陶瓷基复合材料标准论文.doc

张峰 Z09016133陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料概述： 陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。 陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品。其最高使用温度主要取决于基体特征。陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意的使用效果。 陶瓷基复合材料制造工艺1 粉末冶金法 工艺流程：原料（陶瓷粉末、增强剂、粘结剂和助烧剂）均匀混合（球磨、超声等）冷压成形 （热压）烧结 适用于颗粒、晶须和短纤维 增韧陶瓷基复合材料 2浆体法（湿态法） 为了克服粉末冶金法中各组元混合不均的问题，可采用浆体（湿态）法制备颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料。 其混合体为浆体形式。混合体中各组元保持散凝状。即在浆体中呈弥散分散采用浆体浸渍法也可制备连续纤维增韧陶瓷基复合材料3反应烧结法 用此方法制备陶瓷基复合材料，除基体材料几乎无收缩外，还具有以下优（1）增强剂的体积比可以相当大；（2）可用多种连续纤维预制体；（3）大多数陶瓷基复合材料的反应烧结温度低于陶瓷的烧结温度，因此可避免纤维的损伤。 此方法最大的缺点是高气孔率难以避免。4、液态浸渍法用此方法制备陶瓷基复合材料，化学反应熔体粘度、熔体对增强材料的浸润性是首要考虑的问题，这些因素直接影响着材料的性能。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。假如预制体 中的孔隙呈一束束有规则间隔的平行通道，则可用Poisseuiue方程计算出浸渍高度h： h = （r t cos）/ 2 式中r 是圆柱型孔隙管道半径；t 是时间；是浸渍剂的表面能；是接触角； 是粘度。5、 直接氧化法 按部件形状制备增强体预制体，将隔板放在其表面上以阻止基体材料的生长。 熔化的金属在氧气的作用下发生直接氧化反应形成所需的反应产物。由于在氧化产物中的空隙管道的液吸作用 ，熔化金属会连续不断地供给到生长前沿。Al + 空气 Al2O3Al + 氮气 AlN 6、 溶胶 凝胶（Sol Gel）法 溶胶凝胶法也可以采用浆体浸渍法制备增强相预制体。溶胶 凝胶法的优点是基体成分容易控制，复合材料的均匀性好，加工温度较低。其缺点是所制的复合材料收缩率大,导致基体经常发生开裂。7、 化学气相浸渍（CVI）法 用CVI法可制备硅化物、碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等陶瓷基复合材料。由于制备温度比较低，不需外加压力。因此材料内部残余应力小，纤维几乎不受损伤。如可在8001200C制备SiC陶瓷。其缺点是生长周期长、效率低、成本高、材料的致密度低等。 8、 其它方法1）聚合物先驱体热解法 以高分子聚合物为先驱体成型后使高分子先驱体发生热解反应转化为无机物质，然后再经高温烧结制备成陶瓷基复合材料。此方法可精确控制产品的化学组成、纯度以及形状。最常用的高聚物是有机硅（聚碳硅烷等）。制备增强剂预制体、浸渍聚合物先驱体、热解 再浸渍、再热解 陶瓷粉+聚合物先驱体、均匀混合、模压成型、热解 陶瓷基复合材料的性能1、室温力学性能1）拉伸强度和弹性模量 对陶瓷基复合材料来说陶瓷基体的失效应变低于纤维的失效应变，因此最初的失效往往是基体中晶体缺陷引起的开裂。如图10-11所示，材料的拉伸失效有两种：第一：突然失效。如纤维强度较低，界面结合强度高，基体较裂纹穿过纤维扩展，导致突然失效。 第二：如果纤维较强，界面结合较弱，基体裂纹沿着纤维扩展。纤维失效前纤维/基体界面在基体的裂纹尖端和尾部脱粘。因此，基体开裂并不导致突然失效，材料的最终失效应变大于基体的失效应变。 2） 断裂韧性 纤维拔出与裂纹偏转是复合材料韧性提高的主要机制。纤维含量增加，阻止裂纹扩展的势垒增加，断裂韧性增加。但当纤维含量超过一定量时，纤维局部分布不均，相对密度降低，气孔率增加，其抗弯强度反而降低。2、 高温力学性能1）强度室温下，复合材料的抗弯强度比基体材料高约10倍，弹性模量提高约2倍。复合材料的抗弯强度至700保持不变，然后强度随温度升高而急剧增加；但弹性模量却随着温度升高从室温的137GPa降到850的80 GPa。这一变化显然与材料中残余玻璃相随温度升高的变化相关。 陶瓷基复合材料的应用1 在食品工业用作罐头盒接缝滚子。 罐头盒穿孔器。柱塞。耐磨密封垫赤铁矿选矿工艺真空轴套。悬垂轴承和单向阀门；2 在纺织工业用作导丝器。主要是由于稳定ZrO2在高温下具有导电性给料机水泥磨。可消除丝线与导丝器的静电。而且材料烧成后不需要加工表面即很光洁并耐高温；在陶瓷工业中。ZrO2用途很广。但主要用于分散体。研磨介质。窑具锤式破碎机节能球磨机。粉磨机用的偏心轮盘等；在电子陶瓷领域多用作电绝缘耐热陶瓷基片；在冶金工业。利用稳定剂与ZrO2形成固溶体产生氧空位。可制备Mg-PSZ或Y-PSZ为基的氧敏探头对辊机。检测钢水中的Si、O等杂质的含量；在TZP或PSZ中复合适宜的A12O3可制备耐1600的高温泡沫陶瓷过滤器。是目前使用温度最高的一类过滤金属熔体的材料。在军事方面的应用：GE公司将把陶瓷基复合材料应用于涡轮转子叶片 据英国飞行国际近日报道，通用电气公司(GE)于11月10日在F414改进型发动机上进行了陶瓷基复合材料(CMC)涡轮转子叶片的关键性试验，这是公司第一次在工作发动机中试验CMC材料。在GE公司将CMC材料应用于F136发动机静子部件之前，CMC材料已经广泛应用于航空航天领域。但最近的F414试验标志着CMC材料第一次应用于发动机旋转部件。虽然作为GE公司技术路线图的一部分，但该试验由美国海军特遣部队支持。在转子叶片方面，CMC材料在下一代宽体客机发动机上的应用更具吸引力，例如波音777的动力GE90发动机的替代产品。应用CMC最关键的收益在于重量的降低，不仅材料本身比金属合金材料轻同时也能减少冷却系统的重量。GE估计在GE90级别的发动机上采用CMC涡轮转子叶片将降低总重约455kg，相当于GE90-115发动机干质量的6%。陶瓷基复合材料的发展前景陶瓷虽然具有作为发动机热端结构材料的十分明显的优点,但其本质上的脆性却极大地限制了它的推广应用。为了克服单组分陶瓷材料缺陷敏感性高、韧性低、可靠性差的缺点,材料科学工作者进行了大量的研究以寻找切实可行的增韧方法 。增韧的思路经历了从“消除缺陷”或减少缺陷尺寸、减少缺陷数量,发展到制备能够“容忍缺陷”,即对缺陷不敏感的材料目前常见的几种增韧方式主要有相变增韧、颗粒(晶片) 弥散增韧、晶须(短切纤维) 复合增韧以及连续纤维增韧补强等。此外还可通过材料结构的改变来达到增韧的目的,如自增韧结构、仿生叠层结构以及梯度功能材料等。由于连续纤维增强陶瓷复合材料是目前最重要的一类高温结构陶瓷复合材料 。参考文献1韩桂芳,张立同,成来飞等二维石英纤维增多孔Si3N4-SiO2基复合材料的制备及其力学性能J复合材料学报,2007,24(1):91-962张存满,徐政,许业文弥散SiC颗粒增韧Al2O3基陶瓷的增韧机制分析J硅酸盐通报,2001,20(5):47-503孙康宁,尹衍升,李爱民.金属间化合物-陶瓷基复合材料M.北京:机械工业出版社,20024尹衍升,李嘉.氧化锆陶瓷及其复合材料M.北京:化学工业出版社,20045张玉军,张伟儒.结构陶瓷材料及其应用M.北京:化学工业出版社,20056黄润生，近代物理实验（第二版），南京大学出版社7何国,陈国良,材料科学与工艺,1998,6:1058李冬剑,丁炳哲,胡壮麒等,科学通报,1994，19:17499Yao B,Ding B Z,Sui G L,et al.J Mater Res,1996,11:91210Valiev R Z,Korasilnikov N A,et al.Mater Sci Eng 1991,A137:3511Valiev R Z,Krasilnikov N A,Tzenev N K.Mater Sci Eng,1991,A137:3512Addulov R Z,Valiev R Z, Krasilnikov N A,Mater.Sci.Lett.,1990,9:144513Valiev R Z,Koznikov A V,Mulyukov R R,Mater.Sci.Eng.,1993,A168:14114赵明,张秋华等.中国有色金属学报,1996,6(4):15415Mi