陶瓷基復(fù)合材料

1、第七章第七章 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料 （Ceramic Matrix Composites） 本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容： 一、基本概念和分類一、基本概念和分類 二、原材料及其特性二、原材料及其特性 三、設(shè)計(jì)理論和強(qiáng)韌化機(jī)理三、設(shè)計(jì)理論和強(qiáng)韌化機(jī)理 一、基本概念和分類一、基本概念和分類 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料 （Ceramic Matrix Composites，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱CMCs） 以陶瓷材料為基體，以高強(qiáng)度纖維、晶須、晶片和顆粒以陶瓷材料為基體，以高強(qiáng)度纖維、晶須、晶片和顆粒 為增強(qiáng)體，通過適當(dāng)?shù)膹?fù)合工藝所制成的復(fù)合材料。為增強(qiáng)體，通過適當(dāng)?shù)膹?fù)合工藝所制成的復(fù)合材料。 通常也稱

2、為復(fù)相陶瓷材料（通常也稱為復(fù)相陶瓷材料（Multiphase ceramics）或多）或多 相復(fù)合陶瓷材料（相復(fù)合陶瓷材料（Multiphase composite ceramics) 1、定義、定義 v 結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料 主要利用其力學(xué)性能和耐高溫性能主要利用其力學(xué)性能和耐高溫性能，主要用作承力和次承力構(gòu)件，主要特主要用作承力和次承力構(gòu)件，主要特 性是輕質(zhì)、高強(qiáng)、高剛度、高比模、耐高溫、低膨脹、絕熱和耐腐蝕等。性是輕質(zhì)、高強(qiáng)、高剛度、高比模、耐高溫、低膨脹、絕熱和耐腐蝕等。 v 功能陶瓷基復(fù)合材料功能陶瓷基復(fù)合材料 主要利用其光、聲、電、磁、熱等物理性能的功能材料，指除力

3、學(xué)性能以主要利用其光、聲、電、磁、熱等物理性能的功能材料，指除力學(xué)性能以 外而具有某些物理性能（如導(dǎo)電、半導(dǎo)、磁性、壓電、阻尼、吸聲、吸波、屏外而具有某些物理性能（如導(dǎo)電、半導(dǎo)、磁性、壓電、阻尼、吸聲、吸波、屏 蔽、阻燃、防熱等）的陶瓷基復(fù)合材料。主要由功能體（單功能或多功能）和蔽、阻燃、防熱等）的陶瓷基復(fù)合材料。主要由功能體（單功能或多功能）和 基體組成，基體不僅起到粘結(jié)和賦形的作用，同時(shí)也會(huì)對(duì)復(fù)合陶瓷整體性能有基體組成，基體不僅起到粘結(jié)和賦形的作用，同時(shí)也會(huì)對(duì)復(fù)合陶瓷整體性能有 影響。多功能體可以使復(fù)合陶瓷具有多種功能，同時(shí)還有可能由于產(chǎn)生復(fù)合效影響。多功能體可以使復(fù)合陶瓷具有多種功能，同

4、時(shí)還有可能由于產(chǎn)生復(fù)合效 應(yīng)而出現(xiàn)新的功能。應(yīng)而出現(xiàn)新的功能。 2、分類、分類 (1)、按使用性能特性分類、按使用性能特性分類 v 氧化物陶瓷基復(fù)合材料氧化物陶瓷基復(fù)合材料 v 非氧化物陶瓷基復(fù)合材料非氧化物陶瓷基復(fù)合材料 v 玻璃基或玻璃陶瓷基復(fù)合材料玻璃基或玻璃陶瓷基復(fù)合材料 v 水泥基多相復(fù)合（陶瓷）材料水泥基多相復(fù)合（陶瓷）材料 2、分類、分類 (2)、按基體材料分類、按基體材料分類 v 顆粒彌散強(qiáng)化陶瓷基復(fù)合材料顆粒彌散強(qiáng)化陶瓷基復(fù)合材料包括硬質(zhì)顆粒和延性顆粒包括硬質(zhì)顆粒和延性顆粒 v 晶須補(bǔ)強(qiáng)增韌陶瓷基復(fù)合材料晶須補(bǔ)強(qiáng)增韌陶瓷基復(fù)合材料包括短纖維補(bǔ)強(qiáng)增韌陶瓷包括短纖維補(bǔ)強(qiáng)增韌陶瓷

5、基復(fù)合材料基復(fù)合材料 v 晶片補(bǔ)強(qiáng)增韌陶瓷基復(fù)合材料晶片補(bǔ)強(qiáng)增韌陶瓷基復(fù)合材料包括人工晶片和天然片狀包括人工晶片和天然片狀 材料材料 v 長(zhǎng)纖維補(bǔ)強(qiáng)增韌陶瓷基復(fù)合材料長(zhǎng)纖維補(bǔ)強(qiáng)增韌陶瓷基復(fù)合材料 v 疊層式陶瓷基復(fù)合材料疊層式陶瓷基復(fù)合材料包括層狀復(fù)合材料和梯度陶瓷基復(fù)包括層狀復(fù)合材料和梯度陶瓷基復(fù) 合材料。合材料。 2、分類、分類 (3)、按增強(qiáng)體的形態(tài)分類、按增強(qiáng)體的形態(tài)分類 可分為零維（顆粒）、一維（纖維狀）、二維（片狀和平面織可分為零維（顆粒）、一維（纖維狀）、二維（片狀和平面織 物）、三維（三向編織體）等陶瓷基復(fù)合材料。具體可分為：物）、三維（三向編織體）等陶瓷基復(fù)合材料。具體可分為

6、： 陶瓷基復(fù)合材料類型匯總表陶瓷基復(fù)合材料類型匯總表 增強(qiáng)體形態(tài)增強(qiáng)體形態(tài) （材料名稱）（材料名稱） 基體材料種類基體材料種類 （材料名稱）（材料名稱） 最高使用溫度最高使用溫度 （K） 顆粒顆粒 （陶瓷、金屬） 晶須晶須 （陶瓷） 纖維纖維 （連續(xù)、短纖維） （陶瓷、高熔點(diǎn)金屬） 結(jié)構(gòu)復(fù)合式結(jié)構(gòu)復(fù)合式 （疊層、梯度） （按設(shè)計(jì)要求選擇材料） 玻璃：玻璃：SiO2等 玻璃陶瓷：玻璃陶瓷：LAS、MAS、CAS 氧化物陶瓷氧化物陶瓷：Al2O3, MgO, ZrO2, Mullite 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷 碳化物：碳化物：B4C, SiC, TiC, ZrC, Mo2C, WC 氮化物：氮化

7、物：BN, AlN, Si3N4,TiN,ZrN 硼化物：硼化物：AlB2, TiB2, ZrB2 水泥水泥 硅酸鹽化合物、鋁酸鹽化合物等 疊層式（疊層式（疊層、梯度） （按設(shè)計(jì)要求選擇材料） 860 1100 1300 1650 二、原材料及其特性二、原材料及其特性 陶瓷基復(fù)合材料是由基體材料和增強(qiáng)體材料組成。陶瓷基復(fù)合材料是由基體材料和增強(qiáng)體材料組成。 基體材料有氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、水泥、玻璃等?；w材料有氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、水泥、玻璃等。 增強(qiáng)體材料主要以不同形態(tài)來區(qū)分，有顆粒狀、纖維狀、增強(qiáng)體材料主要以不同形態(tài)來區(qū)分，有顆粒狀、纖維狀、 晶須、晶板等。晶須、晶板等。 1、陶

8、瓷基體材料、陶瓷基體材料 氧化物陶瓷氧化物陶瓷 性性 能能 氧化鋁氧化鋁耐熱、耐腐蝕、耐磨耐熱、耐腐蝕、耐磨 二氧化鋯二氧化鋯高斷裂韌性、絕熱高斷裂韌性、絕熱 堇青石堇青石(Mg2Al4Si5O18)低膨脹系數(shù)、極好的抗熱震性低膨脹系數(shù)、極好的抗熱震性 鈦酸鋁鈦酸鋁低膨脹系數(shù)、絕熱、極好抗熱震性低膨脹系數(shù)、絕熱、極好抗熱震性 莫來石莫來石耐熱、耐腐蝕耐熱、耐腐蝕 氧化物復(fù)合材料氧化物復(fù)合材料高斷裂韌性、高強(qiáng)度高斷裂韌性、高強(qiáng)度 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷 性性 能能 氮化硅氮化硅高斷裂韌性、高強(qiáng)度、極好抗熱震性、耐磨損高斷裂韌性、高強(qiáng)度、極好抗熱震性、耐磨損 六方氮化硼六方氮化硼耐磨蝕、極好抗熱

9、震性、極好潤(rùn)滑性耐磨蝕、極好抗熱震性、極好潤(rùn)滑性 立方氮化硼立方氮化硼非常高的硬度、極好的熱傳導(dǎo)體非常高的硬度、極好的熱傳導(dǎo)體 氮化鋁氮化鋁耐熱、高熱傳導(dǎo)體耐熱、高熱傳導(dǎo)體 碳化硅碳化硅耐熱、耐腐蝕、耐磨損、高熱導(dǎo)體耐熱、耐腐蝕、耐磨損、高熱導(dǎo)體 復(fù)合陶瓷復(fù)合陶瓷高斷裂韌性、高強(qiáng)度高斷裂韌性、高強(qiáng)度 幾種常用的陶瓷基體材料簡(jiǎn)介：幾種常用的陶瓷基體材料簡(jiǎn)介： 氧化鋁（氧化鋁（Al2O3） 二氧化鋯（二氧化鋯（ZrO2） 莫來石（莫來石（3Al2O3 2SiO2） 氮化硅（氮化硅（Si3N4，Sialon） 碳化硅（碳化硅（SiC） 玻璃陶瓷（玻璃陶瓷（LAS、MAS、CAS） 1、氧化鋁陶瓷（、

10、氧化鋁陶瓷（Al2O3, alumina） 以氧化鋁為主成分的陶瓷材料。氧化鋁含量越高，性能越好。按以氧化鋁為主成分的陶瓷材料。氧化鋁含量越高，性能越好。按 氧化鋁含量可分為氧化鋁含量可分為7575瓷、瓷、8585瓷、瓷、9595瓷、瓷、9999瓷和高純氧化鋁瓷等。瓷和高純氧化鋁瓷等。 主晶相為主晶相為 -Al2O3，屬六方晶系，體積密度為，屬六方晶系，體積密度為3.9 g/cm3左右，熔點(diǎn)左右，熔點(diǎn) 達(dá)達(dá)2050。 氧化鋁有多種變體，其中主要有氧化鋁有多種變體，其中主要有 、 型。除型。除 -Al2O3外，其它均外，其它均 為不穩(wěn)定晶型。為不穩(wěn)定晶型。 -Al2O3為低溫型，具有為低溫型，具

11、有FCC結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)，在9501200范圍范圍 內(nèi)可轉(zhuǎn)化為內(nèi)可轉(zhuǎn)化為 -Al2O3，體積收縮約，體積收縮約13%。在氧化鋁陶瓷制備過程中，。在氧化鋁陶瓷制備過程中， 一般先將原料預(yù)燒，一般先將原料預(yù)燒， 使使 -Al2O3轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為 -Al2O3。 氧化鋁陶瓷制備時(shí)常用的助燒劑有氧化鋁陶瓷制備時(shí)常用的助燒劑有TiO2、MgO等。等。 氧化鋁瓷的主要性能氧化鋁瓷的主要性能 名稱名稱剛玉莫來石瓷剛玉莫來石瓷剛玉瓷剛玉瓷剛玉瓷剛玉瓷 牌號(hào)牌號(hào)75瓷瓷95瓷瓷99瓷瓷 Al2O3含量，含量，wt759599 主晶相主晶相 -Al2O3 3Al2O3 2SiO2 -Al2O3 -Al2O3 密度密度,

12、 g/cm33.2-3.43.53.9 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度, MPa140180250 抗彎強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度, MPa250-300280-350370-450 抗壓強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度, MPa120020002500 膨脹系數(shù)膨脹系數(shù), 10-6/5-5.55.5-7.56.7 介電強(qiáng)度介電強(qiáng)度, KV/mm25-3015-1825-30 v 氧化鋁的硬度約為氧化鋁的硬度約為20GPa20GPa，僅次于金剛石、立方氮化，僅次于金剛石、立方氮化 硼和碳化硅，有很好的耐磨性。硼和碳化硅，有很好的耐磨性。 v 耐高溫性能好，高氧化鋁含量的剛玉瓷可在耐高溫性能好，高氧化鋁含量的剛玉瓷可在16001600高高 溫

13、下長(zhǎng)期使用，而且蠕變小。溫下長(zhǎng)期使用，而且蠕變小。 v 氧化鋁還具有很好的耐腐蝕性和電絕緣性。氧化鋁還具有很好的耐腐蝕性和電絕緣性。 v 但氧化鋁脆性較大，抗熱震性差，不能承受環(huán)境溫度但氧化鋁脆性較大，抗熱震性差，不能承受環(huán)境溫度 的突然變化。的突然變化。 氧化鋁瓷的其它性能氧化鋁瓷的其它性能 ： 2、氧化鋯陶瓷（、氧化鋯陶瓷（ZrO2, zirconia） 以氧化鋯為主成分的陶瓷材料。以氧化鋯為主成分的陶瓷材料。 ZrO2有三種晶型：?jiǎn)涡毕嘤腥N晶型：?jiǎn)涡毕?m)、四方相、四方相(t)及立方相及立方相(c)。在。在1170時(shí)時(shí) 單斜相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较?，此可逆轉(zhuǎn)變同時(shí)伴隨著單斜相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较?，此?/p>

14、逆轉(zhuǎn)變同時(shí)伴隨著79%的體積變化，使陶的體積變化，使陶 瓷燒成時(shí)容易開裂，故須加入適量的瓷燒成時(shí)容易開裂，故須加入適量的CaO、MgO、CeO2或或Y2O3等氧化等氧化 物作為穩(wěn)定劑。物作為穩(wěn)定劑。 加入適量的穩(wěn)定劑后，加入適量的穩(wěn)定劑后，t相可以部分或全部以亞穩(wěn)定狀態(tài)存在于室相可以部分或全部以亞穩(wěn)定狀態(tài)存在于室 溫，分別稱為部分穩(wěn)定氧化鋯（溫，分別稱為部分穩(wěn)定氧化鋯（PSZ）或四方相氧化鋯多晶體（）或四方相氧化鋯多晶體（TZP）。）。 利用利用t-ZrO2m-ZrO2的馬氏體相變，可以用來增韌陶瓷材料，即氧的馬氏體相變，可以用來增韌陶瓷材料，即氧 化鋯增韌陶瓷材料（化鋯增韌陶瓷材料（ZTC）

15、。）。 ZrO2陶瓷的特點(diǎn)是呈弱酸性或惰性，導(dǎo)熱系數(shù)?。ㄔ谔沾傻奶攸c(diǎn)是呈弱酸性或惰性，導(dǎo)熱系數(shù)?。ㄔ?001000范范 圍內(nèi)，導(dǎo)熱圍內(nèi)，導(dǎo)熱系數(shù)系數(shù) =1.72.0W/(m K)，其推薦使用溫度為，其推薦使用溫度為20002200， 主要用于耐火坩堝、爐子和反應(yīng)堆的絕熱材料、金屬表面的熱障涂層等。主要用于耐火坩堝、爐子和反應(yīng)堆的絕熱材料、金屬表面的熱障涂層等。 n含鋯的礦石：斜鋯石（含鋯的礦石：斜鋯石（ZrO2)，鋯英石，鋯英石 (ZrO2 SiO2)； n顏色：白色（高純顏色：白色（高純ZrO2）；）； 黃色或灰色（含少量黃色或灰色（含少量 雜質(zhì)的雜質(zhì)的ZrO2），常含二氧化鉿雜質(zhì)；），常含

16、二氧化鉿雜質(zhì)； n密度：密度：5.656.27g/cm3； n熔點(diǎn)：熔點(diǎn)：2715。 單斜m-ZrO2 四方t-ZrO2立方c-ZrO2 在低溫下鋯離子趨向于形成配位數(shù)小于8的結(jié)構(gòu)，即單斜 相。 純ZrO2燒結(jié)冷卻時(shí)相變?yōu)闊o擴(kuò)散相變，伴隨產(chǎn)生約 的體積膨脹和相當(dāng)大的剪切應(yīng)變（約）；相反，在加 熱時(shí)，由相變，體積收縮。 常見的ZrO2穩(wěn)定劑是稀土或堿土氧化物， 比如Y2O3 MgO CeO2 CaO。 機(jī)理：機(jī)理：穩(wěn)定劑的陽離子在ZrO2中具有一定的溶 解度，可以置換其中的鋯離子。而形成置換型 固溶體，阻礙四方晶型(t)向單斜晶型(m)的轉(zhuǎn) 變，從而降低氧化鋯陶瓷t-m相變的溫度，使t- ZrO

17、2亞穩(wěn)至室溫。 部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷(partially stabilized zirconia， PSZ) 四方氧化鋯多晶體陶瓷(tetragonal zirconia polycrystal，TZP) 氧化鋯增韌陶瓷(Zirconia Toughened Ceramics，ZTC) 根據(jù)穩(wěn)定程度不同，氧化鋯相變?cè)鲰g陶瓷 有三種類型，分別為： 含有部分t-ZrO2陶瓷在 受到外力作用時(shí)微裂紋尖端 產(chǎn)生張應(yīng)力，松弛了四方相 所受的壓應(yīng)力，微裂紋表面 有一層四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕唷?由于單斜相產(chǎn)生7%左右的 體積膨脹和剪切應(yīng)變導(dǎo)致壓 應(yīng)力，不僅抵消了外力造成 的張應(yīng)力而且阻止進(jìn)一步的 相變。 四方相轉(zhuǎn)

18、變?yōu)閱涡毕鄷r(shí)體積膨脹導(dǎo)致的微裂紋,能在裂 紋擴(kuò)展過程中吸收能量，減少主裂紋的應(yīng)力集中，起到提 高斷裂韌性的作用。 表面強(qiáng)化增韌表面強(qiáng)化增韌 陶瓷材料的斷裂往往是從表面拉應(yīng)力超過斷裂 應(yīng)力開始的。由于ZrO2陶瓷燒結(jié)體表面存在基 體的約束較少，t-ZrO2容易轉(zhuǎn)變?yōu)閙-ZrO2，而 內(nèi)部t-ZrO2由于受基體各方向的壓力保持亞穩(wěn) 定狀態(tài)。因此表面的m-ZrO2比內(nèi)部的多，而轉(zhuǎn) 變產(chǎn)生的體積膨脹使材料表面產(chǎn)生殘余的壓應(yīng) 力，可以抵消一部分外加的拉應(yīng)力，從而造成 表面強(qiáng)化增韌。 顆粒彌散增韌顆粒彌散增韌 彌散增韌主要是在陶瓷基質(zhì)中加入第二相 ZrO2粒子，這種顆粒在基質(zhì)材料受拉伸時(shí)阻止 橫向截面收縮

19、。而要達(dá)到和基體相同的橫向收 縮，就必須增加縱向拉應(yīng)力，這樣就使材料消 耗了更多的能量，起到增韌作用。 只有ZrO2彌散粒子的直徑小于室溫相變 臨界顆粒直徑（一般1m）時(shí)，才能使陶瓷 基體內(nèi)儲(chǔ)存著相變彈性應(yīng)變能，導(dǎo)致其韌性和 強(qiáng)度均有不同程度提高。 (1)、PSZ（Partially Stabilized Zirconia） 當(dāng)當(dāng)ZrO2中加入適量的穩(wěn)定劑時(shí)，形成的由中加入適量的穩(wěn)定劑時(shí)，形成的由c-ZrO2和一部分和一部分t-ZrO2組組 成的雙相成的雙相ZrO2陶瓷，其中陶瓷，其中c-ZrO2相是穩(wěn)定的，而相是穩(wěn)定的，而t-ZrO2相是亞穩(wěn)定的，相是亞穩(wěn)定的， 在外力作用下有可能誘發(fā)在外力

20、作用下有可能誘發(fā)tm的轉(zhuǎn)變，從而起到增韌作用。的轉(zhuǎn)變，從而起到增韌作用。 Mg-PSZ是最重要的部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷。一般是將含摩爾分?jǐn)?shù)是最重要的部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷。一般是將含摩爾分?jǐn)?shù) 6%10%MgO的的ZrO2粉體成型后于粉體成型后于17001850（立方相區(qū)）燒結(jié)，控（立方相區(qū)）燒結(jié)，控 制冷卻速度快速冷卻至制冷卻速度快速冷卻至 c + t 雙相區(qū)后等溫時(shí)效；或直接冷卻至室溫后雙相區(qū)后等溫時(shí)效；或直接冷卻至室溫后 在進(jìn)行時(shí)效處理，使在進(jìn)行時(shí)效處理，使 t 相在過飽和相在過飽和 c 相中析出。相中析出。 Mg-PSZ陶瓷分為兩類：一類是在陶瓷分為兩類：一類是在14001500處理后得到的高強(qiáng)

21、型，處理后得到的高強(qiáng)型， 抗彎強(qiáng)度為抗彎強(qiáng)度為800MPa，斷裂韌性為，斷裂韌性為10MPa m1/2；另一類使在；另一類使在1100處理處理 得到的抗熱震型，抗彎強(qiáng)度為得到的抗熱震型，抗彎強(qiáng)度為600MPa，斷裂韌性為，斷裂韌性為815MPa m1/2。 (2)、TZP（Tetragonal Zirconia Polycrystals） 由細(xì)晶粒的四方相組成的致密的氧化鋯陶瓷。由細(xì)晶粒的四方相組成的致密的氧化鋯陶瓷。TZP可以看成是可以看成是PSZ 的一個(gè)分支，它在的一個(gè)分支，它在 t 相區(qū)燒結(jié)，冷卻過程中不發(fā)生相變，室溫下保持全相區(qū)燒結(jié)，冷卻過程中不發(fā)生相變，室溫下保持全 部或大部分部或大

22、部分 t 相相。 按穩(wěn)定劑區(qū)分可以分為按穩(wěn)定劑區(qū)分可以分為Y-TZP、Ce-TZP等。等。 TZP具有高強(qiáng)高韌的特性，抗彎強(qiáng)度可達(dá)具有高強(qiáng)高韌的特性，抗彎強(qiáng)度可達(dá)10002500MPa，斷裂韌，斷裂韌 性可達(dá)性可達(dá)1020MPa m1/2；耐磨性好、硬度高、導(dǎo)熱系數(shù)低、熱膨脹系數(shù)；耐磨性好、硬度高、導(dǎo)熱系數(shù)低、熱膨脹系數(shù) （12 10-6 K-1）與鐵及鐵合金相匹配等優(yōu)點(diǎn)。）與鐵及鐵合金相匹配等優(yōu)點(diǎn)。 主要問題：主要問題： 存在著低溫老化（在存在著低溫老化（在300500長(zhǎng)期時(shí)效性能惡化）和高溫失效長(zhǎng)期時(shí)效性能惡化）和高溫失效 （在接近相轉(zhuǎn)變溫度時(shí)性能迅速下降）的問題。（在接近相轉(zhuǎn)變溫度時(shí)性能

23、迅速下降）的問題。 3、莫來石陶瓷（、莫來石陶瓷（3Al2O32SiO2, Mullite） 以莫來石為主晶相的陶瓷材料。莫來石是以莫來石為主晶相的陶瓷材料。莫來石是Al2O3SiO2系中唯一穩(wěn)定系中唯一穩(wěn)定 的二元化合物，其組成在的二元化合物，其組成在3Al2O32SiO2到到2Al2O3SiO2之間變化，之間變化， 3Al2O32SiO2為化學(xué)計(jì)量莫來石。為化學(xué)計(jì)量莫來石。 莫來石屬于斜方晶系，由硅氧四面體有規(guī)則、交替連接成雙鏈?zhǔn)降哪獊硎瘜儆谛狈骄担晒柩跛拿骟w有規(guī)則、交替連接成雙鏈?zhǔn)降?硅鋁氧結(jié)構(gòu)團(tuán)，由六配位的鋁離子把一條條雙鏈連接起來，構(gòu)成莫來石硅鋁氧結(jié)構(gòu)團(tuán)，由六配位的鋁離子把一條條

24、雙鏈連接起來，構(gòu)成莫來石 整體結(jié)構(gòu)。整體結(jié)構(gòu)。 因莫來石是一種不飽和的具有有序分布氧空位的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)因莫來石是一種不飽和的具有有序分布氧空位的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu) 空隙大、比較疏松，因而具有許多獨(dú)特的性能，如較低的熱膨脹系數(shù)、空隙大、比較疏松，因而具有許多獨(dú)特的性能，如較低的熱膨脹系數(shù)、 低熱導(dǎo)率和熱容、低彈性模量等，因而具有良好的絕熱和抗熱震性及耐低熱導(dǎo)率和熱容、低彈性模量等，因而具有良好的絕熱和抗熱震性及耐 腐蝕性。高純莫來石還表現(xiàn)出低的蠕變特性。因此是制備莫來石質(zhì)窯具腐蝕性。高純莫來石還表現(xiàn)出低的蠕變特性。因此是制備莫來石質(zhì)窯具 的極佳材料。的極佳材料。 3、莫來石陶瓷（、莫來石陶瓷（

25、3Al2O32SiO2, mullite） 莫來石一般是由人工合成的。工業(yè)上多用天然高鋁礬土、粘土或工莫來石一般是由人工合成的。工業(yè)上多用天然高鋁礬土、粘土或工 業(yè)氧化鋁等為原料，常用燒結(jié)或電熔法合成莫來石熔塊，然后破碎成各業(yè)氧化鋁等為原料，常用燒結(jié)或電熔法合成莫來石熔塊，然后破碎成各 種粒度的莫來石粉料。一般合成溫度高于種粒度的莫來石粉料。一般合成溫度高于1700。 實(shí)驗(yàn)室一般用化學(xué)法（如實(shí)驗(yàn)室一般用化學(xué)法（如Sol-gel法）合成高純、超細(xì)的莫來石粉體。法）合成高純、超細(xì)的莫來石粉體。 莫來石質(zhì)陶瓷通常是在莫來石質(zhì)陶瓷通常是在15501600下常壓燒結(jié)而成，純莫來石陶下常壓燒結(jié)而成，純莫來

26、石陶 瓷通常要在瓷通常要在1750左右才能燒結(jié)。左右才能燒結(jié)。 莫來石陶瓷的主要性能莫來石陶瓷的主要性能 特性特性數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 密度密度, g/cm33.163.23 熔點(diǎn)熔點(diǎn), 1890 10 楊氏模量楊氏模量, GPa200220 硬度硬度67 介電常數(shù)介電常數(shù)7 熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率, J/mK5.0 熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù), K-1 (251500) 5.5 10-6 泊松比泊松比0.2380.276 4、氮化硅陶瓷（、氮化硅陶瓷（Si3N4, silicon nitride） 以以Si3N4為主晶相的陶瓷材料。為主晶相的陶瓷材料。 Si3N4有兩種晶型，有兩種晶型， -Si3N4和和 -Si3N4

27、，均屬于六方晶系，兩者都是，均屬于六方晶系，兩者都是 由由SiO4四面體共頂連接而成的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。四面體共頂連接而成的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 -相在高溫下相在高溫下 （1650）可轉(zhuǎn)變?yōu)椋┛赊D(zhuǎn)變?yōu)?-相。相。 -Si3N4多為等軸狀晶粒，有利于材料的硬多為等軸狀晶粒，有利于材料的硬 度和耐磨性；度和耐磨性； -Si3N4多為長(zhǎng)柱狀晶粒，有利于材料的強(qiáng)度和韌性。多為長(zhǎng)柱狀晶粒，有利于材料的強(qiáng)度和韌性。 Si3N4是共價(jià)鍵很強(qiáng)的化合物，原子自擴(kuò)散系數(shù)非常小，很難燒結(jié)。是共價(jià)鍵很強(qiáng)的化合物，原子自擴(kuò)散系數(shù)非常小，很難燒結(jié)。 因此常常用兩種方法達(dá)到其燒結(jié)致密化：一是加入燒結(jié)助劑（如因此常常用兩種方法

28、達(dá)到其燒結(jié)致密化：一是加入燒結(jié)助劑（如MgO、 Al2O3、Y2O3、La2O3、AlN等），在高溫下發(fā)生低共熔反應(yīng)，形成液相，等），在高溫下發(fā)生低共熔反應(yīng)，形成液相， 促進(jìn)燒結(jié)；另一種是常用壓力輔助燒結(jié)，如熱壓燒結(jié)促進(jìn)燒結(jié)；另一種是常用壓力輔助燒結(jié)，如熱壓燒結(jié)(HP)、氣壓燒結(jié)、氣壓燒結(jié) (GPS)、熱等靜壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)(HIP)等。等。 賽隆陶瓷（賽隆陶瓷（Sialon） 在在Si3N4結(jié)構(gòu)中固溶一定數(shù)量的結(jié)構(gòu)中固溶一定數(shù)量的Al和和O形成的以形成的以Si-Al-O-N為主要元素為主要元素 的的Si3N4固溶體。固溶體。 根據(jù)結(jié)構(gòu)和組分的不同，可分為根據(jù)結(jié)構(gòu)和組分的不同，可分為 -S

29、ialon、-Sialon和和O -Sialon等。等。 -Sialon是是 -Si3N4固溶體，其化學(xué)通固溶體，其化學(xué)通式為式為Si6-zAlzOzN8-z（0 z Em（Ew 、Em分別為晶須、基體的彈性模分別為晶須、基體的彈性模 量），則晶須既可起到補(bǔ)強(qiáng)效果，又可起到增韌效果；量），則晶須既可起到補(bǔ)強(qiáng)效果，又可起到增韌效果； 如果如果Ew Em ，則晶須的主要作用是增韌。，則晶須的主要作用是增韌。 v 熱膨脹系數(shù)的匹配熱膨脹系數(shù)的匹配 晶須與基體之間熱膨脹系數(shù)的匹配，主要影響了晶須基體之晶須與基體之間熱膨脹系數(shù)的匹配，主要影響了晶須基體之 間的殘余應(yīng)力狀態(tài)，從而影響了復(fù)合材料的力學(xué)性能。

30、間的殘余應(yīng)力狀態(tài)，從而影響了復(fù)合材料的力學(xué)性能。 Selsing殘余應(yīng)力模型殘余應(yīng)力模型 ： 1 21 2 1 )( w w m m wmr EE T Lwrwwm ET2() 式中，式中， r r和和 L L分別是晶須徑向和軸向所受的殘余熱應(yīng)力分別是晶須徑向和軸向所受的殘余熱應(yīng)力 m、Em和和 m分別為基體的熱膨脹系數(shù)、彈性模量和泊松比，分別為基體的熱膨脹系數(shù)、彈性模量和泊松比， w、Ew和和 w分別為晶須的熱膨脹系數(shù)、彈性模量和泊松比，分別為晶須的熱膨脹系數(shù)、彈性模量和泊松比， T為溫差為溫差 對(duì)于不同的晶須和基體，熱膨脹系數(shù)的匹配問題可能存在對(duì)于不同的晶須和基體，熱膨脹系數(shù)的匹配問題可能

31、存在 著以下幾種情況：著以下幾種情況： (1)、沿晶須長(zhǎng)度方向的沿晶須長(zhǎng)度方向的為正為正。在這種情況下，基體的收縮大，晶須。在這種情況下，基體的收縮大，晶須 通過界面沿晶須方向在基體一側(cè)產(chǎn)生張應(yīng)力。此張應(yīng)力如超過基體的抗拉強(qiáng)通過界面沿晶須方向在基體一側(cè)產(chǎn)生張應(yīng)力。此張應(yīng)力如超過基體的抗拉強(qiáng) 度時(shí)，在垂直于軸向發(fā)生微細(xì)裂紋，直至形成網(wǎng)狀裂紋結(jié)構(gòu)。度時(shí)，在垂直于軸向發(fā)生微細(xì)裂紋，直至形成網(wǎng)狀裂紋結(jié)構(gòu)。 (2)、沿晶須長(zhǎng)度方向沿晶須長(zhǎng)度方向?yàn)樨?fù)為負(fù)。在這種情況下，根據(jù)晶須與基體的結(jié)合。在這種情況下，根據(jù)晶須與基體的結(jié)合 狀態(tài)，存在著兩種情況：一種是若晶須與基體界面結(jié)合十分緊密，則沿晶須狀態(tài)，存在著兩

32、種情況：一種是若晶須與基體界面結(jié)合十分緊密，則沿晶須 軸向方向基體受壓應(yīng)力作用，晶須受拉應(yīng)力作用，這可導(dǎo)致材料的強(qiáng)度增加。軸向方向基體受壓應(yīng)力作用，晶須受拉應(yīng)力作用，這可導(dǎo)致材料的強(qiáng)度增加。 此時(shí)，復(fù)合材料的最大強(qiáng)度則依賴于晶須的斷裂強(qiáng)度。但是在另一種情況下，此時(shí)，復(fù)合材料的最大強(qiáng)度則依賴于晶須的斷裂強(qiáng)度。但是在另一種情況下， 如果晶須基體的界面的結(jié)合強(qiáng)度不夠大，則在界面上就會(huì)產(chǎn)生剪切滑動(dòng)。如果晶須基體的界面的結(jié)合強(qiáng)度不夠大，則在界面上就會(huì)產(chǎn)生剪切滑動(dòng)。 (3)、沿晶須直徑方向沿晶須直徑方向?yàn)檎秊檎Ｔ谶@種情況下，晶須與基體的界面承受。在這種情況下，晶須與基體的界面承受 壓應(yīng)力。這種情況一般與

33、壓應(yīng)力。這種情況一般與(1)同時(shí)進(jìn)行。同時(shí)進(jìn)行。 (4)、沿晶須直徑方向沿晶須直徑方向?yàn)樨?fù)為負(fù)。在這種情況下，界面承受張應(yīng)力，在界。在這種情況下，界面承受張應(yīng)力，在界 面處易產(chǎn)生剝離而形成空隙。面處易產(chǎn)生剝離而形成空隙。 mw 良好的晶須與基體的熱匹配應(yīng)該是：良好的晶須與基體的熱匹配應(yīng)該是： 二者的熱膨脹系數(shù)應(yīng)盡可能接近或晶須稍大于基體。二者的熱膨脹系數(shù)應(yīng)盡可能接近或晶須稍大于基體。 v 晶須和基體材料的化學(xué)相容性晶須和基體材料的化學(xué)相容性 晶須和基體之間的化學(xué)作用主要是指晶須和基體之間在界面上晶須和基體之間的化學(xué)作用主要是指晶須和基體之間在界面上 的化學(xué)反應(yīng)。的化學(xué)反應(yīng)。 如果晶須和基體之間

34、存在著化學(xué)反應(yīng)，則形成的界面層將是和如果晶須和基體之間存在著化學(xué)反應(yīng)，則形成的界面層將是和 晶須、基體都不同的新相。這種界面結(jié)合一般都是比較強(qiáng)的，不利晶須、基體都不同的新相。這種界面結(jié)合一般都是比較強(qiáng)的，不利 于晶須基體界面的解離和晶須的增韌作用；于晶須基體界面的解離和晶須的增韌作用； 如果形成的新界面相與反應(yīng)物的體積、熱膨脹系數(shù)不同，則在如果形成的新界面相與反應(yīng)物的體積、熱膨脹系數(shù)不同，則在 界面上就會(huì)存在殘余應(yīng)力，影響界面的剪切強(qiáng)度。界面上就會(huì)存在殘余應(yīng)力，影響界面的剪切強(qiáng)度。 晶須和基體之間的化學(xué)反應(yīng)還可能使晶須的性能下降。因而在晶須和基體之間的化學(xué)反應(yīng)還可能使晶須的性能下降。因而在 大

35、多數(shù)情況下，晶須和基體之間界面的化學(xué)反應(yīng)都是不利的，應(yīng)該大多數(shù)情況下，晶須和基體之間界面的化學(xué)反應(yīng)都是不利的，應(yīng)該 設(shè)法避免。設(shè)法避免。 界面的化學(xué)相容性可以通過熱力學(xué)方法進(jìn)行分析判斷。界面的化學(xué)相容性可以通過熱力學(xué)方法進(jìn)行分析判斷。 幾種常見的晶須補(bǔ)強(qiáng)的多相復(fù)合陶瓷材料界面可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果幾種常見的晶須補(bǔ)強(qiáng)的多相復(fù)合陶瓷材料界面可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果 v 晶須和基體之間界面的設(shè)計(jì)和調(diào)控晶須和基體之間界面的設(shè)計(jì)和調(diào)控 晶須和基體之間界面的結(jié)合狀態(tài)直接影響了晶須的增韌補(bǔ)強(qiáng)作用，晶須和基體之間界面的結(jié)合狀態(tài)直接影響了晶須的增韌補(bǔ)強(qiáng)作用， 因此對(duì)復(fù)合材料的性能起了一個(gè)重要的決定作用。因此對(duì)復(fù)合材料的性能起了一個(gè)重要的決定作用。 界面結(jié)合太強(qiáng)，晶須對(duì)補(bǔ)強(qiáng)有貢獻(xiàn)但無增韌效果，呈脆性斷裂特性。界面結(jié)合太強(qiáng)，晶須對(duì)補(bǔ)強(qiáng)有貢獻(xiàn)但無增韌效果，呈脆性斷裂特性。 界面結(jié)合力太弱，晶須不能有效地承擔(dān)外界負(fù)載，既無補(bǔ)強(qiáng)又無增韌界面結(jié)合力太弱，晶須不能有效地承擔(dān)外界負(fù)載，既無補(bǔ)強(qiáng)又無增韌 效果。只有當(dāng)界面結(jié)合力適當(dāng)時(shí)，界面才能有效地將載荷由基體傳遞效果。只有當(dāng)界面結(jié)合力適當(dāng)時(shí)，界面才能有效地將載荷由基體傳遞 給晶須，晶須給晶須，晶須/基體界面發(fā)生適當(dāng)?shù)慕怆x，進(jìn)而晶須