4-陶瓷基复合材料

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。陶瓷基复合材料4陶瓷材料的特点陶瓷材料可分为：普通陶瓷(ConventionalCeramics）：砖、陶器、瓷器等。精细陶瓷(AdvancedCeramics)：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断裂韧性表2-1一些材料典型断裂韧性(K1C)值材料K1C,MPa·m1/2聚合物聚乙烯1-2尼龙3环氧树脂，聚酯0.5金属纯金属（铜、镍、铝）100-300铝合金20-50钛合金50-100低碳钢4–10陶瓷玻璃0.5–1氧化镁3氧化铝1–3碳化硅2–4氮化硅3-5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），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、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（Covalentbond)、离子键(Ionicbond)、金属键(metallicbond)；二种弱结合键：范德华键(vanderWaalsbond)、氢键(hydrogenbond)；陶瓷材料：离子键或共价键。表2-2陶瓷离子键性与共价键性的比例材料CaOMgOZrO2Al2O3ZnO电负性2.52.32.12.01.9离子键性比例0.790.730.670.630.59共价键性比例0.210.270.330.370.41材料TiNSi3N4BNWCSiC电负性1.51.21.00.80.7离子键性比例0.430.300.220.150.12共价键性比例0.570.700.780.850.8816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,Al2O317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⑴MX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⑴MX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陶瓷基体材料的化学键及晶体结构几种陶瓷晶体结构介绍⑵MX2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⑵M2X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：⑴原材料制成粉状；⑵粉末压制成一定的形状的坯料；⑶坯料在高温下的烧结，也可能在高温和压力下进行；⑷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热等静压工艺（HotIsostaticPressing,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（ChemicalVaporDeposition,CVD)陶瓷基体材料加热炉石英舟基底石英管进气口端出气口端电源线热电偶控温仪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-propagatinghightemperaturesynthesis,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：35Mpa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四点弯曲强度(MPa）杨氏模量，E热膨胀系数，热导率25℃1000℃1375℃(GPa)(10-6K-1)(Wm-1K-1)热压（添加MgO）6906203303173.030-15烧结（添加Y2O3）6555852752363.228-12反应烧结（2.45gcm-3）2103453801652.86-331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℃的高温下通入纯氮气或氮气与氢气的混合气，这时就有下列反应发生：3Si(s)+2N2(g)Si3N4(s)3Si(g)+2N2(g)Si3N4(s)Si(s)+SiO22SiO(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250MPa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：3SiH4(g)+4NH3(g)Si3N4(s)+12H2(g)3SiCl4(g)+4NH3(g)Si3N4(s)+12HCl(g)3SiHCl3(g)+4NH3(g)Si3N4(s)+9HCl(g)+3H2(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反应烧结法热压法（MgO）热压法（Y2O3）冷压烧结（Y2O3）密度,(gcm-3）2.83.23.43.2杨氏模量，（Gpa）210300310275泊松比，0.220.250.270.23剪切模量(Gpa)86120122113四点弯曲强度（Mpa）288760920665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名称刚玉-莫来石瓷刚玉瓷刚玉瓷牌号75瓷95瓷99瓷主晶相-Al2O3和-Al2O32SiO2-Al2O3-Al2O3密度,(gcm-3）3.2–3.43.53.9抗拉强度，MPa140180250抗弯强度，MPa250–300280-350370-450热膨胀系数,10-6/℃5-5.55.5–7.56.7介电强度，KV/mm25–3015–1825-30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)金属间化合物晶体结构熔点（℃）密度（g/cm3）杨氏模量（Gpa）FeAlB2(BCC)1250-14005.6263Fe3AlDO315406.7NiAlB2(FCC)16405.9206Ni3AlL12139