复合材料制备与加工

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1、复合材料制备与加工第四章陶瓷复合材料的制备与加工4.1概述陶瓷材料是指非金属元素与金属元素或非金属元素结合形成的固态化合物材料，例如氧化铝、氮化硅、钛酸铅等。陶瓷材料根据其所结合的非金属元素的种类，分为氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷。氧化物陶瓷包括氧化铝、氧化锆、莫来石、硅酸盐等；非氧化物陶瓷又分为碳化物陶瓷（碳化硅、碳化钛等）、氮化物陶瓷（氮化硅、氮化铝等）、硼化物陶瓷（硼化钛、硼化锆等）。陶瓷材料多数为离子键和共价键的化合物，具有很高的熔点、硬度、强度，但是，容忍形变的能力差，所以，陶瓷材料一般为脆性材料。陶瓷材料的增韧是陶瓷材料复合化的重要目的之一。陶瓷基复合材料是指材料

2、中的连续相（基体）为陶瓷的复合材料。主要陶瓷基体包括氧化物（Al2O3、mullite、ZrO2）、碳化物（SiC、TiC）、氮化物（Si3N4、TiN）、硼化物（TiB2、ZrB2）及玻璃（LAS）等。增韧强化的主要增强体包括纤维、晶须、可相变颗粒和硬质颗粒，如陶瓷纤维（SiCf、Cf）、高熔点金属纤维（Wf）、陶瓷晶须（SiCw、TiCw）、陶瓷颗粒（SiCp、ZrO2p、TiCp）、金属颗粒（Nip、Cop等）。陶瓷基复合材料的制备方法可以分为粉末烧结法、气相析出法、有机高分子材料合成法、液态基体复合法、自蔓延燃烧合成法、等离子体喷射法以及电解析出法等几大类。4.2

3、陶瓷基复合材料用增强体的制备4.2.1增强纤维（1）金属纤维Ta、Mo、W、Ni、Nb等高熔点纤维及不锈钢纤维，原则上都可以用作陶瓷基体的增强体。金属纤维一般由拉丝集束拉丝法而制成，直径在10-600m的范围内。其特点是比重大、热膨胀系数大、容易氧化，可能对复合材料制作工艺和性能不利，而其延展性大和导电率高的特点，在某些情况下是有益的。（2）陶瓷纤维包括含有金属芯的陶瓷纤维和全陶瓷的纤维。在W金属丝或碳素丝上用化学沉降的方法可以形成连续的陶瓷纤维。芯的直径大约在30-50m，沉降后的纤维直径大约在100-200m。陶瓷层组分可以是SiC或Si3N4。用有机硅前驱体

4、分解的方法，可以拉制许多出多种陶瓷纤维。其方法是将硅基有机物前驱体，在熔融状态下拉制出直径在数十微米的纤维，然后进行聚合以及高温分解，形成陶瓷纤维。这种纤维有碳化硅纤维、氮化硅纤维、碳化钛纤维、氧化铝纤维等。这种纤维有碳化硅纤维、氮化硅纤维、碳化钛纤维、氧化铝纤维等。其中，比较有名的是日本宇部兴产株式会社生产的以Nicalon和Tynano命名的碳化硅纤维。它们都是用聚碳硅烷纺丝而成。（3）炭纤维分为有机高分子系（PAN系：聚丙烯腈系）和沥青系两大类。有机高分子系炭纤维较易实现高强度化和高韧性化，最高强度可达7GPa，延伸率可达2.0%以上。另一方面，沥青系炭纤维具有高弹

5、性模量，可达800GPa以上，接近于炭纤维的理论弹性模量（1000GPa）。炭纤维用作陶瓷基复合材料增强体的最大缺点是其抗氧化性能差。炭纤维大约在450℃开始氧化，在550-650℃的范围内发生急剧氧化。因此，为了保护纤维，要求固结加工温度尽可能地低，或者要求对纤维采取保护措施。4.2.2晶须晶须是指直径在0.1-2m、长径比L/D在10以上的单晶体短纤维。晶须由于缺陷少，其强度可能接近材料的理论强度。(一般材料的其强度只有理论强度的百分之一甚至千分之一)从理论上讲，各种材料都可能生长成晶须状，但是金属晶须和高分子晶须的研究和应用报导还比较少。研究较多且接近或达到实用化

6、的晶须主要是陶瓷晶须，包括氧化物晶须、碳化物晶须乃至金刚石晶须等。陶瓷晶须的合成方法主要有金属与非金属元素的直接反应化合法、高温熔融体结晶法、高压液相生长法、气相沉积法等。（1）SiC晶须碳化硅与氮化硅都是高强度陶瓷材料的代表，碳化硅晶须是目前研究最多而且实用性最好的一种晶须。碳化硅有型和型两者晶型，其区别在于原子的排列方式稍有不同。SiC晶须的生长，有氧化硅热碳还原法、升华法、热分解法和气相反应法。氧化硅碳热还原法是将氧化硅在高温下与碳发生还原反应而生成碳化硅晶须。升华法是将现有的碳化硅在2200℃的高温下蒸发升华并搬运到温度较低的地方沉积生长形成碳化硅晶须。热分解

7、法是利用聚碳硅烷等含硅有机物（CH3SiCl3）在1500℃高温还原气氛下热解形成晶须。另一种是将氮化硅在1800℃的氩气或者氮气的高温中缓慢分解，所形成的物质与碳反应生成碳化硅晶须。（2）NbC晶须高熔点金属（如Ti、Ta、Nb、Zr等）的碳化物，不仅耐高温性能好、而且硬度高，导电性能好，被认为是功能复合材料的候选增强体而越来越受到重视。用氧化铌（Nb2O5）和活性炭作原料，添加少量NaCl和蔗糖，在1150-1300℃的氮气和氩气条件下，可以合成NbC晶须。4.2.3陶瓷片状晶体与硬质颗粒片状陶瓷晶体，又称晶片，主要有Si