陶瓷基復(fù)合材料-課件

陶瓷基復(fù)合材料1PPT課件回顧一下：陶瓷致命缺點(diǎn)：脆性改善韌性的有效手段：向陶瓷材料中加入起增韌作用的第二相增韌機(jī)制：靠纖維（晶須）的拔出、裂紋的橋連與轉(zhuǎn)向機(jī)制對(duì)強(qiáng)度和韌性的提高產(chǎn)生作用。2PPT課件纖維增強(qiáng)陶瓷材料是常見的重要手段??！按纖維排布方式的不同，可將其分為單向排布長(zhǎng)纖維復(fù)合材料多向排布纖維復(fù)合材料。10.3.1纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料10.3陶瓷基復(fù)合材料的種類及基本性能3PPT課件

單向排布纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的顯著特點(diǎn)是具有各向異性。即沿纖維長(zhǎng)度方向上的縱向性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其橫向性能。在實(shí)際構(gòu)件中，主要是使用其縱向性能。一、單向排布長(zhǎng)纖維復(fù)合材料4PPT課件裂紋垂直于纖維方向擴(kuò)展示意圖在單向排布纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料中，當(dāng)裂紋擴(kuò)展遇到纖維時(shí)會(huì)受阻，這時(shí)，如果要使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展就必須提高外加應(yīng)力。這一過程的示意圖如下：一、單向排布長(zhǎng)纖維復(fù)合材料5PPT課件當(dāng)外加應(yīng)力進(jìn)一步提高時(shí)，由于基體與纖維間的界面離解，同時(shí)又由于纖維的強(qiáng)度高于基體的強(qiáng)度，從而使纖維從基體中拔出。當(dāng)拔出的長(zhǎng)度達(dá)到某一臨界值時(shí)，會(huì)使纖維發(fā)生斷裂。裂紋垂直于纖維方向擴(kuò)展示意圖6PPT課件因此，裂紋的擴(kuò)展必須克服纖維的拔出功和纖維斷裂功，結(jié)果就是使得材料的斷裂變得更為困難，從而起到了增韌的作用。

單向排布纖維增韌陶瓷只是在纖維排列方向上的軸向性能較為優(yōu)越，而其橫向性能顯著低于縱向性能，所以只適用于單軸應(yīng)力的場(chǎng)合。7PPT課件二、多向排布纖維增韌復(fù)合材料而許多陶瓷構(gòu)件則要求在二維及三維方向上均具有優(yōu)良的性能，這就要進(jìn)一步的制備多向排布纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。8PPT課件(1)二維多向排布纖維增韌復(fù)合材料這種復(fù)合材料中，纖維的排布方式有兩種。9PPT課件(1)二維多向排布纖維增韌復(fù)合材料如右圖所示：一種是將纖維編織成纖維布，浸漬漿料后，根據(jù)需要的厚度將單層或若干層進(jìn)行熱壓燒結(jié)成型。這種材料成型板狀構(gòu)件曲率不宜太大10PPT課件這種材料在纖維排布平面的二維方向上性能優(yōu)越，而在垂直于纖維排布面方向上的性能較差。一般應(yīng)用：對(duì)二維方向上有較高性能要求的構(gòu)件上。(1)二維多向排布纖維增韌復(fù)合材料11PPT課件另一種是纖維分層單向排布，層間纖維成一定角度，如下圖所示。

這種復(fù)合材料可以根據(jù)構(gòu)件的形狀用纖維浸漿纏繞的方法做成所需要形狀的殼層狀構(gòu)件。(1)二維多向排布纖維增韌復(fù)合材料12PPT課件

二維多向纖維的韌化機(jī)理與單向排布纖維復(fù)合材料是一樣的，主要也是靠纖維的拔出與裂紋轉(zhuǎn)向機(jī)制，使其韌性及強(qiáng)度大幅度提高。(1)二維多向排布纖維增韌復(fù)合材料13PPT課件(2)三維多向排布纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料

三維多向編織纖維增韌陶瓷是為了滿足某些情況的性能要求而設(shè)計(jì)的。它是按直角坐標(biāo)將多束纖維分層交替編織而成。

由于每束纖維呈直線伸展，不存在相互交纏和繞曲，因而使纖維可以充分發(fā)揮最大的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。14PPT課件

這種材料最初是從宇航用三向C/C復(fù)合材料開始的，現(xiàn)已發(fā)展到三向石英/石英等陶瓷復(fù)合材料。(2)三維多向排布纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料這種三維多向編織結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)節(jié)①纖維束的根數(shù)和股數(shù)②相鄰束間的間距③織物的體積密度④纖維的總體積分?jǐn)?shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)以滿足性能要求。15PPT課件10.3.2晶須和顆粒增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料

長(zhǎng)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料雖然性能優(yōu)越，但它的制備工藝復(fù)雜，而且纖維在基體中不易分布均勻。因此，近年來又發(fā)展了短纖維、晶須及顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料。16PPT課件一、晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料由于晶須的尺寸很小，從宏觀上看與粉末一樣，因此在制備復(fù)合材料時(shí)，只需將晶須分散后與基體粉末混合均勻，然后進(jìn)行熱壓燒結(jié)，制得致密的晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料。目前常用的晶須有SiC，Si3N4，Al2O3晶須，常用的基體則為Al2O3,ZrO2，SiO2，Si3N4及莫來石等。17PPT課件

晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料的性能與基體和晶須的選擇、晶須的含量及分布等因素有關(guān)。觀察復(fù)合材料的性能與SiC晶須含量之間的關(guān)系例：ZrO2(2mol%Y2O3)

+SiCw陶瓷

A12O3+SiCw陶瓷18PPT課件

彎曲強(qiáng)度f(MPa)SiCw含量（vol%）彎曲強(qiáng)度的變化規(guī)律則是，隨SiCw含量的增加，在10vol％SiCw時(shí)出現(xiàn)峰值，隨后又有所下降，但卻始終高于基體SiCw增強(qiáng)ZrO2(Y2O3)復(fù)合材料的力學(xué)性能原因：由于SiCw含量高時(shí)造成熱失配過大，同時(shí)使致密化困難而引起密度下降，從而使界面強(qiáng)度降低，導(dǎo)致了復(fù)合材料強(qiáng)度的下降。19PPT課件斷裂韌性KIC(MPa.m1/2)SiCw含量（vol%）

彎曲強(qiáng)度f(MPa)SiCw含量（vol%）由圖中可知，ZrO2基復(fù)合材料的斷裂韌性KIC=16MPa.M1/2

，彎曲強(qiáng)度f=1400MPa。SiCw增強(qiáng)ZrO2(Y2O3)復(fù)合材料的力學(xué)性能20PPT課件SiCw含量（vol%）

彎曲強(qiáng)度f(MPa)SiCw增強(qiáng)Al2O3復(fù)合材料的力學(xué)性能對(duì)Al2O3基復(fù)合材料，彎曲強(qiáng)度的變化規(guī)律則是，隨SiCw含量的增加單調(diào)上升。21PPT課件SiCw含量（vol%）

彎曲強(qiáng)度f(MPa)SiCw含量（vol%）斷裂韌性KIC(MPa.m1/2)SiCw增強(qiáng)Al2O3復(fù)合材料的力學(xué)性能由圖中可知，對(duì)A12O3基復(fù)合材料最佳的韌性和強(qiáng)度的配合可使斷裂韌性KIC=7MPa.M1/2，彎曲強(qiáng)度f=600MPa。22PPT課件因此，可以看出：兩種基體的彈性模量、硬度及斷裂韌性均隨著SiCw含量的增加而提高。SiCw含量（vol%）

維氏硬度HV(GPa)

彈性模量E(GPa)

維氏硬度HV(GPa)

彈性模量E(GPa)SiCw含量（vol%）ZrO2(Y2O3)基體Al2O3基體23PPT課件由此可見，SiCw對(duì)陶瓷材料同時(shí)具有增強(qiáng)和增韌的效果。

由于晶須具有長(zhǎng)徑比，因此，當(dāng)其含量較高時(shí)，因其橋架效應(yīng)而使致密化變得因難，從而引起了密度的下降并導(dǎo)致性能的下降。

為了克服這一弱點(diǎn)，可采用顆粒來代替晶須制成復(fù)合材料，這種復(fù)合材料在原料的混合均勻化及燒結(jié)致密化方面均比晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料要容易。24PPT課件當(dāng)所用的顆粒為SiC，TiC時(shí)，基體材料采用最多的是Al2O3，Si3N4。目前，這些復(fù)合材料已廣泛用來制造刀具。二、顆粒增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料25PPT課件右圖顯示了SiCp含量對(duì)A12O3復(fù)合材料性能的影響。

斷裂強(qiáng)度f(MPa)SiCp含量(vol%)從中可以看出，在5％SiCp時(shí)強(qiáng)度出現(xiàn)峰值。26PPT課件下圖為SiCp含量對(duì)

Si3N4復(fù)合材料性能的影響SiCp含量（vol%）斷裂韌性KIC(MPa.m1/2)SiCp含量（vol%）

彎曲強(qiáng)度f(MPa)

從中可以看出，在SiCp含量為5％時(shí)強(qiáng)度及韌性達(dá)到了最高值。27PPT課件因此，晶須與顆粒對(duì)陶瓷材料的增韌均有一定作用，且各有利弊。

晶須的增強(qiáng)增韌效果好，但含量高時(shí)會(huì)使致密度下降；

顆粒的填充可克服密度下降這一弱點(diǎn)，但其增強(qiáng)增韌效果卻不如晶須。28PPT課件進(jìn)一步設(shè)想：

若將晶須與顆粒共同使用，情況如何？？？可取長(zhǎng)補(bǔ)短，達(dá)到更好的效果。目前，已有了這方面的研究工作，如使用SiCw與SiCp來共同增韌等。29PPT課件觀察Al2O3（M）+ZrO2(Y2O3)p+SiCw復(fù)合材料的性能隨SiCw及ZrO2(Y2O3)含量的變化情況。Al2O3+20mol%SiCw+ZrO2(Y2O3)ZrO2含量(vol%)

彎曲強(qiáng)度f(MPa)ZrO2含量(vol%)斷裂韌性KIC(MPa.m1/2)30PPT課件可以看出，隨著SiCw及ZrO2(Y2O3)含量的增加，其強(qiáng)度與韌性均呈上升趨勢(shì)，在20％SiCw及30％ZrO2(Y2O3)時(shí)，復(fù)合材料的f達(dá)1200MPa，KIC達(dá)10MPa.m1/2

以上。這比單獨(dú)晶須韌化的Al2O3+SiCw復(fù)合材料的f=634MPa，KIC=7.5MPa.M1/2有明顯的提高，這充分體現(xiàn)了這種復(fù)合強(qiáng)化的效果。31PPT課件下表則給出了莫來石及其制得的復(fù)合材料的強(qiáng)度與韌性：材料f(Mpa)KIC(MPa.M1/2)莫來石2442.8莫來石+SiCw4524.4莫來石+ZrO2+SiCw551~5805.4~6.7很明顯，由ZrO2+SiCw與莫來石制得的復(fù)合材料要比單獨(dú)用SiCw與莫來石制得的復(fù)合材料的性能好得多。32PPT課件10.4陶瓷基復(fù)合材料的制備

陶瓷基復(fù)合材料的制造分為兩個(gè)步驟：第一步是將增強(qiáng)材料摻入未固結(jié)(或粉末狀)的基體材料中，排列整齊或混合均勾；第二步是運(yùn)用各種加工條件在盡量不破壞增強(qiáng)材料和基體性能的前提下，制成復(fù)合材料制品。33PPT課件

纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的性能取決于多種因素。一、纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的加工哪些因素？？？主要有：基體、纖維及二者之間的結(jié)合34PPT課件從基體方面看：與氣孔的尺寸及數(shù)量，裂紋的大小以及一些其它缺陷有關(guān)。從纖維方面來看：則與纖維中的雜質(zhì)、纖維的氧化程度、損傷及其他固有缺陷有關(guān)。

從基體與纖維的結(jié)合情況上看：則與界面的結(jié)合效果、纖維在基體中的取向、以及載體與纖維的熱膨脹系數(shù)差有關(guān)。35PPT課件正因?yàn)橛腥绱硕嗟挠绊懸蛩?，所以在?shí)際中針對(duì)不同的材料有不同的制作方法。

成型技術(shù)的不斷研究與改進(jìn)，正是為了能獲得性能更為優(yōu)良的材料。讓我們看看目前采用的纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的成型的主要方法有哪些？36PPT課件這種方法是在陶瓷泥漿中分散纖維。然后澆鑄在石膏模型中。優(yōu)點(diǎn)：這種方法比較古老，不受制品形狀的限制、成本低、工藝簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：對(duì)提高產(chǎn)品性能的效果不顯著!!!

適用范圍：適合于短纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的制作。1.泥漿澆鑄法37PPT課件

將長(zhǎng)纖維切短(<3mm)，然后分散并與基體粉末混合，再用熱壓燒結(jié)的方法即可制得高性能的復(fù)合材料。特點(diǎn)：短纖維增強(qiáng)體在與基體粉末混合時(shí)取向是無序的，但在冷壓成型及熱壓燒結(jié)的過程中，短纖維由于在基體壓實(shí)與致密化過程中沿壓力方向轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致短纖維沿加壓面而擇優(yōu)取向，產(chǎn)生了材料性能上一定程度的各向異性。

適用范圍：纖維與基體之間的結(jié)合較好，是目前采用較多的方法。2.熱壓燒結(jié)法38PPT課件3.浸漬法這種方法適用于長(zhǎng)纖維。首先把纖維編織成所需形狀，然后用陶瓷泥漿浸漬，干燥后進(jìn)行焙燒。優(yōu)點(diǎn)：纖維取向可自由調(diào)節(jié)，如，單向排布及多向排布等。缺點(diǎn)：不能制造大尺寸的制品，而且所得制品的致密度較低。39PPT課件二、晶須與顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料的加工與制備

晶須與顆粒的尺寸均很小，只是幾何形狀上有些區(qū)別，用它們進(jìn)行增韌的陶瓷基復(fù)合材料的制造工藝是基本相同的。40PPT課件工藝特點(diǎn)：只需將晶須或顆粒分散后并與基體粉末混合均勻，再用熱壓燒結(jié)的方法即可制得高性能的復(fù)合材料。與長(zhǎng)纖維復(fù)合材料相比：簡(jiǎn)便！41PPT課件

晶須與顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料的制造工藝也可大致分為以下幾個(gè)步驟：這一過程看似簡(jiǎn)單，實(shí)則包含著相當(dāng)復(fù)雜的內(nèi)容。配料成型燒結(jié)精加工42PPT課件即使坯體由超細(xì)粉(微米級(jí))原料組成，其產(chǎn)品質(zhì)量也不易控制，所以隨著現(xiàn)代科技對(duì)材料提出的要求不斷提高，這方面的工藝還必需進(jìn)一步深入。43PPT課件

高性能的陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)具有均質(zhì)、孔隙少的微觀組織。為了得到這樣品質(zhì)的材料，必須首先嚴(yán)格挑選原料。1.配料

(1)配料方法：把幾種原料粉末混合配成坯料的方法可分為干法和濕法兩種?，F(xiàn)今新型陶瓷領(lǐng)域混合處理加工的微米級(jí)、超微米級(jí)粉末方法由于效率和可靠性的原因，大多采用濕法。44PPT課件（2）溶劑選擇：濕法主要采用水作溶劑，但在氮化硅、碳化硅等非氧化物系的原料混合時(shí)，為防止原料的氧化則使用有機(jī)溶劑。（3）配料工藝：原料混合時(shí)的裝置一般為專用球磨機(jī)。最好采用與加工原料材質(zhì)相同的陶瓷球和內(nèi)襯，防止球磨機(jī)運(yùn)行過程中因球和內(nèi)襯磚磨損下來而作為雜質(zhì)混入原料中45PPT課件混好后的料漿在成型時(shí)有三種不同的情況：

A經(jīng)一次干燥制成粉末坯料后供給成型工序；

B把結(jié)合劑添加于料漿中、不干燥坯料，保持漿狀供給成型工序；

C用壓濾機(jī)將料漿狀的粉脫水后成坯料供給成型工序。2．成型46PPT課件

把上述的干燥粉料充入模型內(nèi)，加壓后即可成型。通常有金屬模成型法和橡皮模成型法。1）金屬模成型法：

裝置簡(jiǎn)單、成型成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，但它的加壓方向是單向的。粉末與金屬模壁的摩擦力大，粉末間傳遞壓力不太均勻，故易造成燒成后的生坯變形或開裂、只能適用于形狀比較簡(jiǎn)單的制件。成型方法：47PPT課件適用范圍：雖不能做到完全均勻地加壓，但適合于批量生產(chǎn)由于在成型過程中毛坯與橡皮模接觸而壓成的生坯，難以制成精密形狀，通常還要用剛玉對(duì)細(xì)節(jié)部分進(jìn)行修整。用靜水壓從各個(gè)方向均勻加壓于橡皮模來成型，故不會(huì)發(fā)生生坯密度不均勻和具有方向性之類的問題。2）橡皮模成型法：48PPT課件3）注漿成型法：具有十分悠久歷史的陶瓷成型方法。 將料漿澆入石膏模內(nèi)，靜置片刻，料漿中的水分被石膏模吸收。然后除去多余的料漿，將生坯和石膏模一起干燥，生坯干燥后保持一定的強(qiáng)度，并從石膏中取出。這種方法可成型壁薄且形狀復(fù)雜的制品。注漿成型法從成型過程上看：與塑料的注射成型過程相類似，但是在陶瓷中必須從生坯里將粘合劑除去、再燒結(jié)。這些工藝均較為復(fù)雜，因此也使這種方法具有很大的局限性。49PPT課件

這種方法是把料漿放入壓濾機(jī)內(nèi)擠出水分，形成塊狀后，從安裝各種擠形口的真空擠出成型機(jī)擠出成型的方法，它適用于斷面形狀簡(jiǎn)單的長(zhǎng)條形坯件的成型。4)擠壓成型法：50PPT課件從生坯中除去粘合劑組分后的陶瓷素坯燒固成致密制品的過程叫燒結(jié)。為了燒結(jié)，必需有專門的窯爐。窯爐的種類繁多，按其功能進(jìn)行劃分可分為間歇式和連續(xù)式。3.燒結(jié)51PPT課件（1）間歇式窯爐是放入窯爐內(nèi)生坯的硬化、燒結(jié)、冷卻及制品的取出等工序是間歇地進(jìn)行的。

間歇式窯爐不適合于大規(guī)模生產(chǎn)，但適合處理特殊大型制品或長(zhǎng)尺寸制品的優(yōu)點(diǎn)，且燒結(jié)條件靈活，筑爐價(jià)格也比較便宜。（2）連續(xù)窯爐適合于大批量制品的燒結(jié)，由預(yù)熱、燒結(jié)和冷卻三個(gè)部分組成。

把裝生坯的窯車從窯的一端以一定時(shí)間而間歇推進(jìn)，窯車沿導(dǎo)軌前進(jìn)，沿著窯內(nèi)設(shè)定的溫度分布經(jīng)預(yù)熱、燒結(jié)、冷卻過程后，從窯的另一端取出成品。52PPT課件由于高精度制品的需求不斷增多，因此在燒結(jié)后的許多制品還需進(jìn)行精加工。精加工的目的是為了提高燒成品的尺寸精度和表面平滑性。尺寸精度主要用金剛石砂輪進(jìn)行磨削加工，表面平滑性則用磨料進(jìn)行研磨加工。4．精加工53PPT課件

總結(jié)：以上是陶瓷基復(fù)合材料制備工藝的幾個(gè)主要步驟，但實(shí)際情況則是相當(dāng)復(fù)雜的。陶瓷與金屬的一個(gè)重要區(qū)別也在于它對(duì)制造工藝中的微小變化特別敏感，而這些微小的變化在最終燒成產(chǎn)品前是很難察覺的。54PPT課件

陶瓷制品一旦燒結(jié)結(jié)束，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量有問題時(shí)則為時(shí)已晚。而且，由于工藝路線很長(zhǎng)，要查找原因十分困難。這就使得實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的積累變得越發(fā)重要。

陶瓷的制備質(zhì)量與其制備工藝有很大的關(guān)系。

在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下能夠穩(wěn)定重復(fù)制造的材料，在擴(kuò)大的生產(chǎn)規(guī)模下常常難于重現(xiàn)。

在生產(chǎn)規(guī)模下可能重復(fù)再現(xiàn)的陶瓷材料，常常在原材料波動(dòng)和工藝裝備有所變化的條件下難于實(shí)現(xiàn)。這是陶瓷制備中的關(guān)鍵問題之一。55PPT課件先進(jìn)陶瓷制品的一致性，則是它能否大規(guī)摸推廣應(yīng)用的最關(guān)鍵問題之一?，F(xiàn)今的先進(jìn)陶瓷制備技術(shù)可以做到成批地生產(chǎn)出性能很好的產(chǎn)品，但卻不容易保證所有制品的品質(zhì)一致。56PPT課件一、陶瓷基復(fù)合材料在工業(yè)上的應(yīng)用陶瓷材料具有耐高溫、高強(qiáng)度、高硬度及耐腐蝕性好等特點(diǎn)，但其脆性大的弱點(diǎn)限制了它的廣泛應(yīng)用。10.5陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用57PPT課件隨著現(xiàn)代高科技的迅猛發(fā)展，要求材料能在更高的溫度下保持優(yōu)良的綜合性能。陶瓷基復(fù)合材料可較好地滿足這一要求。它的最高使用溫度主要取決于基體特性，其工作溫度按下列基體材料依次提高：玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、碳素材料，其最高工作溫度可達(dá)1900℃。58PPT課件陶瓷基復(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(dòng)構(gòu)件、航空航天構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)制件、能源構(gòu)件等。59PPT課件在切削工具方面，SiCw增韌的細(xì)顆粒Al2O3陶瓷復(fù)合材料已成功用于工業(yè)生產(chǎn)制造切削刀具。下圖為用熱壓法制備的SiCw/Al2O3復(fù)合材料鉆頭。SiCw/Al2O3復(fù)合材料鉆頭60PPT課件由美國(guó)格林利夫公司研制、一家生產(chǎn)切削工具和陶瓷材料的廠家和美國(guó)大西洋富田化工公司合作生產(chǎn)的WC--300復(fù)合材料刀具具有耐高溫、穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高和優(yōu)異的抗熱展性能，熔點(diǎn)為2040℃，切削速度可達(dá)200尺/分，甚至更高。61PPT課件某燃汽輪機(jī)廠采用這種新型WC--300復(fù)合材料刀具后，機(jī)加工時(shí)間從原來的5小時(shí)縮短到20分鐘，僅此一項(xiàng)，每年就可節(jié)約25萬美元。62PPT課件山東工業(yè)大學(xué)研制生產(chǎn)的SiCw/Al2O3復(fù)合材料刀具切削鎳基合金時(shí)，不但刀具使用壽命增加，而且進(jìn)刀量和切削速度也大