結(jié)構(gòu)陶瓷纖維補(bǔ)強(qiáng)課件

材料學(xué)院本科生專(zhuān)業(yè)課程《技術(shù)陶瓷學(xué)導(dǎo)論》主講：楊靜第七章結(jié)構(gòu)陶瓷材料的強(qiáng)化與韌化

-纖維增韌材料學(xué)院本科生專(zhuān)業(yè)課程《技術(shù)陶瓷學(xué)導(dǎo)論》主講：楊1纖維增韌定義：在陶瓷中加入高彈性模量的纖維，纖維均布于陶瓷基體中，達(dá)到增韌的目的為纖維增韌。纖維增韌的機(jī)理：陶瓷受力時(shí)，由于纖維的強(qiáng)度及彈性模量高，大部分應(yīng)力由纖維承受，減輕了陶瓷的負(fù)擔(dān)；而且纖維還可以阻止裂紋擴(kuò)展，起到增韌的作用。纖維增韌定義：在陶瓷中加入高彈性模量的纖維，纖維均布于陶瓷基2圖3-47、具有拔出效果的顯微增強(qiáng)SEM照片帶有纖維的陶瓷被拉斷的斷口，纖維的拉斷、拔出有增強(qiáng)、增韌的作用。圖3-47、具有拔出效果的顯微增強(qiáng)SEM照片帶有纖維的陶瓷被3纖維補(bǔ)強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的要求高強(qiáng)度、高模量的纖維或晶須（大于基體材料）；在制備條件和使用條件下，纖維或晶須的性能穩(wěn)定；纖維或晶須與基體不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；熱膨脹系數(shù)匹配，最好是纖維的略大；纖維與基體的結(jié)合力適當(dāng)，即保證基體應(yīng)力向纖維上的有效傳遞，又能使纖維從基體中有足夠長(zhǎng)度的拔出。纖維補(bǔ)強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的要求高強(qiáng)度、高模量的纖維或晶須（大于4結(jié)構(gòu)陶瓷纖維補(bǔ)強(qiáng)課件5結(jié)構(gòu)陶瓷纖維補(bǔ)強(qiáng)課件6結(jié)構(gòu)陶瓷纖維補(bǔ)強(qiáng)課件7結(jié)構(gòu)陶瓷纖維補(bǔ)強(qiáng)課件8結(jié)構(gòu)陶瓷纖維補(bǔ)強(qiáng)課件9-SiC晶須-SiC晶須10纖維補(bǔ)強(qiáng)增韌陶瓷復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用主要參考文獻(xiàn)：張立同，成來(lái)飛，徐永東，2003，西北工業(yè)大學(xué)周洋等，2001，北京航空材料研究院先進(jìn)復(fù)合材料國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室纖維補(bǔ)強(qiáng)增韌陶瓷復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用主要參考文獻(xiàn)：11航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件材料50至60年代，發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件材料主要是鑄造高溫合金，其使用溫度為800～900℃；70年代中期，定向凝固超合金開(kāi)始推廣，其使用溫度提高到接近1000℃；進(jìn)入80年代以后，相繼開(kāi)發(fā)出了高溫單晶合金、彌散強(qiáng)化超合金以及金屬間化合物等，使熱端部件的使用溫度提高到1200～1300℃，已接近這類(lèi)合金熔點(diǎn)的80%，雖然通過(guò)各種冷卻技術(shù)可進(jìn)一步提高渦輪進(jìn)口溫度，但作為代價(jià)降低了熱效率，增加了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和制造難度，而且對(duì)小而薄型的熱端部件難以進(jìn)行冷卻，因而再提高的潛力極其有限。陶瓷基復(fù)合材料正是人們預(yù)計(jì)在21世紀(jì)中可替代金屬及其合金的發(fā)動(dòng)機(jī)熱端結(jié)構(gòu)首選材料。航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件材料50至60年代，發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件材料12發(fā)動(dòng)機(jī)熱端陶瓷材料近20年來(lái)，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)研制目標(biāo)是將發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的使用溫度提高到1650℃或更高，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度，達(dá)到節(jié)能、減重、提高推重比和延長(zhǎng)壽命的目的。法國(guó)將SiC/Cf用于狂風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)M88發(fā)動(dòng)機(jī)的噴嘴瓣以及將SiC/SiCf用于幻影2000戰(zhàn)斗機(jī)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管內(nèi)調(diào)節(jié)片。美國(guó)碳化硅公司用Si3N4/SiCW制造導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鈬姽堋６虐罟狙兄瞥瞿艹惺?200～1300℃、使用壽命達(dá)2000h的陶瓷基復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)部件等。發(fā)動(dòng)機(jī)熱端陶瓷材料近20年來(lái)，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)13發(fā)動(dòng)機(jī)熱端陶瓷材料目前導(dǎo)彈、無(wú)人駕駛飛機(jī)以及其它短壽命的陶瓷渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)正處在最后研制階段，美國(guó)空軍材料實(shí)驗(yàn)室的研究人員認(rèn)為，1204～1371℃發(fā)動(dòng)機(jī)用陶瓷基復(fù)合材料已經(jīng)研制成功。英國(guó)羅—羅公司認(rèn)為，未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)葉片和機(jī)匣、高壓與低壓渦輪盤(pán)及葉片、燃燒室、加力燃燒室、火焰穩(wěn)定器及排氣噴管等都將采用陶瓷基復(fù)合材料。預(yù)計(jì)在21世紀(jì)初，陶瓷基復(fù)合材料的使用溫度可提高到1650℃甚至更高。發(fā)動(dòng)機(jī)熱端陶瓷材料目前導(dǎo)彈、無(wú)人駕駛飛機(jī)以及其它短壽命的陶瓷14發(fā)動(dòng)機(jī)熱端結(jié)構(gòu)陶瓷材料

-纖維補(bǔ)強(qiáng)增韌陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷的脆性：雖然具有作為發(fā)動(dòng)機(jī)熱端結(jié)構(gòu)材料的十分明顯的優(yōu)點(diǎn)，但其本質(zhì)上的脆性卻極大地限制了它的推廣應(yīng)用。單組分陶瓷材料缺陷敏感性高、韌性低、可靠性差。增韌的思路：經(jīng)歷了從“消除缺陷”或減少缺陷尺寸、減少缺陷數(shù)量，發(fā)展到制備能夠“容忍缺陷”，即對(duì)缺陷不敏感的材料。發(fā)動(dòng)機(jī)熱端結(jié)構(gòu)陶瓷材料

-纖維補(bǔ)強(qiáng)增韌陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷的脆性：雖15連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料與其它增韌方式相比，連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料(CFCC)具有較高的韌性，當(dāng)受外力沖擊時(shí)，能夠產(chǎn)生非失效性破壞形式，可靠性高，是提高陶瓷材料性能最有效的方法之一。CFCC的研究始于1973年S.R.Levitt制成的高強(qiáng)度碳纖維增強(qiáng)玻璃基復(fù)合材料。70年代中期，日本碳公司(NipponCarbonCo.)高性能SiC連續(xù)纖維-Nicalon的研制成功，使制造純陶瓷質(zhì)CFCC成為可能。80年代中期，E.Fitzer等用化學(xué)氣相沉積法制備出高性能的Nicalon纖維增強(qiáng)SiC基陶瓷復(fù)合材料，有力地推動(dòng)了CFCC的發(fā)展。連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料與其它增韌方式相比，連續(xù)纖維增強(qiáng)陶16周洋袁廣江徐榮九杜林虎李宏泉陳大明，2001(北京航空材料研究院先進(jìn)復(fù)合材料國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)周洋袁廣江徐榮九杜林虎李宏泉陳大明，200117結(jié)構(gòu)陶瓷纖維補(bǔ)強(qiáng)課件18三種體系的陶瓷基復(fù)合材料從發(fā)展趨勢(shì)上看，非氧化物/非氧化物陶瓷基復(fù)合材料中，SiC/SiCf、Si3N4/SiCf仍是研究的重點(diǎn)，有望在1600℃以下使用；氧化物/非氧化物陶瓷基復(fù)合材料由于氧化物基體的氧滲透率過(guò)高，在高溫長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用條件下幾乎沒(méi)有任何潛在的可能；能滿(mǎn)足1600℃以上高強(qiáng)和高抗蠕變要求的復(fù)合材料，最大的可能將是氧化物/氧化物陶瓷基復(fù)合材料。三種體系的陶瓷基復(fù)合材料從發(fā)展趨勢(shì)上看，非氧化物/非氧化物19CFCC-SiC在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用CFCC-SiC具有高比強(qiáng)、高比模、耐高溫、抗燒蝕、抗氧化和低密度等特點(diǎn)，其密度為2～2.5g/cm3，僅是高溫合金和鈮合金的1/3～1/4，鎢合金的1/9～1/10。用于瞬時(shí)壽命的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，C/SiC的使用溫度可達(dá)2800～3000℃；用于有限壽命的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，C/SiC的使用溫度可達(dá)2000～2200℃；用于長(zhǎng)壽命航空發(fā)動(dòng)機(jī)，C/SiC的使用溫度為1650℃，SiC/SiC為1450℃，提高SiC纖維的使用溫度是保證SiC/SiC用于1650℃的關(guān)鍵；由于C/SiC抗氧化性能較SiC/SiC差，國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)為，航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件最終獲得應(yīng)用的應(yīng)該是SiC/SiC。CFCC-SiC在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用CFCC-SiC具有高20結(jié)構(gòu)陶瓷纖維補(bǔ)強(qiáng)課件21解決纖維問(wèn)題的途徑主要有:一是提高SiC纖維的純度，降低纖維中的氧含量。如近年來(lái)采用電子束輻照固化方法發(fā)展出了一種低含氧量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%)的Hi-NicalonSiC纖維，其高溫性能比普通NicalonSiC纖維有了明顯的提高；二是發(fā)展高性能的氧化物單晶纖維。多晶纖維，高溫下纖維會(huì)發(fā)生再結(jié)晶，使其性能下降，而單晶纖維則可避免這一問(wèn)題。例如目前藍(lán)寶石單晶纖維使用溫度可達(dá)1500℃，使材料的高溫性能有了很大提高。解決纖維問(wèn)題的途徑主要有:22結(jié)構(gòu)陶瓷纖維補(bǔ)強(qiáng)課件23材料學(xué)院本科生專(zhuān)業(yè)課程《技術(shù)陶瓷學(xué)導(dǎo)論》主講：楊靜第七章結(jié)構(gòu)陶瓷材料的強(qiáng)化與韌化

-纖維增韌材料學(xué)院本科生專(zhuān)業(yè)課程《技術(shù)陶瓷學(xué)導(dǎo)論》主講：楊24纖維增韌定義：在陶瓷中加入高彈性模量的纖維，纖維均布于陶瓷基體中，達(dá)到增韌的目的為纖維增韌。纖維增韌的機(jī)理：陶瓷受力時(shí)，由于纖維的強(qiáng)度及彈性模量高，大部分應(yīng)力由纖維承受，減輕了陶瓷的負(fù)擔(dān)；而且纖維還可以阻止裂紋擴(kuò)展，起到增韌的作用。纖維增韌定義：在陶瓷中加入高彈性模量的纖維，纖維均布于陶瓷基25圖3-47、具有拔出效果的顯微增強(qiáng)SEM照片帶有纖維的陶瓷被拉斷的斷口，纖維的拉斷、拔出有增強(qiáng)、增韌的作用。圖3-47、具有拔出效果的顯微增強(qiáng)SEM照片帶有纖維的陶瓷被26纖維補(bǔ)強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的要求高強(qiáng)度、高模量的纖維或晶須（大于基體材料）；在制備條件和使用條件下，纖維或晶須的性能穩(wěn)定；纖維或晶須與基體不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；熱膨脹系數(shù)匹配，最好是纖維的略大；纖維與基體的結(jié)合力適當(dāng)，即保證基體應(yīng)力向纖維上的有效傳遞，又能使纖維從基體中有足夠長(zhǎng)度的拔出。纖維補(bǔ)強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的要求高強(qiáng)度、高模量的纖維或晶須（大于27結(jié)構(gòu)陶瓷纖維補(bǔ)強(qiáng)課件28結(jié)構(gòu)陶瓷纖維補(bǔ)強(qiáng)課件29結(jié)構(gòu)陶瓷纖維補(bǔ)強(qiáng)課件30結(jié)構(gòu)陶瓷纖維補(bǔ)強(qiáng)課件31結(jié)構(gòu)陶瓷纖維補(bǔ)強(qiáng)課件32-SiC晶須-SiC晶須33纖維補(bǔ)強(qiáng)增韌陶瓷復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用主要參考文獻(xiàn)：張立同，成來(lái)飛，徐永東，2003，西北工業(yè)大學(xué)周洋等，2001，北京航空材料研究院先進(jìn)復(fù)合材料國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室纖維補(bǔ)強(qiáng)增韌陶瓷復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用主要參考文獻(xiàn)：34航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件材料50至60年代，發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件材料主要是鑄造高溫合金，其使用溫度為800～900℃；70年代中期，定向凝固超合金開(kāi)始推廣，其使用溫度提高到接近1000℃；進(jìn)入80年代以后，相繼開(kāi)發(fā)出了高溫單晶合金、彌散強(qiáng)化超合金以及金屬間化合物等，使熱端部件的使用溫度提高到1200～1300℃，已接近這類(lèi)合金熔點(diǎn)的80%，雖然通過(guò)各種冷卻技術(shù)可進(jìn)一步提高渦輪進(jìn)口溫度，但作為代價(jià)降低了熱效率，增加了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和制造難度，而且對(duì)小而薄型的熱端部件難以進(jìn)行冷卻，因而再提高的潛力極其有限。陶瓷基復(fù)合材料正是人們預(yù)計(jì)在21世紀(jì)中可替代金屬及其合金的發(fā)動(dòng)機(jī)熱端結(jié)構(gòu)首選材料。航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件材料50至60年代，發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件材料35發(fā)動(dòng)機(jī)熱端陶瓷材料近20年來(lái)，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)研制目標(biāo)是將發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的使用溫度提高到1650℃或更高，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度，達(dá)到節(jié)能、減重、提高推重比和延長(zhǎng)壽命的目的。法國(guó)將SiC/Cf用于狂風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)M88發(fā)動(dòng)機(jī)的噴嘴瓣以及將SiC/SiCf用于幻影2000戰(zhàn)斗機(jī)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管內(nèi)調(diào)節(jié)片。美國(guó)碳化硅公司用Si3N4/SiCW制造導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鈬姽堋６虐罟狙兄瞥瞿艹惺?200～1300℃、使用壽命達(dá)2000h的陶瓷基復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)部件等。發(fā)動(dòng)機(jī)熱端陶瓷材料近20年來(lái)，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)36發(fā)動(dòng)機(jī)熱端陶瓷材料目前導(dǎo)彈、無(wú)人駕駛飛機(jī)以及其它短壽命的陶瓷渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)正處在最后研制階段，美國(guó)空軍材料實(shí)驗(yàn)室的研究人員認(rèn)為，1204～1371℃發(fā)動(dòng)機(jī)用陶瓷基復(fù)合材料已經(jīng)研制成功。英國(guó)羅—羅公司認(rèn)為，未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)葉片和機(jī)匣、高壓與低壓渦輪盤(pán)及葉片、燃燒室、加力燃燒室、火焰穩(wěn)定器及排氣噴管等都將采用陶瓷基復(fù)合材料。預(yù)計(jì)在21世紀(jì)初，陶瓷基復(fù)合材料的使用溫度可提高到1650℃甚至更高。發(fā)動(dòng)機(jī)熱端陶瓷材料目前導(dǎo)彈、無(wú)人駕駛飛機(jī)以及其它短壽命的陶瓷37發(fā)動(dòng)機(jī)熱端結(jié)構(gòu)陶瓷材料

-纖維補(bǔ)強(qiáng)增韌陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷的脆性：雖然具有作為發(fā)動(dòng)機(jī)熱端結(jié)構(gòu)材料的十分明顯的優(yōu)點(diǎn)，但其本質(zhì)上的脆性卻極大地限制了它的推廣應(yīng)用。單組分陶瓷材料缺陷敏感性高、韌性低、可靠性差。增韌的思路：經(jīng)歷了從“消除缺陷”或減少缺陷尺寸、減少缺陷數(shù)量，發(fā)展到制備能夠“容忍缺陷”，即對(duì)缺陷不敏感的材料。發(fā)動(dòng)機(jī)熱端結(jié)構(gòu)陶瓷材料

-纖維補(bǔ)強(qiáng)增韌陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷的脆性：雖38連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料與其它增韌方式相比，連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料(CFCC)具有較高的韌性，當(dāng)受外力沖擊時(shí)，能夠產(chǎn)生非失效性破壞形式，可靠性高，是提高陶瓷材料性能最有效的方法之一。CFCC的研究始于1973年S.R.Levitt制成的高強(qiáng)度碳纖維增強(qiáng)玻璃基復(fù)合材料。70年代中期，日本碳公司(NipponCarbonCo.)高性能SiC連續(xù)纖維-Nicalon的研制成功，使制造純陶瓷質(zhì)CFCC成為可能。80年代中期，E.Fitzer等用化學(xué)氣相沉積法制備出高性能的Nicalon纖維增強(qiáng)SiC基陶瓷復(fù)合材料，有力地推動(dòng)了CFCC的發(fā)展。連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料與其它增韌方式相比，連續(xù)纖維增強(qiáng)陶39周洋袁廣江徐榮九杜林虎李宏泉陳大明，2001(北京航空材料研究院先進(jìn)復(fù)合材料國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)周洋袁廣江徐榮九杜林虎李宏泉陳大明，200140結(jié)構(gòu)陶瓷纖維補(bǔ)強(qiáng)課件41三種體系的陶瓷基復(fù)合材料從發(fā)展趨勢(shì)上看，非氧化物/非氧化物陶瓷基復(fù)合材料中，SiC/SiCf、Si3N4/SiCf仍是研究的重點(diǎn)，有望在1600℃以下使用；氧化物/非氧化物陶瓷基復(fù)合材料由于氧化物基體的氧滲透率過(guò)高，在高溫長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用條件下幾乎沒(méi)有任何潛在的可能；能滿(mǎn)足1600℃以上高強(qiáng)和高抗蠕變要求的復(fù)合材料，最大的可能將是氧化物/氧化物陶瓷基復(fù)合材料。三種體系的陶瓷基復(fù)合材料從發(fā)展趨勢(shì)上看，非氧化物/非氧化物42CFCC-SiC在航空領(lǐng)域