10.章-陶瓷基复合材料-2

1、1,10.陶瓷基复合材料(二),2,回顾一下：,陶瓷致命缺点： 脆性 改善韧性的有效手段： 向陶瓷材料中加入起增韧作用的第二相 增韧机制： 靠纤维（晶须）的拔出、裂纹的桥连与转向机制对强度和韧性的提高产生作用。,3,纤维增强陶瓷材料是常见的重要手段！ 按纤维排布方式的不同，可将其分为 单向排布长纤维复合材料 多向排布纤维复合材料。,10.3.1 纤维增强陶瓷基复合材料,10.3 陶瓷基复合材料的种类及基本性能,4,单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料的显著特点是具有各向异性。 即沿纤维长度方向上的纵向性能要远远高于其横向性能。 在实际构件中，主要是使用其纵向性能。,一、 单向排布长纤维复合材料,5,

2、裂纹垂直于纤维方向扩展示意图,在单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料中，当裂纹扩展遇到纤维时会受阻，这时，如果要使裂纹进一步扩展就必须提高外加应力。 这一过程的示意图如下：,一、单向排布长纤维复合材料,6,当外加应力进一步提高时，由于基体与纤维间的界面离解，同时又由于纤维的强度高于基体的强度，从而使纤维从基体中拔出。 当拔出的长度达到某一临界值时，会使纤维发生断裂。,裂纹垂直于纤维方向扩展示意图,7,因此，裂纹的扩展必须克服纤维的拔出功和纤维断裂功，结果就是使得材料的断裂变得更为困难，从而起到了增韧的作用。,单向排布纤维增韧陶瓷只是在纤维排列方向上的轴向性能较为优越，而其横向性能显著低于纵向性能，所

3、以只适用于单轴应力的场合。,8,二、多向排布纤维增韧复合材料,而许多陶瓷构件则要求在二维及三维方向上均具有优良的性能，这就要进一步的制备多向排布纤维增韧陶瓷基复合材料。,9,(1) 二维多向排布纤维增韧复合材料,这种复合材料中，纤维的排布方式有两种。,10,(1) 二维多向排布纤维增韧复合材料,如右图所示：一种是将纤维编织成纤维布，浸渍浆料后，根据需要的厚度将单层或若干层进行热压烧结成型。,这种材料成型板状构件曲率不宜太大,11,这种材料在纤维排布平面的二维方向上性能优越，而在垂直于纤维排布面方向上的性能较差。 一般应用：对二维方向上有较高性能要求的构件上。,(1) 二维多向排布纤维增韧复合材

4、料,12,另一种是纤维分层单向排布，层间纤维成一定角度，如下图所示。,这种复合材料可以根据构件的形状用纤维浸浆缠绕的方法做成所需要形状的壳层状构件。,(1) 二维多向排布纤维增韧复合材料,13,二维多向纤维的韧化机理与单向排布纤维复合材料是一样的，主要也是靠纤维的拔出与裂纹转向机制，使其韧性及强度大幅度提高。,(1) 二维多向排布纤维增韧复合材料,14,(2) 三维多向排布纤维增韧陶瓷基复合材料,三维多向编织纤维增韧陶瓷是为了满足某些情况的性能要求而设计的。 它是按直角坐标将多束纤维分层交替编织而成。,由于每束纤维呈直线伸展，不存在相互交缠和绕曲，因而使纤维可以充分发挥最大的结构强度。,15,

5、这种材料最初是从宇航用三向C/C复合材料开始的，现已发展到三向石英/石英等陶瓷复合材料。,(2) 三维多向排布纤维增韧陶瓷基复合材料,这种三维多向编织结构可以通过调节 纤维束的根数和股数 相邻束间的间距 织物的体积密度 纤维的总体积分数 参数进行设计以满足性能要求。,16,10.3.2 晶须和颗粒增强陶瓷基复合材料,长纤维增韧陶瓷基复合材料虽然性能优越，但它的制备工艺复杂，而且纤维在基体中不易分布均匀。 因此，近年来又发展了短纤维、晶须及颗粒增韧陶瓷基复合材料。,17,一、 晶须增强陶瓷基复合材料,由于晶须的尺寸很小，从宏观上看与粉末一样，因此在制备复合材料时，只需将晶须分散后与基体粉末混合均

6、匀，然后进行热压烧结，制得致密的晶须增韧陶瓷基复合材料。,目前常用的晶须有SiC，Si3N4，Al2O3晶须，常用的基体则为Al2O3, ZrO2，SiO2，Si3N4及莫来石等。,18,晶须增韧陶瓷基复合材料的性能与基体和晶须的选择、晶须的含量及分布等因素有关。 观察复合材料的性能与SiC晶须含量之间的关系 例：ZrO2 (2mol % Y2O3) + SiCw陶瓷 A12O3+ SiCw陶瓷,19,弯曲强度的变化规律则是，随SiCw含量的增加，在10 vol SiCw时出现峰值，随后又有所下降，但却始终高于基体,SiCw增强ZrO2(Y2O3)复合材料的力学性能,原因：由于SiCw含量高时

7、造成热失配过大，同时使致密化困难而引起密度下降，从而使界面强度降低，导致了复合材料强度的下降。,20,由图中可知，ZrO2基复合材料的断裂韧性KIC=16MPa.M1/2 ，弯曲强度f=1400MPa。,SiCw增强ZrO2(Y2O3)复合材料的力学性能,21,SiCw增强Al2O3复合材料的力学性能,对Al2O3基复合材料，弯曲强度的变化规律则是，随SiCw含量的增加单调上升。,22,SiCw增强Al2O3复合材料的力学性能,由图中可知，对A12O3基复合材料最佳的韧性和强度的配合可使断裂韧性KIC=7MPa.M1/2，弯曲强度f=600MPa。,23,因此，可以看出：两种基体的弹性模量、硬

8、度及断裂韧性均随着SiCw含量的增加而提高。,ZrO2(Y2O3) 基体,Al2O3基体,24,由此可见，SiCw对陶瓷材料同时具有增强和增韧的效果。,由于晶须具有长径比，因此，当其含量较高时，因其桥架效应而使致密化变得因难，从而引起了密度的下降并导致性能的下降。,为了克服这一弱点，可采用颗粒来代替晶须制成复合材料，这种复合材料在原料的混合均匀化及烧结致密化方面均比晶须增强陶瓷基复合材料要容易。,25,当所用的颗粒为SiC，TiC时，基体材料采用最多的是Al2O3，Si3N4。 目前，这些复合材料已广泛用来制造刀具。,二、颗粒增强陶瓷基复合材料,26,右图显示了SiCp含量对A12O3复合材料

9、性能的影响。,从中可以看出，在5 SiCp时强度出现峰值。,27,下图为SiCp含量对 Si3N4复合材料性能的影响,从中可以看出，在SiCp含量为5时强度及韧性达到了最高值。,28,因此，晶须与颗粒对陶瓷材料的增韧均有一定作用，且各有利弊。 晶须的增强增韧效果好，但含量高时会使致密度下降； 颗粒的填充可克服密度下降这一弱点，但其增强增韧效果却不如晶须。,29,进一步设想： 若将晶须与颗粒共同使用，情况如何？ 可取长补短，达到更好的效果。 目前，已有了这方面的研究工作，如使用SiCw与SiCp来共同增韧等。,30,观察Al2O3（M）+ZrO2(Y2O3)p+SiCw复合材料的性能随SiCw及

10、ZrO2(Y2O3)含量的变化情况。,Al2O3+20mol%SiCw+ZrO2(Y2O3),31,可以看出，随着SiCw及ZrO2(Y2O3)含量的增加，其强度与韧性均呈上升趋势，在20SiCw及30 ZrO2(Y2O3)时，复合材料的f达1200MPa，KIC达10 MPa.m1/2 以上。 这比单独晶须韧化的Al2O3+SiCw复合材料的f =634MPa，KIC=7.5 MPa.M1/2有明显的提高，这充分体现了这种复合强化的效果。,32,下表则给出了莫来石及其制得的复合材料的强度与韧性：,很明显，由ZrO2+SiCw与莫来石制得的复合材料要比单独用SiCw与莫来石制得的复合材料的性能

11、好得多。,33,10.4 陶瓷基复合材料的制备,陶瓷基复合材料的制造分为两个步骤： 第一步是将增强材料掺入未固结(或粉末状)的基体材料中，排列整齐或混合均勾； 第二步是运用各种加工条件在尽量不破坏增强材料和基体性能的前提下，制成复合材料制品。,34,纤维增强陶瓷基复合材料的性能取决于多种因素。,一、 纤维增强陶瓷基复合材料的加工,哪些因素？,主要有：基体、纤维及二者之间的结合,35,从基体方面看： 与气孔的尺寸及数量，裂纹的大小以及一些其它缺陷有关。 从纤维方面来看： 则与纤维中的杂质、纤维的氧化程度、损伤及其他固有缺陷有关。 从基体与纤维的结合情况上看： 则与界面的结合效果、纤维在基体中的取

12、向、以及载体与纤维的热膨胀系数差有关。,36,正因为有如此多的影响因素，所以在实际中针对不同的材料有不同的制作方法。 成型技术的不断研究与改进，正是为了能获得性能更为优良的材料。 让我们看看目前采用的纤维增强陶瓷基复合材料的成型的主要方法有哪些？,37,这种方法是在陶瓷泥浆中分散纤维。然后浇铸在石膏模型中。 优点：这种方法比较古老，不受制品形状的限制、成本低、工艺简单 。 缺点：对提高产品性能的效果不显著! 适用范围：适合于短纤维增强陶瓷基复合材料的制作。,1. 泥浆浇铸法,38,将长纤维切短(3mm)，然后分散并与基体粉末混合，再用热压烧结的方法即可制得高性能的复合材料。,特点：短纤维增强体

13、在与基体粉末混合时取向是无序的，但在冷压成型及热压烧结的过程中，短纤维由于在基体压实与致密化过程中沿压力方向转动，导致短纤维沿加压面而择优取向，产生了材料性能上一定程度的各向异性。,适用范围：纤维与基体之间的结合较好，是目前采用较多的方法。,2. 热压烧结法,39,3. 浸渍法 这种方法适用于长纤维。首先把纤维编织成所需形状，然后用陶瓷泥浆浸渍，干燥后进行焙烧。,优点：纤维取向可自由调节，如，单向排布及多向排布等。 缺点：不能制造大尺寸的制品，而且所得制品的致密度较低。,40,二、晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工与制备,晶须与颗粒的尺寸均很小，只是几何形状上有些区别，用它们进行增韧的陶瓷基复

14、合材料的制造工艺是基本相同的。,41,工艺特点：只需将晶须或颗粒分散后并与基体粉末混合均匀，再用热压烧结的方法即可制得高性能的复合材料。 与长纤维复合材料相比：简便！,42,晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的制造工艺也可大致分为以下几个步骤：,这一过程看似简单，实则包含着相当复杂的内容。,配料,成型,烧结,精加工,43,即使坯体由超细粉(微米级)原料组成，其产品质量也不易控制，所以随着现代科技对材料提出的要求不断提高，这方面的工艺还必需进一步深入。,44,高性能的陶瓷基复合材料应具有均质、孔隙少的微观组织。为了得到这样品质的材料，必须首先严格挑选原料。,1.配料,(1) 配料方法：把几种原料粉末混

15、合配成坯料的方法可分为干法和湿法两种。 现今新型陶瓷领域混合处理加工的微米级、超微米级粉末方法由于效率和可靠性的原因，大多采用湿法。,45,（2）溶剂选择：湿法主要采用水作溶剂，但在氮化硅、碳化硅等非氧化物系的原料混合时，为防止原料的氧化则使用有机溶剂。,（3）配料工艺：原料混合时的装置一般为专用球磨机。最好采用与加工原料材质相同的陶瓷球和内衬，防止球磨机运行过程中因球和内衬砖磨损下来而作为杂质混入原料中,46,混好后的料浆在成型时有三种不同的情况： A 经一次干燥制成粉末坯料后供给成型工序； B 把结合剂添加于料浆中、不干燥坯料，保持浆状供给成型工序； C 用压滤机将料浆状的粉脱水后成坯料供

16、给成型工序。,2成型,47,把上述的干燥粉料充入模型内，加压后即可成型。通常有金属模成型法和橡皮模成型法。 1） 金属模成型法： 装置简单、成型成本低廉的优点，但它的加压方向是单向的。粉末与金属模壁的摩擦力大，粉末间传递压力不太均匀，故易造成烧成后的生坯变形或开裂、只能适用于形状比较简单的制件。,成型方法：,48,适用范围： 虽不能做到完全均匀地加压，但适合于批量生产 由于在成型过程中毛坯与橡皮模接触而压成的生坯，难以制成精密形状，通常还要用刚玉对细节部分进行修整。,用静水压从各个方向均匀加压于橡皮模来成型，故不会发生生坯密度不均匀和具有方向性之类的问题。,2） 橡皮模成型法：,49,3）注浆

17、成型法：,具有十分悠久历史的陶瓷成型方法。 将料浆浇入石膏模内，静置片刻，料浆中的水分被石膏模吸收。然后除去多余的料浆，将生坯和石膏模一起干燥，生坯干燥后保持一定的强度，并从石膏中取出。这种方法可成型壁薄且形状复杂的制品。,注浆成型法从成型过程上看： 与塑料的注射成型过程相类似，但是在陶瓷中必须从生坯里将粘合剂除去、再烧结。 这些工艺均较为复杂，因此也使这种方法具有很大的局限性。,50,这种方法是把料浆放入压滤机内挤出水分，形成块状后，从安装各种挤形口的真空挤出成型机挤出成型的方法，它适用于断面形状简单的长条形坯件的成型。,4) 挤压成型法：,51,从生坯中除去粘合剂组分后的陶瓷素坯烧固成致密

18、制品的过程叫烧结。 为了烧结，必需有专门的窑炉。 窑炉的种类繁多，按其功能进行划分可分为间歇式和连续式。,3. 烧结,52,（1）间歇式窑炉是放入窑炉内生坯的硬化、烧结、冷却及制品的取出等工序是间歇地进行的。 间歇式窑炉不适合于大规模生产，但适合处理特殊大型制品或长尺寸制品的优点，且烧结条件灵活，筑炉价格也比较便宜。,（2）连续窑炉适合于大批量制品的烧结，由预热、烧结和冷却三个部分组成。 把装生坯的窑车从窑的一端以一定时间而间歇推进，窑车沿导轨前进，沿着窑内设定的温度分布经预热、烧结、冷却过程后，从窑的另一端取出成品。,53,由于高精度制品的需求不断增多，因此在烧结后的许多制品还需进行精加工。

19、 精加工的目的是为了提高烧成品的尺寸精度和表面平滑性。 尺寸精度主要用金刚石砂轮进行磨削加工， 表面平滑性则用磨料进行研磨加工。,4精加工,54,总结：以上是陶瓷基复合材料制备工艺的几个主要步骤，但实际情况则是相当复杂的。 陶瓷与金属的一个重要区别也在于它对制造工艺中的微小变化特别敏感，而这些微小的变化在最终烧成产品前是很难察觉的。,55,陶瓷制品一旦烧结结束，发现产品的质量有问题时则为时已晚。 而且，由于工艺路线很长，要查找原因十分困难。这就使得实际经验的积累变得越发重要。,陶瓷的制备质量与其制备工艺有很大的关系。 在实验室规模下能够稳定重复制造的材料，在扩大的生产规模下常常难于重现。,在生

20、产规模下可能重复再现的陶瓷材料，常常在原材料波动和工艺装备有所变化的条件下难于实现。这是陶瓷制备中的关键问题之一。,56,先进陶瓷制品的一致性，则是它能否大规摸推广应用的最关键问题之一。 现今的先进陶瓷制备技术可以做到成批地生产出性能很好的产品，但却不容易保证所有制品的品质一致。,57,一、陶瓷基复合材料在工业上的应用 陶瓷材料具有耐高温、高强度、高硬度及耐腐蚀性好等特点，但其脆性大的弱点限制了它的广泛应用。,10.5 陶瓷基复合材料的应用,58,随着现代高科技的迅猛发展，要求材料能在更高的温度下保持优良的综合性能。陶瓷基复合材料可较好地满足这一要求。 它的最高使用温度主要取决于基体特性，其工

21、作温度按下列基体材料依次提高：玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、碳素材料，其最高工作温度可达1900 。,59,陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域包括： 刀具、滑动构件、航空航天构件、发动机制件、能源构件等。,60,在切削工具方面， SiCw增韧的细颗粒Al2O3陶瓷复合材料已成功用于工业生产制造切削刀具。下图为用热压法制备的SiCw/ Al2O3复合材料钻头。,SiCw/ Al2O3复合材料钻头,61,由美国格林利夫公司研制、一家生产切削工具和陶瓷材料的厂家和美国大西洋富田化工公司合作生产的WC-300复合材料刀具具有耐高温、稳定性好、强度高和优异的抗热展性能，熔点为2040，切削速度可达200尺/分，甚至更高。,62,某燃汽轮机厂采用这种新型WC-300复合材料刀具后，机加工时间从原来的5小时缩短到20分钟，仅此一项，每年就可节约25万美元。,63,山东工业大学研制生产的SiCw/Al2O3复合材料刀具切削镍基合金时，不但刀具使用寿命增加，而且进刀量和切削速度也大大提高。 除SiCw/Al2O3外，SiCf/Al2O3 、TiO2p/ Al2O3复合材料也用于制造机加工刀具。,另外，氧化物基复合材料还可用于制造耐磨件，如拔丝模具、密封阀、耐蚀轴承、化工泵的活