陶瓷基復(fù)合材料課件

第二章陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基體材料陶瓷基復(fù)合材料的制造工藝陶瓷基復(fù)合材料的界面陶瓷基復(fù)合材料的性能陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用2.1 陶瓷材料的特點(diǎn)

陶瓷材料也稱(chēng)為無(wú)機(jī)非金屬材料。 陶瓷材料與金屬材料的區(qū)分：

根據(jù)兩種材料的電阻溫度系數(shù)來(lái)區(qū)別。 陶瓷材料與有機(jī)高分子材料的區(qū)分：

可以從分子結(jié)構(gòu)上來(lái)區(qū)別。高分子材料含有不連續(xù)的大分子，在分子內(nèi)的碳原子是由共價(jià)鍵相聯(lián)，分子與分子間則通過(guò)較弱的van-der-Waal或氫鍵結(jié)合。 陶瓷材料沒(méi)有不連續(xù)的分子，是一種或多種原子的空間排列，有序?yàn)榫w，否則為非晶材料。2.1 陶瓷材料的特點(diǎn)

陶瓷材料可分為： 普通陶瓷(ConventionalCeramics）：磚、陶 器、瓷器等 精細(xì)陶瓷(AdvancedCeramics)：硅、鋁、鈦、鋯等的氧化物、氮化物和碳化物等。 陶瓷材料以高的抗壓性能、很高的化學(xué)穩(wěn)定性和高的熔點(diǎn)著稱(chēng)。

2.1 陶瓷材料的特點(diǎn)

2.1 陶瓷材料的特點(diǎn) 斷裂韌性K1C反映含裂紋材料或構(gòu)件的抗裂紋擴(kuò)展的能力，又稱(chēng)為強(qiáng)度因子。 陶瓷材料不象金屬材料有塑性變形，因此在受機(jī)械拉伸或熱沖擊載荷時(shí)可能出現(xiàn)災(zāi)難性的失效。所以提高其韌性是陶瓷基復(fù)合材料最重要的目標(biāo)。2.1 陶瓷材料的特點(diǎn)

使用溫度2.1 陶瓷材料的特點(diǎn)

熱膨脹系數(shù)2.1 陶瓷材料的特點(diǎn)

斷裂韌性2.2 陶瓷基復(fù)合材料的特點(diǎn)

增強(qiáng)相與基體的模量之比相當(dāng)?shù)?，?.1-1 陶瓷基復(fù)合材料中，提高強(qiáng)度不是其目的，最主要 的是提高其韌性。 陶瓷基體材料2.2.1 陶瓷基體材料的基本要求2.2.1 陶瓷基體材料的基本要求 具有良好的抗蠕變、疲勞和沖擊性能 具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性，不易受到環(huán)境中溫度、氧 化或還原氣氛的影響，不易揮發(fā) 具有較高的韌性

能夠滲入、浸潤(rùn)纖維束、晶須束或顆粒預(yù)成型件中 與增強(qiáng)相能形成良好的界面聯(lián)接 在制造和使用過(guò)程中，與增強(qiáng)纖維不發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 不會(huì)物理?yè)p壞增強(qiáng)纖維2.2.2 陶瓷材料的化學(xué)鍵及晶體結(jié)構(gòu)1陶瓷材料的化學(xué)鍵 原子結(jié)合鍵： 三種強(qiáng)結(jié)合力的化學(xué)鍵:共價(jià)鍵（Covalentbond)、離 子鍵(Ionicbond)、金屬鍵(metallicbond)

二種弱結(jié)合鍵：范德華鍵(vander

Waalsbond)、氫鍵 (hydrogenbond)

陶瓷材料：離子鍵或共價(jià)鍵2.2.2 陶瓷材料的化學(xué)鍵及晶體結(jié)構(gòu)2陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu) 通常金屬陽(yáng)離子尺寸較非金屬的陰離子要小，因此在陶瓷晶體中的金屬陽(yáng)離子經(jīng)常占據(jù)的是由非金屬陰離子構(gòu)成的晶格中的間隙位置。 簡(jiǎn)單立方：CsCl,CsBr,CsI

面心立方：NaCl,CaO,MgO,MnO,NiO,FeO,BaO

密排六方：ZnS,Al2O32.2.2 陶瓷材料的化學(xué)鍵及晶體結(jié)構(gòu)陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)

2.2.2 陶瓷材料的化學(xué)鍵及晶體結(jié)構(gòu)陶瓷材料 的晶體結(jié)構(gòu)

2.2.2 陶瓷材料的化學(xué)鍵及晶體結(jié)構(gòu)幾種陶瓷晶體結(jié)構(gòu)介紹

MX型結(jié)構(gòu)（M為金屬陽(yáng)離子，X為陰離子）閃鋅礦結(jié)構(gòu)2.2.2 陶瓷材料的化學(xué)鍵及晶體結(jié)構(gòu)幾種陶瓷晶體結(jié)構(gòu)介紹

MX型結(jié)構(gòu)（M為金屬陽(yáng)離子，X為陰離子）

NaCl型結(jié)構(gòu)MgO,NiO,TiC,VC,VN等都是這種結(jié)構(gòu)，具有這種結(jié)構(gòu)的化合物多數(shù)有熔點(diǎn)高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。2.2.2 陶瓷材料的化學(xué)鍵及晶體結(jié)構(gòu)幾種陶瓷晶體結(jié)構(gòu)介紹

MX2型結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)的典型代表是金紅石結(jié)構(gòu)。單位晶胞中的8個(gè)頂角和中心為陽(yáng)離子，陰離子的位置則正好處于由陽(yáng)離子構(gòu)成的稍有變形的八面體中心。2.3 陶瓷材料的制備方法2.3.1陶瓷普通制備工藝 在普通工藝中都包括以下幾個(gè)步驟：

原材料制成粉狀 粉末壓制成一定的形狀的坯料 坯料在高溫下的燒結(jié)，也可能在高溫和壓力下進(jìn)行 加工至最終形狀和尺寸

2.3 陶瓷材料的制備方法2.3.1陶瓷普通制備工藝一、熱等靜壓工藝（HotIsostaticPressing,HIP)

壓力為100-300MPa，溫度可達(dá)2000℃，時(shí)間在1-8hr。2.3 陶瓷材料的制備方法2.3.2新型陶瓷制備工藝一、溶膠-凝膠工藝 （Sol-gel）

2.3 陶瓷材料的制備方法2.3.2新型陶瓷制備工藝一、溶膠-凝膠工藝 （Sol-gel）

2.3 陶瓷材料的制備方法2.3.2新型陶瓷制備工藝一、溶膠-凝膠工藝（Sol-gel）

2.3 陶瓷材料的制備方法2.3.2新型陶瓷制備工藝一、溶膠-凝膠工藝（Sol-gel）

2.3 陶瓷材料的制備方法2.3.2新型陶瓷制備工藝二、自延高溫合成工藝（Self-propagatinghightemperature synthesis,SHS）

該類(lèi)工藝的又一名稱(chēng)為鋁熱燃燒反應(yīng)。鋁與氧化鐵的放熱反應(yīng)釋放出的熱量很多，可使溫度達(dá)到2500℃。

SHS的突出特點(diǎn)：

極高的燃燒溫度（接近4000℃） 簡(jiǎn)單、低成本的設(shè)備 能精確控制其化學(xué)成分 能制備不同的形狀的零件

2.3 陶瓷材料的制備方法2.3.2新型陶瓷制備工藝二、自延高溫合成工藝（Self-propagatinghightemperature synthesis,SHS）2.4 一些常用陶瓷材料的介紹2.4.1 碳化硅

碳化硅（SiC）是一種非常硬而脆的材料。在還原氣氛中，碳化硅具有很好的耐燒蝕與化學(xué)腐蝕能力。在氧化氣氛中，碳化硅中的自由Si可能被氧化，在極高溫度下，碳化硅也可能被氧化。 碳化硅主要有兩種晶體結(jié)構(gòu)，一種為-SiC，屬于六方晶系，另一種為-SiC，屬立方晶系。多數(shù)碳化硅以-SiC為主晶相。 碳化硅并不是一種天然存在的礦物，雖然硅和碳都是地球上存在著的最豐富的元素之一。2.4 一些常用陶瓷材料的介紹2.4.1 碳化硅 主要的制備工藝有： 熱壓燒結(jié)法 反應(yīng)燒結(jié)法 化學(xué)氣相沉積法一、熱壓燒結(jié)法 需要添加劑：MgO,B,C,Al

需要的熱壓溫度非常高：1900-2200℃ 壓力：35Mpa

熱壓后的碳化硅制品必須用金剛石來(lái)打磨、修整，很貴2.4 一些常用陶瓷材料的介紹2.4.1 碳化硅二、反應(yīng)燒結(jié)法 原材料為碳化硅粉、石墨和增塑劑混合料。 粉狀的原材料被壓制、拉擠或注射到模具中，得到坯料。 分解增塑劑。 滲入硅的固體、液體或氣體到坯料中與其中的碳反應(yīng)原 位形成碳化硅。

在這一工藝中，額外的2-12%硅被滲入進(jìn)去，以填充形成的空隙，因而可得到致密的制件。2.4 一些常用陶瓷材料的介紹2.4.1 碳化硅

表2-3用不同工藝制備的碳化硅的典型性能2.4 一些常用陶瓷材料的介紹2.4.2 氮化硅

氮化硅（Si3N4)

是鍵合能很高的共價(jià)化合物。有兩種晶體結(jié)構(gòu)，型與型，兩者均為密排六方結(jié)構(gòu)，但-Si3N4的C-軸長(zhǎng)度是-Si3N4的兩倍。主要的制備工藝有： 冷壓燒結(jié)法 熱壓燒結(jié)法 反應(yīng)燒結(jié)法 熱等靜壓法 化學(xué)氣相沉積法

2.4 一些常用陶瓷材料的介紹2.4.2 氮化硅 一、反應(yīng)燒結(jié)法 將硅粉壓成需要的形狀，然后在1100-1400℃的高溫下通入純氮?dú)饣虻獨(dú)馀c氫氣的混合氣，這時(shí)就有下列反應(yīng)發(fā)生： 3Si(s)+2N2(g)Si3N4(s) 3Si(g)+2N2(g)Si3N4(s)

Si(s)+SiO22SiO(g) 第三個(gè)反應(yīng)說(shuō)明了在反應(yīng)過(guò)程中硅的減少。 反應(yīng)燒結(jié)法制備的氮化硅孔隙率較熱壓制品高（>10%），因此其中溫下的抗氧化能力也較低，通常其強(qiáng)度<400MPa,一般為250MPa左右。2.4 一些常用陶瓷材料的介紹2.4.2 氮化硅 二、化學(xué)氣相沉積 化學(xué)氣相沉積法用來(lái)制備氮化硅的純緣（熱）或防擴(kuò)散膜。 將硅烷或氯化硅在800-1100℃的溫度下與氨氣反應(yīng)，就可制備得到氮化硅，具體的化學(xué)反應(yīng)如下： 3SiH4(g)+4NH3(g)Si3N4(s)+12H2(g)

3SiCl4(g)+4NH3(g)Si3N4(s)+12HCl(g) 3SiHCl3(g)+4NH3(g)Si3N4(s)+9HCl(g)+3H2(g)

用該方法制備的氮化硅致密，但不能制備復(fù)雜的形狀。2.4 一些常用陶瓷材料的介紹2.4.2 氮化硅

表2-4不同工藝制備氮化硅的性能

2.4 一些常用陶瓷材料的介紹2.4.3 氧化鋁 氧化鋁陶瓷也稱(chēng)為高鋁陶瓷，主要成分為Al2O3和SiO2。Al2O3含量越高，性能越好。

Al2O3只有一種穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，即-Al2O3，呈密排六方結(jié)構(gòu)。氧化鋁的制備原料是工業(yè)氧化鋁，加入少量的添加劑后，經(jīng)壓制坯料燒結(jié)而成。 氧化鋁的硬度很高，有很好的耐磨性，很好的耐高溫性能，在1600℃下仍能長(zhǎng)期工作。2.4 一些常用陶瓷材料的介紹2.4.3 氧化鋁

表2-5氧化鋁陶瓷的主要性能2.4 一些常用陶瓷材料的介紹2.4.5 金屬間化合物（Intermetallics)

金屬間化合物是指所有兩種或兩種以上金屬組成的化合物（有序的或無(wú)序的）。 最有可能應(yīng)用于飛機(jī)渦輪葉片上的金屬間化合物是鋁鎳和鐵