第八章陶瓷基复合材料

1、NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU微裂纹增韧微裂纹增韧 相变增韧相变增韧 拔出效应拔出效应 裂纹偏转增韧裂纹偏转增韧 桥连增韧桥连增韧 五五 陶瓷基复合材料的增韧机理陶瓷基复合材料的增韧机理 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU破坏材料破坏材料的原因的原因 有形的裂纹有形的裂纹 阻止裂纹产生阻止裂纹产生或者使已产生或者使已产生的裂纹愈合的裂纹愈合 损耗其能量使损耗其能量使裂纹不能继续裂纹不能继续扩展扩展 塑性材料塑性材料 脆性材料脆性材料 无形的能量无形的能量 裂纹扩展所携裂纹扩展所携带的能量带的能量 N

2、ORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU微裂纹增韧微裂纹增韧 损耗裂纹扩展能量使裂纹不能继续扩展损耗裂纹扩展能量使裂纹不能继续扩展 用多条微裂纹的扩展分散化解一条裂纹扩展的能量用多条微裂纹的扩展分散化解一条裂纹扩展的能量 控制微裂纹的尺寸使之不能超过材料允许的临界裂纹尺寸控制微裂纹的尺寸使之不能超过材料允许的临界裂纹尺寸 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU相变增韧相变增韧 相当于材料内存在大量可以消耗裂纹能相当于材料内存在大量可以消耗裂纹能量的能量体。量的能量体。 缺点：不能用于高温缺点：不能用于高温NORTH

3、WESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU拔出效应拔出效应 拔出效应是指纤维在外界负载作用下从基质中拔出，因界拔出效应是指纤维在外界负载作用下从基质中拔出，因界面摩擦消耗外界负载的能量而达到增韧的目的。面摩擦消耗外界负载的能量而达到增韧的目的。增韧效果与界面粘合强度强烈相关。界面粘合要适中。增韧效果与界面粘合强度强烈相关。界面粘合要适中。 太弱：纤维拔出时消耗能量太少太弱：纤维拔出时消耗能量太少 太强：纤维不发生拔出。太强：纤维不发生拔出。 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU裂纹偏转增韧裂纹偏转增韧 NORTHWESTE

4、RN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU桥连增韧桥连增韧在基质断裂后，纤维承受外界载荷并在断开的裂纹面之间架桥。在基质断裂后，纤维承受外界载荷并在断开的裂纹面之间架桥。桥接的纤维对基质产生使裂纹闭合的力，消耗外界载荷所做的桥接的纤维对基质产生使裂纹闭合的力，消耗外界载荷所做的功，从而提高了陶瓷的韧性。功，从而提高了陶瓷的韧性。 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU陶瓷基复合材料的增韧机理陶瓷基复合材料的增韧机理 微裂纹增韧微裂纹增韧 相变增韧相变增韧 拔出效应拔出效应 裂纹偏转增韧裂纹偏转增韧 桥连增韧桥连增韧 NORTHWEST

5、ERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU1 1、异相弥散强化增韧、异相弥散强化增韧 基体中引入第二相颗粒，利用基体和第二相之间热膨胀系数和弹性模量的差基体中引入第二相颗粒，利用基体和第二相之间热膨胀系数和弹性模量的差异，在试祥制备的冷却过程中，在颗粒和基体周围产生残余压应力。异，在试祥制备的冷却过程中，在颗粒和基体周围产生残余压应力。 当当 p m，颗粒和基体之间的应颗粒和基体之间的应力使裂纹在前进过程中偏转，如图力使裂纹在前进过程中偏转，如图所示。所示。 ppmmmphmrEET2121)(裂纹走向裂纹走向 mr张应力张应力 m 压应力压应力 六六 陶瓷材料的其它增韧机

6、理（陶瓷材料的其它增韧机理（力学性能中的一节力学性能中的一节） NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU显微结构增韧显微结构增韧 超细化和纳米化是减小陶瓷饶结超细化和纳米化是减小陶瓷饶结体中气孔、裂纹和尺寸、数量和体中气孔、裂纹和尺寸、数量和不均匀性的最有效的途径。不均匀性的最有效的途径。 2 2、显微结构增韧、显微结构增韧 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU 利用控制工艺因素，使陶瓷晶粒在利用控制工艺因素，使陶瓷晶粒在原位形成有较大长径比的形貌，起到类原位形成有较大长径比的形貌，起到类似于晶须补强的作用，如

7、控制似于晶须补强的作用，如控制Si3N4制制备过程中的氮气压，就可得到长径比不备过程中的氮气压，就可得到长径比不同的条状、针状晶粒，这种晶粒形状对同的条状、针状晶粒，这种晶粒形状对断裂韧性有较大影响。断裂韧性有较大影响。 3 3、显微结构增韧、显微结构增韧 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU (1) 表面微氧化技术表面微氧化技术 对对Si3N4SiC等非氧化物陶瓷，通过控制表面氧化技术，可消除表面缺等非氧化物陶瓷，通过控制表面氧化技术，可消除表面缺陷，达到强化目的。陷，达到强化目的。 (2) 表面退火处理表面退火处理 陶瓷材料在低于烧结温度下长时间

8、退火，一方面可消除因烧结快冷产生的陶瓷材料在低于烧结温度下长时间退火，一方面可消除因烧结快冷产生的内应力，另一方面可以消除加工引起的表面应力，同时可以弥合表面和次内应力，另一方面可以消除加工引起的表面应力，同时可以弥合表面和次表面的裂纹。表面的裂纹。 (3) 离子注入表面改性离子注入表面改性 离子注入使表面引入压应力，从而使强度明显增加。离子注入使表面引入压应力，从而使强度明显增加。 (4) 其它方法其它方法 激光表面处理、机械化学抛光等也是消除表面缺陷、改善表面状态、提激光表面处理、机械化学抛光等也是消除表面缺陷、改善表面状态、提高韧性的重要手段。高韧性的重要手段。 4、表面强化和增韧、表面

9、强化和增韧 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPUVGas flow (laminar) Stagnant boundary layer Substrate Coating Regimes (rate limiting steps) Homogeneous nucleation Mass transport Surface kinetics Precursor species Molecular Nuclei adsorbed species Chemically Physically (and diffusion) Chemically (with

10、dissociation) CHEMICAL VAPOR DEPOSITION PROCESS CHEMICAL VAPOR DEPOSITION PROCESS (hot wall reactor) (hot wall reactor) 1 CVD原理简介原理简介 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU H2 ： Mass Flow Controller ： Heating elementMFCMFCMFCMFCArMFCExhaust Specimen Reactor CVI 原理原理 连续纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法连续纤维增强陶瓷基复合材料

11、的制备方法 化学气相渗透（化学气相渗透（CVI） （CHEMICAL VAPOR INFILTRATION PROCESS） NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU2 2 CVI工艺原理工艺原理 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU3 3 CVI与与CVD的异同点的异同点 CVD CVI 相同点相同点 基本原理相同基本原理相同不不同同点点 宏观宏观 在表面沉积在表面沉积在多孔固体的孔隙内壁沉积在多孔固体的孔隙内壁沉积微观微观 气体传质比较充分，气体传质比较充分，一般不会影响反应一般不会影响反应沉积速率沉积速率

12、气体传质速率受到限制，成为影气体传质速率受到限制，成为影响反应沉积的主要因素响反应沉积的主要因素NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU 等温等温CVI工艺工艺 脉冲等温脉冲等温CVI工艺工艺 热梯度热梯度CVI工艺工艺 压力梯度压力梯度CVI工艺工艺 强制流动热梯度强制流动热梯度CVI工艺工艺 4 4 CVI工艺的种类工艺的种类 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU 最早用于陶瓷基复合材料制备的最早用于陶瓷基复合材料制备的CVI工艺工艺 应用最广泛的应用最广泛的CVI工艺工艺 工艺装置最简单的工艺装置最简单的

13、CVI工艺工艺 等温等温CVI工艺工艺 4 4 CVI工艺的种类工艺的种类 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU 工艺原理工艺原理 反应容器内的温度及气体分压均匀反应容器内的温度及气体分压均匀分布分布 等温等温CVI工艺工艺 SiCH3Cl3SiC3HCl 4 4 CVI工艺的种类工艺的种类 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU 缺点：缺点： 易出现结壳现象，导致密度不均匀易出现结壳现象，导致密度不均匀 反应速率大于传质速率反应速率大于传质速率 4 4 CVI工艺的种类工艺的种类 等温等温CVI工艺工艺 气

14、体传质方向气体传质方向 气体分压较高气体分压较高 气体分压较低气体分压较低 ClSiCHAeClkSiCHv33RTE33NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU4 4 CVI工艺的种类工艺的种类 脉冲脉冲CVI工艺工艺 气体流量周期性变化气体流量周期性变化炉内压力周期性变化炉内压力周期性变化NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU 微观因素：微观因素：存在流量压力的微观变化存在流量压力的微观变化4 4 CVI工艺的种类工艺的种类 脉冲脉冲CVI工艺工艺 影响工艺效率的因素影响工艺效率的因素存在特殊的时间因素存在特

15、殊的时间因素 等温等温CVI工艺中的影响因素在脉冲工艺中的影响因素在脉冲CVI工艺中都存在工艺中都存在 流量或压力流量或压力时间时间NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU4 4 CVI工艺的种类工艺的种类 热梯度热梯度CVI工艺工艺 发热体发热体 ClSiCHAeClkSiCHv33RTE33NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU4 4 CVI工艺的种类工艺的种类 热梯度热梯度CVI工艺工艺 等温等温CVI工艺中的影响因素在热梯度工艺中的影响因素在热梯度CVI工艺中都存在工艺中都存在 存在特殊的空间因素存在特殊

16、的空间因素 微观因素：微观因素： 存在温度场的微观变化存在温度场的微观变化 浓度梯度浓度梯度 温度梯度温度梯度 ClSiCHAeClkSiCHv33RTE33NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU4 4 CVI工艺的种类工艺的种类 压差压差CVI工艺工艺 气体强制通过预气体强制通过预制体，在预制体内存制体，在预制体内存在气体压力差。传质在气体压力差。传质效率大大提高。效率大大提高。 发热体发热体 ClSiCHAeClkSiCHv33RTE33NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU4 4 CVI工艺的种类工艺的种

17、类 压差压差CVI工艺工艺 等温等温CVI工艺中的影响因素在压差工艺中的影响因素在压差CVI工艺中都存在工艺中都存在 存在特殊的空间因素存在特殊的空间因素 微观因素：微观因素：存在压力的变化存在压力的变化NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU4 4 CVI工艺的种类工艺的种类 强制流动热梯度强制流动热梯度CVI工艺（工艺（FCVI） 气体强制通过预气体强制通过预制体，从低温端流向制体，从低温端流向高温端，在预制体内高温端，在预制体内存在气体压力梯度和存在气体压力梯度和温度梯度，其变化趋温度梯度，其变化趋势相反。势相反。 NORTHWESTERN POL

18、YTECHNICAL UNIVERSITYNPU4 CVI4 CVI工艺的种类工艺的种类 等温等温CVI工艺中的影响因素在工艺中的影响因素在FCVI工艺中都存在工艺中都存在 存在特殊的空间因素存在特殊的空间因素 微观因素：微观因素： 存在压力的变化和温度的变化存在压力的变化和温度的变化 强制流动热梯度强制流动热梯度CVI工艺（工艺（FCVI） ClSiCHAeClkSiCHv33RTE33NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPUCVICVI工艺的优点和缺点工艺的优点和缺点 优点：优点： 对纤维损伤小。可以获得比较理想的力学性能对纤维损伤小。可以获得比较理想的力学性能 易于大批量生产易于大批量生产 易于制造异形件易于制造异形件 5 CVI5 CVI工艺的优点和缺点工艺的优点和缺点 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPUCVIC