复合材料原理09第4讲.ppt

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1、复合材料原理课程学科分类：材料学课程授课人：成来飞殷小玮超高温结构复合材料国防科技重点实验室2009.3.17第四讲界面热化学相容性1界面热化学问题2主被动氧化问题3反应与扩散我们说复合材料的界面应该是相容的，相容指的是化学相容和物理相容，通常所说的界面热化学相容对复合材料的制备与性能影响很大。界面化学相容：性能与复合过程界面反应性能与使用过程高温持久界面扩散涉及热力学和动力学两方面因此，有必要对界面反应和界面扩散的基本内容进行了解。1.界面热化学问题1.1为什么研究界面热化学问题1.2热化学相图所谓热化学相图就是将系统中的多种热化学反应用相

2、图的方式表示出来，反映各种化学反应的区域及相互关系，比列出很多反应关系式更直观。对复合材料的界面反应进行热力学描述用化学相图是很方便的。以Si-C-O三元系统说明热化学相图的绘制方法及作用。1.界面热化学问题很典型的Si-C-O系统在复合材料是很常见也很重要的系统：陶瓷基含氧和自由C的SiC纤维金属基涂层SiC涂层的氧化等NicalonSiC纤维由于制备工艺的原因总是含自由C和氧。1.2热化学相图1.界面热化学问题ChemicalComp.(wt%)LoxMLoxEZMIAMSANicalonHi-NiHi-NiSSi55595753685762

3、69C3237353431323731O1038120.311.70.50.2Ti22------Zr--1-----Al---<1<1---C/Si(at%)1.371.471.441.491.081.321.401.05PropertiesFiberdiameter(µm)1111111110141412SiCbetasize(nm)1.4-2.01.838.05.010.9Density(g/cm3)2.52.62.52.43.02.62.73.1Thermalconductivity(W/m.K)1.42.42.565Tensilestr

4、ength(GPa)3.33.33.42.82.83.02.82.6Tensilemodulus(GPa)187220200160420220270420Elongation(%)1.81.51.71.60.71.41.00.61.2热化学相图1.界面热化学问题Si-C-O系统Si-C-O三元系统在2000K存在如下平衡关系式：C(S)C(g)(1)SiC(S)Si(l)+C(g)(2)Si(l)+O2(g)SiO2(l)(3)SiC(S)+O2(g)SiO2(l)+C(g)(4)C(g)+1/2O2(g)CO(g)(5)SiC(S)+

5、1/2O2(g)SiO(g)+C(g)(6)C(g)+O2(g)CO2(g)(7)1.2热化学相图1.界面热化学问题Si-C-O三元系统在2000K的热化学相图1.2热化学相图1.界面热化学问题其中：第一条线表示C的蒸气压(实际上为C(S)的蒸汽压)：C(S)C(g)根据△G=－RTlnPC计算lnPC1.2热化学相图1.界面热化学问题第二条线表示Si-SiC界面上C的活度：SiC(S)Si(l)+C(g)1.2热化学相图1.界面热化学问题垂直线表示Si－SiO2界面上氧平衡压力：Si(l)+O2(g)SiO2(l)根据△G＝－RTln

6、PO2计算1.2热化学相图1.界面热化学问题短斜线表示SiC-SiO2界面上PC和PO2的平衡关系：SiC(s)+O2(g)SiO2(l)+C(g)根据△G=－RTln(PC/PO2)lnPClnPO2△G=－RTlnPC+RTlnPO2(斜率＋145)1.2热化学相图1.界面热化学问题长斜线表示CO的压力PCO根据△G=-RTlnPCO+RTlnPC+1/2lnPO2令lnPCO=constant线束lnPC-1/2lnPO2(斜率-1/2)Si－C－O系统平衡时可能产生CO(g)C(g)+1/2O2(g)CO(g)1.2热化学相图1

7、.界面热化学问题相图表示4个区：5个界面：C-SiC，Si-SiC，SiC-SiO2，Si-SiO2，C-SiO2C－SiC界面lnPC=-11.4具有高度的化学稳定性SiC－Si界面lnPC=-12.7具有更高的化学稳定性Si－SiO2界面lnPO2=-15.3SiC－SiO2界面lnPO2为-13.8~-15.3lnPC为-11.4~-12.71.2热化学相图1.界面热化学问题C-SiO2界面:lnPCO可能很大，PCO可能很高。但一定的PCO压力对应一定的O2浓度，而界面氧气浓度需靠氧在SiO2中的扩散提供。O2在SiO2中的扩散是很慢的，

8、因而CO的压力受O2扩散控制。1.2热化学相图1.界面热化学问题Si-C-O系统平衡时可能产生SiO(g)：SiC(S)+1/2O2(g