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第六章 陶瓷基复合材料 一 概述 二 陶瓷基复合材料的结构 三 陶瓷基复合材料的种类 四 陶瓷基复合材料的制备 五 陶瓷基复合材料未来趋势 一 概述 陶瓷是氧化物 碳化物 氮化物和硅酸盐等无机化合物的总称 包括玻璃 家用瓷器 砖瓦等日常用品 随着人类文明的进步 开发出了各种新型陶瓷 其中一部分为实现力 电 湿 电 热 电等功能的功能陶瓷 而另一部分则为满足强度 耐高温 耐磨损等力学性能的结构陶瓷 20世纪70年代初期 结构陶瓷作为一种新型高温材料受到广泛的重视 因为陶瓷具有高熔点 低密度 抗氧化 抗腐蚀 耐高温和耐磨损等特点 然而由于陶瓷有共价键或离子键构成 因此具有本质的高强度和低延性 故而需要改善其韧性 但只有依靠非本质的的韧化机制才能实现 即将两种或两种以上陶瓷显微结构的组元复合起来 这就是陶瓷基复合材料 二 陶瓷基复合材料的结构 陶瓷基复合材料的基体 陶瓷常分为硅酸盐 氧化物和非氧化物三类 1 硅酸盐陶瓷以SiO2为主 外加Al2O3 MgO BeO ZrO2等玻璃相 2 氧化物陶瓷是以晶体相为主 仅含少量的玻璃相 常用的有 Al2O3 ZrO2 TiO2 BeO等 3 非氧化物陶瓷包括以石墨或金刚石结构存在的碳 氮化物 BN SiN4等 碳化物 SiC TiC等 硼化物 TiB2 ZrB2等 硅化物 MoSi2等 其中 作为高温结构陶瓷Si3N4和SiC最为重要 其中 陶瓷材料中的硅酸盐结构较为复杂 普遍特点是存在 Si04 4 结构单元 重要的有锆英石和镁橄榄石 镁橄榄石 锆英石 2 陶瓷基复合材料的增强体 陶瓷基复合材料的增强体通常也称为增韧体 虽然陶瓷材料具有耐高温 硬度高 耐磨损 耐腐蚀及相对密度轻等特点 但他的致命弱点就是脆性 这一弱点使得陶瓷材料的使用受到很大限制 其中 陶瓷基复合材料的增韧体一般分为三种 纤维 晶须和颗粒 纤维 碳纤维有机纤维经固相反应转变而成的一种多晶纤维状聚合物碳 是一种无机非金属材料 玻璃纤维非晶型无机纤维 主要成分为二氧化硅与Ca B Na Al Fe等的氧化物 硼纤维通过在钨丝或涂炭或涂鸦的石英纤维 直径一般为3 5 m 50 m 上沉积不定型原子硼形成的一种无机复合纤维 a纤维是具有较大长径比的材料 是最早应用的增强体 碳纤维 C60 纳米碳管 金刚石 石墨 玻璃纤维为无定型结构 无远程有序特征 三维网络结构 具有各向同性 加入Na2O 玻璃的无定型结构 硼纤维通过在芯材 钨丝 碳丝或涂炭或涂鸦的石英纤维 直径一般为3 5 m 50 m 上沉积不定型的原子硼形成的一种无机复合纤维 直径100 m 200 m 特点 高强度 高模量 高硬度 b晶须指直径小于3 m的单晶体生长的短纤维 与纤维相比存在的区别是 单晶 缺陷少 强度高 模量大 直径小 0 1 m 长径比大 L d 数十 主要有两大类 陶瓷晶须 氧化物晶须 Al203 非氧化物晶须 SiC 金属晶须 Cu Cr Fe Ni等 C颗粒增强体 颗粒也是一种有效的增强体之一 主要用于金属基 聚合物和陶瓷基复合材料的增强体 在基体中的体积分数一般在 15 30 特殊时 也可以为5 75 分类 增强体根据变形性能 刚性颗粒一般为陶瓷颗粒 常见的有 SiC TiC WC BN 石墨等 延性颗粒主要是金属颗粒 加入陶瓷中可增强其韧性 根据其生产方式的不同 外生型 颗粒的制备与基体无关 是通过一定的合成工艺制备而成的 内生型 选定的反应体系在基体材料中 一定条件下通过化学反应原位生成 基体可参与或不参与化学反应 3 陶瓷基复合材料的 复合材料是两种或两种以上不同组分材料以微观或宏观的形式复合而成的多相材料 而组分材料间存在着结合层 区域 而在该区域内的材料特性 即元素的浓度 晶体结构 原子的配位 弹性模量 密度 热膨胀系数等不连续的区域叫界面 结合方式 机械结合 物理结合 化学结合和扩散结合 其中以化学结合为主 有时几种结合方式同时存在 界面 三 陶瓷基复合材料的种类 类型 1 按材料作用分 1 结构陶瓷基复合材料 用于制造各种受力零部件 2 功能陶瓷基复合材料 具有各种特殊性能 光 电 磁 热 生物 阻尼 屏蔽等 2 按增强材料形态分 颗粒增强陶瓷基复合材料 纤维 晶须 增强陶瓷基复合材料 片材增强陶瓷基复合材料 3 按基体材料分 1 氧化物陶瓷基复合材料2 非氧化物陶瓷基复合材料3 微晶玻璃基复合材料4 碳 碳复合材料 四 陶瓷基复合材料的制备 陶瓷基复合材料主要包括 颗粒 纤维 晶须 和陶瓷层片增强陶瓷基复合材料 但这三种材料的制备工艺不尽相同 一般由以下几个环节组成 粉体制备 增强体 纤维 晶须或陶瓷层片 制备 预处理 成型 烧结 1 粉体制备粉体主要用于基体及增强体中的增韧颗粒 粉体制备 机械制粉 球磨 搅动振动磨 工艺简单 但组分分布不均 化学制粉 1 固相法盐类分解法 高温自蔓延合成法 SHS 2 液相法主要用于氧化物系列超细粉体的合成3 气相法多用于制备超细高纯的非氧化物粉体 性能优良的高纯 超细 组分均匀 2 成型 有了良好的粉体 成型就成了获得高性能陶瓷复合材料的关键 一般成型后坯体的密度越高 则烧成中的收缩越小 制品的尺寸精度越容易控制 陶瓷的成型方法主要有 模压成型 等静压成型 热压铸成型 挤压成型 轧膜成型 流延法成型 注射成型和直接凝固成型等 3 烧结 烧结是指陶瓷坯料在表面能减少的推动力下通过扩散 晶粒长大 气孔和晶界逐渐减少而致密化的过程 而这一过程是一个复杂的物理 化学变化的过程 是多种机制组合作用的结果 陶瓷常采用的烧结方法有 普通烧结 热致密化方法 反应烧结 微波烧结及放电等离子烧结 烧结机制可归纳为 1 黏性流动 2 蒸发与凝聚 3 体积扩散 4 表面扩散 5 晶界扩散 6 塑性流动等 五 陶瓷基复合材料的未来趋势 多层陶瓷基复合材料用石墨或碳等剪切开裂的材料作为陶瓷的中间层 使裂纹沿界面偏析 从而提高断裂韧性的多层复合材料 纳米复合材料其中典型的一个是以SiC纳米增强颗粒增强Al2O3复合材料 另一种则是碳化硅纳米颗粒增强氮化硅 Si3N4 复合材料 功能梯度复合材料其产生和发展的基础是以计算机辅助材料设计和先进复合材料