陶瓷基復(fù)合材料2017實用教案

1、一、概述一、概述(i sh)二、陶瓷基復(fù)合材料二、陶瓷基復(fù)合材料(f h ci lio)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)三、陶瓷基復(fù)合材料三、陶瓷基復(fù)合材料(f h ci lio)的種類的種類四、陶瓷基復(fù)合材料的制備四、陶瓷基復(fù)合材料的制備五、陶瓷基復(fù)合材料未來趨勢五、陶瓷基復(fù)合材料未來趨勢第1頁/共20頁第一頁，共20頁。一、概述一、概述(i (i sh)sh) 陶瓷是氧化物、碳化物、氮化物和硅酸鹽等無機(jī)化陶瓷是氧化物、碳化物、氮化物和硅酸鹽等無機(jī)化合物的總稱，包括玻璃、家用瓷器、磚瓦等日常用品。合物的總稱，包括玻璃、家用瓷器、磚瓦等日常用品。隨著人類文明的進(jìn)步，開發(fā)出了各種新型陶瓷，其中一隨著人類文明的進(jìn)步，

2、開發(fā)出了各種新型陶瓷，其中一部分為實現(xiàn)力部分為實現(xiàn)力-電、濕電、濕-電、熱電、熱-電等功能的功能陶瓷，而電等功能的功能陶瓷，而另一部分則為滿足強度、耐高溫、耐磨損等力學(xué)性能的另一部分則為滿足強度、耐高溫、耐磨損等力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)陶瓷。結(jié)構(gòu)陶瓷。 20世紀(jì)世紀(jì)70年代初期，結(jié)構(gòu)陶瓷作為一種新型高溫材年代初期，結(jié)構(gòu)陶瓷作為一種新型高溫材料受到廣泛的重視，因為陶瓷具有高熔點、低密度、抗料受到廣泛的重視，因為陶瓷具有高熔點、低密度、抗氧化、抗腐蝕、耐高溫和耐磨損等特點，然而由于氧化、抗腐蝕、耐高溫和耐磨損等特點，然而由于(yuy)陶瓷有共價鍵或離子鍵構(gòu)成，因此具有本質(zhì)的高陶瓷有共價鍵或離子鍵構(gòu)成，因此具

3、有本質(zhì)的高強度和低延性，故而需要改善其韌性，但只有依靠非本強度和低延性，故而需要改善其韌性，但只有依靠非本質(zhì)的的韌化機(jī)制才能實現(xiàn)，即將兩種或兩種以上陶瓷顯質(zhì)的的韌化機(jī)制才能實現(xiàn)，即將兩種或兩種以上陶瓷顯微結(jié)構(gòu)的組元復(fù)合起來，這就是陶瓷基復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)的組元復(fù)合起來，這就是陶瓷基復(fù)合材料第2頁/共20頁第二頁，共20頁。二、陶瓷基復(fù)合材料二、陶瓷基復(fù)合材料(f h ci lio)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)1.陶瓷陶瓷(toc)基復(fù)合材料的基體基復(fù)合材料的基體陶瓷陶瓷(toc)常分為硅酸鹽、氧化物和非氧化物三常分為硅酸鹽、氧化物和非氧化物三類：類：1 1）硅酸鹽陶瓷以）硅酸鹽陶瓷以SiOSiO2 2為主，外加為

4、主，外加AlAl2 2O O3 3，MgOMgO，BeOBeO，ZrOZrO2 2等玻璃相。等玻璃相。2 2）氧化物陶瓷是以）氧化物陶瓷是以晶體相晶體相為主，僅含少量的玻璃相。為主，僅含少量的玻璃相。常用的有：常用的有：AlAl2 2O O3 3、ZrOZrO2 2、TiOTiO2 2、BeOBeO等等3 3）非氧化物陶瓷包括以石墨或金剛石結(jié)構(gòu)存在的碳；）非氧化物陶瓷包括以石墨或金剛石結(jié)構(gòu)存在的碳；氮化物（氮化物（BNBN、SiNSiN4 4等）；碳化物（等）；碳化物（SiCSiC、TiCTiC等）；等）；硼化物（硼化物（TiBTiB2 2、ZrBZrB2 2等）；硅化物（等）；硅化物（MoS

5、iMoSi2 2等）其中，等）其中，作為高溫結(jié)構(gòu)陶瓷作為高溫結(jié)構(gòu)陶瓷SiSi3 3N N4 4和和SiCSiC最為重要。最為重要。第3頁/共20頁第三頁，共20頁。 其中，陶瓷材其中，陶瓷材料中的硅酸鹽結(jié)構(gòu)料中的硅酸鹽結(jié)構(gòu)較為較為(jio wi)(jio wi)復(fù)雜復(fù)雜, ,普遍特點是普遍特點是存在存在Si044-Si044-結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)單元，重要的有鋯單元，重要的有鋯英石和鎂橄欖石。英石和鎂橄欖石。鎂鎂 橄橄 欖欖 石石鋯鋯 英英 石石第4頁/共20頁第四頁，共20頁。2、陶瓷、陶瓷(toc)基復(fù)合材料的增強體基復(fù)合材料的增強體 陶瓷基復(fù)合材料的增強體通常也稱為增韌體，陶瓷基復(fù)合材料的增強體通常

6、也稱為增韌體，雖然陶瓷材料具有耐高溫、硬度高、耐磨損、耐腐蝕雖然陶瓷材料具有耐高溫、硬度高、耐磨損、耐腐蝕及相對密度輕等特點，但他的致命弱點就是脆性，這及相對密度輕等特點，但他的致命弱點就是脆性，這一弱點使得陶瓷材料的使用受到很大限制，其中，陶一弱點使得陶瓷材料的使用受到很大限制，其中，陶瓷基復(fù)合材料的增韌體一般分為三種：纖維瓷基復(fù)合材料的增韌體一般分為三種：纖維(xinwi)(xinwi)、晶須和顆粒。、晶須和顆粒。第5頁/共20頁第五頁，共20頁。纖維纖維(xinwi)碳纖維碳纖維 有機(jī)纖維經(jīng)固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變而成的一種有機(jī)纖維經(jīng)固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變而成的一種(y zhn)多晶纖維狀聚合物碳，是一種多晶

7、纖維狀聚合物碳，是一種(y zhn)無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料玻璃纖維玻璃纖維 非晶型無機(jī)纖維，主要成分非晶型無機(jī)纖維，主要成分(chng fn)為二氧化硅與為二氧化硅與Ca、B、Na、Al、Fe等的氧等的氧化物化物硼纖維硼纖維 通過在通過在鎢絲或涂炭或涂鴉鎢絲或涂炭或涂鴉的石英纖維的石英纖維（直徑一般為（直徑一般為3.53.5m m5050m m）上沉積不定型原）上沉積不定型原子硼形成的一種子硼形成的一種無機(jī)復(fù)合纖維無機(jī)復(fù)合纖維a 纖維纖維 是具有較大長徑比的材料，是最早應(yīng)是具有較大長徑比的材料，是最早應(yīng)用的增強體。用的增強體。第6頁/共20頁第六頁，共20頁。碳纖維碳纖維C C6060納

8、米納米(n m)碳管碳管金剛石金剛石石墨石墨(shm)第7頁/共20頁第七頁，共20頁。 玻璃纖維為無定型結(jié)構(gòu)，無遠(yuǎn)程有玻璃纖維為無定型結(jié)構(gòu)，無遠(yuǎn)程有序特征，三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有序特征，三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有(jyu)各向同性。各向同性。加入加入(jir)Na2(jir)Na2O O玻璃的無定型玻璃的無定型(dng xng)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)第8頁/共20頁第八頁，共20頁。硼纖維硼纖維 通過在芯材通過在芯材(鎢絲、碳絲或涂炭或涂鎢絲、碳絲或涂炭或涂鴉的石英纖維，直徑一般為鴉的石英纖維，直徑一般為3.5m50m)上上沉積不定型的原子硼形成的一種無機(jī)復(fù)合沉積不定型的原子硼形成的一種無機(jī)復(fù)合(fh)纖維，直徑纖維

9、，直徑100m200m。特點：特點： 高強度、高模量、高硬度高強度、高模量、高硬度第9頁/共20頁第九頁，共20頁。b b 晶須晶須 指直徑小于指直徑小于3m3m的單晶的單晶體生長的短纖維，與纖維相比存體生長的短纖維，與纖維相比存在的區(qū)別在的區(qū)別(qbi)(qbi)是：是： 單晶，缺陷少、強度高、模量大；單晶，缺陷少、強度高、模量大；直徑小（直徑?。?.1m0.1m）；）； 長徑比大（長徑比大（L/dL/d數(shù)十）；數(shù)十）；主要主要(zhyo)有兩大類：有兩大類：陶瓷陶瓷(toc)晶須晶須氧化物晶須氧化物晶須：AlAl2 20 03 3非氧化物晶須：非氧化物晶須：SiCSiC金屬晶須：金屬晶須：

10、CuCu、CrCr、FeFe、NiNi等等第10頁/共20頁第十頁，共20頁。C 顆粒顆粒(kl)增強體增強體 顆粒顆粒(kl)(kl)也是一種有效的增強體之也是一種有效的增強體之一，主要用于金屬基、聚合物和陶瓷基復(fù)一，主要用于金屬基、聚合物和陶瓷基復(fù)合材料的增強體。在基體中的體積分?jǐn)?shù)一合材料的增強體。在基體中的體積分?jǐn)?shù)一般在：般在：15153030；特殊時，也可以為；特殊時，也可以為 5 57575分分 類類增強體根據(jù)增強體根據(jù)變形變形(bin xng)性能性能剛性顆粒剛性顆粒 一般為陶瓷顆粒，常見的一般為陶瓷顆粒，常見的有：有：SiCSiC、TiCTiC、WCWC、BNBN、石墨石墨等等延

11、性顆粒延性顆粒 主要是金屬顆粒，加入陶主要是金屬顆粒，加入陶瓷中可增強其韌性瓷中可增強其韌性根據(jù)其生產(chǎn)根據(jù)其生產(chǎn)方式的不同方式的不同外生型外生型：顆粒的制備與基體無關(guān)，是通過一定的顆粒的制備與基體無關(guān)，是通過一定的合成工藝制備而成的合成工藝制備而成的內(nèi)生型：內(nèi)生型：選定的反應(yīng)體系在基體材料中，一定條件下選定的反應(yīng)體系在基體材料中，一定條件下通過化學(xué)反應(yīng)原位生成，基體可參與或不參與化學(xué)反應(yīng)通過化學(xué)反應(yīng)原位生成，基體可參與或不參與化學(xué)反應(yīng)第11頁/共20頁第十一頁，共20頁。3 3、陶瓷、陶瓷(toc)(toc)基復(fù)合材料的基復(fù)合材料的 復(fù)合材料是兩種或兩種以上不同組分材料以微觀或宏觀的形式復(fù)合而

12、成的多相材料，而組分材料間存在著結(jié)合層（區(qū)域），而在該區(qū)域內(nèi)的材料特性，即元素的濃度、晶體結(jié)構(gòu)、原子的配位、彈性模量、密度、熱膨脹系數(shù)(png zhng xsh)等不連續(xù)的區(qū)域叫 界面結(jié)合方式：機(jī)械結(jié)合、物理結(jié)合、化學(xué)結(jié)合結(jié)合方式：機(jī)械結(jié)合、物理結(jié)合、化學(xué)結(jié)合和擴(kuò)散結(jié)合。其中以化學(xué)結(jié)合為主，有時和擴(kuò)散結(jié)合。其中以化學(xué)結(jié)合為主，有時(yush)幾種結(jié)合方式同時存在。幾種結(jié)合方式同時存在。界面界面第12頁/共20頁第十二頁，共20頁。三、陶瓷三、陶瓷(toc)基復(fù)合材料的種類基復(fù)合材料的種類類類 型型1 1、按材料、按材料(cilio)(cilio)作用分作用分（1 1）結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料）結(jié)構(gòu)陶

13、瓷基復(fù)合材料(f (f h ci lio)h ci lio)，用于制造各種，用于制造各種受力零部件受力零部件（2 2）功能陶瓷基功能陶瓷基復(fù)合材料，具有各復(fù)合材料，具有各種特殊性能（光、電、磁、熱、生物、種特殊性能（光、電、磁、熱、生物、阻尼、屏蔽等）阻尼、屏蔽等）2 2、按增強材料形態(tài)分、按增強材料形態(tài)分 顆粒增強顆粒增強陶瓷基復(fù)合材料；陶瓷基復(fù)合材料； 纖維（晶須）增強纖維（晶須）增強陶瓷基復(fù)合陶瓷基復(fù)合材料；材料；片材增強片材增強陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料3 3、按基體材料分、按基體材料分1 1）氧化物氧化物陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料2 2）非氧化物非氧化物陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材

14、料3 3）微晶玻璃微晶玻璃基復(fù)合材料基復(fù)合材料4 4）碳碳/ /碳碳復(fù)合材料復(fù)合材料第13頁/共20頁第十三頁，共20頁。四、陶瓷四、陶瓷(toc)基復(fù)合材料的制備基復(fù)合材料的制備 陶瓷基復(fù)合材料主要(zhyo)包括：顆粒、纖維（晶須）和陶瓷層片增強陶瓷基復(fù)合材料，但這三種材料的制備工藝不盡相同。一般由以下一般由以下(yxi)幾個環(huán)節(jié)組成：幾個環(huán)節(jié)組成： 粉體制備粉體制備增強體（纖維、晶須或陶瓷增強體（纖維、晶須或陶瓷層片）制備層片）制備預(yù)處理預(yù)處理成型成型燒結(jié)燒結(jié)第14頁/共20頁第十四頁，共20頁。1 1、粉體制備、粉體制備(zhbi) (zhbi) 粉體主要用于基體及增強體中的增韌顆粒。

15、粉體主要用于基體及增強體中的增韌顆粒。 粉體制備粉體制備(zhbi)機(jī)械機(jī)械(jxi)制粉制粉球磨球磨攪動振動磨攪動振動磨工藝簡單、但組工藝簡單、但組分分布不均分分布不均化學(xué)制粉化學(xué)制粉1 1）固相法）固相法 鹽類分解法、高溫自鹽類分解法、高溫自蔓延合成法（蔓延合成法（SHSSHS）2 2）液相法）液相法 主要用于氧化物系列主要用于氧化物系列超細(xì)粉體的合成超細(xì)粉體的合成3 3）氣相法）氣相法 多用于制備超細(xì)高純多用于制備超細(xì)高純的非氧化物粉體的非氧化物粉體性能優(yōu)良的高純、超性能優(yōu)良的高純、超細(xì)、組分均勻細(xì)、組分均勻第15頁/共20頁第十五頁，共20頁。2 2、成型、成型(chngxng)(ch

16、ngxng) 有了良好的粉體，成型就成了獲得有了良好的粉體，成型就成了獲得高性能陶瓷復(fù)合材料的關(guān)鍵，一般成型后高性能陶瓷復(fù)合材料的關(guān)鍵，一般成型后坯體的密度越高，則燒成中的收縮越小，坯體的密度越高，則燒成中的收縮越小，制品的尺寸精度越容易控制。陶瓷的成型制品的尺寸精度越容易控制。陶瓷的成型方法主要方法主要(zhyo)(zhyo)有：模壓成型、等靜有：模壓成型、等靜壓成型、熱壓鑄成型、擠壓成型、軋膜成壓成型、熱壓鑄成型、擠壓成型、軋膜成型、流延法成型、注射成型和直接凝固成型、流延法成型、注射成型和直接凝固成型等。型等。第16頁/共20頁第十六頁，共20頁。3 3、燒結(jié)、燒結(jié)(shoji)(sho

17、ji) 燒結(jié)是指陶瓷坯料在表面燒結(jié)是指陶瓷坯料在表面(biomin)(biomin)能能減少的推動力下通過擴(kuò)散、晶粒長大、氣孔減少的推動力下通過擴(kuò)散、晶粒長大、氣孔和晶界逐漸減少而致密化的過程。而這一過和晶界逐漸減少而致密化的過程。而這一過程是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)變化的過程，是程是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)變化的過程，是多種機(jī)制組合作用的結(jié)果。陶瓷常采用的燒多種機(jī)制組合作用的結(jié)果。陶瓷常采用的燒結(jié)方法有：普通燒結(jié)、熱致密化方法、反應(yīng)結(jié)方法有：普通燒結(jié)、熱致密化方法、反應(yīng)燒結(jié)、微波燒結(jié)及放電等離子燒結(jié)。燒結(jié)、微波燒結(jié)及放電等離子燒結(jié)。 燒結(jié)機(jī)制可歸納為：燒結(jié)機(jī)制可歸納為：1）黏性流動；）黏性流動；2）

18、蒸發(fā)與凝聚）蒸發(fā)與凝聚(nngj)；3）體積擴(kuò)散；）體積擴(kuò)散；4）表面擴(kuò)散；）表面擴(kuò)散；5）晶界擴(kuò)散；）晶界擴(kuò)散；6）塑性流動等。）塑性流動等。第17頁/共20頁第十七頁，共20頁。五、陶瓷五、陶瓷(toc)基復(fù)合材料的未來趨勢基復(fù)合材料的未來趨勢 多層陶瓷基復(fù)合材料多層陶瓷基復(fù)合材料 用石墨或碳等剪切開裂的材料作為用石墨或碳等剪切開裂的材料作為陶瓷的中間層，使裂紋沿界面偏析，從而提高斷裂韌性的多陶瓷的中間層，使裂紋沿界面偏析，從而提高斷裂韌性的多層復(fù)合材料；層復(fù)合材料； 納米復(fù)合材料納米復(fù)合材料 其中典型的一個是以其中典型的一個是以SiCSiC納米增強顆粒增強納米增強顆粒增強Al2O3Al2O3復(fù)合材料，另一種則是碳化硅納米顆粒增強氮化硅復(fù)合材料，另一種則是碳化硅納米顆粒增強氮化硅（Si3N4Si3N4）復(fù)合材料；）復(fù)合材料； 功能梯度復(fù)合材料功能梯度復(fù)合材料 其產(chǎn)生和發(fā)展的基礎(chǔ)是以計算機(jī)輔助材其產(chǎn)生和發(fā)展的基礎(chǔ)是以計算機(jī)輔助材料設(shè)計和先進(jìn)