《陶瓷基復(fù)合材料的制備方法與工藝》PPT課件（完整版）

1、13、陶瓷基復(fù)合材料的制備方法與工藝陶瓷基復(fù)合材料的制造分為兩個(gè)步驟：第一步是將增強(qiáng)材料摻入未固結(jié)(或粉末狀)的基體材料中，排列整齊或混合均勾；第二步是運(yùn)用各種加工條件在盡量不破壞增強(qiáng)材料和基體性能的前提下，制成復(fù)合材料制品。 2根據(jù)陶瓷基復(fù)合材料的制造步驟，在加工制備復(fù)合材料時(shí)，應(yīng)根據(jù)使用要求，相應(yīng)地增強(qiáng)材料和基體的復(fù)合，針對(duì)不同的增強(qiáng)材料(纖維、晶須、顆粒)，選擇相應(yīng)的加工條件等因素。3選擇哪種增強(qiáng)材料和基體，除了根據(jù)使用要求，如溫度、強(qiáng)度、彈性模量等，兩種材料間一些性能的配合也直接影響復(fù)合材料的性能。4通常要考慮的兩種材料的主要因素如下：物理因素：熔點(diǎn)、揮發(fā)度、密度、彈性模量、熱膨脹系數(shù)

2、、蠕變性能、強(qiáng)度、斷裂韌性等。5纖維和基體的相容性因素：化學(xué)相容性、熱性能相容性(主要是高溫狀態(tài))、同環(huán)境的相容性(包括內(nèi)部和外部，而外部環(huán)境的相容主要包括氧化和蒸發(fā))。 6針對(duì)不同的增強(qiáng)材料，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種加工技術(shù)。例如，對(duì)于以連續(xù)纖維增強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料的加工通常采用下面三種方法：首先采用料漿浸漬工藝，然后再熱壓燒結(jié)；7將連續(xù)纖維編織制成預(yù)成型坯件，再進(jìn)行化學(xué)氣相沉積(CVD)，化學(xué)氣相滲透(CVI)，直接氧化沉積(Lanxide)； 利用浸漬-熱解循環(huán)的有機(jī)聚合物裂解法制成陶瓷基復(fù)合材料。8對(duì)于顆粒彌散型陶瓷基復(fù)合材料，主要采用傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝，包括常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)或熱等靜壓燒結(jié)。9此外

3、，一些新開(kāi)發(fā)的工藝如固相反應(yīng)燒結(jié)、高聚物先驅(qū)體熱解、CV、溶膠凝膠、直接氧化沉積等也可用于顆粒彌散型陶瓷基復(fù)合材料的制備。10晶須補(bǔ)強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的制備方法：將晶須在液體介質(zhì)中經(jīng)機(jī)械或超聲分散，再與陶瓷基體粉末均勻混合，制成一定形狀的坯件，烘干后熱壓或熱等靜壓燒結(jié)。11制備晶須補(bǔ)強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料時(shí)，為了克服晶須在燒結(jié)過(guò)程中的搭橋現(xiàn)象，坯件制造采用壓力滲濾或電泳沉積成型上藝。此外，原位生長(zhǎng)工藝、CVD、CAI、固相反應(yīng)燒結(jié)、直接氧化沉積等工藝也適合于制備晶須補(bǔ)強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。12陶瓷基復(fù)合材料的加工制造方法傳統(tǒng)的制備技術(shù)(2)新的制備技術(shù)13(1)傳統(tǒng)的制備技術(shù)1)冷壓和燒結(jié)法2)熱壓法14

4、1)冷壓和燒結(jié)法傳統(tǒng)的陶瓷生產(chǎn)工藝，是將粉末和纖維冷壓，然后燒結(jié)。15借鑒聚合物生產(chǎn)工藝中的擠壓、吹塑、注射等成型工藝，為了快速生產(chǎn)的需要，可以在一定的條件下將陶瓷粉體和有機(jī)載體混合后，壓制成型，除去有機(jī)黏結(jié)劑，然后燒結(jié)成制品。16在冷壓和燒結(jié)法的生產(chǎn)過(guò)程中，通常會(huì)遇到燒結(jié)過(guò)程中制品收縮，同時(shí)最終產(chǎn)品中有許多裂紋的問(wèn)題。17在用纖維和晶須增強(qiáng)陶瓷基材料進(jìn)行燒結(jié)時(shí)，除了會(huì)遇到陶瓷基收縮的問(wèn)題外，還會(huì)使燒結(jié)材料在燒結(jié)和冷卻時(shí)產(chǎn)生缺陷或內(nèi)應(yīng)力。這主要是由增強(qiáng)材料的特性決定的。18例如增強(qiáng)材料的特性主要有：增強(qiáng)材料具有較高的長(zhǎng)徑比；增強(qiáng)材料和基體不同的熱膨脹系數(shù)；增強(qiáng)材料在基體中排列方式的不同等。19

5、2)熱壓法熱壓是目前制備纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料(CMCs)最常用的方法，一般把它稱(chēng)為漿料浸漬工藝。主要用在纖維增強(qiáng)玻璃和纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料中。20漿料浸漬工藝主要包括以下兩個(gè)步驟：增強(qiáng)相滲入沒(méi)有固化的基體中；固化的復(fù)合材料被熱壓成型。 21下圖顯示了漿料浸漬工藝流程圖：22纖維浸漬漿料纖維纏繞在輥筒上纖維裁剪鋪層壓力纖維/玻璃陶瓷復(fù)合材料熱壓，800925 脫黏結(jié)劑， 500熱壓纖維增強(qiáng)玻璃陶瓷基復(fù)合材料的工藝路線23此工藝流程圖主要包括以下四個(gè)過(guò)程：纖維首先通過(guò)漿料池；浸漬的絲被卷到一個(gè)轉(zhuǎn)筒上；干燥后被切割并依照一定的要求層狀排列；固化并加熱成型。24其中，漿料池中的漿料由陶瓷粉末、溶劑和

6、有機(jī)黏結(jié)劑組成；另外，再加入一些潤(rùn)濕劑，有助于提高纖維在漿料中的浸潤(rùn)性。25下圖顯示了在熱壓各向同性氧化鋁纖維增強(qiáng)玻璃陶瓷基復(fù)合材料時(shí)，溫度和壓力隨時(shí)間的變化曲線。26溫度/ 壓力 / M Pa時(shí)間 / min溫度壓力熱壓各向同性氧化鋁纖維增強(qiáng)玻璃陶瓷基復(fù)合材料時(shí)溫度、壓力隨時(shí)間的變化曲線27 漿料浸漬工藝非常適合玻璃或玻璃陶瓷基復(fù)合材料，因?yàn)樗臒釅簻囟鹊陀谶@些晶體基體材料的熔點(diǎn)。但熱壓過(guò)程中，除了要考慮制品的形狀外，還要考慮的因素包括： 28在整個(gè)操作過(guò)程中，纖維必須經(jīng)仔細(xì)處理，避免損傷纖維表面。拉力影響漿料浸漬纖維的能力，太強(qiáng)的拉力會(huì)導(dǎo)致纖維破壞。29在加工過(guò)程中，要盡量減少纖維的破壞。

7、因?yàn)榻Y(jié)晶陶瓷的耐火顆粒在與纖維的機(jī)械接觸中會(huì)損傷纖維，太高的壓力也會(huì)損傷纖維，還要避免纖維在高溫中與基體的反應(yīng)。30漿料的組成是一個(gè)重要方面，包括粉體的含量、粉體粒子的大小、黏結(jié)劑的種類(lèi)和含量、溶劑等，它們都對(duì)最終復(fù)合材料制品的性能有所影響。31為了減少最終制品的孔隙率，在熱壓之前，要設(shè)法完全除去揮發(fā)性黏結(jié)劑，使用比纖維直徑更小的顆粒狀陶瓷基體。32熱壓操作非常關(guān)鍵，通常是在一個(gè)非常窄的操作溫度范圍，縮短操作時(shí)間可以減少纖維的損壞。33漿料浸漬工藝可以制得纖維定向排列、低孔隙率、高強(qiáng)度的陶瓷基復(fù)合材料。它可以用在C、Al2O3、SiC和Al2O3.SiO2纖維增強(qiáng)玻璃、玻璃陶瓷和氧化物陶瓷的制

8、造工藝中。這種工藝的主要缺點(diǎn)是要求基體有較高的熔點(diǎn)或軟化點(diǎn)。34新的制備技術(shù)主要指在20世紀(jì)70年代開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的技術(shù)。它包括滲透，直接氧化，以化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)的CVD、CVI，溶膠-凝膠，聚合物熱解，白蔓燃高溫合成(SHS)等技術(shù)。(2)新的制備技術(shù)351)滲透法滲透法就是在預(yù)制的增強(qiáng)材料坯件中使基體材料以固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)的形式滲透制成復(fù)合材料。其中，比較常用的是液相滲透。36滲透法類(lèi)似于聚合物基復(fù)合材料制造技術(shù)中，纖維布被液相的樹(shù)脂滲透后，熱壓固化。二者的差別就是所用的基體是陶瓷，滲透的溫度要高得多。下圖是液相滲透工藝示意圖。37活塞熔體預(yù)制件加熱棒液相滲透工藝示意圖38由于熔融的陶瓷具有較

9、高的黏度，為了提高陶瓷對(duì)預(yù)制增強(qiáng)材料坯件的滲透，通過(guò)對(duì)增強(qiáng)材料的表面處理，來(lái)提高其浸漬性，這種提高滲透主要采用化學(xué)反應(yīng)的方式。39另外，加壓和抽真空這兩種物理方法也可以被用來(lái)提高滲透性。以這種方法生產(chǎn)陶瓷基復(fù)合材料的主要優(yōu)點(diǎn)是制造工藝是一個(gè)簡(jiǎn)單的一步生產(chǎn)過(guò)程，可以獲得一個(gè)均勻的制品。40滲透法的主要缺點(diǎn)如果使用高熔點(diǎn)的陶瓷，就可能在陶瓷和增強(qiáng)材料之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；陶瓷具有比金屬更高的熔融黏度，因此對(duì)增強(qiáng)材料的滲透相當(dāng)困難；41增強(qiáng)材料和基體在冷卻后，由于不同的熱膨脹系數(shù)會(huì)引起收縮產(chǎn)生裂紋。因此，為了避免這種情況，要盡量選用熱膨脹系數(shù)相近的增強(qiáng)材料和基體。422)直接氧化法(Lanxide法)直

10、接氧化法就是利用熔融金屬直接與氧化劑發(fā)生氧化反應(yīng)而制備陶瓷基復(fù)合材料的工藝方法。由于它是由Lanxide公司發(fā)明的，所以又稱(chēng)為L(zhǎng)anxide法。43直接氧化法的生產(chǎn)工藝將增強(qiáng)纖維或纖維預(yù)成型件置于熔融金屬的下面，并處于空氣或其他氣氛中，熔融金屬中含有鎂、硅等一些添加劑。44在纖維不斷被金屬滲透的過(guò)程中，滲透到纖維中的金屬與空氣或其他氣體在不斷發(fā)生氧化反應(yīng)，這種反應(yīng)始終在液相金屬和氣相氧化劑的界面處進(jìn)行，反應(yīng)生成的氧化物沉積在纖維周?chē)?，形成含有少量金屬、致密的陶瓷基?fù)合材料。45Al + N2以金屬鋁為例，在空氣或氮?dú)鈿夥罩?，主要發(fā)生下列反應(yīng)：2Al2O3AlN4Al + 3O246一般在這種陶

11、瓷基復(fù)合材料制品中，未發(fā)生氧化反應(yīng)的殘余金屬量約占 5 30?？梢杂脕?lái)這種方法制造高溫?zé)崮芰拷粨Q器的管道等部件，具有較好的機(jī)械性能(強(qiáng)度、韌性等)。47直接氧化法工藝的缺點(diǎn)以這種方法生產(chǎn)的產(chǎn)品中，殘余的金屬很難完全被氧化或除去。這種方法難于用來(lái)生產(chǎn)一些較大的和比較復(fù)雜的部件，比如航天工業(yè)的一些部件。48原位化學(xué)反應(yīng)技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于制造整體陶瓷件，同樣該技術(shù)也可以用于制造陶瓷基復(fù)合材料，已廣泛應(yīng)用的有CVD和CVI工藝。3)原位化學(xué)反應(yīng)法49 CVD法CVD法就是利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)，通過(guò)一些反應(yīng)性混合氣體在高溫狀態(tài)下反應(yīng)，分解出陶瓷材料并沉積在各種增強(qiáng)材料上形成陶瓷基復(fù)合材料的方法。50 C

12、VI法將化學(xué)氣相沉積技術(shù)運(yùn)用在將大量陶瓷材料滲透進(jìn)增強(qiáng)材料預(yù)制坯件的工藝就稱(chēng)為化學(xué)氣相滲透工藝。51從這兩種工藝技術(shù)來(lái)說(shuō)，CVD法首先被開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于一些陶瓷纖維的制造和C/C復(fù)合材料的制備；CVI方法在CVD技術(shù)上發(fā)展起來(lái)并被廣泛應(yīng)用于各種陶瓷基復(fù)合材料。52下圖是CVI的工藝示意圖，53加熱元件帶孔的擋環(huán)水冷底座源氣纖維預(yù)成型體滲透的復(fù)合材料熱區(qū),1200 逸出的氣體熱表面冷表面CVI工藝示意圖54以A12O3陶瓷基復(fù)合材料為例，反應(yīng)性混合氣體(AlCl3H2/CO2)在較低的沉積溫度(9501000)和壓力(23kPa)下發(fā)生下列反應(yīng)：552AlCl3(g) + 3H2(g) +3CO2(

13、g) Al2O3(s) + 3CO(g) +6HCl(g)固態(tài)的Al2O3沉積在纖維表面，最后形成陶瓷基復(fù)合材料。H2(g) + CO2 (g) H2O(g) + CO(g)56與CVD工藝相比，CVI工藝實(shí)際上是一種低溫和低壓工藝，這樣就可以避免一般陶瓷基復(fù)合材料工藝對(duì)增強(qiáng)材料的損傷。CVI制造的產(chǎn)品，其實(shí)際密度可以達(dá)到理論密度的9394。57 CVI工藝生產(chǎn)CMC的主要優(yōu)點(diǎn)：在高溫下有很好的機(jī)械性能；可以生產(chǎn)一些較大的、形狀復(fù)雜的產(chǎn)品；產(chǎn)品能較好地保持纖維和基體的抗彎性能。58CVI工藝的主要缺點(diǎn)就是生產(chǎn)工藝時(shí)間較長(zhǎng)，生產(chǎn)成本較大。594)溶膠-凝膠法和熱解法溶膠-凝膠法 溶膠-凝膠（So

14、l-Gel）法是運(yùn)用膠體化學(xué)的方法，將含有金屬化合物的溶液，與增強(qiáng)材料混合后反應(yīng)形成溶膠，溶膠在一定的條件下轉(zhuǎn)化成為凝膠，然后燒結(jié)成CMC的一種工藝。60由于從凝膠轉(zhuǎn)變成陶瓷所需的反應(yīng)溫度要低于傳統(tǒng)工藝中的熔融和燒結(jié)溫度，因此，在制造一些整體的陶瓷構(gòu)件時(shí)，溶膠-凝膠法有較大的優(yōu)勢(shì)。61溶膠-凝膠法與一些傳統(tǒng)的制造工藝結(jié)合，可以發(fā)揮比較好的作用。如在漿料浸漬工藝中，溶膠作為纖維和陶瓷的黏結(jié)劑，在隨后除去黏結(jié)劑的工藝中，溶膠經(jīng)燒結(jié)后變成了與陶瓷基相同的材料，有效地減少了復(fù)合材料的孔隙率。62熱解法熱解(Pyrolysis)法就是使聚合物先驅(qū)體熱解形成陶瓷基復(fù)合材料的方法。63如由聚碳硅烷生產(chǎn)SiC

15、陶瓷基復(fù)合材料中，聚合物一般在熱解過(guò)程中有較高的陶瓷產(chǎn)量、低的收縮、好的機(jī)械性能，同時(shí)聚合物本身容易制備。聚合物熱解法可用來(lái)生產(chǎn)SiCf/SiC和Si3N4f/SiC等陶瓷基復(fù)合材料。 64溶膠-凝膠法和熱解法生產(chǎn)CMC的優(yōu)點(diǎn)：、容易控制復(fù)合材料的組分，無(wú)論是溶膠還是聚合物先驅(qū)體都比較容易滲透到纖維中； 、最后成型時(shí)的溫度較低。65溶膠-凝膠法和熱解法生產(chǎn)CMC的缺點(diǎn)：、在燒結(jié)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的收縮；、收率較低。665)自蔓燃高溫合成法自蔓燃高溫合成(self-propagation high temperature synthesis )法就是利用高效的熱反應(yīng)使化學(xué)反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行下去，最后生成所需

16、要的產(chǎn)品。67自蔓燃高溫合成技術(shù)一般用于制造系列耐火材料。該技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品中一般都有較多的孔隙。為了減少孔隙，在燃燒反應(yīng)結(jié)束后，溫度還相當(dāng)高的情況下，應(yīng)立即置于較高壓力。68自蔓燃高溫合成技術(shù)中沒(méi)有外加的熱源，一些用傳統(tǒng)方法難以生產(chǎn)的陶瓷化合物通過(guò)急劇升溫的高熱反應(yīng)被制造出來(lái)。如將鈦粉和碳黑混合，冷壓成型，點(diǎn)燃，迅速引燃后形成碳化鈦。69以自蔓燃高溫合成法制造的耐火部件具有以下特點(diǎn)：很高的燃燒溫度(最高可達(dá)4000以上）簡(jiǎn)單、低成本的設(shè)備； 能很好地控制化學(xué)組成，可以制造不同形狀的產(chǎn)品。 70許多陶瓷產(chǎn)品如SiC/Al2O3 TiC/ Al2O3 BN/ Al2O3 TiB2/TiC等都可以用

17、自蔓燃高溫合成法制造；另外一些金屬基的材料也可以用此法生產(chǎn)，因此在美國(guó)、俄羅斯等一些國(guó)家，圍繞自蔓燃高溫合成法在不斷研制新的產(chǎn)品和技術(shù)。71陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝(1)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的制備纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的性能取決于多種因素。721、從基體方面看，與氣孔的尺寸及數(shù)量、裂紋的大小以及一些其他缺陷有關(guān)；2、從纖維方面來(lái)看，則與纖維中的雜質(zhì)、纖維的氧化程度、損傷及其他固有缺陷有關(guān)；73從基體與纖維的結(jié)合情況看，則與界面的結(jié)合效果、纖維在基體中的取向以及基體與纖維的熱膨脹系數(shù)差有關(guān)。正因?yàn)橛腥绱硕嗟挠绊懸蛩?，所以在?shí)際中針對(duì)不同的材料，制作方法也會(huì)不同。74制備工藝主要有以下幾種：1)

18、 泥漿燒鑄法在陶瓷泥漿中把纖維分散，然后澆鑄在石膏模型中。75泥漿燒鑄法比較古老，不受制品形狀的限制，但對(duì)提高產(chǎn)品性能的效果不顯著，成本低，工藝簡(jiǎn)單，適合于短纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的制作。762) 熱壓燒結(jié)法將長(zhǎng)纖維切短（3mm），然后分散并與基體粉未混合，再進(jìn)行熱壓燒結(jié)。773) 浸漬法這種方法適用于長(zhǎng)纖維。首先把纖維編織成所需形狀；然后用陶瓷泥漿浸漬，干燥后進(jìn)行焙燒。78浸漬法的優(yōu)點(diǎn)是纖維取向可自由調(diào)節(jié)；缺點(diǎn)是不能制造大尺寸制品，而且所得制品的致密度較低。79纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料制作過(guò)程 碳纖維增強(qiáng)氧化鎂以氧化鎂為基體，碳纖維為增強(qiáng)體（體積含量為10%左右），在1200進(jìn)行熱壓成型獲得復(fù)

19、合材料，它的抗破壞能力比純氧化鎂高出10倍以上。80但由于碳纖維與氧化鎂的熱膨脹系數(shù)相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，所以這種復(fù)合材料具有較多裂紋，實(shí)用價(jià)值不大。81 石墨纖維增強(qiáng)Li2Al2O3nSiO2用石墨纖維作增強(qiáng)體，以氧化鋰、氧化鋁和石英組成的復(fù)鹽為基體。把復(fù)鹽先制成泥漿，然后使其附著在石墨纖維氈上，把這種氈片無(wú)規(guī)則地積層，并在13751425熱壓5分鐘，壓力為7MPa。所得復(fù)合材料與基體材料相比耐力學(xué)沖擊和耐熱沖擊。82 碳纖維增強(qiáng)無(wú)定型二氧化硅基體為無(wú)定型二氧化硅，增強(qiáng)體為碳纖維，碳纖維的含量約50%左右。這種復(fù)合材料沿纖維方向的彎曲模量可達(dá)150GPa，而且在800時(shí)仍能保持在100GPa，在室溫和800時(shí)的彎曲強(qiáng)度卻達(dá)到了300MPa。83在冷水和1200之間進(jìn)行熱沖擊實(shí)驗(yàn)，基體沒(méi)有產(chǎn)生裂紋。實(shí)驗(yàn)后測(cè)定的強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)前完相同。84(2) 晶須與顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料的制備晶須與顆料的尺寸均很小，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。85晶須與顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝只需將晶須或顆粒分散后并與基體粉末混合均勻，再用熱壓燒結(jié)的方法即可制得高性能的復(fù)合材料。86晶須與顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料的工藝過(guò)程把幾種原料粉末混合配成坯料的方法可分為干法和濕法兩種。 新型陶瓷領(lǐng)域混合處理加工的微米級(jí)、亞微米級(jí)粉末方法由于效率和可靠性等原因大多采用濕法。1) 配料87濕法