《復(fù)合材料》課件-第六章 陶瓷基復(fù)合材料-2

氧化物基陶瓷復(fù)合材料二氧化鋯多晶陶瓷(Y-TZP)高壓納燈的透明陶瓷燈管1、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。主晶相為-Al2O3，屬六方晶系，體積密度為3.9g/cm3左右，熔點(diǎn)達(dá)2050℃。氧化鋁有主要有、型。除-Al2O3外，其它均為不穩(wěn)定晶型。-Al2O3為低溫型，具有FCC結(jié)構(gòu)，在950~1200℃范圍內(nèi)可轉(zhuǎn)化為-Al2O3，體積收縮約13%。α氧化鋁結(jié)構(gòu)圖混有少量鈦（Ti）和鐵（Fe）雜質(zhì)所致。藍(lán)寶石紅色來自鉻(Cr)紅寶石年產(chǎn)1000顆人造藍(lán)寶石整流罩和350萬片直徑2-6英寸人造藍(lán)寶石襯底片，應(yīng)用于光電產(chǎn)業(yè)的襯底材料等領(lǐng)域。福建鑫晶精密剛玉科技有限公司氧化鋁的硬度約為20GPa，僅次于金剛石、立方氮化硼和碳化硅，有很好的耐磨性。耐高溫性能好，高氧化鋁含量的剛玉瓷可在1600℃高溫下長期使用，而且蠕變小。氧化鋁還具有很好的耐腐蝕性和電絕緣性。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。

氧化鋁瓷的性能：剛性顆粒強(qiáng)化①隨著TiC含量的增加，復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性都有大幅提高。②存在最佳添加量，當(dāng)超過時，強(qiáng)度和韌性都下降。Si3N4/Al2O3切削刀具延性顆粒強(qiáng)化延性顆粒是指：金屬顆粒Cr、Fe、Ni、Co、Mo、W等，金屬粒子的加入可以顯著提高陶瓷基體的韌性，這類材料常被稱為金屬陶瓷。Cr/Al2O3復(fù)合材料***晶須強(qiáng)化SiCw/Al2O3復(fù)合材料鉆頭山東大學(xué)研制生產(chǎn)的SiCw/Al2O3復(fù)合材料刀具切削鎳基合金時，不但刀具使用壽命增加，而且進(jìn)刀量和切削速度也大大提高。除SiCw/Al2O3外，SiCf/Al2O3、TiO2p/Al2O3復(fù)合材料也用于制造機(jī)加工刀具。ZrO2基復(fù)合材料復(fù)合應(yīng)用…非氧化物基陶瓷復(fù)合材料碳化物氮化物硼化物硅化物等特點(diǎn)：脆，抗氧化能力差以SiC為主要成分的陶瓷材料。碳化硅（SiC）變體很多，但作為陶瓷材料的主要有兩種晶體結(jié)構(gòu)，一種是-SiC，屬六方晶系；一種是-SiC，屬立方晶系，具有半導(dǎo)體特性。多數(shù)碳化硅陶瓷是以-SiC為主晶相。碳化硅陶瓷的制備方法也是反應(yīng)燒結(jié)和熱壓燒結(jié)兩種工藝。碳化硅具有很高的熱傳導(dǎo)能力，在陶瓷系列中僅次于氧化鈹陶瓷。碳化硅陶瓷還具有較好的熱穩(wěn)定性、耐磨性、耐腐蝕性和抗蠕變性。碳化硅陶瓷（SiC,SiliconCarbide）不同制備工藝的碳化硅陶瓷及其制品性能材料制備溫度℃密度g/cm3抗彎強(qiáng)度MPa彈性模量GPa線膨脹系數(shù)(20~1000℃),10-6K-1反應(yīng)燒結(jié)SiC1600~17003.09~3.12160~450380~4205.0熱壓燒結(jié)SiC1800~20003.19~3.20700~800400~4404.8CVD-SiC涂層1200~18002.95~3.21700~900440~480_重結(jié)晶SiC1600~17002.60150~300200~220_燒結(jié)SiC(摻入B4C)1950~21003.11250~400350~400_燒結(jié)SiC(摻入B)1950~21003.10500~6004204.9長纖維增強(qiáng)

主要使用有C纖維和SiC纖維。由于纖維的加入，使得材料在某些性能上達(dá)到金屬材料的水平。圖6-6C纖維和SiC纖維強(qiáng)化SiC復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖?？傻茫簭?fù)合材料的斷裂方式像金屬材料的延性斷裂，而不是脆性斷裂。Cf/SiC和SiCf/SiC復(fù)合材料的韌性數(shù)據(jù)對比

FracturetoughnessMPam1/2WorkoffracturekJm-2Dynamicfracturetoughness/kJm-2Cf/SiC20.010.061.5SiCf/SiC41.528.136.0（a）纖維的拔出（b）纖維簇的拔出（c）纖維束的拔出C/SiC復(fù)合材料的斷口形貌氮化硅陶瓷（Si3N4

）

導(dǎo)熱性好且膨脹系數(shù)小，可經(jīng)受低溫高溫、驟冷驟熱反復(fù)上千次的變化而不破壞，因此是十分理想的高溫結(jié)構(gòu)材料?！?碳/碳復(fù)合材料碳/碳復(fù)合材料是以碳或石墨做基體，用碳纖維或石墨纖維增強(qiáng)的新型特種工程材料。它能承受極高的溫度和加熱速度，用作燒蝕防熱材料。增強(qiáng)的碳/碳復(fù)合材料的制備分為2步：①制備碳纖維預(yù)制體②在預(yù)制體中滲入碳基體①制備碳纖維預(yù)制體

碳纖維編織結(jié)構(gòu)的設(shè)計常見的兩向紡織物有平紋和緞紋。最簡單的多向結(jié)構(gòu)是三向正交結(jié)構(gòu)。XYZ

為了得到更接近各向同性的編織結(jié)構(gòu)，可將三向正交設(shè)計成四、五向增強(qiáng)的預(yù)制體。②在預(yù)制體中滲入碳基體

典型的基體碳有熱解碳（CVD碳）和浸漬碳。前者是由烴類氣體的氣相沉積而成；后者是合成樹脂或瀝青浸漬經(jīng)碳化和石墨化而得。酚醛樹脂制備溶液（真空）浸漬預(yù)制體預(yù)固化碳化（樹脂體積收縮）再浸漬固化碳化

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致密化化學(xué)氣相沉積

主要原料有甲烷、丙烷、丙烯、乙炔、天然氣等碳?xì)浠衔铩?/p>

CH4（g）

C

（s）+2H2（g）沉積根據(jù)不同的沉積溫度可獲得不同形態(tài)的碳，在950~1100℃為熱解碳；1750~2700℃

為熱解石墨。CVD過程受反應(yīng)溫度及壓力影響較大。一般低溫低壓下受反應(yīng)動力學(xué)控制；而在高溫高壓下則是擴(kuò)散為主。工藝參量溫度、壓力、反應(yīng)氣體流量及載氣的流量、分壓都會影響到CVD過程的擴(kuò)散/沉積平衡，從而影響碳/碳復(fù)合材料的致密度和性能。玻璃陶瓷（glass-ceramics）-微晶玻璃玻璃經(jīng)熱處理后可以晶化形成大量的微晶體。這種含有大量微晶體的玻璃稱為微晶玻璃或玻璃陶瓷。玻璃陶瓷中的微晶體一般取向雜亂，微晶尺寸在0.01-0.1m，體積結(jié)晶率達(dá)50-98％，其余部分為殘余玻璃相。具有高硬耐磨的特性。玻璃陶瓷的性能受晶相的數(shù)量、晶粒大小、界面強(qiáng)度以及玻璃相和晶相之間機(jī)械和物理相容性的影響。玻璃陶瓷的密度為2.0~2.8g/cm3，彎曲強(qiáng)度為70~350MPa，彈性模量為140GPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于玻璃的彎曲強(qiáng)度（55~70MPa）和彈性模量。建筑用材透明微晶玻璃

50年代初，美國康寧玻璃公司化學(xué)家斯托凱受命開發(fā)新型含微量銀的感光玻璃。斯托凱用自動控制溫度的電爐中熱處理試驗。斯托凱出去回來后爐內(nèi)溫度早已升到900℃，斯托凱非常懊惱。意外的事情發(fā)生了：

玻璃沒有熔融，還是直挺挺地躺在爐內(nèi)，但已面目全非，樣子有點(diǎn)像不透明的瓷磚，用鉗子夾起來不是軟綿綿的而是硬邦邦的，敲打起來還會發(fā)出像金屬那樣的聲音。在顯微鏡下觀察到：這塊玻璃中析出了大量的微小晶體，這就是后來大名鼎鼎的微晶玻璃。發(fā)現(xiàn)美學(xué)優(yōu)點(diǎn)：豐富的色澤和良好的質(zhì)感

通過工藝控制可以生產(chǎn)出各種色彩、色調(diào)和圖案的微晶玻璃蝕面材料；色調(diào)均勻

天然花崗石難以避免明顯的色差。而微晶玻璃易于實現(xiàn)顏色均勻，尤其是高雅的純白色微晶玻璃；永不浸濕、抗污染

凡由天然石材一定的吸水性，導(dǎo)致其滲水、滲堿，甚至滲泥漿，從而影響其原有色澤。而微晶玻璃則具有玻璃不吸水的天生特性，反而還借此“天雨自滌”的機(jī)會自清潔。原料和環(huán)保優(yōu)勢：一般的廢渣土中都含有制作微晶玻璃的大多數(shù)成分，通過電腦檢測，確定現(xiàn)有原料的化學(xué)組成，添加所缺部分即可。微晶玻璃利用廢渣、廢土做原材料，包括：礦石、工業(yè)尾礦、冶金礦渣、粉煤灰、煤矸石等，有利于環(huán)境治理，可以變廢為寶，與各地環(huán)保工作同步進(jìn)行，是環(huán)保產(chǎn)品，綠色材料。用途：可用於建筑幕墻及室內(nèi)高檔裝飾；還可做