郑州大学复合材料学第四章CMC

1、 chapter 5:ceramic matrix composite(cmc)chapter4:ceramic matrix composite陶瓷材料性能特征陶瓷材料性能特征强度高、耐磨性好、硬度高耐腐蚀性好脆性大，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。陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料对陶瓷材料增韧1 颗粒、晶须增韧复合材料颗粒、晶须增韧复合材料2 纤维增韧复合材料纤维增韧复合材料3 相变增韧复合材料相变增韧复合材料4 仿生结构复合材料仿生结构复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料(1)层状复合材料层状复合材料(2)纤维独石复合材料纤维独石复合材料(3)木头陶瓷木头陶瓷

2、chapter4:ceramic matrix composite目前部分实际应用的陶瓷复合材料sic-玻璃陶瓷：人工假体材料玻璃陶瓷：人工假体材料zro2, al2o3：抗热震材料：抗热震材料c-c：火箭构件，人工假体材料：火箭构件，人工假体材料sic-sic：特殊发动机构件；：特殊发动机构件；sic晶须晶须-al2o3:切削工具切削工具si3n4复相陶瓷刀具复相陶瓷刀具chapter4:ceramic matrix composite陶瓷基复合材料的制备成形陶瓷基复合材料的制备成形颗粒材料的成形与预烧结混合（加成形剂） 成形 烧结成形的方法成形的方法模压等静压注射成形凝胶注模成形轧制挤压松

3、装烧结预预 烧烧 结结n维持形状n具有一定的强度principle and mechanismlanxide工艺工艺80年代中期，美国lanxide公司发明的一种cmc新工艺。将熔融的金属直接氧化，生成以反应固体产物(氧化物、氮化物、硼化物等)为骨架基体，并含有5-30%三维连续金属的复合材料。chapter4:ceramic matrix compositechapter4:ceramic matrix compositechapter4:ceramic matrix compositecvd利用源气在高温条件下的分解或气相反应，在颗粒、纤维、晶须以及其它具有开口气孔的增强骨架上沉积所需的陶

4、瓷基质的方法。 cvicvd方法的改进。预成型体一侧处于高温区，而另一侧被水冷保持较低的温度。源气从低温侧进入，到达高温区一侧后发生热分解或化学反应，沉积出所需的陶瓷基质。在源气的入口处保持较高的压力，出口处保持低压，更有利于源气穿过增强骨架，获得高致密度的陶瓷复合材料。chapter4:ceramic matrix compositechapter4:ceramic matrix compositechapter4:ceramic matrix compositechapter4:ceramic matrix composite shs(self-propagating high-tempe

5、rature synthesis)能产生放热反应的反应物经外加能源点火而开始反应，放出热量，使固体反应物加热升温，从而使反应能自发维持，并形成燃烧波向前传播的cmc制备方法。 sol-gel将无机或金属有机化合物相继形成溶液、溶胶、凝胶而固化，然后经干燥和热处理而制备cmc的方法。 polymer precursors以有机金属聚合物为先驱体，成型后使高分子聚合物发生热解反应转化为无机质，然后再经高温烧结制备陶瓷基复合材料的方法。chapter4:ceramic matrix compositechapter4:ceramic matrix compositechapter4:ceramic

6、matrix compositechapter4:ceramic matrix compositeshs法制备复合材料代表性的例法制备复合材料代表性的例 原材料与反应生成物温度（k）ti + 2bzr + 2bti + cal + 1/2n2sio2 + 2mg + c3tio2 + 4al + 3c3tio2 + 4al + 6btib2zrb2ticalnsic + 2mgo3tic + 2al2o33tib2 + 2al2o33190331032002900257023202900(1). 氮化硅基陶瓷刀具系列化氮化硅基陶瓷刀具系列化si3n4glass利用si3n4陶瓷共价键、长柱状晶

7、粒和低膨胀系数的特点，探索用热压氮化硅陶瓷作为金属切削刀具取得成功。著名材料科学家katz在science介绍了我们的成果work on hot-pressed si3n4 in the peoples republic of china (38) and on sialon in britain(39) has shown that these materials give good performance as tool bits in machining selected materialschapter4:ceramic matrix composite著名材料科学家katz在世界陶瓷

8、大会上对清华大学氮化硅陶瓷刀具研究工作的评价work in the late 1970s by ho-cho and et al , in the peoples republic of china, on the applications of hpsn cutting tools showed very promising results18,. basically, in tool-wear tests on the cutting of chilled cast iron, molybdenum, pyrolytic graphite and fiber-reinforced plas

9、tics, they observed that hpsn had a life several times longer than that of conventional cutting tools. they also observed that hspn was suitable for face-milling operations against hardened alloy steels.chapter4:ceramic matrix compositesi3n4tic(ticn) si3n4(hv1600)利用硬质颗粒弥散强化、单相固溶体、玻璃相结晶化原理，研制成功复合si3n

10、4陶瓷刀具tic(hv3300)glass0200040006000800010000120000.00.8chilled cost ironhs 71-73a=0.25mmf=0.25mm/rev.composite si3n4 (v=35mm/min)si3n4 (v=29mm/min)composite al2o3 (v=29mm/min)yg6(v=6mm/min)flank wear vb (mm)cutting distance (m)si3n4刀具、复合si3n4刀具与其它刀具的使用寿命对比chapter4:ceramic matrix composite在加工

11、crwmn淬硬钢时(hrc58-62) 复合 si3n4刀具的后刀面磨损值与弥散相含量的关系 硬质相颗粒弥散，退火实现玻璃相结晶化chapter4:ceramic matrix compositesi3n4粉制备粉制备磨细混料磨细混料干燥干燥喷雾造粒喷雾造粒干压、等干压、等静压成型静压成型热压烧结热压烧结热等静压烧结热等静压烧结加工加工刀具成品刀具成品chapter4:ceramic matrix compositesi3n4陶瓷刀具陶瓷刀具si3n4镗刀对上海大众发动机灰铸铁镗刀对上海大众发动机灰铸铁缸体镗孔，缸体镗孔，v=728m/min, a=3mm, f=0.75mm/rev上海大众应

12、用证明上海大众应用证明上海大众上海大众chapter4:ceramic matrix composite用热等静压法生产的复用热等静压法生产的复杂形状精密杂形状精密si3n4陶瓷刀陶瓷刀具加工刹车盘具加工刹车盘德国德国spk加工加工280件件清华方大加工清华方大加工400件，件，价格为其价格为其1/2si3n4刀具对铸铁刹车毂进行切槽加工，刀具对铸铁刹车毂进行切槽加工，工件材质工件材质：ht250, hb180240n=500rev/min, a=8.5mm, f=0.14mm/rev天津夏利天津夏利河南汽车制动器厂河南汽车制动器厂si3n4陶瓷刀具陶瓷刀具chapter4:ceramic m

13、atrix composite复合复合si3n4陶瓷刀具陶瓷刀具传统工艺：铸造退火软化粗加工淬火硬化精加工新 工 艺： 铸造粗、精加工石家庄水泵厂：对cr15mo3，cr27超硬铸铁渣浆泵进行拨荒粗加工，免去退火工艺免去退火工艺，一年节省上百万度电一年节省上百万度电；直接机加工时间，也由48小时小时减少至8小时小时。加工超硬铸铁渣浆泵加工超硬铸铁渣浆泵chapter4:ceramic matrix composite复合复合si3n4陶瓷刀具陶瓷刀具邢台轧辊厂采用复合si3n4刀具加工冷硬铸铁轧辊，由于切除率从37cm3/min提高到270cm3/min，年增产量0.8万吨万吨/年年(1.72

14、.5万吨万吨/年年)，折合年增创产值四千万元四千万元。武钢车一根1吨重的轧辊，消耗si3n4刀具一片20元，节省刀具费用88元元，节省工时费460元元加工冷硬铸铁轧辊加工冷硬铸铁轧辊chapter4:ceramic matrix composite复合复合si3n4刀具刀具广东有色院耐磨材料厂加工矿山机械，效率提高510倍倍，在不增加厂房、设备、电力等条件下，年销售额从几百万增至五千余万元几百万增至五千余万元。加工矿山机械加工矿山机械chapter4:ceramic matrix composite(2). ticn-si3n4/al2o3金属陶瓷刀具系列金属陶瓷刀具系列mo, nitic 0

15、.5 n 0.5(mo,ti)si2(ni,ti)si2ticxn 1-xhv=1700hv=2200chapter4:ceramic matrix compositesi3n4体积含量对复合金属陶瓷刀具材料性能的影响体积含量对复合金属陶瓷刀具材料性能的影响010203040501617181920212223hv vol%hardness (gpa)681012141618 rfracture toughness kic(mpam1/2)60080010001200140016001800flexural strength (mpa) kicsi3n4hv rchapter4:ceramic

16、 matrix compositeticnticn- si- si3 3n n4 4系统材料性能剪裁及应用示意图系统材料性能剪裁及应用示意图100vol% ticn50vol%100vol%si3n41600 kg/mm21600 kg/mm217 mpa.m1/2 1700 mpa1000 mpa7 mpa.m 1/22200rtk1chv310-6 /灰铸铁灰铸铁冷硬铸铁冷硬铸铁高温合金高温合金超硬铸铁超硬铸铁普通钢材普通钢材高强度钢高强度钢高硬度钢高硬度钢超硬钢超硬钢chapter4:ceramic matrix composite弥散颗粒大小对断裂韧性的影响弥散颗粒大小对断裂韧性的影响

17、弥散相弥散相tic，ti(cn)平均颗粒尺寸对平均颗粒尺寸对al2o3基复合陶瓷材基复合陶瓷材料料k1c的影响的影响 chapter4:ceramic matrix compositetic 0.5 m tic 8 mhrem image of an area in a tic particle adjacent to tic/al2o3 interface in sample ac05near interface 0.426 nmcenter 0.431 nmindentation-induced crack path observed in the surface of sample al

18、2o3-30 wt% ticchapter4:ceramic matrix composite复合复合si3n4陶瓷刀具陶瓷刀具复合复合ticn金属陶瓷刀具金属陶瓷刀具性能性能耐磨，抗冲击耐磨，抗冲击高耐磨高耐磨工件材料工件材料灰铸铁、各类硬化铸铁，灰铸铁、各类硬化铸铁，高温合金高温合金淬硬钢，不锈钢，高硬度高淬硬钢，不锈钢，高硬度高强度钢，高温合金强度钢，高温合金切削方式切削方式连续与断续切削，铣、连续与断续切削，铣、刨、镗，高速切削刨、镗，高速切削连续切削，高速切削连续切削，高速切削切削用量切削用量 粗、精加工，大切削量粗、精加工，大切削量 精加工，半精加工精加工，半精加工两种陶瓷刀具的应

19、用特点两种陶瓷刀具的应用特点chapter4:ceramic matrix compositev加工淬硬钢轧辊（宝钢宝钢）v加工滚珠丝杠（台湾上银科技股份有限公司台湾上银科技股份有限公司）v加工淬硬轴承钢（瓦轴，洛轴瓦轴，洛轴）v加工高硬度高强度炮弹钢（724厂厂）v加工齿轮(常州齿轮厂常州齿轮厂)复合金属陶瓷刀具已在百余家企业应复合金属陶瓷刀具已在百余家企业应用用chapter4:ceramic matrix composite以车代磨，加工时间从以车代磨，加工时间从7小时降至小时降至2.5小时，节省加工成本小时，节省加工成本75。 单班产量相应提高。单班产量相应提高。复合金属陶瓷刀具加工超

20、硬钢轧辊复合金属陶瓷刀具加工超硬钢轧辊 工件材料：工件材料：86crmov7 hrc63，切削用量：，切削用量：v=6080m/min, a=0.81.5mm; f=0.30.5mm/rev，l=15000m德国精密磨床德国精密磨床 磨加工磨加工清华刀具清华刀具车加工车加工上海宝钢上海宝钢chapter4:ceramic matrix composite复合金属陶瓷刀具加工炮弹复合金属陶瓷刀具加工炮弹chapter4:ceramic matrix composite炮弹加工现场录像炮弹加工现场录像chapter4:ceramic matrix composite新型陶瓷刀具的应用新型陶瓷刀具的

21、应用对对hrc63的超硬铸铁渣的超硬铸铁渣浆泵进行粗精加工，免浆泵进行粗精加工，免除退火工艺除退火工艺对对hrc55合金耐磨铸铁合金耐磨铸铁水泵叶轮进行断续粗加工水泵叶轮进行断续粗加工对高碳高铬铸铁和高对高碳高铬铸铁和高锰钢颚式破碎机的颚锰钢颚式破碎机的颚板进行刨削板进行刨削对对hrc63的淬硬钢轧辊的淬硬钢轧辊进行进行“以车代磨以车代磨”对对hrc60硬镍铸铁磨煤硬镍铸铁磨煤机的磨环进行断续切削机的磨环进行断续切削对对hrc62超硬铸铁渣浆超硬铸铁渣浆泵护板肋条进行断续粗泵护板肋条进行断续粗精加工精加工chapter4:ceramic matrix composite工业泵工业泵冶金冶金矿山

22、机械矿山机械轴承轴承石化石化军工军工电力电力航空航空清华陶瓷刀具清华陶瓷刀具超硬泵多数采用，超硬泵多数采用，典型效益：百万度电典型效益：百万度电典型效益：典型效益：4千万千万/年年典型效益：典型效益：5千万千万/年年加工炮钢，加工炮钢，典型效益：几百发典型效益：几百发/天天车缸套，效率提高车缸套，效率提高3-4倍倍加工硬镍铸铁磨煤机磨环加工硬镍铸铁磨煤机磨环加工高温合金，效率加工高温合金，效率提高提高5-10倍钢倍钢瓦轴，洛轴，以车代瓦轴，洛轴，以车代磨，效率提高磨，效率提高4-5倍倍粮食机械粮食机械加工粮食磨辊，效加工粮食磨辊，效率提高率提高4-6倍倍汽车汽车加工刹车盘加工刹车盘、连杆连杆、

23、缸体和离合器缸体和离合器给国家的回报：使各行各业获得的经济效益给国家的回报：使各行各业获得的经济效益chapter4:ceramic matrix composite其它基体材料采用高压的溶胶-凝胶技术已制备出碳纤维增强的氧化铝与碳纤维增强的氧化铝。采用si-si3n4或si-si3n4-zro2浆液以及sic纤维，并在较低温度下氮化(1300 c)，得到具有明显纤维拔出的韧性复合材料。反应烧结纤维增强的陶瓷复合材料，以及通过渗透聚合物先驱体来制备材料，可以认为是与化学气相沉积或热等静压法相比，生产低成本高强度的陶瓷基复合材料的方法。chapter4:ceramic matrix compos

24、itechapter4:ceramic matrix compositechapter4:ceramic matrix compositechapter4:ceramic matrix compositechapter4:ceramic matrix compositechapter4:ceramic matrix compositechapter4:ceramic matrix compositechapter4:ceramic matrix compositechapter4:ceramic matrix composite功能梯度复合材料功能梯度复合材料功能梯度复合材料fgm通过精心设计

25、和特殊手段，使金属与陶瓷的复合组分、结构能连续地变化，由金属侧过渡到陶瓷侧形成一种物性参数也连续变化的复合材料。这种复合材料一侧由陶瓷赋予耐热性，另一侧金属赋予其机械强度及热传导性，并且二侧之间的连续过渡能使温度梯度所产生的热应力得到充分缓和。从陶瓷到金属，成份渐变所组成的复合材料。这种连续变化构成了材料性能的梯度变化。材料必须抗表面氧化，在冷的表面层保持韧性，必须经得起热梯度的变化。例如：一个三维的碳-碳复合材料掺入sic-c功能复合材料涂层，具有由sic到c的成份梯度，显示出比未涂层材料较好的抗热冲击性能。chapter4:ceramic matrix compositechapter4:

26、ceramic matrix composite简述功能梯度复合材料的制备工艺。cvd, pvd, pvd+cvd, 颗粒梯度排列法，shscvd: 通过选择合成温度，调节气流量和控制压力，利用源气在高温条件下的分解或气相反应，在颗粒、纤维、晶须以及其它具有开口气孔的增强骨架上沉积所需的陶瓷基质的方法。pvd: 通过物理的方法使源物质蒸发，在基体材料上成膜的一种制备材料的方法。cvdpvd颗粒梯度排列法颗粒填充法：成型时使颗粒呈梯度分布，再进行热压烧结。金属颗粒中间过渡层陶瓷颗粒；薄膜叠层法chapter4:ceramic matrix composite4 仿生结构陶瓷基复合材料仿生结构陶瓷

27、基复合材料chapter4:ceramic matrix compositechapter4:ceramic matrix composite(1) 层状复合材料层状复合材料chapter4:ceramic matrix composite层状复合材料层状复合材料-实例实例1chapter4:ceramic matrix compositechapter4:ceramic matrix composite* * 仿生结构的设计思想仿生结构的设计思想 简单组成、复杂结构简单组成、复杂结构 引入弱界面层，引入弱界面层， 使裂纹在弱界面层中反复偏折，消使裂纹在弱界面层中反复偏折，消耗大量能量耗大量能

28、量 非均质设计、精细结构非均质设计、精细结构已进行的研究：si3n4/bn、sic/c、sic/bnchapter4:ceramic matrix compositechapter4:ceramic matrix compositechapter4:ceramic matrix compositechapter4:ceramic matrix compositechapter4:ceramic matrix compositechapter4:ceramic matrix composite（2） 纤维独石复合材料纤维独石复合材料 1990 clegg提出并制备出层状材料 基本性能基本性能 增

29、韧机制增韧机制 裂纹扩展路径裂纹扩展路径强度：600mpa 断裂功：4kj/m2断裂韧性：20mpam1/2 裂纹偏转、桥接、摩擦滑移等* * 纤维独石材料基本性能：纤维独石材料基本性能： 1993 baskaran提出并原位合成了纤维独石材料并制备出层状及纤维独石的si3n4/bn复合材料 1993 本课题组提出陶瓷材料仿生结构的设计思想，chapter4:ceramic matrix composite si3n4/bn 复合材料不同界面相成分的界面韧性值复合材料不同界面相成分的界面韧性值1 随着al2o3 添加量的增加，界面韧性值呈增大的趋势，表明界面结合力也随着增加。 2 当界面成分为

30、纯的al2o3 时，裂纹不能发生偏转，直接越过界面使基体诱发贯穿裂纹产生脆性断裂。 3 为了提高增韧的效果，同时不使材料的强度降低太多，选择bn+36vol%al2o3作为si3n4/bn复合材料的优化界面组成。016% 36% 63%100%37.1653.9571.86119.21-参数不同体积分数al2o3 添加量gi(j/m2)断裂功(j/m2)2880330252554137268chapter4:ceramic matrix composite* si3n4/bn纤维独石材料的制备工艺纤维独石材料的制备工艺si3n4+y2o3+al2o3球磨混合干燥过筛轧膜混料粘结剂+润滑剂+增塑

31、剂涂层材料球磨配制悬浮液挤制纤维坯体悬丝干燥涂层干燥排布纤维干压预成型纤维独石坯体排胶热压烧结chapter4:ceramic matrix composite400200100200300abload (n)displacement (m)* si3n4/bn纤维独石材料的力学性能纤维独石材料的力学性能载荷载荷- -位移曲线位移曲线裂纹扩展路径裂纹扩展路径抗弯强度：断裂韧性：705.471mpa20.011.17mpam1/2chapter4:ceramic matrix composite* si3n4/bn纤维独石材料的高温蠕变性能纤维独石材料的高温蠕变性能不同应力和温度下材料的断裂时间不同应力和温度下材料的断裂时间 温度 ()蠕变应力(mpa)断裂寿命(hours)10