無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料定稿

1、無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料Contents陶瓷基復(fù)合材料1水泥基復(fù)合材料2概概 述述v工程陶瓷的主要問(wèn)題工程陶瓷的主要問(wèn)題v 特種陶瓷優(yōu)良的綜合機(jī)械性能、耐磨性好、硬度高以特種陶瓷優(yōu)良的綜合機(jī)械性能、耐磨性好、硬度高以及耐腐蝕性高，及耐腐蝕性高，v 脆性大、抗熱震性能差。脆性大、抗熱震性能差。v陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料(CMC)(CMC)及其高韌性及其高韌性v 以陶瓷為基體的復(fù)合材料。以陶瓷為基體的復(fù)合材料。v 制備陶瓷基復(fù)合材料的主要目的之一就是提高陶瓷的制備陶瓷基復(fù)合材料的主要目的之一就是提高陶瓷的韌性。特別是纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料在斷裂前吸收了韌性。特別是纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合

2、材料在斷裂前吸收了大量的斷裂能量，使韌性得以大幅度提高。大量的斷裂能量，使韌性得以大幅度提高。v 表表6-16-1列出了由顆粒、纖維及晶須增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料列出了由顆粒、纖維及晶須增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料的斷裂韌性和臨界裂紋尺寸大小的比較。的斷裂韌性和臨界裂紋尺寸大小的比較。概概 述述v陶瓷基復(fù)合材料的基體為陶瓷。陶瓷基復(fù)合材料的基體為陶瓷。v 碳化硅、氮化硅、氧化鋁等，具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、碳化硅、氮化硅、氧化鋁等，具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、重量輕和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)?；瘜W(xué)鍵往往是介于離子鍵與共價(jià)鍵之重量輕和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)?；瘜W(xué)鍵往往是介于離子鍵與共價(jià)鍵之間的混合鍵。間的混合鍵。v陶瓷基復(fù)合材料中的增

3、強(qiáng)體通常也陶瓷基復(fù)合材料中的增強(qiáng)體通常也稱為增韌體。稱為增韌體。v 從幾何尺寸上可分為纖維從幾何尺寸上可分為纖維( (長(zhǎng)、短纖維長(zhǎng)、短纖維) )、晶須和顆粒三類。、晶須和顆粒三類。v 碳纖維主要用在把強(qiáng)度、剛度、重量和抗化學(xué)性作為設(shè)計(jì)參數(shù)碳纖維主要用在把強(qiáng)度、剛度、重量和抗化學(xué)性作為設(shè)計(jì)參數(shù)的構(gòu)件；的構(gòu)件；其它常用纖維是玻璃纖維和硼纖維。其它常用纖維是玻璃纖維和硼纖維。v 纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料，是改善陶瓷材料韌性的重要手段纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料，是改善陶瓷材料韌性的重要手段。概概 述述v短纖維、晶須及顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料。短纖維、晶須及顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料。 v 目前常用的是目前常用的是

4、SiCSiC和和A1A12 2O O3 3晶須常用的基體則為晶須常用的基體則為A1A12 2O O3 3 ，SiOSiO2 2，SiSi3 3N N4 4以及莫來(lái)石等。以及莫來(lái)石等。 v 晶須具有長(zhǎng)徑比，含量較高時(shí)，橋架效應(yīng)使致密化因難，引起晶須具有長(zhǎng)徑比，含量較高時(shí)，橋架效應(yīng)使致密化因難，引起了密度的下降導(dǎo)致性能下降。了密度的下降導(dǎo)致性能下降。 v 顆粒代替晶須在原料的混合均勻化及燒結(jié)致密化方面均比晶須顆粒代替晶須在原料的混合均勻化及燒結(jié)致密化方面均比晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料要容易。目前這些復(fù)合材料已廣泛用來(lái)制增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料要容易。目前這些復(fù)合材料已廣泛用來(lái)制造刀具。造刀具。概概 述述v陶

5、瓷基復(fù)合材料發(fā)展遲滯陶瓷基復(fù)合材料發(fā)展遲滯v 高溫增強(qiáng)材料出現(xiàn)的較晚，高溫增強(qiáng)材料出現(xiàn)的較晚， sicsic纖維和晶須是七十年纖維和晶須是七十年代后出現(xiàn)代后出現(xiàn) ；v 高溫制備工藝復(fù)雜高溫制備工藝復(fù)雜 ，熱膨脹系數(shù)的差異大，熱膨脹系數(shù)的差異大 ，易產(chǎn)生，易產(chǎn)生熱應(yīng)力；熱應(yīng)力； v 成本昂貴。成本昂貴。 它的發(fā)展遇到了比其它復(fù)合材料更大的困難。至它的發(fā)展遇到了比其它復(fù)合材料更大的困難。至今，陶瓷基復(fù)合材料的研究還處于較初級(jí)階段，我國(guó)今，陶瓷基復(fù)合材料的研究還處于較初級(jí)階段，我國(guó)對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的研究則剛剛起步。對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的研究則剛剛起步。 CMC制備工藝制備工藝v纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的加

6、工與制備纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的加工與制備v 纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的性能取決于多種因素，如基體致密纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的性能取決于多種因素，如基體致密程度、纖維的氧化損傷、以及界面結(jié)合效果等，都與其制備和程度、纖維的氧化損傷、以及界面結(jié)合效果等，都與其制備和加工工藝有關(guān)。主要有加工工藝有關(guān)。主要有熱壓燒結(jié)法和浸漬法。熱壓燒結(jié)法和浸漬法。v熱壓燒結(jié)法及其問(wèn)題熱壓燒結(jié)法及其問(wèn)題v 熱壓燒結(jié)法中，壓力和高溫同時(shí)作用可以加速致密化熱壓燒結(jié)法中，壓力和高溫同時(shí)作用可以加速致密化速率，獲得無(wú)氣孔和細(xì)晶粒的構(gòu)件。速率，獲得無(wú)氣孔和細(xì)晶粒的構(gòu)件。v 困難是基體與增強(qiáng)材料的混合不均勻以及晶須和纖維困難是基體

7、與增強(qiáng)材料的混合不均勻以及晶須和纖維在混合過(guò)程中或壓制過(guò)程中，尤其是在冷壓情況下易在混合過(guò)程中或壓制過(guò)程中，尤其是在冷壓情況下易發(fā)生折斷。在燒結(jié)過(guò)程中，由于基體發(fā)生體積收縮，發(fā)生折斷。在燒結(jié)過(guò)程中，由于基體發(fā)生體積收縮，會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料產(chǎn)生裂紋。會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料產(chǎn)生裂紋。CMC制備工藝制備工藝v漿體浸漬漿體浸漬-熱壓法熱壓法v 適用于長(zhǎng)纖維。首先把纖適用于長(zhǎng)纖維。首先把纖維編織成所需形狀，然后維編織成所需形狀，然后用陶瓷泥漿浸漬，干燥后用陶瓷泥漿浸漬，干燥后進(jìn)行燒結(jié)。進(jìn)行燒結(jié)。v 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是是加熱溫度較晶體陶加熱溫度較晶體陶瓷低，層板的堆垛次序可瓷低，層板的堆垛次序可任意排列，纖維分布均勻任意排列

8、，纖維分布均勻，氣孔率低，獲得的強(qiáng)度，氣孔率低，獲得的強(qiáng)度較高。較高。v 缺點(diǎn)缺點(diǎn)則是不能制造大尺寸則是不能制造大尺寸的制品，所得制品的致密的制品，所得制品的致密度較低，此外度較低，此外零件的形狀零件的形狀不宜太復(fù)雜，基體材料必不宜太復(fù)雜，基體材料必須是低熔點(diǎn)或低軟化點(diǎn)陶須是低熔點(diǎn)或低軟化點(diǎn)陶瓷。瓷。CMC制備工藝制備工藝v晶須與顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料的加工與制備晶須與顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料的加工與制備 v 晶須與顆粒的尺寸均很小，只是幾何形狀上有些區(qū)別，用它們進(jìn)晶須與顆粒的尺寸均很小，只是幾何形狀上有些區(qū)別，用它們進(jìn)行增韌的陶瓷基復(fù)合材料的制造工藝是基本相同的。行增韌的陶瓷基復(fù)合材料的制造工

9、藝是基本相同的。v 基本上是采用粉末冶金方法?；旧鲜遣捎梅勰┮苯鸱椒ā?制備工藝比長(zhǎng)纖維復(fù)合材料簡(jiǎn)便很多。制備工藝比長(zhǎng)纖維復(fù)合材料簡(jiǎn)便很多。 所用設(shè)備也不復(fù)雜設(shè)備。所用設(shè)備也不復(fù)雜設(shè)備。 過(guò)程簡(jiǎn)單。混合均勻，熱壓燒結(jié)即可制得高性能的復(fù)合材料。過(guò)程簡(jiǎn)單。混合均勻，熱壓燒結(jié)即可制得高性能的復(fù)合材料。CMC制備工藝制備工藝v 制造工藝也可大致分為制造工藝也可大致分為配料配料- -成型成型- -燒結(jié)燒結(jié)- -精加工精加工等步驟。等步驟。v 改進(jìn)的漿體法改進(jìn)的漿體法 陶瓷基復(fù)合材料的制備還有溶膠凝膠法、液態(tài)浸漬法、直接氧化法等，新近發(fā)展起來(lái)的制備陶瓷基復(fù)合材料的方法還有聚合物先驅(qū)體熱解工藝、原位復(fù)合工

10、藝等。CMC性能性能v由于制備陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)化材料不同、基由于制備陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)化材料不同、基材不同和所用工藝方法不同，因此陶瓷基復(fù)合材不同和所用工藝方法不同，因此陶瓷基復(fù)合材料的性能也各不相同。材料的性能也各不相同。v對(duì)于陶瓷基復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，人們不但關(guān)心它們對(duì)于陶瓷基復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，人們不但關(guān)心它們的室溫性能，而且更關(guān)心它們的高溫性能。的室溫性能，而且更關(guān)心它們的高溫性能。CMC性能性能v室溫力學(xué)性能室溫力學(xué)性能v拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度v 與金屬基和聚合物基復(fù)合材料不同，對(duì)于陶瓷基復(fù)合材與金屬基和聚合物基復(fù)合材料不同，對(duì)于陶瓷基復(fù)合材料來(lái)說(shuō)陶瓷基體的失效應(yīng)變低于纖維的失效應(yīng)變；因此料來(lái)說(shuō)陶瓷

11、基體的失效應(yīng)變低于纖維的失效應(yīng)變；因此最初的失效往往是陶瓷基體的開裂，這種開裂是由晶體最初的失效往往是陶瓷基體的開裂，這種開裂是由晶體中存在的缺陷引起的。中存在的缺陷引起的。CMC性能與應(yīng)用性能與應(yīng)用單向連續(xù)纖維強(qiáng)化陶瓷基復(fù)合材料的拉伸失效有兩種形式： (1)突然失效。纖維強(qiáng)度較低，界面結(jié)合強(qiáng)度較高，基體裂紋穿過(guò)纖維擴(kuò)展，導(dǎo)致突然失效。 (2)如果纖維較強(qiáng)，界面結(jié)合相對(duì)較弱，基體裂紋沿著纖維擴(kuò)展，纖維失效前，纖維-基體界面脫粘、因此基體開裂并不導(dǎo)致突然失效，復(fù)合材料的最終失效應(yīng)變大于基體的失效應(yīng)變。CMC性能性能v彈性模量彈性模量v 圖圖6-266-26中楊氏彈性模量也隨中楊氏彈性模量也隨Vf

12、Vf線性增加但在較高線性增加但在較高VfVf時(shí)時(shí)，由于基體孔隙和纖維排列，由于基體孔隙和纖維排列會(huì)導(dǎo)致偏離混合定律的線性會(huì)導(dǎo)致偏離混合定律的線性關(guān)系。關(guān)系。PhilliPsPhilliPs等提出下列等提出下列經(jīng)驗(yàn)公式修正基體孔隙所帶經(jīng)驗(yàn)公式修正基體孔隙所帶來(lái)的效應(yīng)：來(lái)的效應(yīng)：v 式中式中EmEm是有孔隙材料的彈性是有孔隙材料的彈性模量，模量，E mE m。是無(wú)孔隙基體。是無(wú)孔隙基體( (孔隙為零時(shí)孔隙為零時(shí)) )的彈性橫量，的彈性橫量，P P是基體中的孔隙率。由此式是基體中的孔隙率。由此式對(duì)彈性模量實(shí)測(cè)值進(jìn)行更正對(duì)彈性模量實(shí)測(cè)值進(jìn)行更正后可與混合定律預(yù)測(cè)值較好后可與混合定律預(yù)測(cè)值較好地吻合地吻

13、合CMC性能性能v高溫力學(xué)性能高溫力學(xué)性能v 強(qiáng)度強(qiáng)度 室溫下，室溫下，SiC/MASSiC/MAS玻玻璃陶瓷復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)璃陶瓷復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度比無(wú)纖維增強(qiáng)的度比無(wú)纖維增強(qiáng)的MASMAS基基體高約體高約1010倍彈性模量提倍彈性模量提高約高約2 2倍。復(fù)合材料的抗倍。復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度自室溫至彎強(qiáng)度自室溫至700700度保度保持不變，持不變，700700度之后，強(qiáng)度之后，強(qiáng)度隨溫度升高而急劇增加度隨溫度升高而急劇增加；但彈性模量卻隨溫度升；但彈性模量卻隨溫度升高從室溫的高從室溫的137GPa137GPa降到降到850850度時(shí)的度時(shí)的80GPa80GPa。 這一變化顯然與材料這一變化顯然

14、與材料中殘余玻璃相隨溫度升高中殘余玻璃相隨溫度升高的變化相關(guān)。的變化相關(guān)。CMC性能性能v蠕變?nèi)渥僾 在較高的溫度與較大的在較高的溫度與較大的應(yīng)力條件下，蠕變速度應(yīng)力條件下，蠕變速度及變形量都增大。及變形量都增大。v 低于低于700700時(shí)，恒速的時(shí)，恒速的蠕變速率小于蠕變速率小于1010-6-6h h-1-1表表明材料在此條件下蠕變明材料在此條件下蠕變穩(wěn)定。穩(wěn)定。v 800800的恒速蠕變速度的恒速蠕變速度達(dá)達(dá)1010-2-2h h-1-1 。應(yīng)力增大。應(yīng)力增大至至150MPa150MPa，則形變?cè)黾?，則形變?cè)黾恿肆? 6倍。倍。v 這表明材料的蠕變由殘這表明材料的蠕變由殘余玻璃相的粘滯流動(dòng)

15、所余玻璃相的粘滯流動(dòng)所控制?？刂啤?yīng)用應(yīng)用v陶瓷基復(fù)合材料已實(shí)用化或即將實(shí)用化的領(lǐng)陶瓷基復(fù)合材料已實(shí)用化或即將實(shí)用化的領(lǐng)域包括：刀具、滑動(dòng)構(gòu)件、航空航天構(gòu)件、域包括：刀具、滑動(dòng)構(gòu)件、航空航天構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)制件、能源構(gòu)件等。發(fā)動(dòng)機(jī)制件、能源構(gòu)件等。 v法國(guó)已將長(zhǎng)纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料應(yīng)用于法國(guó)已將長(zhǎng)纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料應(yīng)用于制作超高速列車的制動(dòng)件而且取得了傳統(tǒng)制作超高速列車的制動(dòng)件而且取得了傳統(tǒng)的制動(dòng)件所無(wú)法比擬的優(yōu)異的磨擦磨損特性的制動(dòng)件所無(wú)法比擬的優(yōu)異的磨擦磨損特性、取得了滿意的應(yīng)用效果。、取得了滿意的應(yīng)用效果。v在航空航天領(lǐng)域，用陶瓷基復(fù)合材料制作的在航空航天領(lǐng)域，用陶瓷基復(fù)合材料制作的導(dǎo)

16、彈的頭錐、火箭的噴管、航天飛機(jī)的結(jié)構(gòu)導(dǎo)彈的頭錐、火箭的噴管、航天飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件等也收到了良好的效果。件等也收到了良好的效果。應(yīng)用應(yīng)用v熱機(jī)的循環(huán)壓力和循環(huán)氣體的溫度越高，其熱熱機(jī)的循環(huán)壓力和循環(huán)氣體的溫度越高，其熱效率也就越高。合金的耐高溫極限受到了其熔效率也就越高。合金的耐高溫極限受到了其熔點(diǎn)的限制，因此采用陶瓷材料來(lái)代替高溫合金點(diǎn)的限制，因此采用陶瓷材料來(lái)代替高溫合金已成了目前研究的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容。已成了目前研究的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容。v為此，美國(guó)能源部和宇航局開展了為此，美國(guó)能源部和宇航局開展了AGT(AGT(先進(jìn)的先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)廨啓C(jī))loo)loo、101101、cATE(cATE(陶瓷在渦輪

17、發(fā)動(dòng)機(jī)陶瓷在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用中的應(yīng)用) )等計(jì)劃。德國(guó)、瑞典等國(guó)也進(jìn)行了研等計(jì)劃。德國(guó)、瑞典等國(guó)也進(jìn)行了研究開發(fā)。這個(gè)取代現(xiàn)用耐熱合金的應(yīng)用技術(shù)是究開發(fā)。這個(gè)取代現(xiàn)用耐熱合金的應(yīng)用技術(shù)是難度很高的陶瓷應(yīng)用技術(shù)，也可以說(shuō)是這方面難度很高的陶瓷應(yīng)用技術(shù)，也可以說(shuō)是這方面的最終日標(biāo)。目前看來(lái)，要實(shí)現(xiàn)這一日標(biāo)還有的最終日標(biāo)。目前看來(lái)，要實(shí)現(xiàn)這一日標(biāo)還有相當(dāng)大的難度。相當(dāng)大的難度。應(yīng)用應(yīng)用v 對(duì)于陶瓷材料的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，雖然人們已開始對(duì)陶瓷基對(duì)于陶瓷材料的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，雖然人們已開始對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、性能及制造技術(shù)等問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)系復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、性能及制造技術(shù)等問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)的研究，但這其中還有許多尚

18、未研究情楚的問(wèn)題，統(tǒng)的研究，但這其中還有許多尚未研究情楚的問(wèn)題，還需要陶瓷專家們對(duì)理論問(wèn)題進(jìn)一步研究。此外，陶還需要陶瓷專家們對(duì)理論問(wèn)題進(jìn)一步研究。此外，陶瓷的制備過(guò)程是一個(gè)十分復(fù)雜的工藝過(guò)程，其品質(zhì)影瓷的制備過(guò)程是一個(gè)十分復(fù)雜的工藝過(guò)程，其品質(zhì)影響因素眾多，如何進(jìn)一步穩(wěn)定陶資助制造工藝，提高響因素眾多，如何進(jìn)一步穩(wěn)定陶資助制造工藝，提高產(chǎn)品的可靠性與一致性，則是進(jìn)一步擴(kuò)大陶瓷應(yīng)用范產(chǎn)品的可靠性與一致性，則是進(jìn)一步擴(kuò)大陶瓷應(yīng)用范圍所面臨的問(wèn)題。圍所面臨的問(wèn)題。v 新型材料的開發(fā)與應(yīng)用已成為當(dāng)今科技進(jìn)步的一個(gè)重新型材料的開發(fā)與應(yīng)用已成為當(dāng)今科技進(jìn)步的一個(gè)重要標(biāo)志，陶瓷基復(fù)合材料正以其優(yōu)良的性能引

19、起人們要標(biāo)志，陶瓷基復(fù)合材料正以其優(yōu)良的性能引起人們的重視，可以預(yù)見，隨著對(duì)其理論問(wèn)題的不斷深入研的重視，可以預(yù)見，隨著對(duì)其理論問(wèn)題的不斷深入研究和制備技術(shù)的不斷開發(fā)與完善，它的應(yīng)用范圍不斷究和制備技術(shù)的不斷開發(fā)與完善，它的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，它的應(yīng)用前景是十分光明的。擴(kuò)大，它的應(yīng)用前景是十分光明的。水泥基復(fù)合材料水泥基復(fù)合材料v混凝土的廣義定義混凝土的廣義定義v新拌混凝土的性能新拌混凝土的性能v硬化混凝土的結(jié)構(gòu)硬化混凝土的結(jié)構(gòu)v混凝土的性能混凝土的性能v混凝土的應(yīng)用混凝土的應(yīng)用v先進(jìn)水泥基復(fù)合材料先進(jìn)水泥基復(fù)合材料廣義混凝土廣義混凝土v以膠凝材料、散粒狀材料及必要的外摻材料按比以膠凝材料、散粒狀材料及必要的外摻材料按比例配制攪拌均勻的混合料經(jīng)硬化而得的人工石材，例配制攪拌均勻的混合料經(jīng)硬化而得的人工石材，稱混凝土。稱混凝土。v不加特指，一般即認(rèn)為是水泥混凝土，即以水泥不加特指，一般即認(rèn)為是水泥混凝土，即以水泥石為基體，以砂石等散粒材料為增強(qiáng)材料的復(fù)合石為基體，以砂石等散粒材料為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料（水泥基復(fù)合材料）。材料（水泥基復(fù)合材料）。新拌混凝土的性能新拌混凝土的性能v工作性：工作性：指新拌混凝土適宜