第十四章 陶瓷基复合材料加工工艺ppt课件.ppt

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1、第十四章陶瓷基复合材料本章主要内容：14.1概述14.2陶瓷基体14.3增强体14.4增韧机理14.5制备方法一、陶瓷的定义陶瓷是以无机非金属天然矿物或化工产品为原料，经原料处理、成型、干燥、烧成等工序制成的产品.二、陶瓷的分类传统陶瓷现代陶瓷14.1概述三、陶瓷脆性的本质陶瓷具有很强的离子键合和比金属少得多的可活动的滑移系，因此，陶瓷材料的断裂应变、断裂韧性(或断裂能)很低。在结构上也存在晶体堆垛的不完整性(点缺陷—空位、线缺陷—位错、面缺陷—界面)。陶瓷的强度和断裂韧性对于表面伤痕和内部裂纹是非常敏感的，甚至极微小的表面伤痕(划伤或缝隙)或者内部瑕疵(夹杂物、气孔或微裂纹)都可

2、能造成突发性破坏。四、改善途径复合化增韧：即以陶瓷为基体通过加进增强相而引入各种增韧机制来增加裂纹的扩展阻力，从而增加断裂过程消耗的能量，达到提高断裂韧性KIC的目的。相变增韧：裂纹尖端的应力场引起裂纹尖端附近的晶体结构发生相变，相变使该局部区域发生体积膨胀，体积膨胀使基体裂纹闭合，改善陶瓷材料的断裂韧性。整体陶瓷与陶瓷基复合材料的力—位移曲线陶瓷基复合材料与整体陶瓷断裂韧性和临界裂纹大小的比较一、氧化物陶瓷1、氧化铝陶瓷：以氧化铝(Al2O3)为主要成分的陶瓷称为氧化铝陶瓷。根据主晶相不同，氧化铝陶瓷可分为：刚玉瓷：以α-Al2O3为主晶相。高纯刚玉瓷牌号75、85、95和99，它

3、们的纯度和熔点均依次提高。刚玉-莫来石瓷：以α-Al2O3和3Al2O3·2SiO2为主晶相莫来石瓷：以3Al2O3·2SiO2为主晶相14.2陶瓷基体主要性能：硬度很高，2000MPa，仅次于金刚石、氮化硼、碳化硅耐磨性好耐高温性好：含A12O3高的刚玉瓷能在1600℃高温下长期工作，而且蠕变很小。耐腐蚀性强：由于铝氧之间键合力很大，氧化铝又具有酸碱两重性。电绝缘性好脆性差、抗热震性能差、不能承受环境温度的突然变化2、氧化锆陶瓷以氧化锆(ZrO2)为主要成分的陶瓷称为氧化锆陶瓷。氧化锆陶瓷的密度为5.6~5.9g/cm3，熔点为2700℃。三种晶型：ZrO2由熔点冷却结晶为立方相(

4、c)，至2370℃转变为四方相(t)，再至1070℃存在四方相到单斜相(m)转变。最常用的稳定剂：氧化镁，代表性的组分含量为8mol％MgO；氧化钙，典型组分为15mol％CaO；氧化钇，典型组分为2mol％~3mol%Y2O3；氧化铈，典型组分为12mol％~20mol％CeO。主要性能及应用：耐磨性，轴承、密封件和替代人骨(如髋关节)等。低热传导性，汽车发动机中作活塞顶、缸盖底板和汽缸内衬。氧化锆加到一系列氧化物陶瓷基体(如莫来石、尖晶石、堇青石、锆英石和氧化镁)中，可制成韧性较基体材料高的复合材料。氧化锆的韧性在所有陶瓷中是最高的。二、氮化物陶瓷1、氮化硅陶瓷（Si3N4）：氮

5、化硅是共价键化合物，属六方晶系，有α和β两种晶型结构，两种晶型的化学成分和密度相同，均是六方体，差别是：α-型的c轴(0.5617nm)大约是β-型c轴(0.29107nm)的2倍。由于Si-N高度共价的化学键结合强度高，属难烧结物质。根据制备方法不同，将氮化硅陶瓷分为反应烧结氮化硅陶瓷(RBSN)和热压烧结氮化硅陶瓷(HPSN)两类。制备方法（1）反应烧结法（不收缩烧结）预成型：以硅粉为原料，或硅粉与Si3N4粉混合物为原料，用一般陶瓷的成型方法制成所需形状；预氮化：在氮气中加热预氮化1-1.5小时，氮化温度为1100-1200℃；二次氮化：在1400-1420℃二次氮化18-36

6、小时，直到所有的硅都变成氮化硅。特点：不收缩烧结，可不加工或仅作极少的机械加工，适用于制备复杂形状的制品；存在(15-30)vol％的气孔率且气孔尺寸的分布相当宽，从相互连通的、直径在0.01~1.0μm的小气孔到大至50μm的独立的大气孔。（2）热压烧结法氮化硅热压是指同时加温和单方向加压的制造工艺。以Si3N4粉为原料，加入少量添加剂(如MgO等)，混合均匀后，装入由感应加热的石墨模具中，在1650-1850℃高温下热压烧结，烧结压力为l5~30MPa，保温1-4小时。主要性能特点强度高硬度高耐磨性好，摩擦系数小耐腐蚀性好电绝缘性好抗热震性，抗高温蠕变性比其它陶瓷好2、赛隆选择

7、一种组分使添加剂溶入氮化硅晶格形成单相固镕体，称为氮化硅的“合金化”。在热压氮化硅中加入氧化铝，β-Si3N4晶格中的Si4+和N3-同时被Al3+和O2-所取代。以(Si，A1)(O，N)4四面体为结构单元形成一系列包括玻璃相和晶相的新材料，称为赛隆。三、碳化物陶瓷碳化硅陶瓷：以碳化硅(SiC)为主要成分的陶瓷称为碳化硅陶瓷；SiC有α-和β-两种晶型。α-SiC为高温晶型，六方纤锌矿结构；β-SiC为低温晶型，立方结构。Si-C键属于典型的共价键结合。