新型复合材料论文

新型复合材料论文新型复合材料论文 陶瓷基复合材料的生产应用及发展前景概论科学技术的发展对材料 提出了越来越高的要求 陶瓷基复合材料由于在破坏过程中表现出非 脆性断裂特性 具有高可靠性 在新能源 国防军工 航空航天 交 通运输等领域具有广阔的应用前景 陶瓷基复合材料是在陶瓷基体中引入第二相材料 使之增强 增韧 的多相材料 又称为多相复合陶瓷或复相陶瓷 陶瓷基复合材料是2O世纪8O年代逐渐发展起来的新型陶瓷材料 包 括纤维 或晶须 增韧 或增强 陶瓷基复合材料 异相颗粒弥散强化 复相陶瓷 原位生长陶瓷复合材料 梯度功能复合陶瓷复合材料 其因具有耐高温 耐磨 抗高温蠕变 热导率低 热膨胀系数低 耐化学腐蚀 强度高 硬度大及介电 透波等特点 在有机材料基 和金属材料基不能满足性能要求的工况下可以得到广泛应用 成为 理想的高温结构材料 连续纤维增强复合材料是以连续长纤维为增强材料 金属 陶瓷等 为基体材料制备而成 金属基复合材料是以陶瓷等为增强材料 金属 轻合金等为基体材 料而制备的 从20世纪60年代起各国都相继对金属基复合材料开展了大量的研究 因其具有高比强度 高比模量和低热膨胀系数等特点而被应用于 航天航空及汽车工业 陶瓷材料具有熔点高 密度低 耐腐蚀 抗氧化和抗烧蚀等优异性 能 被广泛用于航天航空 军事工业等特殊领域 但是陶瓷材料的脆性大 塑韧性差导致了其在使用过程中可靠性差 制约了它的应用范围 而纤维增强陶瓷基复合材料方面克服了陶瓷材料脆性断裂的缺点 另一方面保持了陶瓷本身的优点及纳米陶瓷 1 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 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 2 增强体科学技术的发展对材料提出了越来越高的要求 陶瓷基复 合材料由于在破坏过程中表现出非脆性断裂特性 具有高可靠性 在 新能源 国防军工 航空航天 交通运输等领域具有广阔的应用前 景 陶瓷基复合材料是在陶瓷基体中引入第二相材料 使之增强 增韧 的多相材料 又称为多相复合陶瓷或复相陶瓷 陶瓷基复合材料是2O世纪8O年代逐渐发展起来的新型陶瓷材料 包 括纤维 或晶须 增韧 或增强 陶瓷基复合材料 异相颗粒弥散强化 复相陶瓷 原位生长陶瓷复合材料 梯度功能复合陶瓷复合材料 其因具有耐高温 耐磨 抗高温蠕变 热导率低 热膨胀系数低 耐化学腐蚀 强度高 硬度大及介电 透波等特点 在有机材料基 和金属材料基不能满足性能要求的工况下可以得到广泛应用 成为 理想的高温结构材料 连续纤维增强复合材料是以连续长纤维为增强材料 金属 陶瓷等 为基体材料制备而成 金属基复合材料是以陶瓷等为增强材料 金属 轻合金等为基体材 料而制备的 从20世纪60年代起各国都相继对金属基复合材料开展了大量的研究 因其具有高比强度 高比模量和低热膨胀系数等特点而被应用于 航天航空及汽车工业 陶瓷材料具有熔点高 密度低 耐腐蚀 抗氧化和抗烧蚀等优异性 能 被广泛用于航天航空 军事工业等特殊领域 但是陶瓷材料的脆性大 塑韧性差导致了其在使用过程中可靠性差 制约了它的应用范围 而纤维增强陶瓷基复合材料方面克服了陶瓷材料脆性断裂的缺点 另一方面保持了陶瓷本身的优点及纳米陶瓷 1 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 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 2 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 a 纤维 在陶瓷基复合材料中使用得较为普遍的是碳纤维 玻璃纤维 硼纤维等 b 晶须晶须为具有一定长径比 直径0 3 1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 a 纤维 在陶瓷基复合材料中使用得较为普遍的是碳纤维 玻璃纤维 硼纤维等 b 晶须晶须为具有一定长径比 直径0 3 1 m 长0 1 00 m 的小单晶体 晶须的特点是没有微裂纹 位错 孔洞和表面损伤等一类缺陷 因 此其强度接近理论强度由于晶须具有最佳的热性能 低密度和高杨 氏模量 从而引起了人们对其特别的关注 在陶瓷基复合材料中使用得较为普遍的是SiC A12O3及Si3N4晶须 c m 的小单晶体 晶须的特点是没有微裂纹 位错 孔洞和表面损伤等一类缺陷 因 此其强度接近理论强度由于晶须具有最佳的热性能 低密度和高杨 氏模量 从而引起了人们对其特别的关注 在陶瓷基复合材料中使用得较为普遍的是SiC A12O3及Si3N4晶须 c 颗粒从几何尺寸上看 颗粒在各个方向上的长度是大致相同的 一般为几个微米 颗粒的增韧效果虽不如纤维和晶须 但是 如果颗粒种类 粒径 含量及基体材料选择适当仍会有一定 的韧化效果 同时还会带来高温强度 高温蠕变性能的改善 所以 颗粒增韧复合材料同样受到重视并对其进行了一定的研究 常用的颗粒也是SiC Si3N4等从几何尺寸上看 颗粒在各个方向上 的长度是大致相同的 一般为几个微米 颗粒的增韧效果虽不如纤维和晶须 但是 如果颗粒种类 粒径 含量及基体材料选择适当仍会有一定 的韧化效果 同时还会带来高温强度 高温蠕变性能的改善 所以 颗粒增韧复合材料同样受到重视并对其进行了一定的研究 常用的颗粒也是SiC Si3N4等陶瓷基基复合材料的种类1 纤维增强 陶瓷基复合材料1 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单向排布纤维陶 瓷基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优于其横向性 能 在实际构件中 主要是使用其纵向性能 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 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优于其横向性能 在实际构件中 主要是使用其纵向性能 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 多向排布纤维陶瓷基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 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 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 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 二维多向排布纤维增韧复合材料的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 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 另一种是纤维分层单向排布 层间纤维成一定角度 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 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 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 另一种是纤维分层单向排布 层间纤维成一定角度 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 2 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 由于晶须的尺寸很小 从宏观上看与粉末一样 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 目前常用的是SiC Si3N4 Al2O3晶须 常用的基体则为Al2O3 ZrO 2 SiO2 Si3N4及莫来石等 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 由于晶须的尺寸很小 从宏观上看与粉末一样 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 目前常用的是SiC Si3N4 Al2O3晶须 常用的基体则为Al2O3 ZrO 2 SiO2 Si3N4及莫来石等 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 由于晶须具有较大的长径比 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 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 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 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 颗粒可克服晶须的一 弱点 但其增强增韧效果却不如晶须 布等因素有关 由于晶须具有较大的长径比 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 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 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 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 颗粒可克服晶须的一 弱点 但其增强增韧效果却不如晶须 陶瓷基复合材料的制备工艺 1 粉末冶金法 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 均匀混合 球磨 超声等 冷压成形 热压 烧结 关键是均匀混合和烧结过程防止体积收缩而产生裂纹 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 采用了浆体 湿态 法制备陶瓷基复合材料 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布 这可通过调整水溶液的pH值来实现 对浆体进行超声波震动搅拌则可进一步改善弥散性 弥散的浆体可直接浇铸成型或热 冷 压后烧结成型 适用于颗粒 晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料为了克服粉末冶金 法中各组元混合不均的问题 采用了浆体 湿态 法制备陶瓷基复 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布 这可通过调整水溶液的pH值来实现 对浆体进行超声波震动搅拌则可进一步改善弥散性 弥散的浆体可直接浇铸成型或热 冷 压后烧结成型 适用于颗粒 晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料采用浆体浸渍法可 制备连续纤维增韧陶瓷基复合材料 纤维分布均匀 气孔率低 采用浆体浸渍法可制备连续纤维增韧陶瓷基复合材料 纤维分布均匀 气孔率低 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 还具有以下优点用此方法制备陶瓷基复合材料 除基体材 料几乎无收缩外 还具有以下优点 增强剂的体积比可以相当大 可用多种连续纤维预制体 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 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 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Poiss euiue方程计算出浸渍高度h h 的平行通道 则可用Poisseuiue方程计算出浸渍高度h h r tcos 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 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 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Al2O3Al 氮气 AlN 6 溶胶 凝胶 Sol Gel 法溶胶 Sol 是由于化学反应沉积而产生的微小颗粒 直径 100nm 的悬浮液 凝胶 Gel 是水分减少的溶胶 即比溶胶粘度 大的胶体 Sol100nm 的悬浮液 凝胶 Gel 是水分减少的溶胶 即比溶胶粘 度大的胶体 Sol Gel法是指金属有机或无机化合物经溶液 溶胶 凝胶等过程而固化 再经热处理生成氧化物或其它化合物固体的方法 该方法可控制材料的微观结构 使均匀性达到微米 纳米甚至分子 量级水平 Sol Gel法是指金属有机或无机化合物经溶液 溶胶 凝胶等过程而固化 再经热处理生成氧化物或其它化合物固体的方法 该方法可控制材料的微观结构 使均匀性达到微米 纳米甚至分子 量级水平 Sol Gel法制备SiO2陶瓷原理如下Si OR 4 4H2O Gel法制备SiO2陶瓷原理如下Si OR 4 4H2O Si OH 4 4ROH Si OH 4Si OH 4 4ROH Si OH 4 SiO2 2H2O使用这种方法 可将各种增强剂加入基体溶胶 中搅拌均匀 当基体溶胶形成凝胶后 这些增强组元稳定 均匀分 布在基体中 经过干燥或一定温度热处理 然后压制烧结形成相应 的复合材料 SiO2 2H2O使用这种方法 可将各种增强剂加入基体溶胶中搅拌均匀 当基体溶胶形成凝胶后 这些增强组元稳定 均匀分布在基体中 经过干燥或一定温度热处理 然后压制烧结形成相应的复合材料 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 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 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800 1200 C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 1 ICVI法 又称静态法 是将被浸渍的部件放在等温的空间 反应物气体通过扩散渗入到多 孔预制件内 发生化学反应并沉积 而副产品物气体再通过扩散向 外散逸 图10 8 过扩散渗入到多孔预制件内 发生化学反应并沉积 而副产品物气 体再通过扩散向外散逸 图10 8 在ICVI过程中 传质过程主要是通过气体扩散来进行 因此过程十 分缓慢 并仅限于一些薄壁部件 降低气体的压力和沉积温度有利于提高浸渍深度 在ICVI过程中 传质过程主要是通过气体扩散来进行 因此过程十 分缓慢 并仅限于一些薄壁部件 降低气体的压力和沉积温度有利于提高浸渍深度 2 FCVI法 在纤维预制件内施加一个温度梯度 同时还施加一个反 向的气体压力梯度 迫使反应气体强行通过预制件 在纤维预制件内施加一个温度梯度 同时还施加一个反向的气体压 力梯度 迫使反应气体强行通过预制件 在低温区 由于温度低而不发生反应 当反应气体到达温度较高的 区域后发生分解并沉积 在纤维上和纤维之间形成基体材料 在低温区 由于温度低而不发生反应 当反应气体到达温度较高的 区域后发生分解并沉积 在纤维上和纤维之间形成基体材料 在此过程中 沉积界面不断由预制件的顶部高温区向低温区推移 由于温度梯度和压力梯度的存在 避免了沉积物将空隙过早的封闭 提高了沉积速率在此过程中 沉积界面不断由预制件的顶部高温 区向低温区推移 由于温度梯度和压力梯度的存在 避免了沉积物将空隙过早的封闭 提高了沉积速率 FCVI的传质过程是通过对流来实现 可用来制备厚壁部件 但不适于制作形状复杂的部件 FCVI的传质过程是通过对流来实现 可用来制备厚壁部件 但不适于制作形状复杂的部件 此外 在FCVI过程中 基体沉积是在一个温度范围内 必然会导致基体中 不同晶体结构的物质共存 从而产生内应力并影响材料的热稳定性 此外 在FCVI过程中 基体沉积是在一个温度范围内 必然会导致基体中 不同晶体结构的物质共存 从而产生内应力并影响材料的热稳定性 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 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 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 再热解再 热解 陶瓷粉 聚合物先驱体 均匀混合 模压成型 热解 2 原位复合法 利用化学反应生成增强组元 晶须或高长径比晶体来增强陶瓷基体的工艺称为原位复合法 晶须或高长径比晶体来增强陶瓷基体的工艺称为原位复合法 其关键是在陶瓷基体中均匀加入可生成晶须的元素或化合物 控制 其生长条件使在基体致密化过程中在原位同时生长出晶须 或控制 烧结工艺 在陶瓷液相烧结时生长高长径比的晶相 最终形成陶瓷 基复合材料 其关键是在陶瓷基体中均匀加入可生成晶须的元素或化合物 控制 其生长条件使在基体致密化过程中在原位同时生长出晶须 或控制 烧结工艺 在陶瓷液相烧结时生长高长径比的晶相 最终形成陶瓷 基复合材料 纤维增强陶瓷基复合材料的制备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性能取决于多种因素 如基体 纤维及 二者之间的结合等 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 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 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1 泥浆烧铸法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 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 2 热压烧结法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 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 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 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 3 浸渍法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 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 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 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 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 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 得高性能的复合材料 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 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 得高性能的复合材料 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配料 成型 烧结 精加工这一过程看似简单 实则包含着相当复杂的内容 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 持进一步深入 这一过程看似简单 实则包含着相当复杂的内容 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 持进一步深入 1 配料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 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 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 湿法主要采用水作溶剂 但在氮化硅 碳化尼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 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 湿法主要采用水作溶剂 但在氮化硅 碳化尼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 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 2 成型2 成型混好后的料浆在成型时有三种不同的情况 1 经一次干燥制成粉末坯料后供给成型工序 2 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 1 经一次干燥制成粉末坯料后供给成型工序 2 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 3 用压滤机将料浆状的粉脱水后成坯料供给成型工序 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 3 烧结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 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 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 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 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 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 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4 精加工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 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 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 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 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 先进陶瓷制品的一致性 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 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 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 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 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 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 先进陶瓷制品的一致性 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 三 陶瓷基复合材料的界面和界面设计 1 界面的粘结形式 1 机械结合 2 化学结合 1 机械结合 2 化学结合 陶瓷基复合材料往往在高温下制备 由于增强体与 基体的原子扩散 在界面上更易形成固溶体和化合物 此时其界面是具有一定厚度的反应区 它与基体和增强体都能较好 的结合 但通常是脆性的 陶瓷基复合材料往往在高温下制备 由于增强体与基体的原子扩散 在界面上更易形成固溶体和化合物 此时其界面是具有一定厚度的反应区 它与基体和增强体都能较好 的结合 但通常是脆性的 若增强体与基体在高温时不发生反应 那么在冷却下来时 陶瓷的 收缩大于增强体 由此产生的径向压应力若增强体与基体在高温时 不发生反应 那么在冷却下来时 陶瓷的收缩大于增强体 由此产 生的径向压应力 与界面剪切应力 有关 为摩擦系数 一般取0 1 0 6 2 界面的作用 陶瓷基复合材料的界面一方面应强到足以传递轴向 载荷并具有高的横向强度 另一方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 陶瓷基复合材料的界面一方面应强到足以传递轴向载荷并具有高的 横向强度 另一方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 强的界面粘结往往导致脆性破坏 裂纹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 这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 强界面结合不产生额外的能量消耗 强的界面粘结往往导致脆性破坏 裂纹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 这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 强界面结合不产生额外的能量消耗 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 发生裂纹偏转 裂纹搭桥 纤维断裂以至于最后纤维拔出 所有这些过程都要吸收能量 从而提高复合材料的断裂韧性若界面 结合较弱 当基体中的裂纹扩展至纤维时 将导致界面脱粘 发生 裂纹偏转 裂纹搭桥 纤维断裂以至于最后纤维拔出 所有这些过程都要吸收能量 从而提高复合材料的断裂韧性 3 界面性能的改善 为了获得最佳界面结合强度 希望避免界面化 学反应或尽量降低界面的化学反应程度和范围 为了获得最佳界面结合强度 希望避免界面化学反应或尽量降低界 面的化学反应程度和范围 实际当中除选择增强剂和基体在制备和材料服役期间能形成热动力 学稳定的界面外 就是纤维表面涂层处理 包括C SiC BN ZrO2和SnO2等 实际当中除选择增强剂和基体在制备和材料服役期间能形成热动力 学稳定的界面外 就是纤维表面涂层处理 包括C SiC BN ZrO2和SnO2等 纤维表面涂层处理对纤维还可起到保护作用 纤维表面双层涂层处理是最常用的方法 其中里面的涂层以达到键接及滑移的要求 而外部涂层在较高温度 下防止纤维机械性能降解 纤维表面涂层处理对纤维还可起到保护作用 纤维表面双层涂层处理是最常用的方法 其中里面的涂层以达到键接及滑移的要求 而外部涂层在较高温度 下防止纤维机械性能降解 四 陶瓷基复合材料的性能特种陶瓷具有优秀的力学性能 耐磨性 好 硬度高及耐腐蚀性好等特点 但其脆性大 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 陶瓷基复合材料使材料的韧性大大改善 同时其强度 模量有了提 高 颗粒增韧陶瓷基复合材料的弹性模量和强度均较整体陶瓷材料提高 但力特种陶瓷具有优秀的力学性能 耐磨性好 硬度高及耐腐蚀 性好等特点 但其脆性大 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 陶瓷基复合材料使材料的韧性大大改善 同时其强度 模量有了提 高 颗粒增韧陶瓷基复合材料的弹性模量和强度均较整体陶瓷材料提高 但力 位移曲线形状不发生变化 而纤维陶瓷基复合材料不仅使其弹性模 量和强度大大提高 而且还改变了力 位移曲线的形状 纤维陶瓷基复合材料在断裂前吸收了大量的断裂能量 使韧性得以 大幅度提高 位移曲线形状不发生变化 而纤维陶瓷基复合材料不仅使其弹性模 量和强度大大提高 而且还改变了力 位移曲线的形状 纤维陶瓷基复合材料在断裂前吸收了大量的断裂能量 使韧性得以 大幅度提高 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 材料的拉伸失效有两种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 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 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