第七章 陶瓷基复合材料课件

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1、第七章陶瓷基复合材料Outline陶瓷基复合材料的种类和性能陶瓷基复合材料的制备工艺陶瓷基复合材料的增韧机理氧化物陶瓷基复合材料非氧化物陶瓷基复合材料特种陶瓷具有优秀的力学性能、耐磨性好、硬度高及耐腐蚀性好等特点，但其脆性大，耐热震性能差，而且陶瓷材料对裂纹、气孔和夹杂等细微的缺陷很敏感。陶瓷基复合材料使材料的韧性大大改善，同时其强度、模量有了提高。为什么陶瓷材料的韧性比金属材料差？陶瓷基复合材料的力–位移曲线不同金属、陶瓷基体和陶瓷基复合材料的断裂韧性比较材料整体陶瓷颗粒增韧晶须增韧金属Al203ZrO2/Al203SiC/Al203铝钢断裂

2、韧性2.7～4.26.5～158～1033～4444～66陶瓷基复合材料的种类及基本性能陶瓷基复合材料的种类结构陶瓷复合材料用于制造各种受力构件功能陶瓷复合材料具有各种特殊性能按材料作用分颗粒增强陶瓷复合材料纤维（晶须）增强陶瓷复合材料片材增强陶瓷复合材料按增强材料形态分氧化物基陶瓷复合材料非氧化物基陶瓷复合材料微晶玻璃基复合材料按基体材料分类陶瓷基复合材料的界面和界面设计界面的粘结形式（1）机械结合（2）化学结合陶瓷基复合材料往往在高温下制备，由于增强体与基体的原子扩散，在界面上更易形成固溶体和化合物。此时其界面是具有一定厚度的反应区，它与基

3、体和增强体都能较好的结合，但通常是脆性的。界面的作用陶瓷基复合材料的界面一方面应强到足以传递轴向载荷并具有高的横向强度；另一方面要弱到足以沿界面发生横向裂纹及裂纹偏转直到纤维的拔出。界面性能的改善增强体表面改性是改善陶瓷基复合材料界面性能的有效途径。方式？作用？粉末冶金法工艺流程：原料（陶瓷粉末、增强剂、粘结剂和助烧剂）均匀混合（球磨、超声等）冷压成形（热压）烧结适用于颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料的制备工艺浆体法（湿态法）为了克服粉末冶金法中各组元混合不均的问题，可采用浆体（湿态）法制备颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基

4、复合材料。其混合体为浆体形式。混合体中各组元保持散凝状。即在浆体中呈弥散分布。采用浆体浸渍法也可制备连续纤维增韧陶瓷基复合材料。浆体法制备陶瓷基复合材料示意图反应烧结法用此方法制备陶瓷基复合材料，除基体材料几乎无收缩外，还具有以下优点：（1）增强剂的体积比可以相当大；（2）可用多种连续纤维预制体；（3）大多数陶瓷基复合材料的反应烧结温度低于陶瓷的烧结温度，因此可避免纤维的损伤。此方法最大的缺点是高气孔率难以避免。反应烧结法制备SiC/Si3N4基复合材料工艺流程图液态浸渍法用此方法制备陶瓷基复合材料，化学反应、熔体粘度、熔体对增强材料的浸润性是

5、首要考虑的问题，这些因素直接影响着材料的性能。陶瓷熔体可通过毛细作用渗入增强剂预制体的孔隙。施加压力或抽真空将有利于浸渍过程。液态浸渍法制备陶瓷基复合材料示意图溶胶–凝胶（Sol–Gel）法溶胶（Sol）是由于化学反应沉积而产生的微小颗粒（直径100nm）的悬浮液；凝胶（Gel）是水分减少的溶胶，即比溶胶粘度大的胶体。Sol–Gel法是指金属有机或无机化合物经溶液、溶胶、凝胶等过程而固化，再经热处理生成氧化物或其它化合物固体的方法。该方法可控制材料的微观结构，使均匀性达到微米、纳米甚至分子量级水平。（1）Sol–Gel法制备SiO2陶瓷原理如

6、下：Si(OR)4+4H2OSi(OH)4+4ROHSi(OH)4SiO2+2H2O使用这种方法，可将各种增强剂加入基体溶胶中搅拌均匀，当基体溶胶形成凝胶后，这些增强组元稳定、均匀分布在基体中，经过干燥或一定温度热处理，然后压制烧结形成相应的复合材料。(2)溶胶–凝胶法也可以采用浆体浸渍法制备增强相预制体化学气相沉积法（CVD）是以气态物质为原料，在高温下发生热分解或化学反应合成材料的一种方法。A(g)→B(s)+C(g)例如：CH3SiCl3(g)→SiO2(s)+3HCl(g)或：A(g)+B(g)→C(s)＋D(g)例如：SiCl4(

7、g)＋O2(g)→SiO2(s)+Cl2(g)能够制备碳化物、氧化物、氮化物和硼化物等。生产效率降低，需14~21天。CVD法制备纤维陶瓷基复合材料示意图化学气相浸渍（CVI）法与CVD法类似，不同点是气源不仅热分解或化学反应，而且还与坯体表面的元素发生反应，并在孔隙中沉积反应产物。其它方法（1）聚合物先驱体热解法以高分子聚合物为先驱体成型后使高分子先驱体发生热解反应转化为无机物质，然后再经高温烧结制备成陶瓷基复合材料。此方法可精确控制产品的化学组成、纯度以及形状。最常用的高聚物是有机硅（聚碳硅烷、酚醛树酯、沥青等）。制备工艺流程：制备增强剂预

8、制体浸渍聚合物先驱体热解再浸渍再热解……b.陶瓷粉+聚合物先驱体均匀混合模压成型热解颗粒增韧（1）非相变第二相颗粒增韧假设第二相颗粒与基