陶瓷基復合材料的種類及基本性能.ppt

1、,航天飛機,功能梯度材料,不銹鋼陶瓷(Si3N4)界面上應力分布 (單位：1/100MPa) （a）無梯度；（b）有梯度,W:T=3680K, 19.3; MO:T=2890K,10.2 氧化物陶瓷熔點均在2000K以上，密度：Al2O3=4.0；TiB2=4.5；SiC3.12等 虛線壓應力區(qū)；0無應力區(qū) 比較發(fā)現(xiàn)： 1. 成分突變會導致應力集中（解決不好，哥倫比亞號墜毀，見圖） 2. 成分逐步過渡，應力集中大大降低 3. 無梯度樣品冷卻時開裂，有梯度樣品有近400MPa結(jié)合強度 4.有梯度時集中區(qū)拉應力僅為無梯度時的1/3-1/4,成分設計： 表層：陶瓷類結(jié)構(gòu)材料，耐熱、抗氧化 內(nèi)層：金屬

2、材料，高熱導率、機械強度； 中間通過成分、結(jié)構(gòu)、性能上的梯度變化，釋放其熱應力。,航天飛機的外部燃料箱體形巨大，長度約為154英尺，直徑大約27.6英尺。哥倫比亞號的外部燃料箱凈重66,000磅，裝滿液氫和液氧之后，總重量可達170萬磅。,液氧的溫度約為-297華氏度,液氫的溫度約為-423華氏度,絕熱瓦,1 梯度功能材料概念的提出 是應航天航空的需要，能在極限環(huán)境下正常工作而發(fā)展起來的一種新型功能材料。由兩日本人（新野正之、平井敏雄）于1986年首先提出的，其實我們祖先早在2400多年前就已生產(chǎn)了。 2 梯度功能材料(functionally gradient materials，縮寫FGM

3、) 是兩種或多種材料復合成組分和結(jié)構(gòu)呈連續(xù)梯度變化的一種新型復合材料；它要求功能、性能隨內(nèi)部位置的變化而變化，實現(xiàn)功能梯度的材料。,越王勾踐劍深埋地下2400多年，1965年冬出土時依舊寒光逼人，鋒利無比。1977年12月，復旦大學與中科院等對劍進行了無損檢測。主要成分是銅、錫及少量的鋁、鐵、鎳、硫。劍的各個部位銅和錫的比例不一。劍脊含銅較多，韌性好，不易折斷；刃部含錫高，硬度大，使劍非常鋒利；花紋處含硫高，硫化銅可防銹蝕。形成了良好的成分梯度。其實大自然，人類自身早已存在了功能梯度材料。,人體長骨結(jié)構(gòu)示意圖,生物功能梯度材料,無機： 羥基磷灰石 碳酸磷灰石 有機： 膠原纖維 骨是無機與 有機

4、的復合 材料,注意： 梯度材料與合金材料、復合材料的區(qū)別,3 梯度功能材料的特點 1）組分、結(jié)構(gòu)和性能均呈連續(xù)梯度變化。 2）內(nèi)部無明顯的界面。 4 梯度功能材料分類 1） 組合方式上分： 金屬/金屬 金屬/陶瓷、 金屬/非金屬、 陶瓷/陶瓷、 陶瓷/非金屬 非金屬/塑料,2）組成變化上分： （1）梯度功能整體型(從一側(cè)到另一側(cè)組成梯度變化) （2）梯度功能涂履型(涂層的組成梯度變化) （3）梯度功能連接型(粘接接縫的組成梯度變化) 3）功能上分： （1）熱防護梯度功能材料 （2）折射率梯度功能材料,化學氣相沉積技術(shù),熱應力緩和型SiC/C 梯度材料的CVD合成 原料：SiCl4+CH4+H2

5、 H2-載體氣 SiCl4（液態(tài)）硅源 CH4-C源 發(fā)熱體石墨 基板石墨,常見熱防護梯度功能制備工藝,過程：通過兩種氣相物質(zhì)在反應器中均勻混合，在一定的條件下發(fā)生化學反應，使生成物在基板上沉積 特點： 1.調(diào)節(jié)氣的流量和壓力控制組分比 2.可鍍表面形狀復雜的材料 3.沉積面光滑致密 4.沉積率高 應用：Ti/TiC、Ti/TiN、Cr/CrN、SiC/C/TiC等,物理氣相沉積技術(shù),控制因素： 1.蒸發(fā)速度 2.蒸發(fā)物質(zhì)的組成 3.基板溫度 4.反應氣體的導入量 陰極：中空 陽極：銅坩鍋 氬氣：陰陽級放電時 氬氣電離產(chǎn)生 氬等離子體 坩鍋中金屬：受熱、 熔融、蒸發(fā)、 沉積于基板,過程： 通過

6、加熱等物理方法使源物質(zhì)(如金屬等)蒸發(fā)，使蒸氣直接沉積在基板上成膜，或與反應氣體作用并在基版上沉積（物理化學氣相沉積） 特點： 1.物系的選擇面寬 2.產(chǎn)物純度高 3.組成控制精度高 4.可制多層不同物質(zhì)的膜 5.膜薄，每層膜為一種物質(zhì) 應用：合成各種金屬和包括氧化物、氮化物、碳化物在內(nèi)的陶瓷以及金屬/陶瓷的復合物,自蔓延技術(shù),SHS反應模型示意圖,離心復合梯度層,過程： 將金屬粉末和陶瓷粉末按梯度化充填，加壓壓實，從成形體的一端點火燃燒，反應自行向另一端傳播，利用化學反應產(chǎn)生的熱量和反應的自傳播性，使材料燒結(jié)和合成。 特點：適合于生成熱大的化合物的合成，如AlN、TiC、TiB2等 操作過程

7、簡單，反應迅速，能耗低，純度高 材料致密度低 應用： 1）電磁加壓自蔓延：TiB2/Cu； 2）自蔓延熱等靜壓相結(jié)合：TiC/TiC+10Ni/TiC+20 Ni/TiC+30Ni； 3）爆炸壓實生坯自蔓延：A12O3/Ti密度從82到94,顆粒梯度排列法,是類似于粉末冶金法的一種燒結(jié)方法，可分為顆粒直接填充法和薄膜疊層法。 優(yōu)點：可制備大體積的梯度材料 缺點：工藝復雜，一定的孔隙率，尺寸受模限制。 顆粒直接填充法： 將金屬、陶瓷等粒子按一定的梯度分布直接填充到模具中經(jīng)過加壓、澆結(jié)而成 薄膜疊層法： 將金屬和陶瓷粉末摻人微量膠粘劑、分散劑等，振動磨制成泥漿，脫氣壓膜，再將這些不同成分和結(jié)構(gòu)的薄膜疊層、燒結(jié),熱防護梯度功能材料的特征評價 1）局部熱應力評價 采用激光和超聲波的方法來評價局部熱應力的分布和大小。 2）熱屏蔽性能評價 通過高溫落差基