陶瓷基复合材料讲稿.ppt

1 陶瓷基复合材料 雷芳电子信息材料系317室Tel 56385387E mail leif 2 主要内容1 1陶瓷基复合材料的种类及基本性能1 2陶瓷基复合材料的成型加工技术1 3陶瓷基复合材料的应用 二 陶瓷分类陶瓷按其概念和用途不同 可分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类 根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异 陶瓷制品可分为陶器和瓷器 陶器包括粗陶器 普陶器和细陶器 陶器的坯体结构较疏松 致密度较低 有一定吸水率 断口粗糙无光 没有半透明性 断面成面状或贝壳状 1 普通陶瓷普通陶瓷即传统陶瓷 是指以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎混练 成型 煅烧等过程而制成的各种制品 包括日用陶瓷 卫生陶瓷 建筑陶瓷 化工陶瓷 电瓷以及其它工业用陶瓷 普通陶瓷的原料 粘土 石英和长石 特点 坚硬而脆性较大 绝缘性和耐蚀性极好 制造工艺简单 成本低廉 用量大 普通日用陶瓷作日用器皿和瓷器 良好光泽度 透明度 热稳定性和机械强度较高 普通陶瓷的特点与应用 普通工业陶瓷有炻器和精陶 建筑卫生瓷 装饰板 卫生间装置及器具等 电工瓷 电器绝缘用瓷 也叫高压陶瓷化学化工瓷 化工 制药 食品等工业及实验室中的管道设备 耐蚀容器及实验器皿 2 特种陶瓷 本章讨论内容特种陶瓷是用于现代工业及尖端科学技术领域的陶瓷制品 包括结构陶瓷和功能陶瓷 结构陶瓷 用于耐磨损 高强度 耐高温 耐热冲击 硬质 高刚性 低膨胀 隔热等场所 功能陶瓷 包括电磁功能 光学功能 生物功能 核功能及其它功能的陶瓷材料 氧化物陶瓷 Al2O3 ZrO2 MgO等 碳化物陶瓷 SiC B4C WC等 氮化物陶瓷 Si3N4 TiN BN等 新型碳化物陶瓷 C3N4等 硼化物陶瓷 TiB2 ZrB2等 复合陶瓷 3Al2O3 2SiO2 莫来石 等 高温结构陶瓷 高熔点氧化物 碳化物 硼化物 氮化物 硅化物 例1 硼化物陶瓷 硼化铬 硼化钼 硼化钛 硼化钨和硼化锆 特点 高硬度 耐化学侵蚀 熔点1800 2500 应用 用于高温轴承 内燃机喷嘴 各种高温器件 处理熔融非铁金属的器件等 例2 氮化硅陶瓷 键能高而稳定的共价键晶体 特点 1 硬度高而摩擦系数低 有自润滑作用 是优良的耐磨减摩材料 2 氮化硅的耐热温度比氧化铝低 而抗氧化温度高于碳化物和硼化物 1200 以下具有较高的机械性能和化学稳定性 且热膨胀系数小 抗热冲击 用途 可做优良的高温结构材料 耐各种无机酸 氢氟酸除外 和碱溶液浸蚀 优良的耐腐蚀材料 例3 氧化铝陶瓷 Al2O3 少量SiO2 根据Al2O3含量可分为刚玉 莫来瓷 75瓷 wAl2O3 75 刚玉瓷 95瓷 99瓷 氧化铝常见的晶体结构有三种 Al2O3 Al2O3 Al2O3 Al2O3属于尖晶石型 立方 结构 高温时不稳定 在1600 转变为 Al2O3 同时体积收缩13 14 5 Al2O3属于六方系 稳定性好 在熔点2050 之前不发生晶型转变 1 高强度 高温稳定性 装饰瓷 喷嘴 火箭 导弹的导流罩 2 高硬度 高耐磨性 切削工具 模具 磨料 轴承 人造宝石 3 低的介电损耗 高电阻率 高绝缘性 火花塞 电路基板 管座 4 熔点高 抗腐蚀 耐火材料 坩埚 炉管 热电偶保护套等 5 离子导电性 太阳能电池材料和蓄电池材料等 6 生物相容性 还可用于制作人工骨骼和人造关节等 氧化铝陶瓷的性能与应用 例4 碳化硅陶瓷 以SiC为主要成分的陶瓷 特点 很高的高温强度 1400 时抗弯强度仍在500 600MPa 工作温度可达1700 好的热稳定性 抗蠕变性 耐磨性 耐蚀性 良好的导热性 耐辐射性 应用 制作火箭尾喷管喷嘴 浇注金属的浇道口 轴承 轴套 密封阀片 轧钢用导轮 内燃机器件 热电偶保护套管 炉管 核燃料包封材料等 五 现代陶瓷定义1 与传统陶瓷的区别现代陶瓷又称为精细陶瓷 1 原料许多是经过人工合成或者精制 不受天然条件的限制 2 突破传统陶瓷的化学成分限制 用多种金属氧化物 氮化物 碳化物 磷化物等 有时直接用金属原素和碳 硅等非金属原素 与传统陶瓷相比 现代陶瓷具备了一些特殊性能 热 机械 化学 电磁 光 定义 采用人工精制的无机粉末原料 通过结构设计 精确的化学计量 合适的成型方法和烧成制度而达到特定的功能 经过加工处理使之符合使用要求尺寸精度的无机非金属材料 2 现代陶瓷分类按电学性质 绝缘体陶瓷 介电陶瓷 半导体陶瓷 和导电陶瓷 按热学性质 耐高温陶瓷 电热陶瓷 3 现代陶瓷材料制备特点现代陶瓷制备过程中须严格控制原料的纯度和工艺过程以及产品的化学组成 相组成和显微结构 现代陶瓷在显微层次上是不均匀的 显微结构包括晶粒 晶界和缺陷等 为了获得某一特殊性质 多晶陶瓷材料可以某一成分为主成分 或主相 再人为地加入其他次要成分 或次要相 现代陶瓷制备主要过程 现代陶瓷的制备有两大特点 1 必须经过粉料合成 粉料的原料是高纯度的化学试剂 2 烧结的相态主要是固相或者只有固相 除烧结法外 也可由类似于晶体生长的方法制得 19 陶瓷基复合材料的种类及基本性能 现代陶瓷材料具有耐高温 耐磨损 耐腐蚀及重量轻等许多优良的性能 但是 陶瓷材料同时也具有致命的缺点 即脆性 这一弱点正是目前淘瓷材料的使用受到很大限制的主要原因 20 因此 陶瓷材料的韧性化问题便成了近年来陶瓷工作者们研究的一个重点问题 现在这方面的研究巳取得了初步进展 探索出了若干种韧化陶瓷的途径 21 其中 往陶陶瓷材料中加入起增韧作用的第二相而制成陶瓷基复合材料即是一种重要方法 22 1 1 1陶瓷基复合材料的基体与增强体 1 陶瓷基复合材料的基体陶瓷基复合材料的基体为陶瓷 这是一种包括范围很广的材料 属于无机化合物而不是单质 所以它的结构远比金属合金复杂得多 23 现代陶瓷材料的研究 最早是从对硅酸盐材料的研究开始的 随后又逐步扩大到了其他的无机非金属材料 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 24 2 陶瓷复合材料的增强体陶瓷基复合材料中的增强体 通常也称为增韧体 从几何尺寸上增强体可分为纤维 长 短纤维 晶须和颗粒三类 8 4陶瓷基复合材料成型方法 陶瓷基复合材料成型方法 传统混合和粘合液浸渍 化学合成技术 熔融浸润技术 化学反应形式 8 4 1热压烧结成型法 Hot PressedSintering 概念 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 设备 间歇式热压炉和连续式热压炉 模具材料 结构陶瓷 高强石墨 功能陶瓷 氮化硅 碳化硅或高温合金等材料 重要参数 热压温度 保温时间 压力 气氛和升降温速率 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 8 4 2热等静压烧结成型法 hotisostaticpressing HIP 概念 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 分类 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 29 1 1 2纤维增强陶瓷基复合材料在陶瓷材料中 加入第二相纤维制成复合材料是改善陶瓷材料韧性的重要手段 按纤维排布方式的不同 又可将其分为单向排布长纤维复合材料和多向排布纤维复合材料 30 1 单向排布长纤维复合材料单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料的显著特点是它具有各向异性 即沿纤维长度方向上的纵向性能要大大高于其横向性能 在实际构件中 主要是使用其纵向性能 31 在单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料中 当裂纹扩展遇到纤维时会受阻 这时 如果要使裂纹进一步扩展就必须提高外加应力 这一过程的示意图如下 32 裂纹垂直于纤维方向扩展示意图 33 当外加应力进一步提高时 由于基体与纤维间的界面离解 同时又由于纤维的强度高于基体的强度 从而使纤维从基体中拔出 当拔出的长度达到某一临界值时 会使纤维发生断裂 34 因此 裂纹的扩展必须克服由于纤维的加入而产生的拔出功和纤维断裂功 这样 使得材料的断裂更为困难 从而起到了增韧的作用 35 实际材料断裂过程中 纤维的断裂并非发生在同一裂纹平面 这样主裂纹还将沿纤维断裂位置的不同而发生裂纹转向 这也同样会使裂纹的扩展阻力增加 从而使韧性进一步提高 36 2 多向排布纤维增韧复合材料 单向排布纤维增韧陶瓷只是在纤维排列方向上的纵向性能较为优越 而其横向性能显著低于纵向性能 所以只适用于单轴应力的场合 37 而许多陶瓷构件则要求在二维及三维方向上均具有优良的性能 这就要进一步研究多向排布纤维增韧陶瓷基复合材料 38 1 二维多向排布纤维增韧复合材料 这种复合材料中 纤维的排布方式有两种 一种是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进行热压烧结成型 如下图所示 39 纤维布层压复合材料示意图 40 这种材料在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的性能较差 一般应用在对二维方向上有较高性能要求的构件上 41 另一种是纤维分层单向排布 层间纤维成一定角度 如下图所示 42 多层纤维按不同角度方向层压示意图 43 后一种复合材料可以根据构件的形状用纤维浸浆缠绕的方法做成所需要形状的壳层状构件 而前一种材料成型板状构件曲率不宜太大 44 这种二维多向纤维增韧陶瓷基复合材料的韧化机理与单向排布纤维复合材料是一样的 主要也是靠纤维的拔出与裂纹转向机制 使其韧性及强度比基体材料大幅度提高 45 3 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C C复合材料开始的 现已发展到三向石英 石英等陶瓷复合材料 46 下图为三向正交C C纤维编织结构示意图 它是按直角坐标将多束纤维分层交替编织而成 47 三向C C编织结构示意图 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 48 这种三维多向编织结构还可以通过调节纤维束的根数和股数 相邻束间的间距 织物的体积密度以及纤维的总体积分数等参数进行设计以满足性能要求 49 晶须和颗粒增强陶瓷基复合材料 长纤维增韧陶瓷基复合材料虽然性能优越 但它的制备工艺复杂 而且纤维在基体中不易分布均匀 因此 近年来又发展了短纤维 晶须及颗粒增韧陶瓷基复合材料 50 由于晶须的尺寸很小 从客观上看与粉末一样 因此在制备复合材料时 只需将晶须分散后与基体粉末混合均匀 然后对混好的粉末进行热压烧结 即可制得致密的晶须增韧陶瓷基复合材料 51 目前常用的是SiC Si3N4 Al2O3晶须 常用的基体则为Al2O3 ZrO2 SiO2 Si3N4及莫来石等 52 晶须增韧陶瓷基复合材料的性能与基体和晶须的选择 晶须的含量及分布等因素有关 下面两个图分别给出了ZrO2 2mol Y2O3 SiCw及A12O3 SiCw陶瓷复合材料的性能与SiCw含量之间的关系 53 ZrO2 Y2O3 复合材料的力学性能 54 Al2O3 SiCw复合材料的力学性能 55 从上面两个图中可以看出 两种材料的弹性模量 硬度及断裂韧性均随着SiCw含量的增加而提高 56 而弯曲强度的变化规律则是 对Al2O3基复合材料 随SiCw含量的增加单调上升 而对ZrO2基体 在10vol SiCw时出现峰值 随后又有所下降 但却始终高于基体 57 这可解释为由于SiCw含量高时造成热失配过大 同时使致密化困难而引起密度下降 从而使界面强度降低 导致了复合材料强度的下降 58 由图中可知 对A12O3基复合材料最佳的韧性和强度的配合可使断裂韧性KIC 1MPa M1 2 弯曲强度 f 600MPa ZrO2基复合材料的断裂韧性KIC 16MPa M1 2 弯曲强度 f 1400MPa 由此可见 SiCw对陶瓷材料同时具有增强和增韧的效果 59 从上面的讨论知道 由于晶须具有长径比 因此 当其含量较高时 因其桥架效应而使致密化变得因难 从而引起了密度的下降并导致性能的下降 60 为了克服这一弱点 可采用颗粒来代替晶须制成复合材料 这种复合材料在原料的混合均匀化及烧结致密化方面均比晶须增强陶瓷基复合材料要容易 61 当所用的颗粒为SiC TiC时 基体材料采用最多的是Al2O3 Si3N4 目前 这些复合材料已广泛用来制造刀具 62 右图显示了SiCp含量对SiCp A12O3复合材料性能的影响 从中可以看出 在5 SiCp时强度出现峰值 63 下图为SiCp含量对SiCp Si3N4复合材料性能的影响 从中可以看出 在SiCp含量为5 时强度及韧性达到了最高值 64 从上面的讨论可知 晶须与颗粒对陶瓷材料的增韧均有一定作用 且各有利弊 晶须的增强增韧效果好 但含量高时会使致密度下降 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 65 由此很容易想到 若将晶须与颗粒共同使用 则可取长补短 达到更好的效果 目前 已有了这方面的研究工作 如使用SiCw与ZrO2来共同增韧 用SiCw与SiCp来共同增韧等 66 下面两个图分别给出了Al2O3 ZrO2 Y2O3 SiCw复合材料的性能随SiCw及ZrO2 Y2O3 含量的变化情况 67 SiCw与ZrO2复合增韧Al2O3的硬度与弹性模量 Al2O3 20mol ZrO2 Y2O3 SiCw 68 Al2O3 20mol ZrO2 Y2O3 SiCw SiCw与ZrO2复合增韧Al2O3的强度与断裂韧性 69 SiCw与ZrO2复合增韧Al2O3的强度与断裂韧性 Al2O3 20mol SiCw ZrO2 Y2O3 70 可以看出 随着SiCw及ZrO2 Y2O3 含量的增加 其强度与韧性均呈上升趋势 在20 SiCw及30 ZrO2 Y2O3 时 复合材抖的 f达1200MPa KIC达10MPa M1 2以上 这比单独晶须韧化的Al2O3 SiCw复合材料的 f 634MPa KIC 1 5MPa M1 2有明显的提高 这充分体现了这种复合强化的效果 71 下表则给出了莫来石及其制得的复合材料的强度与韧性 很明显 由ZrO2 SiCw与莫来石制得的复合材料要比单独用SiCw与莫来石制得的复合材料的性能好得多 72 陶瓷基复合材料的界面和强韧化机理 73 1 界面的粘结形式对于陶瓷基复合材料来讲 界面的粘结形式主要有两种 A机械粘结B化学粘结 74 由于陶瓷基复合材料往往是在高温条件下制备 而且往往在高温环境中工作 因此增强体与陶瓷之间容易发生化学反应形成化学粘结的界面层或反应层 75 若基体与增强体之间不发生反应或控制它们之间发生反应 那么当从高温冷却下来时 陶瓷的收缩大于增强体 由于收缩而产生的径向压应力 r与界面剪应力 有关 76 r式中 是摩擦系数 一般为0 1 0 6 此外 基体在高温时呈现为液体 或粘性体 它也可渗入或浸入纤维表面的缝隙等缺陷处 冷却后形成机械结合 77 实际上 高温下原子的活性增大 原子的扩散速度较室温大的多 由于增强体与陶瓷基体的原子扩散 在界面上更易形成固溶体和化合物 78 此时 增强体与基体之间的界面是具有一定厚度的界面反应区 它与基体和增强体都能较好的结合 但通常是脆性的 例如Al2O3f SiO2系中会发生反应形成强的化学键结合 79 2 界面的作用对于陶瓷基复合材料来讲 界面粘结性能影响陶瓷基体和复合材料的断裂行为 对于陶瓷基复合材料的界面来说 一方面应强到足以传递轴向载荷 并具有高的横向强度 80 另一方面 陶瓷基复合材料的界面要弱到足以沿界面发生横向裂纹及裂纹偏转直到纤维的拔出 因此 陶瓷基复合材料界面要有一个最佳的界面强度 81 强的界面粘结往往导致脆性破坏 如下图 a 所示 裂纹可以在复合材料的任一部位形成 并迅速扩展至复合材料的横截面 导致平面断裂 82 平面断裂主要是由于纤维的弹性模量不是大大高于基体 因此在断裂过程中 强的界面结合不产生额外的能量消耗 83 若界面结合较弱 当基体中的裂纹扩展至纤维时 将导致界面脱粘 其后裂纹发生偏转 裂纹搭桥 纤维断裂以致最后纤维拔出 图b 84 裂纹的偏转 搭桥 断裂以致最后纤维拔出等 这些过程都要吸收能量 从而提高复合材料的断裂韧性 避免了突然的脆性失效 85 3 界面性能的改善为获得最佳的界面结合强度 我们常常希望完全避免界面间的化学反应或尽量降低界面间的化学反应程度和范围 86 在实际应用中 除选择纤维和基体在加工和使用期间能形成稳定的热力学界面外 最常用的方法就是在与基体复合之前 往增强材料表面上沉积一层薄的涂层 87 C和BN是最常用的涂层 此外还有SiC ZrO2和SnO2涂层 涂层的厚度通常在0 1 1um 涂层的选择取决于纤维 基体 加工和应用要求 88 纤维上的涂层除了可以改变复合材料界面结合强度外 对纤维还可起到保护作用 避免在加工和处理过程中造成纤维的机械损坏 89 下图为莫来石纤维增强玻璃基体复合材料的断裂行为差异 90 莫来石纤维上未涂BN涂层 莫来石纤维上涂有BN涂层 从图中可看出 若纤维未涂BN涂层 则复合材料的断面呈现为脆性的平面断裂 而经CVD沉积0 2um的BN涂层后 断面上可见到大量的纤维拔出 91 陶瓷基复合材料的强韧化机理界面的性质还直接影响了陶瓷基复合材料的强韧化机理 以晶须增强陶瓷基复合材料为例 来对其强韧化机理进行探讨 2颗粒增韧机制 第二相颗粒的引入可以改善陶瓷材料的力学性能 引入的第二相可以是金属颗粒 也可是无机非金属颗粒 影响第二相颗粒增韧效果的主要因素是基体与第二相颗粒的弹性模量和热膨胀系数之差以及两相之间的化学相容性 其中 化学相容性是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效果的前提条件 刚性颗粒弥散强化陶瓷增韧机理 93 裂纹分支 裂纹偏转和钉扎 颗粒弥散增韧与温度无关 因此可以作为高温增韧机制 颗粒弥散强化是一种有效的增韧途径 可使材料的断裂韧性提高50 以上 增韧机理受到刚性颗粒 陶瓷基体的自身特性 如弹性模量 热膨胀系数等 以及二者界面结合状态的影响 延性金属颗粒增韧机理 94 裂纹桥联机制 延性颗粒塑性变形区域屏蔽机制 金属颗粒拔出 裂纹偏转及裂纹陷入机理等 桥联机制是主要机制 即等裂纹前沿扩展到延性金属颗粒时 金属颗粒由于具有较大延性 将不发生破坏而产生塑性变形 因此扩展裂纹的上下表面在裂纹尖端后方一定距离内被未损伤的金属颗粒钉扎 桥联 由于桥联金属颗粒阻止了裂纹的进一步张开而减小了裂纹尖端的应力强度因子 从而达到增韧效果 95 晶须增强陶瓷基复合材料的强韧化机理与纤维增强陶瓷基复合材料大致相同 主要是靠晶须的拔出桥连与裂纹转向机制对强度和韧性的提高产生作用 96 研究结果表明 晶须的拔出长度存在一个临界值lpo 当晶须的某一端距主裂纹距离小于这一临界值时 则晶须从此端拔出 此时的拔出长度小于临界拔出长度lpo 97 如果晶须的两端到主裂纹的距离均大于临界拔出长度时 晶须在拔出过程中产生断裂 断裂长度仍小于临界拔出长度lpo 98 界面结合强度直接影响了复合材料的韧化机制与韧化效果 界面强度过高 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 99 但另一方面 界面强度的提高有利于载荷转移 因而提高了强化效果 界面强度过低 则使晶须的拔出功减小 这对韧化和强化都不利 因此界面强度存在一个最佳值 100 下图为SiCw ZrO2材料的载荷 位移曲线 从图中可以看出 有明显的锯齿效应 这是晶须拔出桥连机制作用的结果 101 陶瓷基复合材料的成型加工1 2 1纤维增强陶瓷基复合材料的加工 1 2 2晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工 102 纤维增强陶瓷基复合材料的性能取决于多种因素 如基体 纤维及二者之间的结合等 纤维增强陶瓷基复合材料的加工 103 从基体方面看 与气孔的尺寸及数量 裂纹的大小以及一些其它缺陷有关 从纤维方面来看 则与纤维中的杂质 纤维的氧化程度 损伤及其他固有缺陷有关 104 从基体与纤维的结合情况上看 则与界面及结合效果 纤维在基体中的取向 以及载体与纤维的热膨胀系数差有关 105 正因为有如此多的影响因素 所以在实际中针对不同的材料的制作方法也会不同 成型技术的不断研究与改进 正是为了能获得性能更为优良的材料 目前采用的纤维增强陶瓷基复合材料的成型主法主要有以下几种 106 1 泥浆烧铸法这种方法是在陶瓷泥浆中分散纤维 然后浇铸在石膏模型中 这种方法比较古老 不受制品形状的限制 但对提高产品性能的效果不显著 成本低 工艺简单 适合于短纤维增强陶瓷基复合材料的制作 107 2 热压烧结法将特长纤维切短 3mm 然后分散并与基体粉末混合 再用热压烧结的方法即可制得高性能的复合材料 这种方法中 纤维与基体之间的结合较好 是目前采用较多的方法 108 这种短纤维增强体在与基体粉末混合时取向是无序的 但在冷压成型及热压烧结的过程中 短纤维由于在基体压实与致密化过程中沿压力方向转动 所以导致了在最终制得的复合材料中 短纤维沿加压面而择优取向 这也就产生了材料性能上一定程度的各向异性 109 3 浸渍法这种方法适用于长纤维 首先把纤维编织成所需形状 然后用陶瓷泥浆浸渍 干燥后进行焙烧 110 浸渍法的优点是纤维取向可自由调节 如单向排布及多向排布等 浸渍法的缺点则是不能制造大尺寸的制品 而且所得制品的致密度较低 111 晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工与制备 晶须与颗粒的尺寸均很小 只是几何形状上有些区别 用它们进行增韧的陶瓷基复合材料的制造工艺是基本相同的 112 这种复合材料的制备工艺比长纤维复合材料简便得多 只需将晶须或颗粒分散后并与基体粉末混合均匀 再用热压烧结的方法即可制得高性能的复台材料 113 与陶瓷材料相似 晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的制造工艺也可大致分为以下几个步骤 这一过程看似简单 实则包含着相当复杂的内容 配料 成型 烧结 精加工 114 即使坯体由超细粉 微米级 原料组成 其产品质量也不易控制 所以随着现代科技对材料提出的要求的不断提高 这方面的研究还必需进一步深入 115 1 配料高性能的陶瓷基复合材料应具有均质 孔隙少的微观组织 为了得到这样品质的材料 必须首先严格挑选原料 116 把几种原料粉末混合配成坯料的方法可分为干法和湿法两种 现今新型陶瓷领域混合处理加工的微米级 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 117 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混合时 为防止原料的氧化则使用有机溶剂 118 原料混合时的装置一般为专用球磨机 为了防止球磨机运行过程中因球和内衬砖磨损下来而作为杂质混入原料中 最好采用与加工原料材质相同的陶瓷球和内衬 119 2 成型混好后的料浆在成型时有三种不同的情况 A经一次干燥制成粉末坯料后供给成型工序 B把结合剂添加于料浆中 不干燥坯料 保持浆状供给成型工序 C用压滤机将料浆状的粉脱水后成坯料供给成型工序 120 把上述的干燥粉料充入模型内 加压后即可成型 通常有金属模成型法和橡皮模成型法 金属模成型法具有装置简单 成型成本低廉的优点 仍它的加压方向是单向的 粉末与金属模壁的摩擦力大 粉末间传递压力不太均匀 故易造成烧成后的生坯变形或开裂 只能适用于形状比较简单的制件 121 采用橡皮模成型法是用静水压从各个方向均匀加压于橡皮模来成型 故不会发生生坯密度不均匀和具有方向性之类的问题 122 此方法虽不能做到完全均匀地加压 但仍适合于批量生产 由于在成型过程中毛坯与橡皮模接触而压成生坯 故难以制成精密形状 通常还要用刚玉对细节部分进行修整 123 另一种成型法为注射成型法 从成型过程上看 与塑料的注射成型过程相类似 但是在陶瓷中必须从生坯里将粘合剂除去并再烧结 这些工艺均较为复杂 因此也使这种方法具有很大的局限性 124 注浆成型法是具有十分悠久历史的陶瓷成型方法 它是将料浆浇入石膏模内 静置片刻 料浆中的水分被石膏模吸收 然后除去多余的料浆 将生坯和石膏模一起干燥 生坯干燥后保持一定的强度 并从石膏中取出 这种方法可成型壁薄且形状复杂的制品 125 还有一种成型法为挤压成型法 这种方法是把料浆放入压滤机内挤出水分 形成块状后 从安装各种挤形口的真空挤出成型机挤出成型的方法 它适用于断面形状简单的长条形坯件的成型 126 3 烧结从生坯中除去粘合剂组分后的陶瓷素坯烧固成致密制品的过程叫烧结 为了烧结 必需有专门的窑炉 窑炉的种类繁多 按其功能进行划分可分为间歇式和连续式 127 间歇式窑炉是放入窑炉内生坯的硬化 烧结 冷却及制品的取出等工序是间歇地进行的 间歇式窑炉不适合于大规模生产 但适合处理特殊大型制品或长尺寸制品的优点 且烧结条件灵活 筑炉价格也比较便宜 128 连续窑炉适合于大批量制品的烧结 由预热 烧结和冷却三个部分组成 129 把装生坯的窑车从窑的一端以一定时间间歇推进 窑车沿导轨前进 沿着窑内设定的温度分布经预热 烧结 冷却过程后 从窑的另一端取出成品 130 4 精加工由于高精度制品的需求不断增多 因此在烧结后的许多制品还需进行精加工 精加工的目的是为了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进行磨削加工 后者则用磨料进行研磨加工 131 金刚石砂轮依埋在金刚石磨粒之间的结合剂的种类不同有着其各自的特征 大致分为电沉积砂轮 金属结合剂砂轮 树脂结合剂砂轮等 132 电沉积砂轮的切削性能好但加工性能欠佳 金属粘合剂砂轮对加工面稍差的制品也较易加工 树脂结合剂砂轮则由于其强度低 耐热性差 适合于表面的精加工 133 因此 在实际磨削操作时 除选用砂轮外 还需确定砂轮的速度 切削量 给进量等各种磨削条件 才能获得好的结果 134 以上是陶瓷基复合材料制备工艺的几个主要步骤 但实际情况则是相当复杂的 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 135 陶瓷制品一旦烧结结束 发现产品的质量有问题时则为时已晚 而且 由于工艺路线很长 要查找原因十分困难 这就使得实际经验的积累变得越发重要 136 陶瓷的制备质量与其制备工艺有很大的关系 在实验室规模下能够稳定重复制造的材料 在扩大的生产规模下常常难于重现 137 在生产规模下可能重复再现的陶瓷材料 常常在原材料波动和工艺装备有所变化的条件下难于实现 这是陶瓷制备中的关键问题之一 138 先进淘瓷制品的一致性 则是它能否大规摸推广应用的最关键问题之一 现今的先进陶瓷制备技术可以做到成批地生产出性能很好的产品 但却不容易保证所有制品的品质一致 139 陶瓷基复合材料的应用陶瓷基复合材料在工业上的应用陶瓷材料具有耐高温 高强度 高硬度及耐腐蚀性好等特点 但其脆性大的弱点限制了它的广泛应用 140 随着现代高科技的迅猛发展 要求材料能在更高的温度下保持优良的综合性能 陶瓷基复合材料可较好地满足这一要求 它的最高使用温度主要取决于基体特性 其工作温度按下列基体材料依次提高 玻璃 玻璃陶瓷 氧化物陶瓷 非氧化物陶瓷 碳素材料 其最高工作温度可达1900 141 陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域包括 刀具 滑动构件 航空航天构件 发动机制件 能源构件等 142 在切削工具方面 SiCw增韧的细颗粒Al2O3陶瓷复合材料已成功用于工业生产制造切削刀具 下图为用热压法制备的SiCw Al2O3复合材料钻头 143 SiCw Al2O3复合材料钻头 144 由美国格林利夫公司