無機(jī)非金屬基復(fù)合材料

無機(jī)非金屬基復(fù)合材料第1頁/共83頁

所謂的復(fù)合材料是指把兩種以上在宏觀上不同的材料，合理的進(jìn)行復(fù)合，在新制得的材料中，原來各材料的特性得到充分的應(yīng)用，并且得到了單一材料所不具有的新特性，如果從微觀上看，我們所使用的材料很少不是復(fù)合的，我們在這里所說的復(fù)合材料則是按上述定義復(fù)合得到的材料。

復(fù)合材料船體7.1概述第2頁/共83頁復(fù)合材料的起源可追溯到古埃及人在粘土中加入植物纖維所制成的土坯。大約100萬年以前，人們開始使用以沙做骨料，用水或水泥固結(jié)的混凝土，它是現(xiàn)代建筑領(lǐng)域不可缺少的材料?；炷辆哂幸欢ǖ目箟簭?qiáng)度，但比較脆，在張力作用下容易產(chǎn)生裂紋而破裂。在混凝土中加入鋼筋，大大提高了材料的拉伸抗力，成為廣泛應(yīng)用的鋼筋混凝土。在橡膠中加入纖維/鋼絲，既保持了橡膠的柔軟性，又提高了材料的強(qiáng)度和耐磨性能。7.1概述第3頁/共83頁現(xiàn)代復(fù)合材料的發(fā)展起源于1942年美國空軍用于制造飛機(jī)構(gòu)件的玻璃纖維增強(qiáng)和聚脂，即玻璃鋼，以后提高玻璃纖維性能的工作有了很大的發(fā)展，硼纖維/碳纖維/碳化硅纖維/各種耐熱氧化物纖維與晶須的相繼出現(xiàn)，推動著復(fù)合材料的研究與開發(fā)工作。復(fù)合材料的復(fù)合目的:提高材料強(qiáng)度得到熱性能/電性能/磁性能和其他各種性能的最優(yōu)化.7.1概述第4頁/共83頁根據(jù)復(fù)合材料的基體的不同及發(fā)展歷史:玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）稱作第一代復(fù)合材料硼纖維和碳纖維增強(qiáng)的塑料（BFRP,GFRP）稱作第二代復(fù)合材料。高性能纖維增強(qiáng)金屬與陶瓷成為第三代復(fù)合材料。硼纖維玻璃纖維碳纖維7.1概述第5頁/共83頁7.1.1復(fù)合材料的分類1、按基體材料分類，可分為聚合物基、陶瓷基和金屬基復(fù)合材料。

2、按增強(qiáng)相形狀分類，可分為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、粒子增強(qiáng)復(fù)合材料和層狀復(fù)合材料。

3、按復(fù)合材料的性能分類，可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料。SiC顆粒Al2O3片Al2O3纖維增強(qiáng)相三種類型無機(jī)非金屬材料基復(fù)合材料主要包括陶瓷基復(fù)合材料（CMC）、碳基復(fù)合材料、玻璃基復(fù)合材料和水泥基復(fù)合材料等。7.1概述第6頁/共83頁無機(jī)非金屬材料基復(fù)合材料還可以按其使用溫度分:高溫陶瓷基復(fù)合材料（它以多晶陶瓷為基體，耐受溫度為1000～1400℃）;低溫陶瓷基復(fù)合材料（它以玻璃及玻璃陶瓷為基體，耐受溫度在1000℃以下）。盡管相對而言，無機(jī)非金屬材料基復(fù)合材料目前產(chǎn)量還不大，但陶瓷基復(fù)合材料和碳基復(fù)合材料是耐高溫及高力學(xué)性能的首選材料，例如碳碳復(fù)合材料是目前耐溫最高的材料。水泥基復(fù)合材料則在建筑材料中越來越顯示其重要性。下面簡要介紹幾類常見的無機(jī)非金屬復(fù)合材料。7.1概述第7頁/共83頁7.1.2無機(jī)非金屬材料基復(fù)合材料碳基復(fù)合材料碳碳復(fù)合材料的基體是碳，用碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料。從光學(xué)顯微鏡尺度來看，碳碳復(fù)合材料由碳纖維、基體碳、碳纖維/基體碳界面層、纖維裂紋和孔隙四部分構(gòu)成。優(yōu)點(diǎn)：熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱好、耐熱沖擊、抗蠕變優(yōu)異等優(yōu)異特性。缺點(diǎn)：碳碳復(fù)合材料中的孔隙與顯微裂紋可明顯降低其力學(xué)強(qiáng)度和抗氧化性能?？紫逗土鸭y的數(shù)量要根據(jù)碳碳復(fù)合材料的使用性能要求加以控制。7.1概述第8頁/共83頁用途：已發(fā)展成為核能和航空航天飛行器中不可缺少的關(guān)鍵材料，如飛機(jī)剎車片。利用它的生物相容性和低維性，可以制造人造肢體。飛機(jī)用剎車片汽車用剎車片7.1概述第9頁/共83頁重返溫度高達(dá)1650℃，碳尖錐在服役期間不僅毫無損傷，而且使用一次相當(dāng)于熱解一次，強(qiáng)度會逐漸提高。尖錐是用兩層的預(yù)浸布制造的。先用石墨纖維布浸泡酚醛樹脂，進(jìn)行高溫?zé)峤猓?qū)除氣體和水分后酚醛樹脂轉(zhuǎn)化為石墨。這一階段的復(fù)合材料是軟膠。將此材料浸漬糠醇后再熱解，浸漬三次，熱解三次，使其密度、強(qiáng)度和模量逐次提高。再在表面涂以二氧化硅和三氧化二鋁，燒結(jié)后就在表面形成一層碳化硅涂層。最后，再用硅酸四乙氧脂浸漬表面，水解、干燥后又使涂層含有一定量的二氧化硅。碳碳復(fù)合材料1986年首次用于發(fā)動機(jī)的燃燒噴管,其最顯赫的應(yīng)用是宇宙飛船重返大氣層的尖錐。7.1概述第10頁/共83頁

碳碳復(fù)合材料密度只有1.3g/cm3,具有很高的比強(qiáng)度。其強(qiáng)度與模量可依據(jù)用途在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。普通碳碳復(fù)合材料的強(qiáng)度可以高達(dá)450MPa,連續(xù)纖維材料的強(qiáng)度為600MPa，“先進(jìn)”碳碳復(fù)合材料的強(qiáng)度可以高達(dá)2100MPa。典型的模量值在125～175GPa的范圍內(nèi)。就高溫強(qiáng)度而言，碳碳復(fù)合材料是2000℃以上最強(qiáng)的材料，更可貴的是，溫度越高，碳材料的強(qiáng)度越高。但高溫氧化是其弱點(diǎn)，基體與纖維界面的氧化更甚。7.1概述第11頁/共83頁金屬陶瓷家族中最著名的成員是鈷黏合的碳化物。碳化物與鈷等金屬一起球磨，一方面減少碳化物的粒度，一方面將金屬涂到陶瓷表面。涂飾好的粉末按粒度分級，取所需粒度壓成型坯。型坯在真空下或氫氣氛中燒結(jié)。所謂燒結(jié)實(shí)質(zhì)是將金屬熔融，把陶瓷粒子徹底“焊”在一起。金屬陶瓷金屬陶瓷是金屬與陶瓷的結(jié)合體。其分散相是陶瓷顆粒，多為碳化物，如碳化鈦、碳化物等?；w是一種金屬或幾種金屬的混合物，如鎳、鈷、鉻、鉬等。實(shí)際上金屬起到黏合劑的作用，將堅(jiān)硬的陶瓷粒子粘合在一起。7.1概述第12頁/共83頁金屬陶瓷比任何工具鋼都硬，壓縮強(qiáng)度高于大多數(shù)工程材料，耐磨性能極佳?？勺髑邢鞴ぞ撸勺魅魏诬?、硬表面的摩擦件。如果單純使用陶瓷，因?yàn)槠浯嘈?，不能用作切削工具、模具或振動?qiáng)烈的機(jī)器部件。而金屬陶瓷中的金屬提供了韌性，陶瓷提供了硬度與強(qiáng)度，這種復(fù)合產(chǎn)生了性能上的協(xié)同效應(yīng)。金屬含量越低，陶瓷粒度越細(xì)（<1um）,耐磨性能越好。所有金屬陶瓷都具有室內(nèi)耐腐蝕性，含有鎳和鉻的金屬陶瓷可耐化學(xué)環(huán)境的腐蝕。7.1概述第13頁/共83頁無機(jī)膠凝復(fù)合材料解決的方法：加入粗、細(xì)骨料（如沙和卵石等）制成混凝土以提高水泥的強(qiáng)度和韌性。但隨著混凝土強(qiáng)度的提高，它的脆性也表現(xiàn)的更為明顯。7.1概述以水泥為代表的無機(jī)膠凝復(fù)合材料脆性特點(diǎn)：抗拉強(qiáng)度低（只有抗壓強(qiáng)度的1/20～1/10）；其制品及構(gòu)件在受拉應(yīng)力系統(tǒng)或沖擊載荷情況下，極易脆性破壞。第14頁/共83頁新型的無機(jī)膠凝復(fù)合材料：以混凝土或水泥砂漿為基體，在其中摻入纖維形成的復(fù)合材料，稱為纖維水泥與纖維混凝土。纖維種類：包括金屬纖維（如不銹鋼纖維、低碳鋼纖維）、無機(jī)纖維（如玻璃纖維、硼纖維、碳纖維）、合成纖維（如尼龍、聚酯、聚丙烯等纖維）、植物纖維（如竹、麻纖維）。由于鋼纖維能有效提高混凝土的韌性與強(qiáng)度，能成批生產(chǎn)，價(jià)格便宜，施工方便，一直是研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。7.1概述第15頁/共83頁7.1.3復(fù)合材料特點(diǎn)：復(fù)合材料的組分和它們的相對含量是經(jīng)人工選擇和設(shè)計(jì)的;復(fù)合材料是經(jīng)人工制造而非天然形成的;組成復(fù)合材料的某些組分在復(fù)合后仍保持其固有的物理和化學(xué)性質(zhì)（區(qū)別于化合物和合金）;復(fù)合材料的性能取決于各組成的協(xié)同。復(fù)合材料具有新的、獨(dú)特的和可用的性能，這種性能是單個(gè)組分材料性能所不及或不同的。復(fù)合材料是各組分之間被明顯界面區(qū)分的多相材料。7.1概述第16頁/共83頁7.2.1復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料由兩種以上以及它們之間的界面構(gòu)成。組分材料主要指增強(qiáng)體和基體，它們也被稱為復(fù)合材料的增強(qiáng)相和基體相。增強(qiáng)相與基體相之間的界面區(qū)域因?yàn)槠涮厥獾慕Y(jié)構(gòu)與組成也被視為復(fù)合材料的“相”，即界面相。7.2復(fù)合材料結(jié)構(gòu)第17頁/共83頁增強(qiáng)相和基體相是根據(jù)它們組分的物理和化學(xué)性質(zhì)和在最終復(fù)合材料中的形態(tài)來區(qū)分的。增強(qiáng)相或增強(qiáng)體：復(fù)合材料承受外加載荷時(shí)是主要承載相，組分是細(xì)絲（連續(xù)的或短切的）、薄片或顆粒狀、具有較高的強(qiáng)度、模量、硬度和脆性。它們在復(fù)合材料中呈分散形式，被基體相隔離包圍，因此也稱為分散相；基體相：是包圍增強(qiáng)相并相對較軟和韌的關(guān)聯(lián)材料。按增強(qiáng)體的幾何形態(tài)可把復(fù)合材料分為三類，即纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、層片增強(qiáng)復(fù)合材料，7.2復(fù)合材料結(jié)構(gòu)7.2.1復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)第18頁/共83頁纖維復(fù)合材料又分為連續(xù)纖維和非連續(xù)纖維（包括晶須和短切纖維）增強(qiáng)復(fù)合材料。連續(xù)纖維復(fù)合材料又分為單向纖維、無緯布疊層（正交、斜交）、二維織物層合、多相編織復(fù)合材料和混雜纖維復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料機(jī)蓋7.2復(fù)合材料結(jié)構(gòu)7.2.1復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)第19頁/共83頁顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)體是不同尺寸的顆粒（球形或者非球形）。按照分散相的尺寸大小和間距又可分為彌散增強(qiáng)復(fù)合材料（顆粒等效直徑為0.01~0.1um，顆粒間距為0.01~0.3um）和粒子增強(qiáng)復(fù)合材料（顆粒等效直徑為1~50um，顆粒間距為1~25um）。高體份（60-70%）碳化硅顆粒,鋁基復(fù)合材料電子封裝件7.3復(fù)合材料結(jié)構(gòu)第20頁/共83頁層狀增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)體是長與寬尺寸相近的薄片。薄片增強(qiáng)體由天然、人造和在復(fù)合材料工藝過程中自身生長三種途徑獲得。天然片狀增強(qiáng)體的典型代表是云母，人造片狀增強(qiáng)體如有機(jī)玻璃（又稱玻璃鱗片）、鋁、銀二硼化鋁等。層狀復(fù)合材料隔熱的隔熱7.2復(fù)合材料結(jié)構(gòu)7.2.1復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)

石墨片第21頁/共83頁疊層復(fù)合材料指復(fù)合材料中的增強(qiáng)相是分層鋪疊的，即按相互平行的層面配置增強(qiáng)相，而各層之間通過基體材料連接。疊層復(fù)合材料中的“層”，可以是前述的單向無緯布、浸膠纖維布，如玻璃纖維布、碳纖維布或棉布、合成纖維布、石棉布等。也可以是片狀材料，如紙張、木材以及前述的鋁箔（在混雜疊層復(fù)合材料中）。疊層復(fù)合材料在其層面方向可以提供優(yōu)良的性能。7.2復(fù)合材料結(jié)構(gòu)7.2.1復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)第22頁/共83頁（１）輕質(zhì)高強(qiáng)，比強(qiáng)度和比剛度高Ａ、增強(qiáng)劑或者基體是比重小的物質(zhì)，或兩者的比重都不高，且都不是完全致密的；Ｂ、增強(qiáng)劑多是強(qiáng)度很高的纖維。

比強(qiáng)度（指強(qiáng)度與密度的比值）和比彈性模量是各類材料中最高的。7.3復(fù)合材料基本特性1、復(fù)合材料的特性

復(fù)合材料是由多種組分的材料組成，許多性能優(yōu)于單一組分的材料。(2)可設(shè)計(jì)性好復(fù)合材料可以根據(jù)不同的用途要求，靈活地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，具有很好的可設(shè)計(jì)性。第23頁/共83頁(4)耐腐蝕性能好聚合物基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐酸性能、耐海水性能、也能耐堿、鹽和有機(jī)溶劑。因此．它是一種優(yōu)良的耐腐蝕材料，用其制造的化工管道、貯罐、塔器等具有較長的使用壽命、極低的維修費(fèi)用。(3)電性能好復(fù)合材料具有優(yōu)良的電性能，通過選擇不同的樹脂基體、增強(qiáng)材料和輔助材料，可以將其制成絕緣材料或?qū)щ姴牧稀?.3復(fù)合材料基本特性不飽和聚脂樹脂玻璃纖維增強(qiáng)模塑料第24頁/共83頁7.3復(fù)合材料基本特性(5)熱性能良好玻璃纖維增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，是一種優(yōu)良的絕熱材料。(6)工藝性能優(yōu)良纖維增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料具有優(yōu)良的工藝性能，能滿足各種類型制品的制造需要，特別適合于大型制品、形狀復(fù)雜、數(shù)量少制品的制造，第25頁/共83頁(7)長期耐熱性金屬基和陶瓷基復(fù)合材料能在較高的溫度下長期使用，但是聚合物基復(fù)合材料不能在高溫下長期使用，即使耐高溫的聚酰亞胺基復(fù)合材料，其長期工作溫度也只能在300℃左右。(9)老化現(xiàn)象在白然條件下，由于紫外光、濕熱、機(jī)械應(yīng)力、化學(xué)侵蝕的作用，會導(dǎo)致復(fù)合材料的性能變差，即發(fā)生所謂的老化現(xiàn)象。

7.3復(fù)合材料基本特性第26頁/共83頁(1)在航空、航天方面的應(yīng)用由于復(fù)合材料的輕質(zhì)高強(qiáng)持性，使其在航空航天領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。在航空方面，主要用作戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)冀蒙皮、機(jī)身、垂尾、副翼、水平尾冀、雷達(dá)罩、側(cè)壁板、隔框、翼肋和加強(qiáng)筋等主承力構(gòu)件。7.4復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀A(yù)400M、波音787飛機(jī)，復(fù)合材料分別占飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的36%和50%，第27頁/共83頁氮化硅結(jié)構(gòu)陶瓷被用作航天飛機(jī)的防熱瓦硼纖維金屬基復(fù)合材料制成的火箭履軸的管道輸送部件7.4.1、復(fù)合材料的應(yīng)用7.4復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀第28頁/共83頁美國B-2隱形轟炸機(jī)表面為具有良好吸波性能的碳纖維復(fù)合材料由光導(dǎo)纖維構(gòu)成的光纜7.4復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀第29頁/共83頁賽車(2)在交通運(yùn)輸方面的應(yīng)用

由復(fù)合材料制成的汽車質(zhì)量減輕，在相同條件下的耗油量只有鋼制汽車的1／4，而且在受到撞擊時(shí)復(fù)合材料能大幅度吸收沖擊能量，保護(hù)人員的安全。

7.4復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀第30頁/共83頁(3)在化學(xué)工業(yè)方面的應(yīng)用在化學(xué)工業(yè)方面，復(fù)合材料主要被用于制造防腐蝕制品。聚合物基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。例如，在酸性介質(zhì)中，聚合物基復(fù)合材料的耐腐蝕性能比不銹鋼優(yōu)異得多。(4)在電氣工業(yè)方面的應(yīng)用聚合物基復(fù)合材料是一種優(yōu)異的電絕緣材料，被廣泛地用于電機(jī)、電工器材的制造，如絕緣板、絕緣管、印刷線路板、電機(jī)護(hù)環(huán)、槽楔、高壓絕緣子、帶電操作工具等。7.4復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀第31頁/共83頁

(5)在建筑工業(yè)方面的應(yīng)用

玻璃纖維增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料(玻璃鋼)具有力學(xué)性能優(yōu)異，隔熱、隔聲性能良好，吸水率低，耐腐蝕性能好和裝飾性能好的特點(diǎn)，因此，它是一種理想的建筑材料。

(6)在機(jī)械工業(yè)方面的應(yīng)用

復(fù)合材料在機(jī)械制造工業(yè)中，用于制造各種葉片、風(fēng)機(jī)、各種機(jī)械部件如齒輪、皮帶輪和防護(hù)罩等。(7)在體育用品方面的應(yīng)用

在體育用品方面，復(fù)合材料被用于制造賽車、賽艇、皮艇、劃槳、撐桿、球拍、弓箭、雪橇等。7.4復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀第32頁/共83頁(1)降低成本由于復(fù)合材料的性能優(yōu)于傳統(tǒng)材料，如能降低復(fù)合材料的成本，其應(yīng)用前景將是非常廣闊的。7.4.2復(fù)合材料今后的發(fā)展方向

(2)高性能復(fù)合材料的研制高性能復(fù)合材料是指具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫等特性的復(fù)合材料。

(3)功能性復(fù)合材料功能復(fù)合材料是指具有導(dǎo)電、超導(dǎo)、微波、摩擦、吸聲、阻尼、燒蝕等功能的復(fù)合材料。7.4復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀第33頁/共83頁(4)智能復(fù)合材料智能復(fù)合材料是指具有感知、識別及處理能力的復(fù)合材料。在技術(shù)上是通過傳感器、驅(qū)動器、控制器來實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的上述能力。(5)仿生復(fù)合材料

仿照竹子從表皮到內(nèi)層纖維由密排到疏松的特點(diǎn)，成功地制備出具有明顯組織梯度與性能梯度的新型梯度復(fù)合材料。7.5復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀第34頁/共83頁(6)環(huán)保型復(fù)合材料

從環(huán)境保護(hù)的角度看，目前的復(fù)合材料大多注重材料性能和加工工藝性能，而在回收利用上存在與環(huán)境不相協(xié)調(diào)的問題。因此，開發(fā)、使用與環(huán)境相協(xié)調(diào)的復(fù)合材料，是復(fù)合材料今后的發(fā)展方向之—。7.4復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀第35頁/共83頁為什么陶瓷材料多表現(xiàn)為脆性?離子鍵無滑移或位錯(cuò)共價(jià)鍵不能松弛應(yīng)力裂紋生成及擴(kuò)散所需能量小7.5陶瓷基復(fù)合材料第36頁/共83頁陶瓷基復(fù)合材料(Ceramicmatriccomposite)是在陶瓷基體中引入第二相材料，使之增強(qiáng)、增韌的多相材料。主要以高性能的陶瓷為基體，通過加入顆粒、晶須、連續(xù)纖維和層狀材料等增強(qiáng)體而形成的復(fù)合材料。增韌陶瓷閥門增韌陶瓷刀片7.5陶瓷基復(fù)合材料第37頁/共83頁陶瓷基復(fù)合材料有:（1）異相顆粒彌散強(qiáng)化陶瓷復(fù)合材料（2）纖維增韌增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料（3）原位生長陶瓷復(fù)合材料（4）梯度功能陶瓷復(fù)合材料（5）納米陶瓷復(fù)合材料7.5陶瓷基復(fù)合材料第38頁/共83頁陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)韌機(jī)理多相復(fù)合材料的設(shè)計(jì)三項(xiàng)原則:相之間在化學(xué)上相容性相之間在物理上的相容性熱膨脹系數(shù)匹配彈性模量復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)7.5陶瓷基復(fù)合材料第39頁/共83頁顆粒包括氧化物和非氧化物顆粒，也可以是金屬、金屬間化合物顆粒。強(qiáng)韌化機(jī)理（1）顆粒能抑制基體的晶粒長大形成細(xì)晶。如SiC顆粒彌散在Si3N4基體中，可以在一定的程度上抑制Si3N4晶粒的長大，從而獲得細(xì)晶粒的顯微結(jié)構(gòu)。1、顆粒彌散增韌陶瓷基復(fù)合材料SiC顆粒彌散在Si3N4基體7.5陶瓷基復(fù)合材料第40頁/共83頁2)微裂紋增韌影響第二相顆粒增韌效果的主要因素是基體與第二相顆粒的彈性模量、熱膨脹系數(shù)以及兩相的化學(xué)相容性。其中化學(xué)相容性是復(fù)合的前提。兩相間不能有過度的化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)保證具有合適的界面結(jié)合強(qiáng)度。彈性模量只在材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生微觀應(yīng)力再分布效應(yīng)；熱膨脹系數(shù)失配在第二相顆粒及周圍基體內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力場是陶瓷得到增韌的主要根源1、顆粒彌散增韌陶瓷基復(fù)合材料7.5陶瓷基復(fù)合材料第41頁/共83頁ZrO2從四方相到單斜相轉(zhuǎn)變效應(yīng)的氧化鋯多晶體（TZP）陶瓷材料，在室溫下有較高的強(qiáng)度和斷裂韌性，但在高溫下由于相變的消失，強(qiáng)度急劇下降。2、ZrO2微裂紋強(qiáng)化陶瓷基復(fù)合材料單斜相(m)ZrO2， 1170C

四方相(t)ZrO2；

2370C

立方相ZrO2。ZTA性能隨ZrO2體積含量的變化7.5陶瓷基復(fù)合材料第42頁/共83頁圖1相變增韌示意圖

圖2ZTA中應(yīng)力誘變韌化導(dǎo)致性能隨ZrO2體積含量的變化7.5陶瓷基復(fù)合材料第43頁/共83頁金屬顆粒和金屬間化合物顆粒高溫性能不好，但在低溫條件下可以顯著地改善中低溫時(shí)的韌性。增韌機(jī)理：裂紋橋聯(lián)、顆粒塑性變形、顆粒拔出、裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋終止于顆粒。3金屬顆粒和金屬間化合物顆粒的彌散強(qiáng)化裂紋終止于顆粒裂紋的分岔裂紋偏轉(zhuǎn)顆粒塑性變形7.5陶瓷基復(fù)合材料第44頁/共83頁

橋聯(lián)7.5陶瓷基復(fù)合材料第45頁/共83頁

拔出功增韌顆粒的拔出7.5陶瓷基復(fù)合材料第46頁/共83頁通過有效的分散、復(fù)合使納米顆粒均勻彌散地保留在陶瓷基質(zhì)中而得到的復(fù)合材料。一般分三類：A、基體晶粒內(nèi)彌散納米粒子第二相（高溫、低溫力學(xué)）B、基體晶粒間彌散納米粒子第二相（高溫、低溫力學(xué)）C、基體與第二相同為納米晶粒（加工性、超塑性）4、納米強(qiáng)韌化機(jī)理7.5陶瓷基復(fù)合材料第47頁/共83頁晶界間晶粒內(nèi)部7.5陶瓷基復(fù)合材料第48頁/共83頁要求：盡量滿足纖維（晶須）與基體陶瓷的化學(xué)相容性和物理相容性?；瘜W(xué)相容性是指在制造和使用溫度下纖維與基體兩者不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)及不引起性能退化物理相容性是指兩者的膨脹系數(shù)和彈性模量匹配，通常希望纖維的膨脹系數(shù)和彈性模量高于基體，使基體的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力。5、纖維增韌陶瓷材料機(jī)理7.5陶瓷基復(fù)合材料第49頁/共83頁

纖維在基體中的不同分布方式纖維無規(guī)排列時(shí)，能獲得基本各向同性的復(fù)合材料。均一方向的纖維使材料具有明顯的各向異性。纖維采用正交編織，相互垂直的方向均具有好的性能。纖維采用三維編織，可獲得各方向力學(xué)性能均優(yōu)的材料。7.5陶瓷基復(fù)合材料第50頁/共83頁纖維橋聯(lián)基體裂紋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線航天飛機(jī)防熱瓦的纖維質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)7.5陶瓷基復(fù)合材料第51頁/共83頁用晶須作為增強(qiáng)相可以顯著提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和彈性模量，但因?yàn)閮r(jià)格昂貴，目前僅在少數(shù)宇航器件上采用。現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，晶須(如SiC和Si3N4)能起到陶瓷材料增韌的作用。ZnO晶須自增韌Si3N4陶瓷6、晶須增韌7.5陶瓷基復(fù)合材料第52頁/共83頁

調(diào)整陶瓷工藝或其熱處理過程，使陶瓷的晶粒生長成具有一定長徑比的柱狀和板狀形態(tài)，即原位生長，使其產(chǎn)生類似與晶須增強(qiáng)的的效果。原位生長可以避免由于等軸晶粒與外加的晶須狀物料不易均勻混合的問題。（疾病危害）7、自增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料7.5陶瓷基復(fù)合材料第53頁/共83頁7、自增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料7.5陶瓷基復(fù)合材料第54頁/共83頁

用陶瓷涂覆金屬一般都使涂層的組分做梯度變化，以消除由于陶瓷與金屬熱膨脹系數(shù)的巨大差異而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，從而保證涂層對金屬基底的結(jié)合和使用可靠性。8、梯度陶瓷基復(fù)合材料7.5陶瓷基復(fù)合材料第55頁/共83頁二、陶瓷基復(fù)合材料的界面和界面設(shè)計(jì)1、界面的粘結(jié)形式

（1）機(jī)械結(jié)合 （2）化學(xué)結(jié)合陶瓷基復(fù)合材料往往在高溫下制備，由于增強(qiáng)體與基體的原子擴(kuò)散，在界面上更易形成固溶體和化合物。此時(shí)其界面是具有一定厚度的反應(yīng)區(qū)，它與基體和增強(qiáng)體都能較好的結(jié)合，但通常是脆性的。7.5陶瓷基復(fù)合材料第56頁/共83頁2、界面的作用

陶瓷基復(fù)合材料的界面一方面應(yīng)強(qiáng)到足以傳遞軸向載荷并具有高的橫向強(qiáng)度；另一方面要弱到足以沿界面發(fā)生橫向裂紋及裂紋偏轉(zhuǎn)直到纖維的拔出。因此，陶瓷基復(fù)合材料界面要有一個(gè)最佳的界面強(qiáng)度。圖1陶瓷基復(fù)合材料界面示意圖7.5陶瓷基復(fù)合材料第57頁/共83頁3、界面性能的改善為了獲得最佳界面結(jié)合強(qiáng)度，希望避免界面化學(xué)反應(yīng)或盡量降低界面的化學(xué)反應(yīng)程度和范圍。實(shí)際當(dāng)中除選擇增強(qiáng)劑和基體在制備和材料服役期間能形成熱動力學(xué)穩(wěn)定的界面外，就是纖維表面涂層處理。包括C、SiC、BN、ZrO2

和SnO2等。7.5陶瓷基復(fù)合材料第58頁/共83頁三、陶瓷基復(fù)合材料的性能1、室溫力學(xué)性能1）拉伸強(qiáng)度和彈性模量對陶瓷基復(fù)合材料來說陶瓷基體的失效應(yīng)變低于纖維的失效應(yīng)變，因此最初的失效往往是基體中晶體缺陷引起的開裂。如圖所示，材料的拉伸失效有兩種：圖纖維陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖7.5陶瓷基復(fù)合材料第59頁/共83頁2）斷裂韌性纖維拔出與裂紋偏轉(zhuǎn)是復(fù)合材料韌性提高的主要機(jī)制。纖維含量增加，阻止裂紋擴(kuò)展的勢壘增加，斷裂韌性增加。但當(dāng)纖維含量超過一定量時(shí)，纖維局部分布不均，相對密度降低，氣孔率增加，其抗彎強(qiáng)度反而降低。圖CF/LAS的斷裂韌性和彎曲強(qiáng)度隨纖維含量的變化7.5陶瓷基復(fù)合材料第60頁/共83頁2、高溫力學(xué)性能

1）強(qiáng)度分別為不同溫度下SiCF/MAS堇青石復(fù)合材料的力學(xué)性能變化。7.5陶瓷基復(fù)合材料第61頁/共83頁1）強(qiáng)度圖1為SiCW/Al2O3復(fù)合材料的斷裂韌性隨溫度的變化。圖2是不同SiCW

含量的Al2O3復(fù)合材料的強(qiáng)度隨溫度的變化。7.5陶瓷基復(fù)合材料第62頁/共83頁2）熱沖擊性（熱震性）材料在經(jīng)受劇烈的溫度變化或在一定起始溫度范圍內(nèi)冷熱交替作用而不致破壞的能力稱為抗熱震性（ThermalshockResistance），也稱之為耐熱沖擊性或熱穩(wěn)定性?？篃嵴鹦耘c材料本身的熱膨脹系數(shù)、彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)、抗張強(qiáng)度及材料中氣相、玻璃相及其晶相的粒度有關(guān)。圖20%SiCW/Al2O3復(fù)合材料的抗熱震性能在Al2O3中加入20Vol%的SiC晶須后，不僅強(qiáng)度提高了一倍，而且抗熱震性得到明顯提高。7.5陶瓷基復(fù)合材料第63頁/共83頁①氧化鋁陶瓷基體

以氧化鋁（Al203）為主要成分的陶瓷，氧化鋁僅有一種熱動力學(xué)穩(wěn)定的相態(tài)，即α-Al2O3屬六方晶系。氧化鋁陶瓷包括高純氧化鋁，99氧化鋁，95氧化鋁和85氧化鋁等品種，其氧化鋁含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）依次為99.9%、99%、95%、85%，燒結(jié)溫度依次為1800℃

、1700℃

、1650℃

、1500℃

。α–Al2O3和3Al2O3·2SiO2

為主晶相的稱為剛玉-莫來石瓷，主要原料為高嶺土、氧化鋁和少量膨潤土，燒結(jié)溫度為1350℃左右。四、陶瓷基體材料的種類、組成、結(jié)構(gòu)和特性7.5陶瓷基復(fù)合材料第64頁/共83頁

以氮化硅（Si3N4）為主要成分的陶瓷稱為氮化硅陶瓷。氮化硅陶瓷有兩種形態(tài)，即α和β兩種六方晶型，由于氮化硅中Si-N鍵結(jié)合強(qiáng)度高，屬難燒結(jié)物質(zhì)。氮化硅燒結(jié)技術(shù)有燒結(jié)氮化硅，熱壓氮化硅，反應(yīng)合成氮化硅，化學(xué)氣相沉積氮化硅等。各種制備技術(shù)所需的工藝條件各不相同，所得到的氮化硅的性能各有差異。另外氮化硅性能與添加劑的種類有關(guān)。②氮化物陶瓷基體材料7.5陶瓷基復(fù)合材料第65頁/共83頁7.5陶瓷基復(fù)合材料第66頁/共83頁

以碳化硅為主要成分的陶瓷稱為碳化硅陶瓷。SiC是一種非常硬和抗磨蝕材料，以熱壓制造的SiC可以用來制作切割鉆石的刀具。SiC還具有優(yōu)異的抗腐蝕性，抗氧化性。SiC并不在自然界中存在，主要通過熱壓、燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)和化學(xué)氣相沉積等技術(shù)制備，Si-C屬于典型的共價(jià)鍵，為了提高陶瓷的致密程度，常添加MgO、Y2O3、B、C、Al等能夠降低晶界能的粉末以促進(jìn)燒結(jié)。③碳化物陶瓷基體7.5陶瓷基復(fù)合材料第67頁/共83頁7.5陶瓷基復(fù)合材料第68頁/共83頁四、陶瓷復(fù)合材料的制備

對于短纖維、晶須、晶片和顆粒狀的陶瓷基復(fù)合材料的生產(chǎn)通常采用普通的的陶瓷生產(chǎn)工藝即粉體的制備、成型和燒結(jié)。對于連續(xù)性纖維增強(qiáng)體采用用泥漿浸潤后熱壓燒結(jié)和化學(xué)氣相燒結(jié)（CVI）7.5陶瓷基復(fù)合材料第69頁/共83頁①普通陶瓷生產(chǎn)工藝

為了克服粉末冶金法中各組元混合不均的問題，采用了漿體（濕態(tài)）法制備陶瓷基復(fù)合材料。 其混合體為漿體形式?；旌象w中各組元保持散凝狀，即在漿體中呈彌散分布。這可通過調(diào)整水溶液的pH值來實(shí)現(xiàn)。 對漿體進(jìn)行超聲波震動攪拌則可進(jìn)一步改善彌散性。彌散的漿體可直接澆鑄成型或熱（冷）壓后燒結(jié)成型。適用于顆粒、晶須和短纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。7.5陶瓷基復(fù)合材料第70頁/共83頁

晶須含量對復(fù)合材料的相對密度和力學(xué)性能的影響7.5陶瓷基復(fù)合材料第71頁/共83頁不同溫度氣氛下燒結(jié)的復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度(晶須含量為30vol%7.5陶瓷基復(fù)合材料第72頁/共83頁②反應(yīng)燒結(jié)法用此方法制備陶瓷基復(fù)合材料，除基體材料幾乎無收縮外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：增強(qiáng)劑的體積比可以相當(dāng)大；可用多種連續(xù)纖維預(yù)制體；大多數(shù)陶瓷基復(fù)合材料的反應(yīng)燒結(jié)溫度低于陶瓷的燒結(jié)溫度，因此可避免纖維的損傷。此方法最大的缺點(diǎn)是高氣孔率難以避免。

反應(yīng)燒結(jié)法制備SiC/Si3N4基復(fù)合材料工藝流程7.5陶瓷基復(fù)合材料第73頁/共83頁在顆粒、晶須、纖維以及具有開口氣孔的增強(qiáng)骨架上沉積所需陶瓷基質(zhì)制備陶瓷基復(fù)合材料。工藝路線：增強(qiáng)體制成預(yù)成型體——放入低溫容器——通源氣——升溫——源氣熱分解——沉積下來的基質(zhì)填滿氣孔。特點(diǎn)：得到晶體結(jié)構(gòu)良好的基體，可以得到形狀比較復(fù)雜的復(fù)合材料；缺點(diǎn)，工序時(shí)間長，預(yù)成型體的加熱反應(yīng)可能引起增強(qiáng)體的性能下降。③CVD（chemicalvapordeosition）法即氣相化學(xué)沉積法。7.5陶瓷基復(fù)合材料第74頁/共83頁將氮化硼纖維的三維織物浸漬硼酸,使硼酸轉(zhuǎn)變成氮化硼基體,然后經(jīng)高純硅溶膠加壓(≈70MPa)浸漬、熱壓燒成制備了BNf/(BN+SiO2)復(fù)合材料,材料的最佳組成是二氧化硅2%～18%,氮化硼5%～15%。氮化硼纖維織物的紗線走向與熱壓作用力方向關(guān)系

導(dǎo)彈天線罩④浸漬法7.5陶瓷基復(fù)合材料第75頁/共83頁1、為什么陶瓷材料多表現(xiàn)為脆性?陶瓷基復(fù)合材料2、多相復(fù)合材料的設(shè)計(jì)三項(xiàng)原則是什么?思考題復(fù)合材料3、用作高溫復(fù)合材料增強(qiáng)成分的纖維基本要求有哪些？4、影響復(fù)合材料性能的主要因素有哪些？因素5、簡述復(fù)合材料界面形成過程第76頁/共83頁舉例說明無機(jī)非金