复合材料概论课件 肖国荣 第六章 陶瓷基复合材料.ppt

第六章陶瓷基复合材料 现代陶瓷 具有耐高温 硬度高 耐磨损 耐腐蚀及其相对密度低等优异的性能 但它有致命的缺点即脆性 陶瓷强韧化途径 颗粒弥散 纤维 晶须 补强增韧 层状复合增韧 与金属复合增韧及相变增韧 陶瓷中加入适量的纤维 晶须 可明显改善韧性 与高温合金相比密度低 6 1CMC的分类 按材料作用分类按增强材料形态分类按基体材料分类 6 1 1按材料作用分类 结构CMC 用于制造各种受力构件 功能CMC 具有各种特殊功能 如光 电 磁 热 生物 阻尼 屏蔽等 6 1 2按增强材料形态分类 颗粒增强CMC 延性 金属 颗粒增强 刚性 陶瓷 颗粒增强 纤维 晶须 增强CMC 碳纤维 硼纤维 石墨晶须 SiC晶须 Si3N4晶须 片材增强CMC 层片状陶瓷结构单元和界面分隔层组成 陶瓷结构单元一般选用高强的结构陶瓷 如SiC Si3N4 Al2O3 ZrO2 分隔层选用耐高温且与陶瓷基体匹配性良好的材料 如石墨 BN等 6 1 3按基体材料分类 氧化物基CMC Al2O3 SiO2 ZrO2 MgO基CMC等 非氧化物基CMC SiC WC B4C TiC Si3N4 TiN BN AlN基CMC 微晶玻璃基CMC 向玻璃组成中引入晶核剂 通过热处理 光照射或化学处理等手段 使玻璃内均匀地析出大量微小晶体 形成致密的微晶相和玻璃相的多相复合体 6 2CMC的性能特点 影响CMC性能的主要因素如下 增强材料品种的影响纤维与基体的结合强度的影响纤维排布的影响其他影响因素 6 2 1增强材料品种的影响 颗粒 晶须 增强 陶瓷颗粒 晶须 强化CMC的抗弯强度和断裂韧性都有所提高 但增韧效果不明显 表6 1SiCw增韧氧化铝陶瓷的性能延性 金属 颗粒 延性颗粒强化CMC的韧性显著提高 但强度变化不明显 且高温性能下降 高性能连续纤维 加入数量较多的高性能连续纤维 如CF SiC纤维 除韧性显著提高外 强度和模量均有不同程度的提高 表6 2C纤维增韧Si3N4复合材料的性能 表6 1SiCw增韧氧化铝陶瓷性能 1 2 表6 2C纤维增韧Si3N4复合材料的性能 6 2 2纤维与基体的结合强度的影响 纤维与基体的结合强度过大将使CMC的韧性降低 若其结合强度过低 将使材料的强度降低 6 2 3纤维排布的影响 无规则排列短纤维增强CMC的拉伸和弯曲性能有时低于基体材料 这是因为无规则排列纤维的应力集中的影响和热膨胀不匹配造成的 将短纤维定向可以提高该方向的性能 定向的连续纤维可以明显提高强度 因为提高了增强效果 降低了应力集中 6 2 4其他影响因素 气孔率 气孔率越大 韧性越差 增强材料的强度 刚度及含量 增强物的强度和刚度 含量越高 CMC的性能越好 增强材料与基体的热膨胀系数的匹配 匹配性越好 CMC的性能好 纤维的损伤程度 成型时纤维损伤程度越低 CMC的性能越好 6 3CMC的制备工艺 CMC的制备过程通常分为两个步骤 首先将增强材料掺入未固结的 或粉末状的 基体材料中 使基体固结 6 3 1连续纤维增强CMC成型工艺 连续纤维增强CMC制备方法有料浆浸渍及热压烧结法 化学气相沉积 CVD 法 直接氧化沉积法 先驱体热解法等1 料浆浸渍及热压烧结法 优点 比常压烧结的烧结温度低 时间短 致密度高 缺点 生产效率低 工艺成本较高 纤维与基体的比例难控制 只能制备单向纤维增强制品 料浆浸渍及热压烧结法 料浆浸渍及热压烧结法制备纤维增韧CMC的工艺流程 料浆浸渍工艺过程 2 化学气相沉积 CVD 法 具有贯通间隙的增强体坯件或纤维编织骨架中沉积陶瓷基体制备CMC 化学气相沉积工艺过程原理图 优点 纤维受到的机械 化学损伤小 可以制备多向排布和编织和复杂形状的CMC 缺点 生产周期长 效率低 成本高 难以制备高致密性的CMC 化学气相沉积工艺过程原理图 3 直接氧化沉积法 方法 将纤维预制体置于熔融金属上面 添加有镁 硅添加剂的熔融金属铝 在氧化气氛中 不断地浸渍预制体 在浸渍过程中 熔融金属或其蒸汽与气相氧化剂反应生成氧化物 随着时间的延长 边浸渍边氧化 最终可制得纤维增强CMC 优点 纤维几乎无损伤 纤维分布均匀 CMC性能优异 工艺简单 效率高成本低 4 先驱体热解法 方法 将单独合成的先驱体 通过加温调节其粘度 在高压 真空联合作用下使其浸渗进入并充满多向纤维编织坯件的空隙 在高温下使先驱体热解 热解时低分子产物从坯件中逸出 留在空隙间的产物即形成陶瓷基体 优点 热解温度 热压烧结温度 可减少界面的有害化学反应 热解在常压下进行 可以避免对纤维的机械损伤 可制备形状复杂和尺寸准确的制品 缺点 生产周期长 密度 热压烧结 6 3 2晶须 短纤维 补强CMC成型工艺 外加晶须 短切纤维 补强CMC成型工艺制备过程 晶须 短切纤维 分散 晶须 短切纤维 与基体原料混合 成型烧结 成型方法 压力渗滤法 烧结法 先驱体热解法和化学气相沉积法原位生长晶须补强CMC成型工艺方法 通过化学反应在陶瓷基体中原位生成补强组元 晶须 6 3 3颗粒弥散型CMC的成型工艺 基本过程 颗粒弥散型CMC的增强材料和基体的原料均为粉料 因此混料方法多采用球磨 混合料干燥先成型为坯件烧结 烧结方法 常压烧结工艺和反应烧结 6 3 4纳米CMC的成型工艺 纳米CMC 亦称纳米复相陶瓷 可分为三类在陶瓷基体的晶粒内弥散纳米粒子第二相在陶瓷基体晶粒间弥散纳米粒子第二相 纳米粒子同时弥散在陶瓷基体的晶粒内和晶界上 工艺流程 制粉混合制坯烧结 6 4陶瓷基复合材料的应用 CMC的使用温度 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其最高使用温度可达1900 主要应用领域 刀具 滑动器件 航空航天构件 发动机构件 能源构件等 应用例 制动件 法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制作超高速列车的制动件 取得了传统制动件所无法比拟的优异的磨擦磨损特性 航空航天领域 CMC制作的导弹的头锥 火