4陶瓷基复合材料

1、1,陶瓷基复合材料,2,陶瓷基复合材料,陶瓷基体材料 陶瓷基复合材料的制造工艺 陶瓷基复合材料的性能 陶瓷基复合材料的增韧机制 碳/碳复合材料,3,陶瓷材料的特点 陶瓷材料也称为无机非金属材料，以无机非金属天然矿物或化工产品为原料，经原料处理、成型、干燥、烧成等工序制成的产品。 陶瓷材料与金属材料的区分： 根据两种材料的电阻-温度系数来区别。 陶瓷材料与有机高分子材料的区分： 可以从分子结构上来区别。 高分子材料含有不连续的大分子，在分子内的碳原子是由共价键相联，分子与分子间则通过较弱的分子键或氢键结合。 陶瓷材料没有不连续的分子，是一种或多种原子的空间排列，有序为晶体，否则为非晶材料。,陶瓷

2、基复合材料,4,陶瓷材料的特点 陶瓷材料可分为： 普通陶瓷 (Conventional Ceramics）：砖、陶器、瓷器等。 精细陶瓷(Advanced Ceramics)：硅、铝、钛、锆等的氧化物、氮化物和碳化物等。 陶瓷材料以高的抗压性能、很高的化学稳定性和高的熔点著称。,陶瓷基复合材料,5,陶瓷材料的特点,陶瓷材料的特点： 很好的耐热性 很好的化学稳定性 良好的电绝缘特性 高的耐磨性能 低的密度 低的韧性,陶瓷基复合材料,断裂韧性K1C 反映含裂纹材料或构件的抗裂纹扩展的能力，又称为强度因子。陶瓷材料不象金属材料有塑性变形，因此在受机械拉伸或热冲击载荷时可能出现灾难性的失效。所以提高其

3、韧性是陶瓷基复合材料最重要的目标。,6,陶瓷材料的特点,使用温度,陶瓷基复合材料,7,陶瓷材料的特点,材料的密度,陶瓷基复合材料,8,陶瓷材料的特点,热膨胀系数,陶瓷基复合材料,9,陶瓷材料的特点,断裂韧性,陶瓷基复合材料,10,陶瓷基复合材料,陶瓷基复合材料：在陶瓷基体中引入第二相材料，使之增强、增韧的多相材料，又称多相复合陶瓷或复相陶瓷。 增强相与基体的模量之比相当低，为0.1-1 。 陶瓷基复合材料中，提高强度不是其目的，最主要的是提高其韧性。,陶瓷基复合材料,11,陶瓷基复合材料的种类,陶瓷基复合材料,纤维（晶须）增韧（增强）陶瓷基复合材料。 异相颗粒弥散强化复相陶瓷：刚性颗粒（陶瓷）

4、，韧性颗粒（金属）。 原位生长陶瓷复合材料。 梯度功能复合陶瓷：也称倾斜功能陶瓷，陶瓷与金属材料的梯度复合，两类陶瓷梯度复合。适应材料两侧不同的工作条件与环境要求，减少热应力。 纳米陶瓷复合材料：陶瓷基体中含有纳米粒子第二相的复合材料。包括：基体晶粒内弥散纳米粒子第二相；基体晶粒间弥散纳米颗粒第二相；基体和第二相同为纳米颗粒。,12,陶瓷基体材料,陶瓷基体材料的基本要求,13,陶瓷基体材料,陶瓷基体材料的基本要求,14,陶瓷基体材料,陶瓷基体材料的基本要求,具有良好的抗蠕变、疲劳和冲击性能； 具有很好的化学稳定性，不易受到环境中温度、氧化或还原气氛的影响，不易挥发； 具有较高的韧性； 能够渗入

5、、浸润纤维束、晶须束或颗粒预成型件中； 与增强相能形成良好的界面联接； 在制造和使用过程中，与增强纤维不发生化学反应； 不会物理损坏增强纤维。,15,陶瓷基体材料,陶瓷基体材料的化学键及晶体结构,1 陶瓷材料的化学键 原子结合键： 三种强结合力的化学键:共价键（Covalent bond)、离子键(Ionic bond)、金属键(metallic bond)； 二种弱结合键：范德华键 (van der Waals bond)、氢键(hydrogen bond)； 陶瓷材料：离子键或共价键。,16,陶瓷基体材料,陶瓷基体材料的化学键及晶体结构,2 陶瓷材料的晶体结构 通常金属阳离子尺寸较非金属的

6、阴离子小，在陶瓷晶体中经常占据的是由非金属阴离子构成的晶格中的间隙位置。 简单立方：CsCl, CsBr, CsI 面心立方：NaCl, CaO, MgO, MnO, NiO, FeO, BaO 密排六方：ZnS, Al2O3,17,陶瓷基体材料,陶瓷基体材料的化学键及晶体结构,几种陶瓷晶体结构介绍 MX型结构（M为金属阳离子，X为阴离子） 闪锌矿结构,18,陶瓷基体材料,陶瓷基体材料的化学键及晶体结构,几种陶瓷晶体结构介绍 MX型结构 NaCl型结构 MgO, NiO, TiC, VC, VN等都是这种结构，具有这种结构的化合物多数有熔点高、稳定性好的特点。,19,陶瓷基体材料,陶瓷基体材料

7、的化学键及晶体结构,几种陶瓷晶体结构介绍 MX2型结构 这种结构的典型代表是金红石结构。单位晶胞中的8个顶角和中心为阳离子，阴离子的位置则正好处于由阳离子构成的稍有变形的八面体中心。,20,陶瓷基体材料,陶瓷基体材料的化学键及晶体结构,几种典型陶瓷晶体结构介绍 M2X型结构 这种结构以赤铜矿为代表。阴离子构成体心立方结构，阳离子处于间隙中。,21,陶瓷材料的制备方法,陶瓷普通制备工艺 在普通工艺中都包括以下几个步骤： 原材料制成粉状； 粉末压制成一定的形状的坯料； 坯料在高温下的烧结，也可能在高温和压力下进行； 加工至最终形状和尺寸。,陶瓷基体材料,22,陶瓷材料的制备方法,陶瓷普通制备工艺

8、热等静压工艺（Hot Isostatic Pressing, HIP) 压力为100-300MPa，温度可达 1400，时间在1-8h。,陶瓷基体材料,23,陶瓷材料的制备方法,陶瓷普通制备工艺 化学气相沉积工艺（Chemical Vapor Deposition, CVD),陶瓷基体材料,24,陶瓷材料的制备方法,陶瓷普通制备工艺 溶胶-凝胶工艺（Sol - gel）,陶瓷基体材料,25,陶瓷材料的制备方法,陶瓷普通制备工艺 溶胶-凝胶工艺（Sol - gel）,陶瓷基体材料,26,陶瓷材料的制备方法,新型陶瓷制备工艺 自延高温合成工艺（Self-propagating high tempe

9、rature synthesis, SHS） 该类工艺的又一名称为铝热燃烧反应。铝与氧化铁的放热反应释放出的热量很多，可使温度达到 2500 。 SHS 的突出特点： 极高的燃烧温度 简单、低成本的设备 能精确控制其化学成分 能制备不同的形状的零件,陶瓷基体材料,27,一些常用陶瓷材料的介绍,碳化硅 碳化硅（SiC）是一种非常硬而脆的材料。在还原气氛中，碳化硅具有很好的耐烧蚀与化学腐蚀能力。在氧化气氛中，碳化硅中的自由 Si 可能被氧化，在极高温度下，碳化硅也可能被氧化。 碳化硅主要有两种晶体结构，一种为 - SiC，属于六方晶系，另一种为 - SiC，属立方晶系。多数碳化硅以 - SiC为主

10、晶相。 碳化硅并不是一种天然存在的矿物，虽然硅和碳都是地球上存在着的最丰富的元素之一。,陶瓷基体材料,28,一些常用陶瓷材料的介绍,碳化硅 主要的制备工艺有： 热压烧结法 反应烧结法 化学气相沉积法 热压烧结法 需要添加剂：MgO, B, C , Al 需要的热压温度非常高：1900 - 2200 压力：35 Mpa 热压后的碳化硅制品必须用金刚石来打磨、修整，很贵。,陶瓷基体材料,29,碳化硅 反应烧结法 原材料为碳化硅粉、石墨和增塑剂混合料。 粉状的原材料被压制、拉挤或注射到模具中，得到坯料。 分解增塑剂。 渗入硅的固体、液体或气体到坯料中与其中的碳反应原位形成碳化硅。 在这一工艺中，额外

11、的 2-12%硅被渗入进去，以填充形成的空隙，因而可得到致密的制件。,一些常用陶瓷材料的介绍,陶瓷基体材料,30,碳化硅,陶瓷基体材料,一些常用陶瓷材料的介绍,用不同工艺制备的碳化硅的性能,31,氮化硅,一些常用陶瓷材料的介绍,陶瓷基体材料,氮化硅（Si3N4) 是键合能很高的共价化合物。有两种晶体结构，型与型，两者均为密排六方结构，但- Si3N4的C-轴长度是 -Si3N4的两倍。 主要的制备工艺有： 冷压烧结法 热压烧结法 反应烧结法 热等静压法 化学气相沉积法,32,碳化硅,一些常用陶瓷材料的介绍,陶瓷基体材料,反应烧结法 将硅粉压成需要的形状，然后在1100-1400 的高温下通入纯

12、氮气或氮气与氢气的混合气，这时就有下列反应发生： 3Si (s) + 2 N2(g) Si3N4(s) 3Si (g) + 2 N2(g) Si3N4(s) Si(s) + SiO2 2SiO(g) 第三个反应说明了在反应过程中硅的减少。 反应烧结法制备的氮化硅孔隙率较热压制品高（10%），因此其中温下的抗氧化能力也较低，通常其强度 400MPa, 一般为250 MPa左右。,33,碳化硅,一些常用陶瓷材料的介绍,陶瓷基体材料,化学气相沉积 化学气相沉积法用来制备氮化硅的绝缘（热）或防扩散膜。 将硅烷或氯化硅在800-1100 的温度下与氨气反应，就可制备得到氮化硅，具体的化学反应如下： 3S

13、iH4(g) + 4NH3(g) Si3N4(s) + 12 H2(g) 3SiCl4(g) + 4NH3(g) Si3N4(s) + 12 HCl(g) 3SiHCl3(g) + 4NH3(g) Si3N4(s) + 9HCl (g) + 3 H2(g) 用该方法制备的氮化硅致密，但不能制备复杂的形状。,34,碳化硅,陶瓷基体材料,一些常用陶瓷材料的介绍,用不同工艺制备的氮化硅的性能,35,一些常用陶瓷材料的介绍,氧化铝 氧化铝陶瓷也称为高铝陶瓷，主要成分为Al2O3和SiO2。 Al2O3含量越高，性能越好。 Al2O3只有一种稳定的晶体结构， 即 -Al2O3，呈密排六方结构。 氧化铝的

14、制备原料是工业氧化 铝，加入少量的添加剂后，经压 制坯料烧结而成。 氧化铝的硬度很高，有很好的 耐磨性，很好的耐高温性能，在 1600下仍能长期工作。,陶瓷基体材料,36,一些常用陶瓷材料的介绍,氧化铝 氧化铝陶瓷的主要性能,陶瓷基体材料,37,一些常用陶瓷材料的介绍,金属间化合物（Intermetallics) 金属间化合物是指所有两种或两种以上金属组成的化合物（有序的或无序的）。 可应用于飞机涡轮叶片上的金属间化合物是铝镍和铝铁、铝钛化合物，但其使用温度一般低于1600（0.8Tm)，只有一些含硅的金属间化合物的结构与耐氧化性能可能达到 1600以上。,陶瓷基体材料,38,一些常用陶瓷材料

15、的介绍,金属间化合物（Intermetallics),陶瓷基体材料,39,陶瓷基体材料,一些常用陶瓷材料的介绍,金属间化合物（Intermetallics),一些金属间化合物的性能,40,陶瓷基复合材料制造工艺,陶瓷材料的特点决定了工艺的设计与选择,41,陶瓷基复合材料制备工艺,1、熔点5、热膨胀系数 2、挥发性6、蠕变特性 3、密度7、强度 4、弹性模量8、断裂韧性 9、基体与增强相之间的相容性 化学稳定性 热相容性 与环境的相容性：内部的和外部的，外部的相容性是指氧化和蒸发性能。,影响制备工艺的因素,42,普通工艺介绍,粉末冶金工艺 (冷压与烧结工艺) 是一种被广泛应用的工艺。适用于连续纤

16、维、长纤维、短纤维、颗粒或晶须增强的陶瓷基复合材料。 粉末制备 压 制 烧 结 后处理 (增强相+基体 (单向、双向 (温度， (二次 成品 +粘结剂) 等静压 ) 时间) 加工),陶瓷基复合材料制备工艺,43,普通工艺介绍,粉末冶金工艺 粉末制备 粉体: 粉体是介于致密体与 胶体之间的颗粒集合物，其 颗粒当量直径在0.1微米和 1毫米之间。,陶瓷基复合材料制备工艺,44,普通工艺介绍,粉末冶金工艺 陶瓷粉末制备方法 粉体的性能直接影响陶瓷的性能，制备高纯、超细、组分均匀分布、无团聚的粉体是获得优良陶瓷基复合材料的关键。 制粉的方法： 机械法：工艺简单、产量大。常用的是球磨和搅拌震动磨。 化学

17、法：可获得性能优良的高纯、超细、组分均匀的粉料。可分为固相法、液相法和气相法三种。 液相法是目前工业上和实验室中广泛采用的方法，主要用于氧化物系列超细粉末的合成。 气相法多用于制备超细、高纯的非氧化物陶瓷材料。,陶瓷基复合材料制备工艺,45,粉末冶金工艺 压制工艺 单向或双向的模压、等静压制、振动压制、粉末轧制及粉浆浇注。 压制过程中粉末行为 颗粒间位移，密度增加，压力不变； 颗粒间产生磨擦位移，密度继续增加，压力升高； 颗粒产生弹性变形，压制过程的本质变化，密度不再提高，压力增加很快； 颗粒发生塑性变形和脆性断裂。 影响压制过程的因素 粉体的物理特性，硬度、纯度、形状、松装密度； 成形剂（润

18、滑剂）； 加压方式与压力的大小、加压速度。,普通工艺介绍,陶瓷基复合材料制备工艺,46,粉末冶金工艺 烧结过程 烧结过程：是指粉末压坯的适当的温度和气氛条件下，加热一段时间内发生的变化现象和过程。 烧结热力学：烧结是一个体系自由能减少的过程。 缩颈增大，颗粒表面平直化而使比表面积减少； 烧结体内孔隙总体积与总表面积减少； 颗粒内晶格畸变消除。 烧结机制：粘性流动、扩散（体积扩散、表面扩散、晶界扩散）、塑性流动。,普通工艺介绍,陶瓷基复合材料制备工艺,47,热压工艺(Hot pressing) 热压工艺 压力与温度同时作用于粉体，加快了粉体的致密化速度，使得产品的致密度更高，同时晶粒尺寸也更小。

19、 浆体浸渍热压工艺： 制备混合料； 混合料的热压。,普通工艺介绍,陶瓷基复合材料制备工艺,48,热压工艺(Hot pressing) 热压工艺 压力与加热温度是最重要的参数。,普通工艺介绍,陶瓷基复合材料制备工艺,49,热压工艺(Hot pressing) 热压工艺 需要考虑的问题： 操作过程中要防止损坏纤维表面。 纤维张力影响浸渍效果,但过高的张力可能使纤维断裂。 高的压制压力、晶体状的基体陶瓷在与纤维机械接触以及高温下基体与纤维的反应都有可能损坏纤维。 浆料中陶瓷粉的含量、颗粒尺寸分布、粘结剂含量以及溶剂的种类等是重要的参数，复合材料中纤维与基体的相对比例就是由这些参数决定的。 复合材料产

20、品内基体中的孔隙越少越好，因此浆料中的挥发性粘结剂应彻底去除，陶瓷颗粒的尺寸应小于纤维的直径。,普通工艺介绍,陶瓷基复合材料制备工艺,50,热压工艺(Hot pressing) 热压工艺,普通工艺介绍,陶瓷基复合材料制备工艺,浆体浸渍工艺的主要优点： 在预浸料中增强纤维可按不同的要求排放：定向的、交叉的（0/90/0/90）或按一定的角度（+/-/+/-）； 加热温度低； 得到的复合材料的力学性能高。 缺点： 零件形状不能太复杂； 基体材料必须是低熔点或低软化点陶瓷，较适合于非晶陶瓷基体。,51,热压-反应烧结工艺 (Hot pressing-reaction bonding method),

21、普通工艺介绍,陶瓷基复合材料制备工艺,将热压法与反应烧结法结合来制备碳化硅增强氮化硅陶瓷基体复合材料的工艺。 反应烧结工艺： Si 粉 + Si3N4 混合后成型。 95%N2 + 5 H2%气氛、1180 - 1210 预氮化 1-1.5小时，必要时可进行机械加工，达到精确尺寸。 在1350 - 1450 氮化 18 - 36 小时，此时有 3 Si (s) + 2 N2 ( g) Si3N4(s) 3 Si (g) + 2 N2 ( g) Si3N4(s),Si(s) + SiO2 2 SiO(g) 所有的硅都反应变成氮化硅，得到尺寸精密的制品。,52,热压-反应烧结工艺 (Hot pre

22、ssing-reaction bonding method),普通工艺介绍,陶瓷基复合材料制备工艺,反应烧结工艺的优缺点： 纤维或晶须的体积含量大； 可用于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，所以可避免增强纤维的损坏。 高气孔率难以避免。,53,短纤维或晶须增强复合材料的制备工艺 短纤维或晶须与陶瓷浆料混合，烘干，热压。 SiC晶须 Si3N4 浆料 混 合 加入乙醇，球磨 过 滤 干 燥 80 ， 50 h,普通工艺介绍,陶瓷基复合材料制备工艺,54,普通工艺介绍,短纤维或晶须增强复合材料的制备工艺 湿 混 加入有机粘结剂 注射成型 去除粘结剂 400

23、 ， 氮气 锻 烧 1400 ，1 h, 氩气， 热等静压 1600 ，4 h, 200 MPa,55,所谓的新型工艺都是近二十年发展起来的，主要应用于航空航天等高技术领域的生产先进陶瓷基复合材料的工艺。,新型工艺介绍,陶瓷基复合材料制备工艺,液态浸渍法 关键是控制液态基体的流动性。 制成的预制体都有网络孔隙，由于毛细作用陶瓷熔体可渗入这些孔隙。 施加压力或抽真空都将有利于浸渍过程的进行。,56,新型工艺介绍,陶瓷基复合材料制备工艺,液态浸渍法 液态浸渍法的另一方面是可用于拉挤制备边续纤维增强的玻璃陶瓷基复合材料。,57,新型工艺介绍,陶瓷基复合材料制备工艺,液态浸渍法,液态浸渍法的特点 优点

24、： 基体陶瓷用一步简单工艺即可成型； 所得到的基体均匀性好。 缺点： 由于陶瓷材料熔点很高，因此就意味着陶瓷熔体与增强相之间较强的化学反应倾向； 由于陶瓷熔体的高粘度，浸渍预制体较困难； 由于陶瓷基体与增强相之间热膨胀系数的差别可能导致基体的裂纹。解决的办法是选用热膨胀系数相近的基体与增强材料。,58,新型工艺介绍,陶瓷基复合材料制备工艺,直接氧化法,是通过熔融金属与气体反应直接形成陶瓷基体。 Al + 空气 Al2O3 Al + 氮气 AlN 最终得到的是三维含有5 -30%未反应金属相互连接的陶瓷材料。如果将增强颗粒放入熔融金属表面，则会在颗粒周围形成陶瓷。,工艺中化学反应的速率决定了陶瓷

25、生长的速度，一般陶瓷生长速率为1mm/h。部件尺寸可达 20 cm.,59,新型工艺介绍,陶瓷基复合材料制备工艺,直接氧化法,60,新型工艺介绍,陶瓷基复合材料制备工艺,直接氧化法,61,新型工艺介绍,陶瓷基复合材料制备工艺,化学气相浸渍法 (Chemical Vapor Impregnation, CVI),CVI的简单装置： 进气系统； 一个化学气相沉积反应器，其中能够加热基底与导入反应气体； 尾气处理系统。,62,新型工艺介绍,陶瓷基复合材料制备工艺,化学气相浸渍法 (Chemical Vapor Impregnation, CVI),是与制备陶瓷材料相似的化学气相沉积方法。 在1200

26、-1400 K的温度下： CH3Cl3Si(g) SiC(s) + 3HCl(g) 也可以用原料气，如氧化铝基体复合材料的制备，在 950-1000和2-3kPa的压力下:,H2(g)+CO2(g) H2O(g) + CO (g) 2AlCl3(g) + H2O (g) Al2O3(s) + 6 HCl(g) 2AlCl3(g)+3H2(g)+3CO2(g) Al2O3(s)+3CO(g)+6HCl(g),63,新型工艺介绍,陶瓷基复合材料制备工艺,化学气相浸渍法 (Chemical Vapor Impregnation, CVI),CVI工艺的优点： 制备的复合材料在高温下仍有好的机械性能；

27、 可以制备大尺寸、复杂形状和近净形的部件； 适用于很多种类的陶瓷基体与增强纤维。 CVI工艺的缺点： 速度慢、成本高。,64,新型工艺介绍,陶瓷基复合材料制备工艺,溶胶 - 凝胶法 (Sol - Gel),工艺步骤： 制备陶瓷基体组元溶胶； 加入增强相（颗粒、晶须、纤维等）并使其均匀分布于溶胶中； 得到稳定均匀分布有增强相的陶瓷基体组元凝胶； 干燥，压制，烧结后即可形成复合材料。,65,新型工艺介绍,陶瓷基复合材料制备工艺,溶胶 - 凝胶法 (Sol - Gel),溶胶-凝胶法的特点： 优点： 陶瓷基体成分容易控制； 加工温度较低； 复合材料的均匀性好。 缺点： 较大的收缩率； 生产效率低。,

28、66,新型工艺介绍,陶瓷基复合材料制备工艺,金属间化合物基体复合材料的制备,金属间化合物是以金属元素或类金属元素为主要组成的二元系或多元系中出现的中间相。 第一类为常见的有序合金，如CuAu和Cu3Au即是典型的金属间化合物，主要仍为金属键。 第二类在其化学式规定成分两侧有个成分范围，但是熔点以前或是相图上的反应分解以前其原子有序排列都有是稳定的，Ni2Al3 和Ni3Al 在其包晶反应分解之前都是结构稳定的化合物。 第三类金属间化合物的化学式规定成分两侧不再有成分范围。 后两类金属间化合物中多为离子键或共价健。,67,新型工艺介绍,陶瓷基复合材料制备工艺,金属间化合物基体复合材料的制备,68

29、,工艺总结,陶瓷基复合材料制备工艺,69,陶瓷基复合材料的性能,陶瓷材料力学性能测试,弯曲及拉伸试验,70,陶瓷基复合材料的性能,室温力学性能,应力-应变曲线,71,陶瓷基复合材料的性能,室温力学性能,应力-应变曲线,72,陶瓷基复合材料的性能,室温力学性能,拉伸强度与弹性模量,73,陶瓷基复合材料的性能,室温力学性能,压缩与弯曲强度,碳化硅纤维增强锂铝硅玻璃陶瓷复合材料的载荷-位移曲线。 压缩强度为 96.8 MPa，压缩弹性模量为56.6GPa。,SiC纤维增强LAS-I玻璃陶瓷的载荷-位移曲线,74,陶瓷基复合材料的性能,室温力学性能,断裂韧性,碳化硅纤维增强锂铝硅玻璃陶瓷复合材料的断裂

30、韧性随纤维含量的变化。,75,陶瓷基复合材料的性能,室温力学性能,影响因素,增强相体积含量 连续纤维,76,陶瓷基复合材料的性能,室温力学性能,影响因素,增强相体积含量 连续纤维,单向增强碳纤维/玻璃陶瓷复合材料的弯曲强度与纤维体积含量的关系,77,陶瓷基复合材料的性能,室温力学性能,影响因素,增强相体积含量 短纤维,78,陶瓷基复合材料的性能,室温力学性能,影响因素,密度 碳纤维三维编织预制体增强碳化硅基体复合材料,79,陶瓷基复合材料的性能,室温力学性能,影响因素,界面 碳纤维三维编织预制体增强碳化硅基体复合材料,80,陶瓷基复合材料的性能,室温力学性能,影响因素,颗粒含量,81,陶瓷基复

31、合材料的性能,室温力学性能,影响因素,颗粒粒径,82,陶瓷基复合材料的性能,高温力学性能,高温强度,浆体浸渍-热压法制备的碳化硅纤维增强MgO-Al2O3-SiO2复合材料。,83,陶瓷基复合材料的性能,高温力学性能,高温强度,浆体浸渍-热压法制备的碳化硅纤维增强MgO-Al2O3-SiO2复合材料。,84,陶瓷基复合材料的性能,高温力学性能,高温弹性模量,浆体浸渍-热压法制备的碳化硅纤维增强MgO-Al2O3-SiO2复合材料。,85,陶瓷基复合材料的性能,高温力学性能,高温断裂韧性,碳化硅晶须增韧Al2O3陶瓷复合材料。,86,陶瓷基复合材料的性能,高温力学性能,蠕变性能,碳化硅连续纤维增

32、强MAS玻璃陶瓷复合材料。,87,陶瓷基复合材料的性能,高温力学性能,蠕变性能,碳化硅颗粒增强ZTA陶瓷复合材料。,88,陶瓷基复合材料的性能,高温力学性能,热冲击性（热震性）,碳化硅晶须增强氧化铝陶瓷复合材料,89,陶瓷基复合材料的增韧机理,颗粒、纤维或晶须加入到陶瓷基体中，陶瓷的性能特别是韧性得到了很大的提高。 归纳起来，增韧机理有裂纹偏转、裂纹的桥联、纤维脱粘与拨出、颗粒增韧等。,90,陶瓷基复合材料的增韧机理,颗粒增韧,颗粒增韧是最简单的一种增韧方法，它具有同时提高强度和韧性的优点。 非相变第二相增韧 微裂纹增韧 由于增强颗粒与基体的热膨胀系数失配，在第二相颗粒周围基体内部产生的应力场

33、是陶瓷基复合材料得到增韧的主要原因。,91,陶瓷基复合材料的增韧机理,颗粒增韧,微裂纹增韧,影响第二相颗粒复合材料增韧效果的主要因素为基体与第二相颗粒的弹性模量E、热膨胀系数以及两相的化学相容性。 在一个无限大基体中存在第二相颗粒时，由于冷却收缩的不同，颗粒将受到一个压应力P： P = (2 T Em) / (1 + m)+ 2 (1-p) 其中，r 为球状颗粒半径，为泊松比，= Em / EP,忽略颗粒效应场之间的相互作用，这一内力将在距颗粒中心R处的基体中形成径向正应力r及切向正应力t： r = P(r / R)3 t = - 1/2 P (r / R)3,92,陶瓷基复合材料的增韧机理,

34、颗粒增韧,微裂纹增韧,在颗粒及其周围基体中储存的弹性应变能分别为： UP = 2 P2(1-2 p)/ EPr3 Um = P2(1+ m)/Emr3 储存的总的应变能U为： U = UP + Um = 2 k P2 r3 其中，k = (1-2 p)/ EP + (1+ m)/ (2Em),93,陶瓷基复合材料的增韧机理,颗粒增韧,微裂纹增韧, 0 (Pm)时, P0, r 0,t 0, 颗粒处于拉应力状态，基体径向处于拉伸状态，切向处于压缩状态，应力足够高时，可能产生具有收敛性的环向微裂纹。,Pm （C-压应力，T-拉应力） 应力分布及在球状颗粒周围形成的裂纹,94,陶瓷基复合材料的增韧机

35、理,颗粒增韧,微裂纹增韧, 0, 颗粒处于压应力状态，基体径向受压应力，切向受到拉应力。当应力足够高时，可能产生具有发散性的径向微裂纹。,Pm （C-压应力，T-拉应力） 应力分布及在球状颗粒周围形成的裂纹,95,陶瓷基复合材料的增韧机理,颗粒增韧,微裂纹增韧,(a) p m 时裂纹扩展路径,(b), (c) p m时裂纹扩展路径,96,陶瓷基复合材料的增韧机理,颗粒增韧,非相变第二相增韧 裂纹偏转和裂纹的桥接,97,陶瓷基复合材料的增韧机理,颗粒增韧,非相变第二相增韧 延性颗粒增韧,在脆性陶瓷基体中加入第二相延性颗粒可以明显提高材料的断裂韧性。 其增韧机理： 裂纹尖端形成的塑性变形区导致裂纹

36、尖端屏蔽； 延性颗粒形成的延性裂纹桥。 注意：只有当延性颗粒与基体的 、E相当时，才能达到最佳的增韧效果。 例如，当Na-Li-Al-Si玻璃的 、E值与铝相当时，加入20%的铝颗粒后复合材料的断裂能从 10 J/m2 增加到 600 J / m2，提高了60 倍；而当两者的 、E值相差较大时，裂纹发生偏转绕过铝颗粒，其增韧效果较差。,98,陶瓷基复合材料的增韧机理,颗粒增韧,相变增韧,相变增韧是由于第二相粒子在裂纹尖端附近发生相变而引起体积膨胀，从而降低裂纹尖端的应力集中，所以提高了复合材料的韧性。 典型的例子是氧化锆颗粒加入到其它的陶瓷基体中。 氧化锆具有多种晶型，在接近熔点时为立方结构（

37、c），冷却至约 2300 时为四方结构（t），在 1200-1100 之间转变为单斜对称结构（m）: 1170 2370 ZrO2 ZrO2 ZrO2 (m- ZrO2 ) (t- ZrO2 ) (c- ZrO2 ),99,陶瓷基复合材料的增韧机理,颗粒增韧,相变增韧,其中由四方相转变为单斜相时，具有马氏体相变的特征，并伴随有3-5%的体积膨胀。 ZTA：氧化锆增韧氧化铝陶瓷,100,陶瓷基复合材料的增韧机理,颗粒增韧,相变增韧,应力诱导相变： 在ZTA中加入某些稳定氧化物（Y2O3、MgO、CaO等），抑制氧化锆的 t -m 的转变，制备出全部为四方氧化锆组成的氧化锆多晶陶瓷。四方氧化锆处于

38、亚稳状态，当材料受到外力作用时，在应力的诱导下，发生t -m 转变。相变吸收能量而阻碍了裂纹的继续扩展，不但提高了复合材料的韧性而且还提高了强度。,101,陶瓷基复合材料的增韧机理,颗粒增韧,相变增韧,相变增韧机理： 在裂纹尖端发生相变引起的体积膨胀造成的应力具有闭合裂尖的作用。 裂尖的断裂能量有一部分被用于诱发相变。 裂纹尖端区的膨胀受到周围基体材料的反作用，颗粒受到压应力，当裂尖扩展到颗粒上时，这种压应力对裂尖的扩展也有阻碍作用。,102,陶瓷基复合材料的增韧机理,纤维晶须增韧,纤维、晶须的增韧机理有： 裂纹的弯曲、裂纹的编转、裂纹的桥联、纤维脱粘和纤维的拔出。,103,陶瓷基复合材料的增

39、韧机理,纤维晶须增韧,裂纹的弯曲与偏转 在扩展裂纹尖端应力场中的增强相会导致裂纹发生弯曲和偏转，从而干扰应力场，导致基体的应力强度K降低，起到阻碍裂纹扩展的作用。,104,陶瓷基复合材料的增韧机理,纤维晶须增韧,裂纹的弯曲与偏转,105,陶瓷基复合材料的增韧机理,纤维的脱粘 由于纤维脱粘产生了新的表面，因此需要能量。,由于界面面积大，脱粘纤维总的表面能很大。 每根纤维的脱粘能量：,式中, d-纤维直径，lc-临界长度，fu-拉伸断裂强度，Ef-弹性模量。,纤维的体积Vf =（d2/4)l ， 单位面积的最大脱粘能为：,纤维晶须增韧,106,陶瓷基复合材料的增韧机理,纤维晶须增韧,纤维的拔出,纤

40、维的拔出是指靠近裂纹尖端的纤维在外力的作用下沿着它和基体的界面滑出的现象。,107,纤维的拔出,陶瓷基复合材料的增韧机理,纤维晶须增韧,纤维的拔出所做的功WfP 分析一下纤维断裂时的应力状态， r2 fu 2 r l i , 得到： l /d fu / 4 i ， 纤维的直径一定，临界状态时有：,108,纤维的拔出长度在0 - lc /2 之间，所以在纤维拔出过程中平均所做的功为：,纤维的拔出,陶瓷基复合材料的增韧机理,纤维晶须增韧,109,实际上并不上所有的纤维都被拔出，假若有lC / l 的纤维被拔出，则有： 假定在面积为 A 裂纹区有N根纤维，则纤维的体积分数为： 单位面积裂纹区上纤维拔

41、出所做的功：,纤维的拔出,陶瓷基复合材料的增韧机理,纤维晶须增韧,110,比较纤维的脱粘与拔出的能量,纤维的拔出,陶瓷基复合材料的增韧机理,纤维晶须增韧,Wfp / QD= Ef / fu, Ef fu ， 因此纤维拔出的能量总是大于脱粘的能量。,OAB面积为脱粘能，远小于纤维拔出的能量（OBCD），纤维拔出的增韧效果要比脱粘更强，是更为重要的增韧机制。,111,对于特定位向和分布的纤维，裂纹很难偏转，只能沿着原来的扩展方向继续扩展，这时紧靠裂纹尖端处的纤维并未断裂，而是在裂纹两侧搭起小桥，使两侧连接在一起。这会在裂纹表面产生一个压应力，以抵消外加拉应力的作用，从而使裂纹难以进一步扩展，起到增

42、韧的作用。,纤维桥联,陶瓷基复合材料的增韧机理,纤维晶须增韧,碳化硅晶须“桥联”氧化铝基体的照片,112,陶瓷基复合材料的增韧机理,纤维晶须增韧,113,简介,碳/碳复合材料,碳/碳复合材料是以碳纤维（或石墨）为增强纤维，以碳（或石墨）为基体的复合材料。,碳/碳复合材料的特点： 优异的热性能，高的导热性、低的热膨胀系数、抗热冲击。 优异的高温力学性能，高温下的高强度和模量、低蠕变、高断裂韧性。高温时随温度的升高强度也升高。 是目前唯一可用于达2800的复合材料。,碳/碳复合材料制造的刹车零件,114,制备工艺,预成型体的制备 基本思路：先将碳增强材料预先制成预成型体，然后再以基体碳填充逐渐形成致密的碳/碳复合材料。 与聚合物基复合材料一样可