搜索
1陶瓷基复合材料雷芳电子信息材料系317室Tel：56385387E-mail:leif@shu.edu.cn2主要内容1.1陶瓷基复合材料的种类及基本性能1.2陶瓷基复合材料的成型加工技术1.3陶瓷基复合材料的应用二、陶瓷分类陶瓷按其概念和用途不同，可分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类。根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷制品可分为陶器和瓷器。陶器包括粗陶器、普陶器和细陶器。陶器的坯体结构较疏松，致密度较低，有一定吸水率，断口粗糙无光，没有半透明性，断面成面状或贝壳状。1.普通陶瓷普通陶瓷即传统陶瓷，是指以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎混练、成型、煅烧等过程而制成的各种制品。包括日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷以及其它工业用陶瓷。普通陶瓷的原料——粘土、石英和长石。特点——坚硬而脆性较大，绝缘性和耐蚀性极好；制造工艺简单、成本低廉，用量大。普通日用陶瓷作日用器皿和瓷器，良好光泽度、透明度，热稳定性和机械强度较高。普通陶瓷的特点与应用普通工业陶瓷有炻器和精陶。建筑卫生瓷——装饰板、卫生间装置及器具等；电工瓷——电器绝缘用瓷，也叫高压陶瓷化学化工瓷——化工、制药、食品等工业及实验室中的管道设备、耐蚀容器及实验器皿2．特种陶瓷——本章讨论内容特种陶瓷是用于现代工业及尖端科学技术领域的陶瓷制品。包括结构陶瓷和功能陶瓷。结构陶瓷——用于耐磨损、高强度、耐高温、耐热冲击、硬质、高刚性、低膨胀、隔热等场所。功能陶瓷——包括电磁功能、光学功能、生物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料。氧化物陶瓷（Al2O3、ZrO2、MgO等）碳化物陶瓷（SiC、B4C、WC等）氮化物陶瓷（Si3N4、TiN、BN等）新型碳化物陶瓷（C3N4等）硼化物陶瓷（TiB2、ZrB2等）复合陶瓷（3Al2O3·2SiO2(莫来石)等）高温结构陶瓷——高熔点氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物。例1：硼化物陶瓷（硼化铬、硼化钼、硼化钛、硼化钨和硼化锆）特点：高硬度,耐化学侵蚀，熔点1800℃～2500℃。应用：用于高温轴承、内燃机喷嘴，各种高温器件、处理熔融非铁金属的器件等。例2：氮化硅陶瓷——键能高而稳定的共价键晶体。特点：1、硬度高而摩擦系数低，有自润滑作用，是优良的耐磨减摩材料；2、氮化硅的耐热温度比氧化铝低，而抗氧化温度高于碳化物和硼化物，1200℃以下具有较高的机械性能和化学稳定性，且热膨胀系数小、抗热冲击。用途：可做优良的高温结构材料，耐各种无机酸（氢氟酸除外）和碱溶液浸蚀，优良的耐腐蚀材料。例3：氧化铝陶瓷（Al2O3＋少量SiO2）根据Al2O3含量可分为刚玉-莫来瓷（75瓷，wAl2O3=75%）刚玉瓷（95瓷，99瓷）氧化铝常见的晶体结构有三种：α-Al2O3、β-Al2O3、γ-Al2O3γ-Al2O3属于尖晶石型（立方）结构，高温时不稳定，在1600℃转变为α-Al2O3，同时体积收缩13~14.5%。α-Al2O3属于六方系，稳定性好，在熔点2050℃之前不发生晶型转变。1）高强度、高温稳定性：装饰瓷，喷嘴、火箭、导弹的导流罩；2）高硬度、高耐磨性：切削工具，模具，磨料，轴承，人造宝石；3）低的介电损耗、高电阻率、高绝缘性：火花塞，电路基板，管座；4）熔点高、抗腐蚀：耐火材料，坩埚，炉管，热电偶保护套等；5）离子导电性：太阳能电池材料和蓄电池材料等。6）生物相容性：还可用于制作人工骨骼和人造关节等。氧化铝陶瓷的性能与应用例4：碳化硅陶瓷——以SiC为主要成分的陶瓷特点：很高的高温强度，1400℃时抗弯强度仍在500～600MPa，工作温度可达1700℃；好的热稳定性、抗蠕变性、耐磨性、耐蚀性，良好的导热性、耐辐射性。应用：制作火箭尾喷管喷嘴、浇注金属的浇道口、轴承、轴套、密封阀片、轧钢用导轮、内燃机器件、热电偶保护套管、炉管、核燃料包封材料等。五、现代陶瓷定义1、与传统陶瓷的区别现代陶瓷又称为精细陶瓷。（1）原料许多是经过人工合成或者精制，不受天然条件的限制；（2）突破传统陶瓷的化学成分限制，用多种金属氧化物、氮化物、碳化物、磷化物等，有时直接用金属原素和碳、硅等非金属原素。与传统陶瓷相比，现代陶瓷具备了一些特殊性能(热、机械、化学、电磁、光)。定义：采用人工精制的无机粉末原料，通过结构设计、精确的化学计量、合适的成型方法和烧成制度而达到特定的功能，经过加工处理使之符合使用要求尺寸精度的无机非金属材料。2、现代陶瓷分类按电学性质：绝缘体陶瓷、介电陶瓷、半导体陶瓷、和导电陶瓷；按热学性质：耐高温陶瓷、电热陶瓷。3、现代陶瓷材料制备特点现代陶瓷制备过程中须严格控制原料的纯度和工艺过程以及产品的化学组成、相组成和显微结构。现代陶瓷在显微层次上是不均匀的。显微结构包括晶粒、晶界和缺陷等。为了获得某一特殊性质，多晶陶瓷材料可以某一成分为主成分（或主相），再人为地加入其他次要成分（或次要相）。化学试剂（原料）粉料合成成型烧结陶瓷材料现代陶瓷制备主要过程现代陶瓷的制备有两大特点：1）必须经过粉料合成，粉料的原料是高纯度的化学试剂；2）烧结的相态主要是固相或者只有固相。除烧结法外，也可由类似于晶体生长的方法制得。19陶瓷基复合材料的种类及基本性能现代陶瓷材料具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀及重量轻等许多优良的性能。但是，陶瓷材料同时也具有致命的缺点，即脆性，这一弱点正是目前淘瓷材料的使用受到很大限制的主要原因。20因此，陶瓷材料的韧性化问题便成了近年来陶瓷工作者们研究的一个重点问题。现在这方面的研究巳取得了初步进展，探索出了若干种韧化陶瓷的途径。21其中，往陶陶瓷材料中加入起增韧作用的第二相而制成陶瓷基复合材料即是一种重要方法。221.1.1陶瓷基复合材料的基体与增强体(1)．陶瓷基复合材料的基体陶瓷基复合材料的基体为陶瓷，这是一种包括范围很广的材料，属于无机化合物而不是单质，所以它的结构远比金属合金复杂得多。23现代陶瓷材料的研究，最早是从对硅酸盐材料的研究开始的，随后又逐步扩大到了其他的无机非金属材料。目前被人们研究最多的是碳化硅、氮化硅、氧化铝等，它们普遍具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量轻和价格低等优点。24(2)．陶瓷复合材料的增强体陶瓷基复合材料中的增强体，通常也称为增韧体。从几何尺寸上增强体可分为纤维(长、短纤维)、晶须和颗粒三类。8.4陶瓷基复合材料成型方法陶瓷基复合材料成型方法传统混合和粘合液浸渍化学合成技术熔融浸润技术化学反应形式8.4.1热压烧结成型法(Hot-PressedSintering)概念热压烧结成型是使松散的或成型的陶瓷基复合材料混合物在高温下通过外加压力使其致密化的成型方法。加压方法为纵向(单轴)加压。热压时导致复合材料致密化的可能机制是基体颗粒重排、晶格扩散和包括粘滞变形的塑性流动设备间歇式热压炉和连续式热压炉；模具材料：结构陶瓷－高强石墨；功能陶瓷－氮化硅、碳化硅或高温合金等材料重要参数热压温度、保温时间、压力、气氛和升降温速率特点与无压烧结相比，能降低烧结温度，缩短保温时间，使基体晶粒较细能获得高致密度、高性能复合材料材料性能重复性好，使用可靠，控制热压模具尺寸精度能减少复合材料加工余量缺点：只能制造形状简单的零件；模具消耗大，一次只能单件或少件烧结，成本较高；由于热压压力方向性，材料性能有方向性8.4.2热等静压烧结成型法(hotisostaticpressing,HIP)概念热等静压烧结成型是通过气体介质将高温和高压同时均匀地作用于复合材料全部表面使之固结的工艺方法。此工艺获得的陶瓷基复合材料可基本消除内部气孔，接近理论密度，大大改善制品性能分类包封烧结：一般以石英玻璃或硼玻璃、耐高温金属为包封材料。包封前抽真空加热，排除内部空气，再升温加压无包封烧结：先将粉料成型和预烧封孔，使坯料成为基本无开口气孔的烧结体，然后再实施热等静压烧结特点热等静压主要以均匀外加应力，而不是自由能变化为烧结驱动力，可以在较低的烧结温度，使用少量添加剂甚至不使用添加剂的条件下获得致密件低温可防止第二相分解，及与基体或烧结助剂发生反应，可制备性能优异的陶瓷基复合材料与无压烧结相比，可降低烧结温度、缩短烧结时间，其致密化程度大大提高与热压烧结相比，由于热等静压是均匀地将压力作用于材料各个表面，进而材料各向同性291.1.2纤维增强陶瓷基复合材料在陶瓷材料中，加入第二相纤维制成复合材料是改善陶瓷材料韧性的重要手段，按纤维排布方式的不同，又可将其分为单向排布长纤维复合材料和多向排布纤维复合材料。30(1)、单向排布长纤维复合材料单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料的显著特点是它具有各向异性，即沿纤维长度方向上的纵向性能要大大高于其横向性能。在实际构件中，主要是使用其纵向性能。31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：32裂纹垂直于纤维方向扩展示意图33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。34因此，裂纹的扩展必须克服由于纤维的加入而产生的拔出功和纤维断裂功，这样，使得材料的断裂更为困难，从而起到了增韧的作用。35实际材料断裂过程中，纤维的断裂并非发生在同一裂纹平面，这样主裂纹还将沿纤维断裂位置的不同而发生裂纹转向。这也同样会使裂纹的扩展阻力增加，从而使韧性进一步提高。36(2)．多向排布纤维增韧复合材料单向排布纤维增韧陶瓷只是在纤维排列方向上的纵向性能较为优越，而其横向性能显著低于纵向性能，所以只适用于单轴应力的场合。37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，这就要进一步研究多向排布纤维增韧陶瓷基复合材料。38(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。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，如下图所示：39纤维层基体纤维布层压复合材料示意图40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。一般应用在对二维方向上有较高性能要求的构件上。41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。42纤维层基体多层纤维按不同角度方向层压示意图43后一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。而前一种材料成型板状构件曲率不宜太大。44这种二维多向纤维增韧陶瓷基复合材料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，使其韧性及强度比基体材料大幅度提高。45(3)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。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。46下图为三向正交C/C纤维编织结构示意图。它是按直角坐标将多束纤维分层交替编织而成。47XYZ三向C/C编织结构示意图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。48这种三维多向编织结构还可以通过调节纤维束的根数和股数，相邻束间的间距，织物的体积密度以及纤维的总体积分数等参数进行设计以满足性能要求。49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。50由于晶须的尺寸很小，从客观上看与粉末一样，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匀，然后对混好的粉末进行热压烧结，即可制得致密的晶须增韧陶瓷基复合材料。51目前常用的是SiC，Si3N4，Al2O3晶须，常用的基体则为Al2O3,ZrO2，SiO2，Si3N4及莫来石等。52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。下面两个图分别给出了ZrO2(2mol%Y2O3)+SiCw及A12O3+Si