复合材料原理09第4讲

1、复合材料原理，课程学科分类：材料学课程：成来飞殷小魏超高温结构复合材料防卫科学技术重点实验室2009.3.17，第四是界面热化学相容性，1界面热化学问题2主被动氧化问题3反应和扩散，我们认为复合材料的界面应是相容性，相容性意味着化学相容性和物理相容性，通常，界面热化学相容性复合界面化学相容性：性能和复合过程的界面反应性能和使用过程的高温持续界面扩散关系到热力学和动力学两方面，因此有必要理解界面反应和界面扩散的基本内容。 1、界面热化学问题、1.1为什么要研究界面热化学问题、1.2热化学相图、热化学相图是用相图表示系统中的多种热化学反应的图，能反映各种化学反应的领域和相互关系，列举多种反应关系式

2、更直观。 用于热力学描述复合材料界面反应的化学相图很方便。 用Si-C-O三元系说明热化学相图的描绘方法和作用。 1、界面热化学问题，典型的Si-C-O系统是复合材料中常见的重要系统： NicalonSiC纤维因制造工艺的原因总是含有自由c和氧，如含陶瓷系氧和自由c的SiC纤维金属系涂层SiC涂层的氧化等。1.2热化学相图、1 .界面热化学问题、1.2热化学相图、1 .界面热化学问题、Si-C-O系统在2000K中存在o2(g ) co (g ) (5) sic (s )1/2o2(g ) SiO (g )这样的平衡关系式的c (g ) (6) c (g ) o2(g ) (7)、1.2热化学

3、相图、1 .界面热化学问题、Si-C-O三元系的2000K热化学相图、1 第一线是c的蒸气压(实际上是C(S )的蒸气压):C(S)C(g )是根据G=RTlnPC计算lnPC的1.2热化学相图、1 .界面热化学问题、第二线是Si-SiC界面上的c的活性度： SiC(S)Si(l) C(g )、1.2热化学相图、1 垂直线是基于SiSiO2界面的氧平衡压力： Si(l) O2(g)SiO2(l )是基于GRTlnPO2计算的， 1.2热化学相图，1 .界面热化学问题斜线表示SiC-SiO2界面上PC和PO2的平衡关系： SiC(s) O2(g)SiO2(l) C(g )表示g=rtln (PC

4、/po2) lnpclnpo2g=rtlnpcrtlnpo2(斜率1 1 .界面热化学问题用长斜线表示的CO的压力PCO，由于G=-RTlnPCO RTlnPC 1/2lnPO2，lnPCO=constant线束lnPC-1/2lnPO2(斜率-1/2)，在SiCO系统平衡时，成为co (g ) c 1 .可能发生界面热化学问题的相图是C-SiC、Si-SiC、SiC-SiO2、Si-SiO2， 表示C-SiO2四个区域的CSiC界面lnPC=-11.4具有高化学稳定性的SiCSi界面lnPC=-12.7具有高化学稳定性的SiSiO2界面lnPO2=-15.3SiCSiO2界面lnPO2为-1

5、3.8-15.3lnPC为-11.4-12.7 但是，一定的PCO压力与一定的O2浓度相对应，界面氧浓度必须通过氧在SiO2中的扩散来提供。 由于O2在SiO2中的扩散很慢，所以CO的压力受O2扩散控制。 1.2热化学相图、1 .界面热化学问题、Si-C-O系平衡时SiO(g):SiC(S) 1/2O2(g)SiO(g) C(g )长斜线表示SiO的压力PSiO为G=RTlnPCRTlnPSiO(g) 1/2RTlnPO2命令PSiO (2 )、1.2热化学相图、1 .界面热化学问题、1 .界面热化学问题长斜线是CO2的压力PCO2为g=-rtlnpco2rtlnrtpnc2(g ) LNP

6、gco2=constantlnpc-lnpo2(斜率-1)，Si-C-O三元系为co2c (g )。 显示有可能使1.2热化学相图反应的SiC-SiO2界面的2000K的CO压力有可能超过0.7气压，SiC表面的氧化层SiO2(保护膜)如果低于该压力，气泡核生长，因此不稳定，应该相反抑制比该压力高的气体。SiC和Sio2稳定共存的氧浓度区间为lnpO2=-13.8-15.3、1.2热化学相图、1 .界面热化学问题，如果氧化层中含有杂质，例如H2O，则SiO2中的O2的扩散速度大幅度增加，如果界面处的氧浓度比e-13.8大，则SiC 气体中一般含有大量的水和杂质。 因此，SiC在气体中的使用温度

7、比空气中低。 1.2热化学相图、1 .界面热化学问题、热力学上C-SiO2界面为1273K，界面气相CO的压力可能高，但仅在O2扩散达到界面O2浓度高的水平时才能生成CO，但温度低，扩散慢。 因此，CSiO2在1000C左右共存是动力学因素。 低温成形，1.2热化学相图，1 .界面热化学问题，2.1被动氧化，2 .主被动氧化，被动氧化：形成高氧分压和中温区，SiO2保护膜，阻止氧的进一步扩散，控制反应，2 .主被动氧化，2.1被动氧化，主动氧化：低氧分压和高温区，SiO气体相生成物快速消耗SiC表面，控制反应，2 .主被动氧化2.2积极氧化，在Ptot=800Pa和PO2=15Pa的气氛下SiC的划分氧化机制，2 .主导被动氧化，2.3主导被动氧化的热力学分析，Ptot=