第七章 陶瓷基復合材料.ppt

1、第七章 陶瓷基復合材料,Outline,陶瓷基復合材料的種類和性能 陶瓷基復合材料的制備工藝 陶瓷基復合材料的增韌機理 氧化物陶瓷基復合材料 非氧化物陶瓷基復合材料,特種陶瓷具有優(yōu)秀的力學性能、耐磨性好、 硬度高及耐腐蝕性好等特點，但其脆性大，耐熱震性能差，而且陶瓷材料對裂紋、氣孔和夾雜等細微的缺陷很敏感。 陶瓷基復合材料使材料的韌性大大改善，同時其強度、模量有了提高。,為什么陶瓷材料的韌性比金屬材料差？,陶瓷基復合材料的力 位移曲線,不同金屬、陶瓷基體和陶瓷基復合材料的斷裂韌性比較,陶瓷基復合材料的種類及基本性能,陶瓷基復合材料的種類,結構陶瓷復合材料 用于制造各種受力構件 功能陶瓷復合材料

2、 具有各種特殊性能,按材料作用分,顆粒增強陶瓷復合材料 纖維（晶須）增強陶瓷復合材料 片材增強陶瓷復合材料,按增強材料形態(tài)分,氧化物基陶瓷復合材料 非氧化物基陶瓷復合材料 微晶玻璃基復合材料,按基體材料分類,陶瓷基復合材料的界面和界面設計 界面的粘結形式 （1）機械結合 （2）化學結合 陶瓷基復合材料往往在高溫下制備，由于增強 體與基體的原子擴散，在界面上更易形成固溶體和 化合物。此時其界面是具有一定厚度的反應區(qū)，它 與基體和增強體都能較好的結合，但通常是脆性的。,界面的作用 陶瓷基復合材料的界面一方面應強到足以傳遞 軸向載荷并具有高的橫向強度；另一方面要弱到足 以沿界面發(fā)生橫向裂紋及裂紋偏轉

3、直到纖維的拔出。,界面性能的改善,增強體表面改性是改善陶瓷基復合材料界面性能的有效途徑。,方式？作用？,粉末冶金法 工藝流程： 原料（陶瓷粉末、增強劑、粘結劑和助燒劑） 均勻混合（球磨、超聲等） 冷壓成形 （熱壓）燒結 適用于顆粒、晶須和短纖維增韌陶瓷基復合材料。,陶瓷基復合材料的制備工藝,漿體法（濕態(tài)法） 為了克服粉末冶金法中各組元混合不均的問題，可采用漿體（濕態(tài)）法制備顆粒、晶須和短纖維增韌陶瓷基復合材料。 其混合體為漿體形式。混合體中各組元保持散凝狀。即在漿體中呈彌散分布。 采用漿體浸漬法也可制備連續(xù)纖維增韌陶瓷基復合材料。,漿體法制備陶瓷基復合材料示意圖,反應燒結法 用此方法制備陶瓷基

4、復合材料，除基體材料幾乎無收縮外，還具有以下優(yōu)點： （1）增強劑的體積比可以相當大； （2）可用多種連續(xù)纖維預制體； （3）大多數(shù)陶瓷基復合材料的反應燒結溫度低于陶瓷的燒結溫度，因此可避免纖維的損傷。 此方法最大的缺點是高氣孔率難以避免。,反應燒結法 制備SiC/Si3N4 基復合材料工 藝流程圖,液態(tài)浸漬法 用此方法制備陶瓷基復合材料，化學反應、熔 體粘度、熔體對增強材料的浸潤性是首要考慮的問 題，這些因素直接影響著材料的性能。陶瓷熔體可 通過毛細作用滲入增強劑預制體的孔隙。施加壓力 或抽真空將有利于浸漬過程。,液態(tài)浸漬法制備陶瓷基復合材料示意圖,溶膠 凝膠（Sol Gel）法 溶膠（Sol

5、）是由于化學反應沉積而產生的微 小顆粒（直徑100nm）的懸浮液；凝膠（Gel ） 是水分減少的溶膠，即比溶膠粘度大的膠體。 Sol Gel法是指金屬有機或無機化合物經溶 液、溶膠、凝膠等過程而固化，再經熱處理生成氧 化物或其它化合物固體的方法。該方法可控制材料 的微觀結構，使均勻性達到微米、納米甚至分子量 級水平。,（1）Sol Gel法制備SiO2陶瓷原理如下： Si(OR)4 + 4 H2O Si(OH)4+ 4 ROH Si(OH)4 SiO2 + 2 H2O 使用這種方法，可將各種增強劑加入基體溶膠中攪拌均勻，當基體溶膠形成凝膠后，這些增強組元穩(wěn)定、均勻分布在基體中，經過干燥或一定溫

6、度熱處理，然后壓制燒結形成相應的復合材料。,(2)溶膠凝膠法也可以采用漿體浸漬法制備增強相預制體,化學氣相沉積法（CVD） 是以氣態(tài)物質為原料，在高溫下發(fā)生熱分解或 化學反應合成材料的一種方法。 A(g) B(s)+C(g) 例如：CH3SiCl3(g) SiO2(s)+3HCl (g) 或： A(g) + B(g) C(s)D(g) 例如：SiCl4(g) O2 (g) SiO2(s)+Cl2(g) 能夠制備碳化物、氧化物、氮化物和硼化物等。 生產效率降低，需1421天。,CVD法制備纖維陶瓷基復合材料示意圖,化學氣相浸漬（CVI）法 與CVD法類似，不同點是氣源不僅熱分解或 化學反應，而且

7、還與坯體表面的元素發(fā)生反應， 并在孔隙中沉積反應產物。,其它方法 （1）聚合物先驅體熱解法 以高分子聚合物為先驅體成型后使高分子先 驅體發(fā)生熱解反應轉化為無機物質，然后再經高 溫燒結制備成陶瓷基復合材料。此方法可精確控 制產品的化學組成、純度以及形狀。最常用的高 聚物是有機硅（聚碳硅烷、酚醛樹酯、瀝青等）。,制備工藝流程： 制備增強劑預制體浸漬聚合物先驅體熱解 再浸漬再熱解 b. 陶瓷粉+聚合物先驅體均勻混合模壓成型 熱解,顆粒增韌 （1）非相變第二相顆粒增韌 假設第二相顆粒與基體不存在化學反應，熱 膨脹系數(shù)失配在第二相顆粒及周圍基體內部產生 殘余應力場是陶瓷得到增韌的主要根源之一。,陶瓷基復

8、合材料的增韌機理,當p m時，當顆粒處于拉應力狀態(tài)，而基體徑向處于拉伸狀態(tài)、切向處于壓縮狀態(tài)時，可能產生具有收斂性的環(huán)向微裂紋；裂紋在基體中發(fā)展，增加了裂紋擴展路徑，因而增加了裂紋擴展的阻力,當p m時，若顆粒在某一裂紋面內，則裂紋向顆 粒擴展時將首先直接達到顆粒與基體的界面。此時 如果外力不再增加，則裂紋就在此釘扎，這就是裂 紋釘扎增韌機理的本質。 若外加應力進一步增大，裂紋繼續(xù)擴展，或穿 顆粒發(fā)生穿晶斷裂，或繞過顆粒，沿顆粒與基體的 界面擴展，裂紋發(fā)生偏轉。即使發(fā)生偏轉，因偏轉 程度較小，界面斷裂能低于基體斷裂能，增韌的幅 度也較小。,（2）延性顆粒增韌 在脆性陶瓷基體中加入第二相延性顆粒

9、能明顯 提高材料的斷裂韌性。其增韌機理包括由于裂紋尖 端形成的塑性變形區(qū)導致裂紋尖端屏蔽以及由延性 顆粒形成的延性裂紋橋。當基體與延性顆粒的和E 值相等時，利用延性裂紋橋可達最佳增韌效果。但 當和E值相差足夠大時，裂紋發(fā)生偏轉繞過金屬顆 粒，增韌效果較差。,（ 3）納米顆粒增強增韌 將納米顆粒加入到陶瓷中時，材料的強度和 韌性大大改善。增強顆粒與基體顆粒的尺寸匹配 與殘余應力是納米復合材料中的重要增強、增韌 機理。,（4）相變增韌 當將氧化鋯顆粒加入其它陶瓷基體中時，氧化 鋯的相變使陶瓷的韌性增加。 單斜相(m) ZrO2 四方相(t ) ZrO2 立方相ZrO2 1170C 2370C t

10、m轉變具有馬氏體的特征，伴隨有35%的 體積膨脹。這一相變溫度正處在室溫與燒結溫度之 間，對材料的韌性和強度有很大影響。,如果在ZTA（ZrO2 / Al2O3）中加入某些穩(wěn)定氧化物（如Y2O3等），則會擬制ZrO2的t m相變。當從制備溫度冷卻下來時，通過控制晶粒尺寸(小于室溫相變臨界尺寸)，可以制備出全部或部分為四方相(t) ZrO2組成的氧化鋯多晶陶瓷。 此時四方ZrO2處于亞穩(wěn)態(tài)，當材料受外力作用時，在應力的誘導下，發(fā)生t m相變。相變吸收能量而阻礙裂紋的繼續(xù)擴展，同時相變顆粒發(fā)生體積膨脹，并在其周圍產生大量的微裂紋，阻礙了主裂紋的擴展。因而不但提高了材料的強度而且提高了韌性。,纖維、

11、晶須增韌 （1）裂紋偏轉 由于纖維周圍的應力場，基體中的裂紋一般難以 穿過纖維，相對而言它更易繞過纖維并盡量貼近纖維 表面擴展，即裂紋偏轉。裂紋偏轉可繞著增強體傾斜 發(fā)生偏轉或扭轉偏轉。偏轉后裂紋受的拉應力往往低 于偏轉前的裂紋，而且裂紋的擴展路徑增長，裂紋擴 展中需消耗更多的能量因而起到增韌作用。,（2）脫粘（Debonding） 復合材料在纖維脫粘后產生了新的表面， 因此需要能量。盡管單位面積的表面能很小， 但所有脫粘纖維總的表面能則很大。,（3）纖維拔出（Pull out） 纖維拔出是指靠近裂紋尖端的纖維在外應力作用 下沿著它和基體的界面滑出的現(xiàn)象。纖維首先脫粘才 能拔出。纖維拔出會使裂

12、紋尖端應力松弛，從而減緩 了裂紋的擴展。纖維拔出需外力做功，因此起到增韌 作用。 纖維拔出能總大于纖維脫粘能，纖維拔出的增韌 效果要比纖維脫粘更強。因此，纖維拔出是更重要的 增韌機理。,（4）纖維橋接（Fiber Bridge） 對于特定位向和分布的纖維，裂紋很難偏轉， 只能沿著原來的擴展方向繼續(xù)擴展。這時緊靠裂 紋尖端處的纖維并未斷裂，而是在裂紋兩岸搭起 小橋，使兩岸連在一起。這會在裂紋表面產生一 個壓應力，以抵消外加應力的作用，從而使裂紋 難以進一步擴展，起到增韌作用。,另外：橋接機制適用于可阻止裂紋尖端、裂紋表 面相對運動的任何顯微結構特征（顆粒、 晶須等）。,4 陶瓷基復合材料的應用

13、4.1 陶瓷基復合材料在工業(yè)上的應用 陶瓷材料具有耐高溫、高強度、高硬度及耐腐蝕性好等特點，但其脆性大的弱點限制了它的廣泛應用。,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1900 。,陶瓷基復合材料已實用化或即將實用化的領域包括：刀具、滑動構件、航空航天構件、發(fā)動機制件、能源構件等。,在切削工具方面， SiCw增韌的細顆粒Al2O3陶瓷復合材料已成功用于工業(yè)生產制造切削刀具。下圖為用熱壓法

14、制備的SiCw/ Al2O3復合材料鉆頭。,SiCw/ Al2O3復合材料鉆頭,由美國格林利夫公司研制、一家生產切削工具和陶瓷材料的廠家和美國大西洋富田化工公司合作生產的WC-300復合材料刀具具有耐高溫、穩(wěn)定性好、強度高和優(yōu)異的抗熱展性能，熔點為2040，切削速度可達200尺/分，甚至更高。,作為對比，常用的WC-Co硬質合金刀具的切削速度限制在100尺分以內，因為鈷在1350 時會發(fā)生熔化，甚至在切削表面溫度達到約1000 左右就開始軟化。,某燃汽輪機廠采用這種新型WC-300復合材料刀具后，機加工時間從原來的5小時縮短到20分鐘，僅此一項，每年就可節(jié)約25萬美元。,山東工業(yè)大學研制生產的

15、SiCw/Al2O3復合材料刀具切削鎳基合金時，不但刀具使用壽命增加，而且進刀量和切削速度也大大提高。除SiCw/Al2O3外，SiCf/Al2O3 、TiO2p/ Al2O3復合材料也用于制造機加工刀具。,另外，氧化物基復合材料還可用于制造耐磨件，如拔絲模具、密封閥、耐蝕軸承、化工泵的活塞等。,在航空航天領域，用陶瓷基復合材料制作的導彈的頭錐、火箭的噴管、航天飛機的結構件等也收到了良好的效果。,法國已將長纖維增強碳化硅復合材料應用于制作超高速列車的制動件，而且取得了傳統(tǒng)的制動件所無法比擬的優(yōu)異的磨擦磨損特性，取得了滿意的應用效果。,熱機的循環(huán)壓力和循環(huán)氣體的溫度越高，其熱效率也就越高?，F(xiàn)在普通使用的燃氣輪機高溫部件還是鎳基臺金或鈷基合金，它可使汽輪機的進口溫度高達1400 ，但這些合金的耐高溫極限受到了其熔點的限制，因此采用陶瓷材料來代替高溫合金已成了目前研究的一個重點內容。,為此，美國能源部和宇航局開展了AGT(先進的燃氣輪機)100、101、CATE(陶瓷在渦輪發(fā)動機中的應用)等計劃。德國、瑞典等國也進行了研究開發(fā)。這個取代現(xiàn)用耐熱合金的應用技術是難度最高的陶瓷應用技術，也可以說是這方面的最終目標。目前看來，要實現(xiàn)這一目標還有相當大的難度。,4.2 今后面對的問題及前景展望 現(xiàn)在看來，人們已開始對陶瓷基復合材料的結構、性能及制造技術等問題進行科學系統(tǒng)的