郑州大学复合材料学第四章.ppt

Chapter 5:Ceramic Matrix Composite (CMC),Chapter4:Ceramic Matrix Composite,陶瓷材料性能特征,强度高、耐磨性好、硬度高耐腐蚀性好,脆性大，耐热震性能差，而且陶瓷材料对裂纹、气孔和夹杂等细微的缺陷很敏感。,陶瓷基复合材料,对陶瓷材料增韧,1 颗粒、晶须增韧复合材料 2 纤维增韧复合材料 3 相变增韧复合材料 4 仿生结构复合材料,陶瓷基复合材料,(1)层状复合材料 (2)纤维独石复合材料 (3)木头陶瓷,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,目前部分实际应用的陶瓷复合材料,SiC-玻璃陶瓷：人工假体材料 ZrO2, Al2O3：抗热震材料 C-C：火箭构件，人工假体材料 SiC-SiC：特殊发动机构件； SiC晶须-Al2O3:切削工具 Si3N4复相陶瓷刀具,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,陶瓷基复合材料的制备成形,颗粒材料的成形与预烧结,混合（加成形剂） 成形 烧结,成形的方法,模压 等静压 注射成形 凝胶注模成形 轧制 挤压 松装烧结,预 烧 结,维持形状 具有一定的强度,Principle and Mechanism,Lanxide工艺 80年代中期，美国Lanxide公司发明的一种CMC新工艺。将熔融的金属直接氧化，生成以反应固体产物(氧化物、氮化物、硼化物等)为骨架基体，并含有5-30%三维连续金属的复合材料。,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,CVD 利用源气在高温条件下的分解或气相反应，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的陶瓷基质的方法。 CVI CVD方法的改进。预成型体一侧处于高温区，而另一侧被水冷保持较低的温度。源气从低温侧进入，到达高温区一侧后发生热分解或化学反应，沉积出所需的陶瓷基质。在源气的入口处保持较高的压力，出口处保持低压，更有利于源气穿过增强骨架，获得高致密度的陶瓷复合材料。,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,Chapter4:Ceramic Matrix Composite, SHS(Self-propagating high-Temperature Synthesis) 能产生放热反应的反应物经外加能源点火而开始反应，放出热量，使固体反应物加热升温，从而使反应能自发维持，并形成燃烧波向前传播的CMC制备方法。 Sol-gel 将无机或金属有机化合物相继形成溶液、溶胶、凝胶而固化，然后经干燥和热处理而制备CMC的方法。 Polymer precursors 以有机金属聚合物为先驱体，成型后使高分子聚合物发生热解反应转化为无机质，然后再经高温烧结制备陶瓷基复合材料的方法。,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,SHS法制备复合材料代表性的例,(1). 氮化硅基陶瓷刀具系列化,Si3N4,Glass,利用Si3N4陶瓷共价键、长柱状晶粒和低膨胀系数的特点，探索用热压氮化硅陶瓷作为金属切削刀具取得成功。,著名材料科学家Katz在Science介绍了我们的成果,Work on hot-pressed Si3N4 in the Peoples Republic of China (38) and on SiAlON in Britain(39) has shown that these materials give good performance as tool bits in machining selected materials,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,著名材料科学家Katz在世界陶瓷大会上对清华大学氮化硅陶瓷刀具研究工作的评价,Work in the late 1970s by Ho-Cho and et al , in the Peoples Republic of China, on the applications of HPSN cutting tools showed very promising results18,. Basically, in tool-wear tests on the cutting of chilled cast iron, molybdenum, pyrolytic graphite and fiber-reinforced plastics, they observed that HPSN had a life several times longer than that of conventional cutting tools. They also observed that HSPN was suitable for face-milling operations against hardened alloy steels.,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,Si3N4TiC(TiCN),Si3N4(HV1600),利用硬质颗粒弥散强化、单相固溶体、玻璃相结晶化原理，研制成功复合Si3N4陶瓷刀具,Si3N4刀具、复合Si3N4刀具与其它刀具的使用寿命对比,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,在加工CrWMn淬硬钢时(HRC58-62) 复合 Si3N4刀具的后刀面磨损值与弥散相含量的关系,硬质相颗粒弥散，退火实现玻璃相结晶化,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,Si3N4粉制备,磨细混料,干燥,喷雾造粒,干压、等静压成型,热压烧结,热等静压烧结,加工,刀具成品,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,Si3N4陶瓷刀具,Si3N4镗刀对上海大众发动机灰铸铁缸体镗孔，V=728m/min, a=3mm, f=0.75mm/rev,上海大众应用证明,上海大众,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,用热等静压法生产的复杂形状精密Si3N4陶瓷刀具加工刹车盘 德国SPK加工280件 清华方大加工400件，价格为其1/2,Si3N4刀具对铸铁刹车毂进行切槽加工，工件材质：HT250, HB180240 n=500rev/min, a=8.5mm, f=0.14mm/rev,天津夏利,河南汽车制动器厂,Si3N4陶瓷刀具,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,复合Si3N4陶瓷刀具,传统工艺：铸造退火软化粗加工淬火硬化精加工,新 工 艺： 铸造粗、精加工,石家庄水泵厂：对Cr15Mo3，Cr27超硬铸铁渣浆泵进行拨荒粗加工，免去退火工艺，一年节省上百万度电；直接机加工时间，也由48小时减少至8小时。,加工超硬铸铁渣浆泵,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,复合Si3N4陶瓷刀具,邢台轧辊厂采用复合Si3N4刀具加工冷硬铸铁轧辊，由于切除率从37cm3/min提高到270cm3/min，年增产量0.8万吨/年(1.72.5万吨/年)，折合年增创产值四千万元。 武钢车一根1吨重的轧辊，消耗Si3N4刀具一片20元，节省刀具费用88元，节省工时费460元,加工冷硬铸铁轧辊,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,复合Si3N4刀具,广东有色院耐磨材料厂加工矿山机械，效率提高510倍，在不增加厂房、设备、电力等条件下，年销售额从几百万增至五千余万元。,加工矿山机械,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,(2). TiCN-Si3N4/Al2O3金属陶瓷刀具系列,Mo, Ni,TiC 0.5 N 0.5,(Mo,Ti)Si2(Ni,Ti)Si2,TiCxN 1-x,HV=1700,HV=2200,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,两种陶瓷刀具的应用特点,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,加工淬硬钢轧辊（宝钢） 加工滚珠丝杠（台湾上银科技股份有限公司） 加工淬硬轴承钢（瓦轴，洛轴） 加工高硬度高强度炮弹钢（724厂） 加工齿轮(常州齿轮厂),复合金属陶瓷刀具已在百余家企业应用,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,以车代磨，加工时间从7小时降至2.5小时，节省加工成本75。 单班产量相应提高。,复合金属陶瓷刀具加工超硬钢轧辊,工件材料：86CrMoV7 HRC63，切削用量：V=6080m/min, a=0.81.5mm; f=0.30.5mm/rev，L=15000m,德国精密磨床 磨加工,清华刀具 车加工,上海宝钢,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,复合金属陶瓷刀具加工炮弹,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,炮弹加工现场录像,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,新型陶瓷刀具的应用,对HRC63的超硬铸铁渣浆泵进行粗精加工，免除退火工艺,对HRC55合金耐磨铸铁水泵叶轮进行断续粗加工,对高碳高铬铸铁和高锰钢颚式破碎机的颚板进行刨削,对HRC63的淬硬钢轧辊进行“以车代磨”,对HRC60硬镍铸铁磨煤机的磨环进行断续切削,对HRC62超硬铸铁渣浆泵护板肋条进行断续粗精加工,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,工业泵,冶金,矿山机械,轴承,石化,军工,电力,航空,清华陶瓷刀具,超硬泵多数采用， 典型效益：百万度电,典型效益：4千万/年,典型效益：5千万/年,加工炮钢， 典型效益：几百发/天,车缸套，效率提高3-4倍,加工硬镍铸铁磨煤机磨环,加工高温合金，效率提高5-10倍钢,瓦轴，洛轴，以车代磨，效率提高4-5倍,粮食机械,加工粮食磨辊，效率提高4-6倍,汽车,加工刹车盘、连杆、缸体和离合器,给国家的回报：使各行各业获得的经济效益,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,其它基体材料,采用高压的溶胶-凝胶技术已制备出碳纤维增强的氧化铝与碳纤维增强的氧化铝。 采用Si-Si3N4或Si-Si3N4-ZrO2浆液以及SiC纤维，并在较低温度下氮化(1300 C)，得到具有明显纤维拔出的韧性复合材料。 反应烧结纤维增强的陶瓷复合材料，以及通过渗透聚合物先驱体来制备材料，可以认为是与化学气相沉积或热等静压法相比，生产低成本高强度的陶瓷基复合材料的方法。,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,功能梯度复合材料,功能梯度复合材料FGM 通过精心设计和特殊手段，使金属与陶瓷的复合组分、结构能连续地变化，由金属侧过渡到陶瓷侧形成一种物性参数也连续变化的复合材料。这种复合材料一侧由陶瓷赋予耐热性，另一侧金属赋予其机械强度及热传导性，并且二侧之间的连续过渡能使温度梯度所产生的热应力得到充分缓和。 从陶瓷到金属，成份渐变所组成的复合材料。这种连续变化构成了材料性能的梯度变化。材料必须抗表面氧化，在冷的表面层保持韧性，必须经得起热梯度的变化。例如：一个三维的碳-碳复合材料掺入SiC-C功能复合材料涂层，具有由SiC到C的成份梯度，显示出比未涂层材料较好的抗热冲击性能。,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,简述功能梯度复合材料的制备工艺。 CVD, PVD, PVD+CVD, 颗粒梯度排列法，SHS CVD: 通过选择合成温度，调节气流量和控制压力，利用源气在高温条件下的分解或气相反应，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的陶瓷基质的方法。 PVD: 通过物理的方法使源物质蒸发，在基体材料上成膜的一种制备材料的方法。 CVDPVD 颗粒梯度排列法 颗粒填充法：成型时使颗粒呈梯度分布，再进行热压烧结。金属颗粒中间过渡层陶瓷颗粒； 薄膜叠层法,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,4 仿生结构陶瓷基复合材料,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,(1) 层状复合材料,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,层状复合材料-实例1,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,* 仿生结构的设计思想,简单组成、复杂结构,引入弱界面层， 使裂纹在弱界面层中反复偏折，消耗大量能量,非均质设计、精细结构,已进行的研究：,Si3N4/BN、,SiC/C、,SiC/BN,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,（2） 纤维独石复合材料,1990 Clegg提出并制备出层状材料,基本性能,增韧机制,裂纹扩展路径,强度：600MPa 断裂功：4KJ/m2 断裂韧性：20MPam1/2,裂纹偏转、桥接、摩擦滑移等,* 纤维独石材料基本性能：,1993 Baskaran提出并原位合成了纤维独石材料,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,Si3N4/BN 复合材料不同界面相成分的界面韧性值,1 随着Al2O3 添加量的增加，界面韧性值呈增大的趋势，表明界面结合力也随着增加。,2 当界面成分为纯的Al2O3 时，裂纹不能发生偏转，直接越过界面使基体诱发贯穿裂纹产生脆性断裂。,3 为了提高增韧的效果，同时不使材料的强度降低太多，选择BN+36Vol%Al2O3作为Si3N4/BN复合材料的优化界面组成。,Chapter4:Ceramic Matrix Composite,* Si3N4/BN纤维独石材料的制备工艺,Si3N4+Y2O3+Al2O3,球磨混合,干燥过筛,轧膜混料,粘结剂+润滑剂+增塑剂,涂层材料球磨,配制悬浮液,挤制纤维坯体,悬丝干燥,涂层干燥,排布纤维,干压预成型纤维独石坯体