第5章-陶瓷基复合材料-新

第5章陶瓷基复合材料本章教学目的：掌握陶瓷基复合材料的种类和性能掌握陶瓷基复合材料常用制造工艺掌握氧化物基及非氧化物基陶瓷复合材料的性能、制备方法及应用本章重点难点：氧化物基、非氧化物基陶瓷复合材料的性能、制备及应用使用温度密度热膨胀系数断裂韧性§5.1陶瓷基复合材料的种类和性能5.1.1陶瓷基复合材料的种类5.1.1.1

按用途分结构用复合材料

功能复合材料

5.1.1.2

按增强体形态分（1）颗粒增强陶瓷基复合材料延性颗粒

刚性颗粒

金属颗粒，如Ni,Fe,Co等。

陶瓷颗粒，如SiC，Si3N4等。

§5.1陶瓷基复合材料的种类和性能SiCp/Si3N4复合材料§5.1陶瓷基复合材料的种类和性能增韧机制：利用第二相粒子与基体晶粒之间的弹性模量与热膨胀系数上的差异，在冷却中粒子和基体周围形成残余应力场。这种应力场与扩展裂纹尖端应力交互作用，从而产生裂纹偏转、绕道、分支和钉扎等效应，对基体其增韧作用。§5.1陶瓷基复合材料的种类和性能第二相颗粒增韧机制1）热膨胀失配增韧机制在应力场中，颗粒受力：在基体中产生的径向应力和切向应力：当裂纹的扩展路径：第二相颗粒增韧机制当裂纹的扩展路径：第二相颗粒增韧机制第二相颗粒增韧机制2）应力诱导微裂纹区增韧机制3）残余应力场增韧机制第二相颗粒增韧机制4）颗粒的裂纹侨联增韧机制第二相颗粒增韧机制影响第二相颗粒增韧效果的主要因素是基体与第二相颗粒的弹性模量和线膨胀系数之差以及两相的化学相容性。化学相容性要求既不出现过量的相间化学反应，同时又能保证较高的界面结合强度，这是颗粒产生有效增韧的前提条件。（2）晶须增强陶瓷基复合材料如SiCw，(Si3N4)w，(Al2O3)W等。

§5.1陶瓷基复合材料的种类和性能晶须的增韧机制1）晶须侨联晶须2）晶须拔出晶须的增韧机制§5.1陶瓷基复合材料的种类和性能（3）纤维增强陶瓷基复合材料如CF、GF、BF、(Al2O3)f、SiCf等。§5.1陶瓷基复合材料的种类和性能纤维增韧的机理在于：陶瓷受力时，由于纤维的强度及弹性模量高，大部分应力由纤维承受，减轻了陶瓷的负担；而且纤维还可以阻止裂纹扩展，起到增韧的作用。在靠近裂纹尖端的纤维在外力作用下沿着它与基体的界面产生界面分离，形成新的表面，这需要消耗外界能量。尽管单位面积的表面能很小，但所有脱粘纤维总的表面能则很大。1）纤维脱粘韧化机理纤维的增韧机制纤维拔出是指在靠近裂纹尖端的纤维在外力作用下沿着它与基体的界面滑出的现象。很显然纤维首先应发生脱粘和断裂才能被拔出。纤维拔出需要外力做功，因此起到增韧作用。2）纤维拔出韧化机理纤维的增韧机制在裂纹扩展时，如果紧靠裂纹尖端处的纤维并未断裂，裂纹在基体中扩展，因此在裂纹的两边纤维搭起了小桥，使两岸联在一起，称之为纤维搭桥。这会在裂纹表面形成压应力，以抵销外加拉应力的作用，使裂纹难以进一步扩展，从而起到增韧作用。3）纤维搭桥韧化机理纤维的增韧机制设计纤维或晶须增强陶瓷时的原则：

尽量使纤维在基体中均匀分散弹性模量要匹配热膨胀系数要匹配适量的纤维体积分数纤维直径必须在某个临界尺寸之下良好的化学相容性与基体晶粒尺寸在同一数量级。§5.1陶瓷基复合材料的种类和性能5.1.1.3

按基体材料分（1）氧化物基陶瓷复合材料如Al2O3、SiO2、ZrO2、MgO等。（2）非氧化物基陶瓷复合材料如碳化物（SiC、TiC）、氮化物（Si3N4、TiN、BN）、硼化物（TiB2）及硅化物（MoSi2）等。§5.1陶瓷基复合材料的种类和性能（3）微晶玻璃基复合材料如硅酸盐、铝硅酸盐、硼硅酸盐、硼酸盐及磷酸盐等。（4）碳/碳复合材料§5.1陶瓷基复合材料的种类和性能5.1.2陶瓷基复合材料的性能陶瓷基复合材料的力–位移曲线§5.1陶瓷基复合材料的种类和性能不同金属、陶瓷基体和陶瓷基复合材料的断裂韧性比较材料整体陶瓷颗粒增韧晶须增韧金属Al203ZrO2/Al203SiC/Al203铝钢断裂韧性2.7～4.26.5～158～1033～4444～66§5.1陶瓷基复合材料的种类和性能5.2陶瓷基复合材料的制备工艺陶瓷制作过程5.2陶瓷基复合材料的制备工艺（1）粉末冶金法

工艺流程：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）

冷压成形

（热压）烧结适用于颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料。（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，可采用浆体（湿态）法制备颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料。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。采用浆体浸渍法也可制备连续纤维增韧陶瓷基复合材料。5.2.2陶瓷基复合材料的制备工艺浆体法制备陶瓷基复合材料示意图5.2.2陶瓷基复合材料的制备工艺（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：（1）增强剂的体积比可以相当大；（2）可用多种连续纤维预制体；（3）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。5.2.2陶瓷基复合材料的制备工艺反应烧结法制备SiC/Si3N4基复合材料工艺流程图（4）熔体渗透法将复合材料基体升到高温使其熔化呈熔体，然后渗入增强物的预制体中，再冷却形成所需的复合材料。易于制备复杂形状和精确尺寸构件。5.2.2陶瓷基复合材料的制备工艺液态浸渍法制备陶瓷基复合材料示意图（5）化学气相渗透法将含挥发性金属化合物的气体在高温反应形成陶瓷固体沉积在增强剂预制体的空隙中，使预制体逐渐致密而形成陶瓷基复合材料。可以是纤维、晶须和颗粒。5.2.2陶瓷基复合材料的制备工艺优点：工艺温度低；适用范围广，可制备碳化物、氮化物、氧化物、硼化物及碳/碳复合材料。缺点：难以致密化，形成材料的致密度难以达到理论密度的90%；反应气体常会损伤增强剂；排放的余气一般有腐蚀性或有毒，危害环境；工艺时间长，成本较高。5.2.2陶瓷基复合材料的制备工艺§5.3氧化物基陶瓷复合材料5.3.1氧化铝基复合材料§5.3氧化物基陶瓷复合材料5.3.1.1颗粒强化氧化铝基复合材料（1）刚性颗粒如TiC、SiC、ZrO2、Si3N4等。5.3.1氧化铝基复合材料5.3.1氧化铝基复合材料（2）延性颗粒如Cr,Fe,Ni,Co,Mo,W,Ti等。a.Cr/Al2O3复合材料润湿性不好？热膨胀系数不匹配？5.3.1氧化铝基复合材料应用：导弹喷管的衬套、熔融金属流量控制针、热电偶保护套、机械密封环、炉管、火焰防护杆等。特性：优良的高温抗氧化性能、耐腐蚀性能和较高的强度。5.3.1氧化铝基复合材料b.Fe/Al2O3复合材料特性：硬度高、耐磨、耐腐蚀、热稳定性高。应用：机械密封环，农用潜水泵机械密封用。5.3.1氧化铝基复合材料5.3.1.2晶须强化氧化铝基复合材料SiCw，SiCw+ZrO2特性：硬度高、强度高、断裂韧性高，热传导性好。应用：小型、形状简单的切削工具，如木工钻头、卷线导轨等。5.3.1氧化铝基复合材料5.3.1氧化铝基复合材料5.3.1氧化铝基复合材料5.3.2氧化锆基复合材料5.3.2.1ZrO2基体ZrO2氧化锆单相陶瓷单斜ZrO2（m相）四方ZrO2（t相）立方ZrO2（c相）1170℃2370℃常用稳定添加剂：CaO、MgO、Y2O3、CeO2和其他稀土氧化物。5.3.2氧化锆基复合材料ZrO2增韧机制（1）

应力诱导相变增韧（2）

微裂纹增韧（3）

表面增韧分散于陶瓷基体表面的四方ZrO2相颗粒，由于在一个面上没有受到约束，相对于基体内的四方ZrO2相颗粒，比较容易相变，在降温或受力后，表面的四方ZrO2相颗粒发生相变，产生体积膨胀，使得陶瓷材料的表面受到压应力，达到增强、增韧的效果。5.3.2.2ZrO2基陶瓷复合材料目的：提高室温和高温强度，抑制晶粒长大。常用增强体：Al2O3、SiCw、尖晶石等。5.3.2氧化锆基复合材料§5.4非氧化物基陶瓷复合材料5.4.1SiC陶瓷基复合材料5.4.1.1SiC基体碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加热至高温还原而成：SiO2+3C→SiC+2CO碳化硅的烧结工艺也有热压和反应烧结两种。由于碳化硅表面有一层薄氧化膜，因此很难烧结，需添加烧结助剂促进烧结，常加的助剂有硼、碳、铝等。5.4.1SiC陶瓷基复合材料5.4.1.2颗粒弥散强化SiC基复合材料如：TiCp/SiC韧化机制：分担载荷，参与应力和裂纹偏转。5.4.1SiC陶瓷基复合材料5.4.1.3晶须强化SiC基复合材料如：SiCW/SiC韧化机制：裂纹偏转。5.4.1SiC陶瓷基复合材料5.4.1.4连续纤维强化SiC基复合材料如：CF、SiCf界面层：BN、B4C、热解C等。5.4.1SiC陶瓷基复合材料5.4.2Si3N4陶瓷基复合材料5.4.2.1Si3N4基体氮化硅是由Si3N4四面体组成的共价键固体。属于六方晶系，有

-Ｓｉ３Ｎ４（低温型）

-Ｓｉ３Ｎ４（高温型）两种晶型。氮化硅的制备与烧结工艺工业硅直接氮化：3Si+2N2→Si3N4二氧化硅还原氮化：3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO烧结工艺优点缺点反应烧结烧结时几乎没有收缩，能得到复杂的形状密度低，强度低，耐蚀性差热压烧结用较少的助剂就能致密化，强度、耐蚀性最好只能制造简单形状，烧结助剂使高温强度降低5.4.2Si3N4陶瓷基复合材料5.4.2Si3N4陶瓷基复合材料5.4.2.2