第六章陶瓷基復(fù)合材料

復(fù)合材料導(dǎo)論IntroductiontoCompositeMaterials輕型產(chǎn)業(yè)學(xué)院吳玲1第六章陶瓷基復(fù)合材料一.陶瓷基復(fù)合材料的基體材料二.陶瓷基復(fù)合材料的分類三.陶瓷基復(fù)合材料的制備方法四.陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用2陶瓷材料傳統(tǒng)陶瓷先進(jìn)陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷功能陶瓷

一.陶瓷基復(fù)合材料的基體材料

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傳統(tǒng)上，“陶瓷”是指所有以粘土為主要原料與其它天然礦物原料經(jīng)過粉碎、混煉、成形、燒結(jié)等過程而制成的各種制品。傳統(tǒng)陶瓷包括常見的日用陶瓷制品和建筑陶瓷、電瓷等。日用陶瓷－餐具建筑陶瓷－地磚絕緣陶瓷傳統(tǒng)陶瓷4

傳統(tǒng)陶瓷的主要原料：取之于自然界的硅酸鹽礦物(如粘土、長石、石英等)，陶瓷工業(yè)可與玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工業(yè)同屬“硅酸鹽工業(yè)”的范疇。粘土礦物－高嶺石鉀長石石英SiO2Al4[Si4O10]·(OH)8KAlSi3O8

5壓電陶瓷晶片

氧化鋯陶瓷

這些氧化物陶瓷、壓電陶瓷、金屬陶瓷等的生產(chǎn)過程基本上還是原料處理、成形、燒結(jié)這種傳統(tǒng)的陶瓷生產(chǎn)方法，但原料已不再使用或很少使用粘土等傳統(tǒng)陶瓷原料，而已擴(kuò)大到化工原料和合成礦物，甚至是非硅酸鹽、非氧化物原料，組成范圍也延伸到無機(jī)非金屬材料的范圍中，并且出現(xiàn)了許多新的工藝。先進(jìn)陶瓷6結(jié)構(gòu)陶瓷主要是用于耐高溫、絕緣、耐磨等領(lǐng)域不同形狀的特種結(jié)構(gòu)陶瓷件7結(jié)構(gòu)陶瓷氧化物陶瓷非氧化物陶瓷碳化物陶瓷氮化物陶瓷功能陶瓷先進(jìn)陶瓷8一般而言，陶瓷具有比金屬更高的熔點(diǎn)和硬度，化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，耐熱性、抗老化性皆好。通常的陶瓷是絕緣體，在高溫下也可以導(dǎo)電，但比金屬導(dǎo)電性差得多。陶瓷基體材料9雖然陶瓷的許多性能優(yōu)于金屬，但它也存在致命的弱點(diǎn)，即脆性強(qiáng)，韌性差，很容易因存在裂紋、空隙、雜質(zhì)等細(xì)微缺陷而破碎，引起不可預(yù)測的災(zāi)難性后果，因而大大限制了陶瓷作為承載結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。10近年來的研究結(jié)果表明，在陶瓷基體中添加其它成分，如陶瓷粒子、纖維或晶須，可提高陶瓷的韌性。

粒子增強(qiáng)雖能使陶瓷的韌性有所提高，但效果并不顯著。11陶瓷材料制備工藝流程粉體制備配料與混料成型干燥修坯燒結(jié)12

以氧化鋁(Al2O3)為主要成分的陶瓷稱為氧化鋁陶瓷，氧化鋁僅有一種熱動力學(xué)穩(wěn)定的相態(tài)，即--Al2O3，屬六方晶系。（1）氧化鋁陶瓷1314

氧化鋁陶瓷包括高純氧化鋁瓷，99氧化鋁瓷，95氧化鋁瓷和85氧化鋁瓷等品種，其氧化鋁含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))依此為99．9％、99％、95％和85％，燒結(jié)溫度依次為1800℃、1700℃、1650℃和1500℃。粉體制備配料與混料成型干燥修坯燒結(jié)15滑石1，石膏2，方解石3，螢石4，磷灰石5，正長石6，石英7，黃玉8，剛玉9，金剛石10莫氏硬度氧化鋁陶瓷

材料的力學(xué)性能16

以氧化鋯(ZrO2)為主要成分的陶瓷稱為氧化鋯陶瓷。氧化鋯密度5.6~5.9g/cm3，熔點(diǎn)2175℃。氧化鋯在1100℃時，從單斜相迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较?，此可逆轉(zhuǎn)變伴隨有7％～9％的體積變化。(2)氧化鋯陶瓷基體17單斜相四方相膨脹18由于氧化鋯具有可逆相變，故在氧化鋯陶瓷的燒結(jié)過程中加入適量CaO、MgO等與ZrO2結(jié)構(gòu)近似的氧化物作為穩(wěn)定劑，形成穩(wěn)定的立方相結(jié)構(gòu)。穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)小，韌性好，化學(xué)穩(wěn)定性良好，高溫時具有抗酸性和抗堿性。19以氮化硅(Si3N4)為主要成分的陶瓷稱氮化硅陶瓷。氮化硅陶瓷有兩種形態(tài)，即和兩種六方晶型，由于氮化硅中Si-N鍵結(jié)合強(qiáng)度高，屬難燒結(jié)物質(zhì)。（3）氮化硅陶瓷基體20

氮化硅陶瓷主要制備技術(shù)有燒結(jié)氮化硅，熱壓氮化硅(HPSN)，反應(yīng)化合氮化硅(RBSN)，化學(xué)氣相沉積(CVD)氮化硅等。各種制備技術(shù)所需的工藝條件各不相同，所得氮化硅的性能也有所差異。

21以碳化硅(SiC)為主要成分的陶瓷稱為碳化硅陶瓷。SiC硬度高、耐高溫、抗氧化、耐燒蝕。(4)碳化硅陶瓷基體22SiC并不在自然界中存在，主要通過熱壓、燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)和化學(xué)氣相沉積等制備技術(shù)獲得。SiC一般有兩種晶型，即--SiC(六方晶型)和--SiC(立方晶型)，Si--C鍵屬于典型的共價鍵。23不同方法制備的碳化硅的一些性能24二.陶瓷基復(fù)合材料的分類1、按陶瓷基體分類252、按增強(qiáng)相分類26陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝方法對復(fù)合材料的性能有很大的影響，是陶瓷基復(fù)合材料的重要研究內(nèi)容之一三.陶瓷基復(fù)合材料的制備方法27顆粒彌散強(qiáng)化陶瓷基復(fù)合材料與單相陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝基本相同晶須補(bǔ)強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料通常也是借鑒單相陶瓷材料的制備工藝，但其中晶須的分散是關(guān)鍵制備方法28纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝主要有兩類：一是先將纖維進(jìn)行二維或三維的編制制成一定形狀的預(yù)制體，再采用化學(xué)氣相滲積或前驅(qū)體液相浸漬或反應(yīng)性熔體浸滲等方法使陶瓷連續(xù)填充于纖維骨架中，形成復(fù)合材料。二是將纖維浸入陶瓷漿體后進(jìn)行纏繞，制成一定形狀的坯體，然后熱壓成型。29四常見陶瓷基復(fù)合材料及其應(yīng)用SiCw/Al2O3SiCf/SiC

Cf/SiC30陶瓷基復(fù)合材料具有耐高溫、高強(qiáng)度、高硬度及耐腐蝕性好等特點(diǎn)，并在一定程度上克服了陶瓷材料的脆性，陶瓷基復(fù)合材料已實(shí)用化或即將實(shí)用化的領(lǐng)域包括：刀具、滑動構(gòu)件、航空航天構(gòu)件、發(fā)動機(jī)制件、能源構(gòu)件等。31陶瓷刀具(SiCw/Al2O3等)SiCw/Al2O3復(fù)合材料鉆頭用于金屬切削的陶瓷刀具提高工作溫度300~500℃提高推力30%~100%結(jié)構(gòu)減重50%~70%航空發(fā)動機(jī)熱結(jié)構(gòu)件燃燒室噴管渦輪如：SiC/SiCC/SiC高速剎車系統(tǒng)(C/SiC)▼新一代戰(zhàn)斗機(jī)，也可用于民機(jī)、高速列車、賽車和跑車▼比C/C剎車材料制備周期短、成本低、強(qiáng)度高、動靜摩擦系數(shù)高且匹配好，濕態(tài)恢復(fù)快核聚變反應(yīng)堆（SiCf/SiC）SiC/SiCSiC/