章陶瓷基復(fù)合材料PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1 章陶瓷基復(fù)合材料章陶瓷基復(fù)合材料 2 基體普遍特點：基體普遍特點： 基體，是一種包括范圍很廣的材料，屬于基體，是一種包括范圍很廣的材料，屬于 而不是單質(zhì)，所以它的結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比金屬合金復(fù)雜得多。而不是單質(zhì)，所以它的結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比金屬合金復(fù)雜得多。 陶瓷材料中的化學(xué)鍵往往是介于陶瓷材料中的化學(xué)鍵往往是介于離子鍵與共價鍵離子鍵與共價鍵之間的之間的 混合鍵?；旌湘I。 第1頁/共45頁 3 化合物化合物熔點熔點/化合物化合物熔點熔點/化合物化合物熔點熔點/ Al2O32054ZnO1975ZrN2980 ZrO22677TiO21857Ti2B2897 莫來石莫來石1850SiC2837TiC3070

2、一些陶瓷材料的熔點一些陶瓷材料的熔點/ 第2頁/共45頁 4 第3頁/共45頁 5 u 如何實現(xiàn)陶瓷的如何實現(xiàn)陶瓷的成了近年來陶瓷開成了近年來陶瓷開 發(fā)的一個重點問題。發(fā)的一個重點問題。 u 向陶瓷材料中加入起增韌作用的第二相、制成向陶瓷材料中加入起增韌作用的第二相、制成 陶瓷基復(fù)合材料是解決陶瓷增韌的重要手段。陶瓷基復(fù)合材料是解決陶瓷增韌的重要手段。 10.1 陶瓷基體陶瓷基體 第4頁/共45頁 6 現(xiàn)代陶瓷材料最早源于現(xiàn)代陶瓷材料最早源于擴(kuò)大到擴(kuò)大到 其他的其他的。 如：如：、 優(yōu)點：耐高溫優(yōu)點：耐高溫、耐腐蝕耐腐蝕、高強(qiáng)度高強(qiáng)度、重量輕重量輕和和價格低價格低 等等 10.1 陶瓷基體陶瓷

3、基體 第5頁/共45頁 7 常見的陶瓷基體有：常見的陶瓷基體有： （1 1）氧化物基體氧化物基體 （2 2）非氧化物基體非氧化物基體 金屬碳化物，氮化物、硼化物金屬碳化物，氮化物、硼化物等等 （3 3）微晶玻璃微晶玻璃 10.1 陶瓷基體陶瓷基體 第6頁/共45頁 8 10.1.1 氧化物陶瓷氧化物陶瓷 第7頁/共45頁 9 1）氧化鋁陶瓷的主要性能氧化鋁陶瓷的主要性能 主要有具有主要有具有、和和三種晶型，其中三種晶型，其中和和型是純氧化型是純氧化 鋁，而鋁，而型是含堿的鋁酸鹽型是含堿的鋁酸鹽 基體材料的氧化鋁陶瓷主要是基體材料的氧化鋁陶瓷主要是-Al2O3，純度為，純度為99 99.5，密度

4、，密度3.753.85g/cm3，熔點，熔點2054。 剛玉瓷具有很好的機(jī)械強(qiáng)度，加熱到剛玉瓷具有很好的機(jī)械強(qiáng)度，加熱到16001700 仍保持很高的機(jī)械強(qiáng)度。仍保持很高的機(jī)械強(qiáng)度。 化學(xué)穩(wěn)定性好，與酸堿都不發(fā)生作用，常溫下，也化學(xué)穩(wěn)定性好，與酸堿都不發(fā)生作用，常溫下，也 不與氫氟酸發(fā)生作用。具有很好的介電性，同時還可以不與氫氟酸發(fā)生作用。具有很好的介電性，同時還可以 作為透光度為作為透光度為80以上的制品。以上的制品。 10.1.1 氧化物陶瓷氧化物陶瓷 第8頁/共45頁 10 10.1.1 氧化物陶瓷氧化物陶瓷 第9頁/共45頁 11 u單斜變四方時體積收縮單斜變四方時體積收縮7.7，晶型

5、轉(zhuǎn)變產(chǎn)生明顯的，晶型轉(zhuǎn)變產(chǎn)生明顯的 體積收縮或膨脹，可以加入一些的穩(wěn)定劑，如體積收縮或膨脹，可以加入一些的穩(wěn)定劑，如CaO、 MgO等，保持氧化鋯的四方結(jié)構(gòu)。等，保持氧化鋯的四方結(jié)構(gòu)。 u氧化鋯熔點氧化鋯熔點2667，熱的不良導(dǎo)體，化學(xué)性能穩(wěn)定，熱的不良導(dǎo)體，化學(xué)性能穩(wěn)定 ?？勺鳛槟突鸩牧希廴阢K、銠、鈦等金屬的坩鍋，。可作為耐火材料，熔融鉑、銠、鈦等金屬的坩鍋， 最高溫度可達(dá)最高溫度可達(dá)2500?？捎米骰鸺蛧姎獍l(fā)動機(jī)的耐?？捎米骰鸺蛧姎獍l(fā)動機(jī)的耐 腐蝕部件。腐蝕部件。 10.1.1 氧化物陶瓷氧化物陶瓷 第10頁/共45頁 12 10.1.2 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷 p在在自然界很少自

6、然界很少，需要人工合成。，需要人工合成。 p非氧化物陶瓷主要是共價鍵結(jié)合而成，但也有非氧化物陶瓷主要是共價鍵結(jié)合而成，但也有 一定的金屬鍵成分。一定的金屬鍵成分。 p這類陶瓷材料的熔點高、硬度大和耐磨性好。這類陶瓷材料的熔點高、硬度大和耐磨性好。 具有特殊的電磁和化學(xué)性質(zhì)。具有特殊的電磁和化學(xué)性質(zhì)。 p但這類材料的脆性大，高溫抗氧化能力不高，但這類材料的脆性大，高溫抗氧化能力不高， 所以在高溫氧化氣氛中使用壽命有限。所以在高溫氧化氣氛中使用壽命有限。 p常見的基體材料有常見的基體材料有碳化硅碳化硅和和氮化硅氮化硅陶瓷。陶瓷。 第11頁/共45頁 13 u和和兩種晶型，兩種晶型， 為六方型多層鏈

7、狀結(jié)構(gòu)。為六方型多層鏈狀結(jié)構(gòu)。型為立方型為立方 結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)，在2100轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)樾?。型?u無熔點，在無熔點，在2830發(fā)生分解。理論密度發(fā)生分解。理論密度3.21g/cm3，莫，莫 氏硬度氏硬度9.2，耐磨性好，導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)，耐磨性好，導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)4.710- 6/ 。 u化學(xué)穩(wěn)定性好，除化學(xué)穩(wěn)定性好，除磷酸、硝酸和氫氟酸混合酸磷酸、硝酸和氫氟酸混合酸外，與外，與 所有的酸都不反應(yīng)。碳化物中抗氧化能力最好。高溫下所有的酸都不反應(yīng)。碳化物中抗氧化能力最好。高溫下 能與金屬氧化物發(fā)生反應(yīng)。能與金屬氧化物發(fā)生反應(yīng)。 u工業(yè)陶瓷中碳化硅有黑色和綠色兩種，黑色是碳過量工業(yè)陶瓷中碳化

8、硅有黑色和綠色兩種，黑色是碳過量 ，綠色是硅過量。，綠色是硅過量。 10.1.2 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷 第12頁/共45頁 14 u氮和硅的唯一化合物。有氮和硅的唯一化合物。有、兩中晶型，兩中晶型，屬于低溫型屬于低溫型 ，在，在14001600時轉(zhuǎn)變?yōu)闀r轉(zhuǎn)變?yōu)樾停ǜ邷胤€(wěn)定型）。型（高溫穩(wěn)定型）。 u兩種變體均屬于六方晶系，但兩種變體均屬于六方晶系，但c方向上方向上型晶格常數(shù)型晶格常數(shù)型型 的的2倍。兩種晶型密度很相近，相變時幾乎不發(fā)生體積變倍。兩種晶型密度很相近，相變時幾乎不發(fā)生體積變 化化 。理論密度為。理論密度為3.184g/cm3，布氏硬度，布氏硬度99級，分解溫度級，分解溫度 19

9、00，型膨脹系數(shù)為型膨脹系數(shù)為3.010-6/, 型熱膨脹系數(shù)為型熱膨脹系數(shù)為 3.610-6/。 u20時電阻率為時電阻率為101314cm。機(jī)械強(qiáng)度高，尤其是高。機(jī)械強(qiáng)度高，尤其是高 溫機(jī)械強(qiáng)度?；瘜W(xué)穩(wěn)定性好，抗氧化能力強(qiáng)。溫機(jī)械強(qiáng)度?；瘜W(xué)穩(wěn)定性好，抗氧化能力強(qiáng)。 10.1.2 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷 第13頁/共45頁 15 u氮化硅是一種出色的耐腐蝕材料，可用作坩鍋，熱電氮化硅是一種出色的耐腐蝕材料，可用作坩鍋，熱電 偶保護(hù)管，金屬冶煉爐的內(nèi)襯材料。有極高的熱穩(wěn)定偶保護(hù)管，金屬冶煉爐的內(nèi)襯材料。有極高的熱穩(wěn)定 性和中等的機(jī)械強(qiáng)度，可以用作火箭噴嘴、導(dǎo)彈發(fā)射性和中等的機(jī)械強(qiáng)度，可以用作

10、火箭噴嘴、導(dǎo)彈發(fā)射 臺和尾氣噴管以及燃?xì)廨喨~片。臺和尾氣噴管以及燃?xì)廨喨~片。 u氮化硅原子自擴(kuò)散系數(shù)非常小，制備難，近年來人們氮化硅原子自擴(kuò)散系數(shù)非常小，制備難，近年來人們 開始研究添加氧化鋁形成的氮化硅固溶體形成開始研究添加氧化鋁形成的氮化硅固溶體形成Sialon 陶瓷（賽隆，含有陶瓷（賽隆，含有Si、Al、O、N四種元素）。四種元素）。 10.1.2 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷 第14頁/共45頁 16 u玻璃組成中引入晶核劑，通過熱處理、光照或玻璃組成中引入晶核劑，通過熱處理、光照或 化學(xué)處理等手段，使玻璃內(nèi)均勻析出大量微小晶化學(xué)處理等手段，使玻璃內(nèi)均勻析出大量微小晶 體，形成致密的微晶相

11、和玻璃相的體，形成致密的微晶相和玻璃相的多相復(fù)合體多相復(fù)合體。 u控制析出的微晶的種類、數(shù)量和尺寸，可以獲控制析出的微晶的種類、數(shù)量和尺寸，可以獲 得透明微晶玻璃、膨脹系數(shù)為零的微晶玻璃及可得透明微晶玻璃、膨脹系數(shù)為零的微晶玻璃及可 切削的微晶玻璃。按照基礎(chǔ)玻璃組成，分為切削的微晶玻璃。按照基礎(chǔ)玻璃組成，分為硅酸硅酸 鹽、鋁硅酸鹽、硼硅酸鹽、硼酸鹽和磷酸鹽鹽、鋁硅酸鹽、硼硅酸鹽、硼酸鹽和磷酸鹽5 5大類大類 第15頁/共45頁 17 幾何尺寸上增強(qiáng)體可分為三類：幾何尺寸上增強(qiáng)體可分為三類： ( (長、短纖維長、短纖維) ) 第16頁/共45頁 18 一、一、 第17頁/共45頁 19 第18頁

12、/共45頁 20 由于由于陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料往往是在往往是在下制下制 備，而且往往備，而且往往在高溫環(huán)境中工作在高溫環(huán)境中工作 因此因此容易容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形形 成化學(xué)粘結(jié)的成化學(xué)粘結(jié)的或或。 若基體與增強(qiáng)體之間不發(fā)生反應(yīng)或控制它們?nèi)艋w與增強(qiáng)體之間不發(fā)生反應(yīng)或控制它們 之間發(fā)生反應(yīng)，那么當(dāng)從高溫冷卻下來時，陶瓷之間發(fā)生反應(yīng)，那么當(dāng)從高溫冷卻下來時，陶瓷 的收縮大于增強(qiáng)體，此時會形成較強(qiáng)的機(jī)械結(jié)合的收縮大于增強(qiáng)體，此時會形成較強(qiáng)的機(jī)械結(jié)合 。 第19頁/共45頁 21 可以推出由于收縮而產(chǎn)生的可以推出由于收縮而產(chǎn)生的 r 與與 的關(guān)系：的關(guān)系： 此外，基此外，基體在高溫時

13、為液體體在高溫時為液體( (或粘性體或粘性體) )，它也，它也 可可等缺陷處，冷卻后形等缺陷處，冷卻后形 成成機(jī)械結(jié)合機(jī)械結(jié)合。 第20頁/共45頁 22 實際上，高溫下實際上，高溫下原子的活性增大原子的活性增大，原子的擴(kuò)散速，原子的擴(kuò)散速 度較室溫大的多，由于度較室溫大的多，由于 ，在界面上更易，在界面上更易形成固溶體和化合物形成固溶體和化合物。 此時，此時，增強(qiáng)體與基體之間的界面增強(qiáng)體與基體之間的界面是是具有一定厚具有一定厚 度的度的，它，它與基體和增強(qiáng)體都能較好的結(jié)與基體和增強(qiáng)體都能較好的結(jié) 合合，但通常是，但通常是的。例如的。例如Al2O3f/SiO2系中會發(fā)生反系中會發(fā)生反 應(yīng)形成應(yīng)

14、形成強(qiáng)的化學(xué)鍵結(jié)合強(qiáng)的化學(xué)鍵結(jié)合。 第21頁/共45頁 23 對于對于陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料來講，來講，界面粘結(jié)性能界面粘結(jié)性能影響影響陶瓷陶瓷 基體和復(fù)合材料的基體和復(fù)合材料的斷裂行為斷裂行為。 對于陶瓷基復(fù)合材料的對于陶瓷基復(fù)合材料的界面界面來說：來說： u 一方面一方面, ,應(yīng)強(qiáng)到應(yīng)強(qiáng)到足以傳遞軸向載荷，足以傳遞軸向載荷，并具有并具有高的橫向高的橫向 強(qiáng)度強(qiáng)度； u 另一方面，陶瓷基復(fù)合材料的界面要弱到足以沿界另一方面，陶瓷基復(fù)合材料的界面要弱到足以沿界 面發(fā)生橫向裂紋及裂紋偏轉(zhuǎn)直到纖維的拔出。面發(fā)生橫向裂紋及裂紋偏轉(zhuǎn)直到纖維的拔出。 u因此，陶瓷基復(fù)合材料界面要有一個最佳的界面強(qiáng)

15、度因此，陶瓷基復(fù)合材料界面要有一個最佳的界面強(qiáng)度 。 第22頁/共45頁 24 往往導(dǎo)致往往導(dǎo)致 ，如下圖，如下圖 (a)所所 示。示。 u裂紋可以在復(fù)合材料的裂紋可以在復(fù)合材料的 并并迅速擴(kuò)迅速擴(kuò) 展展至復(fù)合材料的橫截面，至復(fù)合材料的橫截面， 導(dǎo)致導(dǎo)致。 主要是由于在斷裂過程中，主要是由于在斷裂過程中，強(qiáng)的界面強(qiáng)的界面 結(jié)合結(jié)合。 第23頁/共45頁 25 若若，當(dāng)基體當(dāng)基體 中的裂紋擴(kuò)展至纖維時中的裂紋擴(kuò)展至纖維時，將，將 導(dǎo)致導(dǎo)致，其后，其后 、 以致最后以致最后( (圖圖 b)b) 。 、以致最后以致最后等，這等，這 些過程都要些過程都要，從而，從而提高復(fù)合材料的斷裂韌性提高復(fù)合材料的

16、斷裂韌性， 避免了避免了突然的脆性失效突然的脆性失效。 第24頁/共45頁 26 另一方面，陶瓷基復(fù)合材料的另一方面，陶瓷基復(fù)合材料的要弱到要弱到 及及。 因此，陶瓷基復(fù)合材料界面要有一個因此，陶瓷基復(fù)合材料界面要有一個 。 第25頁/共45頁 27 為獲得為獲得最佳的界面結(jié)合強(qiáng)度最佳的界面結(jié)合強(qiáng)度 或或 第26頁/共45頁 28 在實際應(yīng)用中，除選擇在實際應(yīng)用中，除選擇在加工和使在加工和使 用期間用期間能能外，外，最常用的方法最常用的方法就就 是在與基體復(fù)合之前，是在與基體復(fù)合之前，往增強(qiáng)材料表面上往增強(qiáng)材料表面上 。 C和和BN是最常用的涂層，此外還有是最常用的涂層，此外還有SiC、ZrO

17、2 和和SnO2涂層。涂層。 通常在通常在0.11um，涂層的選擇取決，涂層的選擇取決 于于纖維纖維、基體基體、加工加工和和服役要求服役要求。 纖維上的涂層除了可以改變復(fù)合材料纖維上的涂層除了可以改變復(fù)合材料 外，對纖維還可起到外，對纖維還可起到，避免，避免在加工和處在加工和處 理過程中理過程中造成纖維的機(jī)械損壞。造成纖維的機(jī)械損壞。 第27頁/共45頁 29 莫來石纖維上未涂莫來石纖維上未涂BN涂層涂層 莫來石纖維上涂有莫來石纖維上涂有BN涂層涂層 從圖中可看出，若纖維從圖中可看出，若纖維涂層，則復(fù)合材料涂層，則復(fù)合材料 的斷面呈現(xiàn)為的斷面呈現(xiàn)為；而經(jīng)；而經(jīng)CVD沉積沉積0.2um的的 后，

18、斷面上可見到大量的后，斷面上可見到大量的。 增強(qiáng)增強(qiáng)復(fù)合材料的復(fù)合材料的斷裂行為差異斷裂行為差異： 第28頁/共45頁 30 一、纖維增韌機(jī)理一、纖維增韌機(jī)理 二、晶須增韌機(jī)理二、晶須增韌機(jī)理 三、顆粒增韌機(jī)理三、顆粒增韌機(jī)理 10.2.2 第29頁/共45頁 31 一、纖維增韌機(jī)理一、纖維增韌機(jī)理 纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 第30頁/共45頁 32 （a）纖維被基體摩擦力固定的原始狀態(tài)）纖維被基體摩擦力固定的原始狀態(tài) （b）裂紋從基體擴(kuò)展至纖維被阻止）裂紋從基體擴(kuò)展至纖維被阻止 （c）由于界面剪切和纖維與基體的橫向收縮使界面解離，裂）

19、由于界面剪切和纖維與基體的橫向收縮使界面解離，裂 紋沿纖維紋沿纖維/基體之間的界面偏離；基體之間的界面偏離； （d）界面進(jìn)一步解離，纖維破裂，裂紋繼續(xù)沿主方向擴(kuò)展；）界面進(jìn)一步解離，纖維破裂，裂紋繼續(xù)沿主方向擴(kuò)展； （e）破裂的纖維端部克服界面摩擦阻力撥出，復(fù)合材料整體）破裂的纖維端部克服界面摩擦阻力撥出，復(fù)合材料整體 破壞破壞 第31頁/共45頁 33 u實際實際材料斷裂過程材料斷裂過程中，中，并非發(fā)生并非發(fā)生 在在同一裂紋平面同一裂紋平面，這樣，這樣還將還將沿纖維斷裂沿纖維斷裂 位置的不同位置的不同而發(fā)生而發(fā)生。 u這也同樣會這也同樣會，從而使，從而使 韌性進(jìn)一步提高韌性進(jìn)一步提高。 第3

20、2頁/共45頁 34 增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)韌化增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)韌化 機(jī)理與機(jī)理與增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料大致相增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料大致相 同，主要是靠同，主要是靠與與 對對強(qiáng)度和韌性的提高強(qiáng)度和韌性的提高產(chǎn)生作用產(chǎn)生作用 。 二、晶須增韌機(jī)理二、晶須增韌機(jī)理 第33頁/共45頁 35 存在一個存在一個，當(dāng)，當(dāng)晶須晶須 的某一端距主裂紋距離的某一端距主裂紋距離時，則時，則晶晶 須從此端拔出須從此端拔出，此時的，此時的拔出長度小于臨界拔出長拔出長度小于臨界拔出長 度度lpo ； lpo 第34頁/共45頁 36 如果如果均均 時，時，晶須在拔出過程中產(chǎn)生斷裂晶須在拔出過程中產(chǎn)生斷裂， lpo ； l1l