渗透法制备陶瓷基复合材料示意图,7.3.6 CVD法,原理：CVD法就是利用化学气相沉积技术，通过一些反应性混合气体在高温状态下反应， 在颗粒、纤维、晶须以及其它具有开口气孔的增强骨架上沉积所需陶瓷基质制备陶瓷基复合材料的方法。,工艺：先将增强颗粒、纤维或晶须做成所需形状的预成型体，保持开口气孔率在2545将预成型体置于对应沉积温度下，通入源气利用源气扩散作用或使其穿过预成型体源气在沉积温度下热解或反应生成所需陶瓷基质沉积在预成型体上当沉积下来的基质逐步填满开口气孔后，各工艺过程结束,原理：是采用胶体化学原理制备陶瓷基复合材料的工艺方法。将含有多种组分的溶液，通过物理或化学的方法，使分子或离子成核制成溶胶，在一定条件下，再经凝胶化处理，获得多组分的复合相凝胶体，经烧结后可获得所需组分的陶瓷基复合材料。反应温度要低于传统工艺中的熔融和烧结温度，,7.3.7 溶胶-凝胶（Sol-Gel）法,Sol Gel法制备SiO2陶瓷原理如下： Si(OR)4 + 4H2O Si(OH)4+ 4ROH Si(OH)4 SiO2 + 2H2O 使用这种方法，可将各种增强剂加入基体溶胶中搅拌均匀，当基体溶胶形成凝胶后，这些增强组元稳定、均匀分布在基体中，经过干燥或一定温度热处理，然后压制烧结形成相应的复合材料。,7.3.7 溶胶-凝胶（Sol-Gel）法,溶胶 凝胶法制备陶瓷基复合材料示意图,溶胶 凝胶法制备纤维陶瓷基复合材料示意图,特点与应用：,溶胶凝胶法不仅使各组分能高纯、超细、均相地分子级或包裹式复合，而且所得陶瓷材料性能良好。该法缺点是工艺过程比较复杂，不适合于非氧化物陶瓷基复合材料制备 广泛应用于颗粒、基质相、颗粒纤维基质相等陶瓷材料制备,7.3.7 溶胶-凝胶（Sol-Gel）法,使聚合物先驱体热解形成陶瓷基复合材料的方法。原理：是通过对高聚物先驱体(通常是有机硅高聚物先驱体)进行热解，直接获取块状体陶瓷材料的工艺方法。除单相陶瓷材料外，应用该方法还可以获得粒子弥散复相陶瓷和纤维补强陶瓷基复合材料。 如由聚碳硅烷生产SiC陶瓷基复合材料，陶瓷产量高、收低率缩、好的机械性能，同时聚合物本身容易制备。可用来生产SiCf/S