第6章陶瓷基復合材料

復合材料郭連貴湖北工程學院化學與材料科學學院石墨烯第6章陶瓷基復合材料多壁碳納米管石墨烯第6章陶瓷基復合材料多壁碳納米管石墨烯第6章陶瓷基復合材料多壁碳納米管第6章陶瓷基復合材料6.1陶瓷基復合材料的種類和性能一、陶瓷基復合材料的種類6.1陶瓷基復合材料的種類和性能6.1陶瓷基復合材料的種類和性能6.1陶瓷基復合材料的種類和性能主要增強材料形式6.1陶瓷基復合材料的種類和性能對增強材料的要求6.1陶瓷基復合材料的種類和性能二、陶瓷基復合材料的性能特點6.1陶瓷基復合材料的種類和性能二、陶瓷基復合材料的性能特點6.2陶瓷基復合材料的制備工藝一、普通制備工藝1、粉末冶金工藝是一種被廣泛應(yīng)用的工藝。適用于連續(xù)纖維、長纖維、短纖維、顆?；蚓ы氃鰪姷奶沾苫鶑秃喜牧?。6.2陶瓷基復合材料的制備工藝粉末制備粉體的性能直接影響陶瓷的性能，制備高純、超細、組分均勻分布、無團聚的粉體是獲得優(yōu)良陶瓷基復合材料的關(guān)鍵的第一步。 制粉的方法：

機械法：工藝簡單、產(chǎn)量大。如球磨 化學法：可獲得性能優(yōu)良的高純、超細、組分均勻的粉料。分為固相法、液相法和氣相法三種。6.2陶瓷基復合材料的制備工藝壓制工藝

單向或雙向的模壓 等靜壓制、振動壓制、粉末軋制及粉漿澆注 壓制過程中粉末行為 顆粒間位移，密度增加，壓力不變 顆粒間產(chǎn)生磨擦位移，密度繼續(xù)增加，壓力升高 顆粒產(chǎn)生彈性變形，壓制過程的本質(zhì)變化，密度

不再提高，壓力增加很快 顆粒發(fā)生塑性變形和脆性斷裂ⅠⅡⅢ成形壓力相對密度充填孔隙阻滯變形壓坯密度隨成形壓力的變化6.2陶瓷基復合材料的制備工藝燒結(jié)過程 燒結(jié)過程：是指粉末壓坯的適當?shù)臏囟群蜌夥諚l件下，加熱一段時間內(nèi)發(fā)生的變化現(xiàn)象和過程。燒結(jié)熱力學 燒結(jié)是一個體系自由能減少的過程。 縮頸增大，顆粒表面平直化而使比表面積減少 燒結(jié)體內(nèi)孔隙總體積與總表面積減少 顆粒內(nèi)晶格畸變消除6.2陶瓷基復合材料的制備工藝2、熱壓工藝(Hotpressing) 熱壓工藝：壓力與溫度同時作用于粉體，加快了粉體的致密化速度，使得產(chǎn)品的致密度更高，同時晶粒尺寸也更小。 漿體浸漬熱壓工藝：6.2陶瓷基復合材料的制備工藝3、熱壓-反應(yīng)燒結(jié)工藝(Hotpressing-reactionbondingmethod) 這是由美國航空航天局（NASA）在上一世紀八十年代發(fā)展的混合了熱壓法與反應(yīng)燒結(jié)法來制備碳化硅增強氮化硅陶瓷基體復合材料的工藝。 反應(yīng)燒結(jié)工藝：

Si粉+Si3N4

混合后成型。 95%N2+5H2%氣氛、1180-1210℃預氮化1-1.5小時。 在1350-1450℃氮化18-36小時，此時有 3Si(s)+2N2(g)Si3N4(g) 3Si(g)+2N2(g)Si3N4(g)反應(yīng)燒結(jié)工藝的優(yōu)點： 纖維或晶須的體積分量可以相當大； 可用于多種連續(xù)纖維預制體； 反應(yīng)燒結(jié)溫度低于陶瓷燒結(jié)溫度，可避免增強纖維的損壞。

高氣孔率難以避免4、短纖維或晶須增強復合材料的制備工藝 連續(xù)長纖維增強的復合材料的主要特點是具有方向性。 短纖維或晶須與陶瓷漿料混合，烘干，熱壓。

SiC晶須 Si3N4漿料

混合加入乙醇，球磨

過濾 干燥80℃，50h

濕混加入有機粘結(jié)劑

注射成型 去除粘結(jié)劑400℃，氮氣

鍛燒1400℃，1h,

氬氣，

熱等靜壓1600℃，4h,200MPa

6.2陶瓷基復合材料的制備工藝二、新型制備工藝所謂的新型工藝都是近二十年發(fā)展起來的，主要應(yīng)用于航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域的生產(chǎn)先進陶瓷基復合材料的工藝。1、液態(tài)浸漬法 6.2陶瓷基復合材料的制備工藝液態(tài)浸漬法 優(yōu)點： 基體陶瓷用一步簡單工藝即可成型； 所得到的基體均勻性好。 缺點： 由于陶瓷材料熔點很高，因此就意味著陶瓷熔體與增強相之間較強的化學反應(yīng)傾向。 由于陶瓷熔體的高粘度，浸漬預制體較困難。 由于陶瓷基體與增強相之間熱膨脹系數(shù)的差別可能導致基體的裂紋。解決的辦法是選用熱膨脹系數(shù)相近的基體與增強材料。6.2陶瓷基復合材料的制備工藝2、直接氧化法 6.2陶瓷基復合材料的制備工藝2、直接氧化法 6.2陶瓷基復合材料的制備工藝3、溶膠凝膠法 6.2陶瓷基復合材料的制備工藝4、化學氣相浸漬法（CVI） CVI工藝的優(yōu)點： 制備的復合材料在高溫下仍有好的機械性能； 可以制備大尺寸、復雜形狀和近凈形的部件； 適用于很多種類的陶瓷基體與增強纖維。

缺點：

速度慢、成本高6.3氧化物基陶瓷復合材料1、Al2O3基復合材料 脆性大、韌性差6.3氧化物基陶瓷復合材料（1）顆粒強化Al2O3基復合材料陶瓷顆粒強化：TiC、SiC、ZrO2、Si3N4納米顆粒強化：SiC（300nm）延性顆粒強化：Cr、Fe、Ni、Co、Mo、W、Ti（純度99%以上）（2）晶須強化Al2O3基復合材料陶瓷晶須：SiC、ZrO2氧化鋁陶瓷增韌途徑6.3氧化物基陶瓷復合材料2、ZrO2基復合材料 6.3氧化物基陶瓷復合材料（1）顆粒強化：Al2O3（2）晶須強化：SiC（3）金屬強化：W氧化鋯陶瓷強化途徑6.4非氧化物基陶瓷復合材料1、SiC陶瓷基復合材料 6.4非氧化物基陶瓷復合材料（1）顆粒彌散強化：TiC，殘余應(yīng)力韌化（2）晶須強化：SiC，阻斷韌化（3）連續(xù)纖維強化：碳纖維、SiC纖維，延性斷裂碳化硅陶瓷強韌化途徑6.4非氧化物基陶瓷復合材料2、Si3N4陶瓷基復合材料 6.4非氧化物基陶瓷復合材料2、Si3N4陶瓷基復合材料 氮化硅粉體的制備6.4非氧化物基陶瓷復合材料2、Si3N4陶瓷基復合材料 氮化硅的燒結(jié)Si3N4屬于共價鍵化合物，結(jié)合強度高，屬于難燒結(jié)物質(zhì)，需要添加燒結(jié)助劑（MgO、Al2O3等）。6.4非氧化物基陶瓷復合材料（1）顆粒強化：SiC（大小和含量）、TiN（2）晶須強化：SiC（3）長纖維強化：SiC纖維氮化硅陶瓷強韌化途徑6.5碳/碳復合材料1、碳/碳復合材料的發(fā)展 6.5碳/碳復合材料2、碳/碳復合材料的制備工藝 6.5碳/碳復合材料2、碳/碳復合材料的制備工藝 6.5碳/碳復合材料（1）預制體成型 6.5碳/碳復合材料（2）基體碳制備 6.5碳/碳復合材料（2）基體碳制備 6.5碳/碳復合材料（2）基體碳制備 6.5碳/碳復合材料（2）基體碳制備 6.5碳/碳復合材料（3）碳碳復合材料石墨化處理 6.5碳/碳復合材料3、碳/碳復合材料的性能優(yōu)點 6.5碳/碳復合材料4、碳/碳復合材料的應(yīng)用 6.5碳/碳復合材料6.5碳/碳復合材料6.