陶瓷基復(fù)合材料講稿--雷芳XXXX-10

1、陶瓷基復(fù)合材料電子信息材料系317室 Tel：56385387 E-mail: 1 主要內(nèi)容1.1 陶瓷基復(fù)合材料的種類及基本性能1.2 陶瓷基復(fù)合材料的成型加工技術(shù)1.3 陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用2二、陶瓷分類 陶瓷按其概念和用途不同，可分為普通陶瓷和特種陶瓷兩大類。 根據(jù)陶瓷坯體結(jié)構(gòu)及其基本物理性能的差異，陶瓷制品可分為陶器和瓷器。 陶器包括粗陶器、普陶器和細(xì)陶器。陶器的坯體結(jié)構(gòu)較疏松，致密度較低，有一定吸水率，斷口粗糙無光，沒有半透明性，斷面成面狀或貝殼狀。31. 普通陶瓷 普通陶瓷即傳統(tǒng)陶瓷，是指以粘土為主要原料與其它天然礦物原料經(jīng)過粉碎混練、成型、煅燒等過程而制成的各種制品。 包括日用陶

2、瓷、衛(wèi)生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、電瓷以及其它工業(yè)用陶瓷。4 普通陶瓷的原料粘土、石英和長石。 特點(diǎn)堅(jiān)硬而脆性較大，絕緣性和耐蝕性極好；制造工藝簡單、成本低廉，用量大。 普通日用陶瓷作日用器皿和瓷器，良好光澤度、透明度，熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度較高。 普通陶瓷的特點(diǎn)與應(yīng)用5 普通工業(yè)陶瓷有炻器和精陶。 建筑衛(wèi)生瓷裝飾板、衛(wèi)生間裝置及器具等； 電工瓷電器絕緣用瓷，也叫高壓陶瓷 化學(xué)化工瓷化工、制藥、食品等工業(yè)及實(shí)驗(yàn)室中的管道設(shè)備、耐蝕容器及實(shí)驗(yàn)器皿62特種陶瓷本章討論內(nèi)容 特種陶瓷是用于現(xiàn)代工業(yè)及尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的陶瓷制品。包括結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷。 結(jié)構(gòu)陶瓷用于耐磨損、高強(qiáng)度、耐高溫、耐熱沖擊、硬質(zhì)、

3、高剛性、低膨脹、隔熱等場所。 功能陶瓷包括電磁功能、光學(xué)功能、生物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料。 7氧化物陶瓷（Al2O3、ZrO2、MgO等）碳化物陶瓷（SiC、B4C、WC等）氮化物陶瓷（Si3N4、TiN、BN等）新型碳化物陶瓷（C3N4等）硼化物陶瓷（TiB2、ZrB2等）復(fù)合陶瓷（3Al2O32SiO2(莫來石) 等）高溫結(jié)構(gòu)陶瓷高熔點(diǎn)氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物。8 例1：硼化物陶瓷（硼化鉻、硼化鉬、硼化鈦、硼化鎢和硼化鋯） 特點(diǎn)：高硬度, 耐化學(xué)侵蝕，熔點(diǎn)18002500。 應(yīng)用：用于高溫軸承、內(nèi)燃機(jī)噴嘴，各種高溫器件、處理熔融非鐵金屬的器件等。 9例2：氮化硅陶瓷

4、鍵能高而穩(wěn)定的共價(jià)鍵晶體。特點(diǎn)：1、硬度高而摩擦系數(shù)低，有自潤滑作用，是優(yōu)良的耐磨減摩材料； 2、氮化硅的耐熱溫度比氧化鋁低，而抗氧化溫度高于碳化物和硼化物，1200以下具有較高的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，且熱膨脹系數(shù)小、抗熱沖擊。用途：可做優(yōu)良的高溫結(jié)構(gòu)材料，耐各種無機(jī)酸（氫氟酸除外）和堿溶液浸蝕，優(yōu)良的耐腐蝕材料。10例3：氧化鋁陶瓷（ Al2O3少量SiO2） 根據(jù)Al2O3含量可分為剛玉-莫來瓷（75瓷，wAl2O3=75%） 剛玉瓷（95瓷，99瓷） 氧化鋁常見的晶體結(jié)構(gòu)有三種：-Al2O3、-Al2O3 、-Al2O3 -Al2O3屬于尖晶石型（立方）結(jié)構(gòu)，高溫時(shí)不穩(wěn)定，在1600轉(zhuǎn)變

5、為-Al2O3 ，同時(shí)體積收縮1314.5%。 -Al2O3 屬于六方系，穩(wěn)定性好，在熔點(diǎn)2050 之前不發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變。111）高強(qiáng)度、高溫穩(wěn)定性：裝飾瓷，噴嘴、火箭、導(dǎo)彈的導(dǎo)流罩 ；2）高硬度、高耐磨性：切削工具，模具，磨料，軸承，人造寶石；3）低的介電損耗、高電阻率、高絕緣性：火花塞，電 路基板，管座； 4）熔點(diǎn)高、抗腐蝕：耐火材料，坩堝，爐管，熱電偶保護(hù)套等； 5）離子導(dǎo)電性：太陽能電池材料和蓄電池材料等。 6）生物相容性：還可用于制作人工骨骼和人造關(guān)節(jié)等。氧化鋁陶瓷的性能與應(yīng) 用12例4：碳化硅陶瓷以SiC為主要成分的陶瓷特點(diǎn)：很高的高溫強(qiáng)度，1400時(shí)抗彎強(qiáng)度仍在500600MPa，

6、工作溫度可達(dá)1700；好的熱穩(wěn)定性、抗蠕變性、耐磨性、耐蝕性，良好的導(dǎo)熱性、耐輻射性。應(yīng)用：制作火箭尾噴管噴嘴、澆注金屬的澆道口、軸承、軸套、密封閥片、軋鋼用導(dǎo)輪、內(nèi)燃機(jī)器件、熱電偶保護(hù)套管、爐管、核燃料包封材料等。13五、現(xiàn)代陶瓷定義1、與傳統(tǒng)陶瓷的區(qū)別 現(xiàn)代陶瓷又稱為精細(xì)陶瓷。 （1）原料許多是經(jīng)過人工合成或者精制，不受天然條件的限制； （2）突破傳統(tǒng)陶瓷的化學(xué)成分限制，用多種金屬氧化物、氮化物、碳化物、磷化物等，有時(shí)直接用金屬原素和碳、硅等非金屬原素。14 與傳統(tǒng)陶瓷相比，現(xiàn)代陶瓷具備了一些特殊性能(熱、機(jī)械、化學(xué)、電磁、光)。 定義：采用人工精制的無機(jī)粉末原料，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、精確的化學(xué)

7、計(jì)量、合適的成型方法和燒成制度而達(dá)到特定的功能，經(jīng)過加工處理使之符合使用要求尺寸精度的無機(jī)非金屬材料。152、現(xiàn)代陶瓷分類 按電學(xué)性質(zhì)：絕緣體陶瓷、介電陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷、和導(dǎo)電陶瓷； 按熱學(xué)性質(zhì)：耐高溫陶瓷、電熱陶瓷。163、現(xiàn)代陶瓷材料制備特點(diǎn) 現(xiàn)代陶瓷制備過程中須嚴(yán)格控制原料的純度和工藝過程以及產(chǎn)品的化學(xué)組成、相組成和顯微結(jié)構(gòu)。 現(xiàn)代陶瓷在顯微層次上是不均勻的。顯微結(jié)構(gòu)包括晶粒、晶界和缺陷等。為了獲得某一特殊性質(zhì)，多晶陶瓷材料可以某一成分為主成分（或主相），再人為地加入其他次要成分（或次要相）。17化學(xué)試劑（原料）粉料合成成 型燒 結(jié)陶瓷材料 現(xiàn)代陶瓷制備主要過程 現(xiàn)代陶瓷的制備有兩大特點(diǎn)

8、： 1）必須經(jīng)過粉料合成，粉料的原料是高純度的化學(xué)試劑； 2）燒結(jié)的相態(tài)主要是固相或者只有固相。除燒結(jié)法外，也可由類似于晶體生長的方法制得。 18陶瓷基復(fù)合材料的種類及基本性能現(xiàn)代陶瓷材料具有耐高溫、耐磨損、耐腐蝕及重量輕等許多優(yōu)良的性能。但是，陶瓷材料同時(shí)也具有致命的缺點(diǎn)，即脆性，這一弱點(diǎn)正是目前淘瓷材料的使用受到很大限制的主要原因。19因此，陶瓷材料的韌性化問題便成了近年來陶瓷工作者們研究的一個(gè)重點(diǎn)問題?，F(xiàn)在這方面的研究巳取得了初步進(jìn)展，探索出了若干種韌化陶瓷的途徑。20其中，往陶陶瓷材料中加入起增韌作用的第二相而制成陶瓷基復(fù)合材料即是一種重要方法。211.1.1 陶瓷基復(fù)合材料的基體與增

9、強(qiáng)體(1)陶瓷基復(fù)合材料的基體陶瓷基復(fù)合材料的基體為陶瓷，這是一種包括范圍很廣的材料，屬于無機(jī)化合物而不是單質(zhì)，所以它的結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比金屬合金復(fù)雜得多。22現(xiàn)代陶瓷材料的研究，最早是從對硅酸鹽材料的研究開始的，隨后又逐步擴(kuò)大到了其他的無機(jī)非金屬材料。目前被人們研究最多的是碳化硅、氮化硅、氧化鋁等，它們普遍具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、重量輕和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。23 (2)陶瓷復(fù)合材料的增強(qiáng)體陶瓷基復(fù)合材料中的增強(qiáng)體，通常也稱為增韌體。從幾何尺寸上增強(qiáng)體可分為纖維(長、短纖維)、晶須和顆粒三類。248.4 陶瓷基復(fù)合材料成型方法陶瓷基復(fù)合材料成型方法傳統(tǒng)混合和粘合液浸漬化學(xué)合成技術(shù)熔融浸潤技術(shù)化學(xué)反應(yīng)形式2

10、58.4.1 熱壓燒結(jié)成型法(Hot-Pressed Sintering ) 概念熱壓燒結(jié)成型是使松散的或成型的陶瓷基復(fù)合材料混合物在高溫下通過外加壓力使其致密化的成型方法。加壓方法為縱向(單軸)加壓。熱壓時(shí)導(dǎo)致復(fù)合材料致密化的可能機(jī)制是基體顆粒重排、晶格擴(kuò)散和包括粘滯變形的塑性流動(dòng) 設(shè)備間歇式熱壓爐和連續(xù)式熱壓爐；模具材料：結(jié)構(gòu)陶瓷高強(qiáng)石墨；功能陶瓷氮化硅、碳化硅或高溫合金等材料 重要參數(shù)熱壓溫度、保溫時(shí)間、壓力、氣氛和升降溫速率26 特點(diǎn)與無壓燒結(jié)相比，能降低燒結(jié)溫度，縮短保溫時(shí)間，使基體晶粒較細(xì)能獲得高致密度、高性能復(fù)合材料材料性能重復(fù)性好，使用可靠，控制熱壓模具尺寸精度能減少復(fù)合材料加

11、工余量缺點(diǎn)：只能制造形狀簡單的零件；模具消耗大，一次只能單件或少件燒結(jié)，成本較高；由于熱壓壓力方向性，材料性能有方向性8.4.2 熱等靜壓燒結(jié)成型法(hot isostatic pressing ,HIP) 概念熱等靜壓燒結(jié)成型是通過氣體介質(zhì)將高溫和高壓同時(shí)均勻地作用于復(fù)合材料全部表面使之固結(jié)的工藝方法。此工藝獲得的陶瓷基復(fù)合材料可基本消除內(nèi)部氣孔，接近理論密度，大大改善制品性能27 分類包封燒結(jié)：一般以石英玻璃或硼玻璃、耐高溫金屬為包封材料。包封前抽真空加熱，排除內(nèi)部空氣，再升溫加壓無包封燒結(jié)：先將粉料成型和預(yù)燒封孔，使坯料成為基本無開口氣孔的燒結(jié)體，然后再實(shí)施熱等靜壓燒結(jié) 特點(diǎn)熱等靜壓主要

12、以均勻外加應(yīng)力，而不是自由能變化為燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力，可以在較低的燒結(jié)溫度，使用少量添加劑甚至不使用添加劑的條件下獲得致密件 低溫可防止第二相分解，及與基體或燒結(jié)助劑發(fā)生反應(yīng)，可制備性能優(yōu)異的陶瓷基復(fù)合材料與無壓燒結(jié)相比，可降低燒結(jié)溫度、縮短燒結(jié)時(shí)間，其致密化程度大大提高與熱壓燒結(jié)相比，由于熱等靜壓是均勻地將壓力作用于材料各個(gè)表面，進(jìn)而材料各向同性281.1.2 纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料在陶瓷材料中，加入第二相纖維制成復(fù)合材料是改善陶瓷材料韌性的重要手段，按纖維排布方式的不同，又可將其分為單向排布長纖維復(fù)合材料和多向排布纖維復(fù)合材料。29(1)、單向排布長纖維復(fù)合材料單向排布纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的顯著

13、特點(diǎn)是它具有各向異性，即沿纖維長度方向上的縱向性能要大大高于其橫向性能。在實(shí)際構(gòu)件中，主要是使用其縱向性能。30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：31裂紋垂直于纖維方向擴(kuò)展示意圖32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)拔出的長度達(dá)到某一臨界值時(shí)，會(huì)使纖維發(fā)生斷裂。33因此，裂紋的擴(kuò)展必須克服由于纖維的加入而產(chǎn)生的拔出功和纖維斷裂功，這樣，使得材料的斷裂更為困難，從而起到了增韌的作用。34實(shí)際材料斷裂過程中，纖維的斷裂并

14、非發(fā)生在同一裂紋平面，這樣主裂紋還將沿纖維斷裂位置的不同而發(fā)生裂紋轉(zhuǎn)向。這也同樣會(huì)使裂紋的擴(kuò)展阻力增加，從而使韌性進(jìn)一步提高。35 (2)多向排布纖維增韌復(fù)合材料單向排布纖維增韌陶瓷只是在纖維排列方向上的縱向性能較為優(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)力的場合。36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)一步研究多向排布纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。37(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。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，如下圖所示：38纖維層基體纖維布層壓復(fù)合材料示意圖

15、39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)用在對二維方向上有較高性能要求的構(gòu)件上。40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。41纖維層基體多層纖維按不同角度方向?qū)訅菏疽鈭D42后一種復(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。而前一種材料成型板狀構(gòu)件曲率不宜太大。43這種二維多向纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的韌化機(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)度比基體材料大幅度提高。44(3) 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

16、況的性能要求而設(shè)計(jì)的。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。45下圖為三向正交C/C纖維編織結(jié)構(gòu)示意圖。它是按直角坐標(biāo)將多束纖維分層交替編織而成。46XYZ三向C/C編織結(jié)構(gòu)示意圖 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。47這種三維多向編織結(jié)構(gòu)還可以通過調(diào)節(jié)纖維束的根數(shù)和股數(shù)，相鄰束間的間距，織物的體積密度以及纖維的總體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)以滿足性能要求。48晶須和顆粒增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料長纖維增韌陶瓷基復(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

17、、晶須及顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料。49由于晶須的尺寸很小，從客觀上看與粉末一樣，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，然后對混好的粉末進(jìn)行熱壓燒結(jié)，即可制得致密的晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料。50目前常用的是SiC，Si3N4，Al2O3晶須，常用的基體則為Al2O3, ZrO2，SiO2，Si3N4及莫來石等。51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)。下面兩個(gè)圖分別給出了ZrO2(2mol % Y2O3) + SiCw及A12O3+ SiCw陶瓷復(fù)合材料的性能與SiCw含量之間的關(guān)系。52斷裂韌性KIC(MPa.m1/2)SiCw含量（vol

18、%） 彎曲強(qiáng)度f(MPa)SiCw含量（vol%） 維氏硬度HV(GPa) 彈性模量E(GPa)SiCw含量（vol%）ZrO2(Y2O3)復(fù)合材料的力學(xué)性能53SiCw含量（vol%） 維氏硬度HV(GPa) 彈性模量E(GPa)SiCw含量（vol%） 彎曲強(qiáng)度f(MPa)SiCw含量（vol%）斷裂韌性KIC(MPa.m1/2)Al2O3+ SiCw復(fù)合材料的力學(xué)性能54從上面兩個(gè)圖中可以看出，兩種材料的彈性模量、硬度及斷裂韌性均隨著SiCw含量的增加而提高。55而彎曲強(qiáng)度的變化規(guī)律則是，對Al2O3基復(fù)合材料，隨SiCw含量的增加單調(diào)上升，而對ZrO2基體，在10 vol SiCw時(shí)出

19、現(xiàn)峰值，隨后又有所下降，但卻始終高于基體。56這可解釋為由于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。57由圖中可知，對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=1MPa.M1/2，彎曲強(qiáng)度f=600MPa；ZrO2基復(fù)合材料的斷裂韌性KIC=16MPa.M1/2 ，彎曲強(qiáng)度f=1400MPa。由此可見，SiCw對陶瓷材料同時(shí)具有增強(qiáng)和增韌的效果。58從上面的討論知道，由于晶須具有長徑比，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。59為了克服這一弱點(diǎn)，可采用

20、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。60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。61右圖顯示了SiCp含量對SiCp /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。62下圖為SiCp含量對SiCp / 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

21、韌性達(dá)到了最高值。63從上面的討論可知，晶須與顆粒對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?？煽朔ы毜倪@一弱點(diǎn)，但其增強(qiáng)增韌效果卻不如晶須。64由此很容易想到，若將晶須與顆粒共同使用，則可取長補(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ZrO2來共同增韌，用SiCw與SiCp來共同增韌等。65下面兩個(gè)圖分別給出了Al2O3+ZrO2(Y2O3)+SiCw復(fù)合材料的性能隨SiCw及ZrO2(Y2O3)含量的變化情況。66 維氏硬度HV(GPa) 彈性模量E(GPa)SiCw含量(vol%) (a) 彈性模量E(GPa)

22、 維氏硬度HV(GPa)ZrO2含量(vol%) (b)SiCw與ZrO2復(fù)合增韌Al2O3的硬度與彈性模量Al2O3+20mol%ZrO2(Y2O3)+SiCw67Al2O3+20mol%ZrO2(Y2O3)+SiCw 彎曲強(qiáng)度f(MPa)SiCw含量(vol%)斷裂韌性KIC(MPa.m1/2)SiCw含量(vol%)SiCw與ZrO2復(fù)合增韌Al2O3的強(qiáng)度與斷裂韌性68SiCw與ZrO2復(fù)合增韌Al2O3的強(qiáng)度與斷裂韌性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)69可以看

23、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，在20SiCw及30 ZrO2(Y2O3)時(shí)，復(fù)合材抖的f達(dá)1200MPa。KIC達(dá)10 MPa.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=1.5 MPa.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。70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+SiCw5515805.46.1Si3N4+SiCw10001112很明顯，由ZrO2+SiCw

24、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。71陶瓷基復(fù)合材料的界面和強(qiáng)韌化機(jī)理72(1)、界面的粘結(jié)形式對于陶瓷基復(fù)合材料來講，界面的粘結(jié)形式主要有兩種：A 機(jī)械粘結(jié)B 化學(xué)粘結(jié)73由于陶瓷基復(fù)合材料往往是在高溫條件下制備，而且往往在高溫環(huán)境中工作，因此增強(qiáng)體與陶瓷之間容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成化學(xué)粘結(jié)的界面層或反應(yīng)層。74若基體與增強(qiáng)體之間不發(fā)生反應(yīng)或控制它們之間發(fā)生反應(yīng)，那么當(dāng)從高溫冷卻下來時(shí)，陶瓷的收縮大于增強(qiáng)體，由于收縮而產(chǎn)生的徑向壓應(yīng)力 r 與界面剪應(yīng)力有關(guān)：75 r式中，是摩擦系數(shù)，一般為0.10.6。此外，基體在高溫時(shí)呈現(xiàn)為液體(或粘性體)，它也可滲入

25、或浸入纖維表面的縫隙等缺陷處，冷卻后形成機(jī)械結(jié)合。76實(shí)際上，高溫下原子的活性增大，原子的擴(kuò)散速度較室溫大的多，由于增強(qiáng)體與陶瓷基體的原子擴(kuò)散，在界面上更易形成固溶體和化合物。77此時(shí)，增強(qiáng)體與基體之間的界面是具有一定厚度的界面反應(yīng)區(qū)，它與基體和增強(qiáng)體都能較好的結(jié)合，但通常是脆性的。例如Al2O3f/SiO2系中會(huì)發(fā)生反應(yīng)形成強(qiáng)的化學(xué)鍵結(jié)合。78 (2)、界面的作用對于陶瓷基復(fù)合材料來講，界面粘結(jié)性能影響陶瓷基體和復(fù)合材料的斷裂行為。對于陶瓷基復(fù)合材料的界面來說，一方面應(yīng)強(qiáng)到足以傳遞軸向載荷，并具有高的橫向強(qiáng)度；79另一方面，陶瓷基復(fù)合材料的界面要弱到足以沿界面發(fā)生橫向裂紋及裂紋偏轉(zhuǎn)直到纖維的

26、拔出。因此，陶瓷基復(fù)合材料界面要有一個(gè)最佳的界面強(qiáng)度。80強(qiáng)的界面粘結(jié)往往導(dǎo)致脆性破壞，如下圖 (a)所示，裂紋可以在復(fù)合材料的任一部位形成，并迅速擴(kuò)展至復(fù)合材料的橫截面，導(dǎo)致平面斷裂。纖維基體(a)強(qiáng)界面結(jié)合81平面斷裂主要是由于纖維的彈性模量不是大大高于基體，因此在斷裂過程中，強(qiáng)的界面結(jié)合不產(chǎn)生額外的能量消耗。82若界面結(jié)合較弱，當(dāng)基體中的裂紋擴(kuò)展至纖維時(shí)，將導(dǎo)致界面脫粘，其后裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)、裂紋搭橋、纖維斷裂以致最后纖維拔出(圖 b)。(b)弱界面結(jié)合83裂紋的偏轉(zhuǎn)、搭橋、斷裂以致最后纖維拔出等，這些過程都要吸收能量，從而提高復(fù)合材料的斷裂韌性，避免了突然的脆性失效。84 (3)、界面性能

27、的改善為獲得最佳的界面結(jié)合強(qiáng)度，我們常常希望完全避免界面間的化學(xué)反應(yīng)或盡量降低界面間的化學(xué)反應(yīng)程度和范圍。85在實(shí)際應(yīng)用中，除選擇纖維和基體在加工和使用期間能形成穩(wěn)定的熱力學(xué)界面外，最常用的方法就是在與基體復(fù)合之前，往增強(qiáng)材料表面上沉積一層薄的涂層。86C和BN是最常用的涂層，此外還有SiC、ZrO2和SnO2涂層。涂層的厚度通常在0.11um，涂層的選擇取決于纖維、基體、加工和應(yīng)用要求。87纖維上的涂層除了可以改變復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度外，對纖維還可起到保護(hù)作用，避免在加工和處理過程中造成纖維的機(jī)械損壞。88下圖為莫來石纖維增強(qiáng)玻璃基體復(fù)合材料的斷裂行為差異。89莫來石纖維上未涂BN涂層莫來石

28、纖維上涂有BN涂層從圖中可看出，若纖維未涂BN涂層，則復(fù)合材料的斷面呈現(xiàn)為脆性的平面斷裂：而經(jīng)CVD沉積0.2um的BN涂層后，斷面上可見到大量的纖維拔出。90 陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)韌化機(jī)理界面的性質(zhì)還直接影響了陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)韌化機(jī)理。以晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料為例，來對其強(qiáng)韌化機(jī)理進(jìn)行探討。912 顆粒增韌機(jī)制第二相顆粒的引入可以改善陶瓷材料的力學(xué)性能，引入的第二相可以是金屬顆粒，也可是無機(jī)非金屬顆粒。影響第二相顆粒增韌效果的主要因素是基體與第二相顆粒的彈性模量和熱膨脹系數(shù)之差以及兩相之間的化學(xué)相容性，其中，化學(xué)相容性是要求既不出現(xiàn)過量的相間化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)又能保證較高的界面結(jié)合強(qiáng)度，這是顆粒

29、產(chǎn)生有效增韌效果的前提條件92剛性顆粒彌散強(qiáng)化陶瓷增韌機(jī)理：裂紋分支、裂紋偏轉(zhuǎn)和釘扎。顆粒彌散增韌與溫度無關(guān)，因此可以作為高溫增韌機(jī)制。顆粒彌散強(qiáng)化是一種有效的增韌途徑， 可使材料的斷裂韌性提高50%以上。增韌機(jī)理受到剛性顆粒、陶瓷基體的自身特性(如彈性模量、熱膨脹系數(shù)等）以及二者界面結(jié)合狀態(tài)的影響93延性金屬顆粒增韌機(jī)理：裂紋橋聯(lián)機(jī)制、延性顆粒塑性變形區(qū)域屏蔽機(jī)制、金屬顆粒拔出、裂紋偏轉(zhuǎn)及裂紋陷入機(jī)理等。橋聯(lián)機(jī)制是主要機(jī)制，即等裂紋前沿?cái)U(kuò)展到延性金屬顆粒時(shí)，金屬顆粒由于具有較大延性，將不發(fā)生破壞而產(chǎn)生塑性變形，因此擴(kuò)展裂紋的上下表面在裂紋尖端后方一定距離內(nèi)被未損傷的金屬顆粒釘扎(橋聯(lián))。由于

30、橋聯(lián)金屬顆粒阻止了裂紋的進(jìn)一步張開而減小了裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子，從而達(dá)到增韌效果94晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)韌化機(jī)理與纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料大致相同，主要是靠晶須的拔出橋連與裂紋轉(zhuǎn)向機(jī)制對強(qiáng)度和韌性的提高產(chǎn)生作用。95研究結(jié)果表明，晶須的拔出長度存在一個(gè)臨界值lpo，當(dāng)晶須的某一端距主裂紋距離小于這一臨界值時(shí)，則晶須從此端拔出，此時(shí)的拔出長度小于臨界拔出長度lpo ；96如果晶須的兩端到主裂紋的距離均大于臨界拔出長度時(shí)，晶須在拔出過程中產(chǎn)生斷裂，斷裂長度仍小于臨界拔出長度lpo ；97界面結(jié)合強(qiáng)度直接影響了復(fù)合材料的韌化機(jī)制與韌化效果。界面強(qiáng)度過高，晶須將與基體一起斷裂，限制了晶須的拔出，

31、因而也就減小了晶須拔出機(jī)制對韌性的貢獻(xiàn)。98但另一方面，界面強(qiáng)度的提高有利于載荷轉(zhuǎn)移，因而提高了強(qiáng)化效果。界面強(qiáng)度過低、則使晶須的拔出功減小，這對韌化和強(qiáng)化都不利，因此界面強(qiáng)度存在一個(gè)最佳值。99下圖為SiCw/ ZrO2材料的載荷-位移曲線。(位移 um)載荷(N)從圖中可以看出，有明顯的鋸齒效應(yīng)，這是晶須拔出橋連機(jī)制作用的結(jié)果。100陶瓷基復(fù)合材料的成型加工1.2.1 纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的加工;1.2.2 晶須與顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料的加工;101纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的性能取決于多種因素，如基體、纖維及二者之間的結(jié)合等。纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的加工102從基體方面看，與氣孔的尺寸及數(shù)

32、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)；103從基體與纖維的結(jié)合情況上看，則與界面及結(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)。104正因?yàn)橛腥绱硕嗟挠绊懸蛩?，所以在?shí)際中針對不同的材料的制作方法也會(huì)不同，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。目前采用的纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的成型主法主要有以下幾種：105 (1)泥漿燒鑄法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。這種方法比較古老，不受制品形狀的限制。但對提高產(chǎn)品性能的效果不顯著，成本低，工藝簡單，適合于短纖維增強(qiáng)陶瓷基

33、復(fù)合材料的制作。106(2)熱壓燒結(jié)法將特長纖維切短(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。這種方法中，纖維與基體之間的結(jié)合較好，是目前采用較多的方法。107這種短纖維增強(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)，所以導(dǎo)致了在最終制得的復(fù)合材料中，短纖維沿加壓面而擇優(yōu)取向，這也就產(chǎn)生了材料性能上一定程度的各向異性。108(3). 浸漬法這種方法適用于長纖維。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。109浸漬法的優(yōu)點(diǎn)是纖維取向可自由調(diào)節(jié)，如單向排布及多向排布等

34、。浸漬法的缺點(diǎn)則是不能制造大尺寸的制品，而且所得制品的致密度較低。110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。111這種復(fù)合材料的制備工藝比長纖維復(fù)合材料簡便得多，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)臺(tái)材料。112與陶瓷材料相似，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113即使坯體由超細(xì)粉(微米級)原料組成，其產(chǎn)品質(zhì)量也不易控制，所以隨著現(xiàn)代科技對材料提出的要求

35、的不斷提高，這方面的研究還必需進(jìn)一步深入。114 (1)配料高性能的陶瓷基復(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。115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、超微米級粉末方法由于效率和可靠性的原因大多采用濕法。116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。117原料混合時(shí)的裝置一般為專用球磨機(jī)。為了防止球磨機(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，最好采用與加工原料材質(zhì)相同的陶瓷球和內(nèi)襯。118(2)成型混好后的料漿在成型時(shí)有三

36、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。119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。金屬模成型法具有裝置簡單，成型成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，仍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單的制件。120采用橡皮模成型法是用靜水壓從各個(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。121此方法雖不能做到完全均勻地加壓，但仍適合于批量生

37、產(chǎn)。由于在成型過程中毛坯與橡皮模接觸而壓成生坯，故難以制成精密形狀，通常還要用剛玉對細(xì)節(jié)部分進(jìn)行修整。122另一種成型法為注射成型法。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并再燒結(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。123注漿成型法是具有十分悠久歷史的陶瓷成型方法。它是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。124還有一種成型法為擠壓成型法。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

38、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單的長條形坯件的成型。 125(3). 燒結(jié) 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。126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。127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。128把裝生坯的窯車從窯的一端以一定時(shí)間間歇推進(jìn)，窯車沿導(dǎo)軌前進(jìn)，沿著窯內(nèi)設(shè)定的溫度分布

39、經(jīng)預(yù)熱、燒結(jié)、冷卻過程后，從窯的另一端取出成品。129 (4)精加工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，前者主要用金剛石砂輪進(jìn)行磨削加工，后者則用磨料進(jìn)行研磨加工。130金剛石砂輪依埋在金剛石磨粒之間的結(jié)合劑的種類不同有著其各自的特征。大致分為電沉積砂輪，金屬結(jié)合劑砂輪、樹脂結(jié)合劑砂輪等。131電沉積砂輪的切削性能好但加工性能欠佳。金屬粘合劑砂輪對加工面稍差的制品也較易加工。樹脂結(jié)合劑砂輪則由于其強(qiáng)度低，耐熱性差，適合于表面的精加工。132因此，在實(shí)際磨削操作時(shí)，除選用砂輪外，還需確定砂輪的速度、切削量、給進(jìn)量

40、等各種磨削條件，才能獲得好的結(jié)果。133 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。134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，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。135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)。136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

41、。137先進(jìn)淘瓷制品的一致性，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。138陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用陶瓷基復(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。139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 。140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。141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