納米復(fù)合材料課件

第七章納米復(fù)合材料第七章納米復(fù)合材料17.1復(fù)合納米材料的分類按基體種類分金屬基納米復(fù)合材料陶瓷基納米復(fù)合材料高分子基納米復(fù)合材料7.1復(fù)合納米材料的分類按基體種類分金屬基納米復(fù)合材料陶瓷2按復(fù)合方式分晶內(nèi)型晶間型晶內(nèi)-晶間混合型納米-納米型按復(fù)合方式分晶內(nèi)型晶間型晶內(nèi)-晶間混合型納米-納米型3納米復(fù)合材料ppt課件47.3陶瓷基納米復(fù)合材料分類:根據(jù)彌散相的不同和基體尺寸可分為晶內(nèi)型、晶界型、晶內(nèi)/晶界混合型、納米/納米型。d納米/納米型c晶內(nèi)/晶界混合型b晶界型a晶內(nèi)型7.3陶瓷基納米復(fù)合材料分類:根據(jù)彌散相的不同和基體尺寸5陶瓷基納米材料的制備液相法原位復(fù)合法固相法熱壓燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié)微波燒結(jié)漿體法液態(tài)浸漬法溶膠-凝膠法聚合物熱解法氣相法化學(xué)氣相沉積（CVD）化學(xué)氣相浸漬法（CVI）二、陶瓷基納米復(fù)合材料的制備陶瓷基納米液相法原位復(fù)合法固相法熱壓燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié)微波燒結(jié)漿體6陶瓷基復(fù)合材料的力–位移曲線陶瓷基復(fù)合材料的力–位移曲線7不同金屬、陶瓷基體和陶瓷基復(fù)合材料的斷裂韌性比較材料整體陶瓷顆粒增韌晶須增韌金屬Al203ZrO2/Al203SiC/Al203鋁鋼斷裂韌性2.7～4.26.5～158～1033～4444～66不同金屬、陶瓷基體和陶瓷基復(fù)合材料的斷裂韌性比較材料整體陶82.1陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝2.1.1粉末冶金法工藝流程：原料（陶瓷粉末、增強(qiáng)劑、粘結(jié)劑和助燒劑）

均勻混合（球磨、超聲等）

冷壓成形

（熱壓）燒結(jié)適用于顆粒、晶須和短纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。

2.1陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝92.1.2漿體法（濕態(tài)法）

為了克服粉末冶金法中各組元混合不均的問題，可采用漿體（濕態(tài)）法制備顆粒、晶須和短纖維增韌陶瓷基復(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。采用漿體浸漬法也可制備連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。

2.1.2漿體法（濕態(tài)法）10漿體法制備陶瓷基復(fù)合材料示意圖漿體法制備陶瓷基復(fù)合材料示意圖112.1.3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)：（1）增強(qiáng)劑的體積比可以相當(dāng)大；（2）陶瓷基體幾乎無收縮；（3）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。2.1.3反應(yīng)燒結(jié)法12反應(yīng)燒結(jié)法制備SiC/Si3N4基復(fù)合材料工藝流程圖反應(yīng)燒結(jié)法制備SiC/Si3N4基復(fù)合材料工藝流程圖132.1.4液態(tài)浸漬法用此方法制備陶瓷基復(fù)合材料，化學(xué)反應(yīng)、熔體粘度、熔體對(duì)增強(qiáng)材料的浸潤(rùn)性是首要考慮的問題，這些因素直接影響著材料的性能。陶瓷熔體可通過毛細(xì)作用滲入增強(qiáng)劑預(yù)制體的孔隙。施加壓力或抽真空將有利于浸漬過程。2.1.4液態(tài)浸漬法14液態(tài)浸漬法制備陶瓷基復(fù)合材料示意圖液態(tài)浸漬法制備陶瓷基復(fù)合材料示意圖152.1.5直接氧化法——熔融金屬直接與氧化劑發(fā)生氧化反應(yīng)按部件形狀制備增強(qiáng)體預(yù)制體，將隔板放在其表面上以阻止基體材料的生長(zhǎng)。熔化的金屬在氧氣的作用下發(fā)生直接氧化反應(yīng)形成所需的反應(yīng)產(chǎn)物。由于在氧化產(chǎn)物中的空隙管道的液吸作用，熔化金屬會(huì)連續(xù)不斷地供給到生長(zhǎng)前沿。

Al+空氣

Al2O3

Al+氮?dú)?/p>

AlN

2.1.5直接氧化法16直接氧化法制備陶瓷基復(fù)合材料示意圖直接氧化法制備陶瓷基復(fù)合材料示意圖172.1.6溶膠–凝膠（Sol–Gel）法溶膠（Sol）是由于化學(xué)反應(yīng)沉積而產(chǎn)生的微小顆粒（直徑

100nm）的懸浮液；凝膠（Gel）是水分減少的溶膠，即比溶膠粘度大的膠體。

Sol–Gel法是指金屬有機(jī)或無機(jī)化合物經(jīng)溶液、溶膠、凝膠等過程而固化，再經(jīng)熱處理生成氧化物或其它化合物固體的方法。該方法可控制材料的微觀結(jié)構(gòu)，使均勻性達(dá)到微米、納米甚至分子量級(jí)水平。2.1.6溶膠–凝膠（Sol–Gel）法18

（1）Sol–Gel法制備SiO2陶瓷原理如下：

Si(OR)4+4H2O

Si(OH)4+4ROHSi(OH)4

SiO2+2H2O

使用這種方法，可將各種增強(qiáng)劑加入基體溶膠中攪拌均勻，當(dāng)基體溶膠形成凝膠后，這些增強(qiáng)組元穩(wěn)定、均勻分布在基體中，經(jīng)過干燥或一定溫度熱處理，然后壓制燒結(jié)形成相應(yīng)的復(fù)合材料。（1）Sol–Gel法制備SiO2陶瓷原理如下：19(2)溶膠–凝膠法也可以采用漿體浸漬法制備增強(qiáng)相預(yù)制體(2)溶膠–凝膠法也可以采用漿體浸漬法制備增強(qiáng)相預(yù)制體202.1.7化學(xué)氣相沉積法（CVD）是以氣態(tài)物質(zhì)為原料，在高溫下發(fā)生熱分解或化學(xué)反應(yīng)合成材料的一種方法。

A(g)→B(s)+C(g)

例如：CH3SiCl3(g)→SiO2(s)+3HCl(g)

或：A(g)+

B(g)→C(s)＋D(g)

例如：SiCl4(g)＋O2(g)→SiO2(s)+Cl2(g)

能夠制備碳化物、氧化物、氮化物和硼化物等。生產(chǎn)效率降低，需14~21天。2.1.7化學(xué)氣相沉積法（CVD）21CVD法制備纖維陶瓷基復(fù)合材料示意圖CVD法制備纖維陶瓷基復(fù)合材料示意圖222.1.8化學(xué)氣相浸漬（CVI）法

與CVD法類似，不同點(diǎn)是氣源不僅熱分解或化學(xué)反應(yīng)，而且還與坯體表面的元素發(fā)生反應(yīng)，應(yīng)并在孔隙中沉積反應(yīng)產(chǎn)物。2.1.8化學(xué)氣相浸漬（CVI）法232.1.9其它方法（1）聚合物先驅(qū)體熱解法以高分子聚合物為先驅(qū)體成型后使高分子先驅(qū)體發(fā)生熱解反應(yīng)轉(zhuǎn)化為無機(jī)物質(zhì)，然后再經(jīng)高溫?zé)Y(jié)制備成陶瓷基復(fù)合材料。此方法可精確控制產(chǎn)品的化學(xué)組成、純度以及形狀。最常用的高聚物是有機(jī)硅（聚碳硅烷、酚醛樹酯、瀝青等）。2.1.9其它方法24制備工藝流程：制備增強(qiáng)劑預(yù)制體

浸漬聚合物先驅(qū)體

熱解

再浸漬

再熱解……b.陶瓷粉+聚合物先驅(qū)體

均勻混合

模壓成型

熱解制備工藝流程：25(2)原位復(fù)合法

利用化學(xué)反應(yīng)生成增強(qiáng)組元-晶須或高長(zhǎng)徑比晶體來增強(qiáng)陶瓷基體的工藝稱為原位復(fù)合法。其關(guān)鍵是在陶瓷基體中均勻加入可生成晶須的元素或化合物，控制其生長(zhǎng)條件使在基體致密化過程中在原位同時(shí)生長(zhǎng)出晶須；或控制燒結(jié)工藝，在陶瓷液相燒結(jié)時(shí)生長(zhǎng)高長(zhǎng)徑比的晶相，最終形成陶瓷基復(fù)合材料。(2)原位復(fù)合法262.2陶瓷基復(fù)合材料的界面和界面設(shè)計(jì)2.2.1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。2.2陶瓷基復(fù)合材料的界面和界面設(shè)計(jì)272.2.2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。

2.2.2界面的作用282.2.3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(dòng)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。纖維表面涂層處理對(duì)纖維還可起到保護(hù)作用。纖維表面雙層涂層處理是最常用的方法。其中里面的涂層以達(dá)到鍵接及滑移的要求，而外部涂層在較高溫度下防止纖維機(jī)械性能降解。2.2.3界面性能的改善29四、納米復(fù)合陶瓷的作用機(jī)制1、顯微結(jié)構(gòu)晶粒細(xì)化在微米級(jí)陶瓷基體中加入納米顆粒可以抑制基體晶粒的長(zhǎng)大。微米晶粒的潛在納米化效應(yīng)亞晶界或微裂紋的存在時(shí)晶體晶粒處于一種潛在分化狀態(tài)，即“納米化效應(yīng)”。納米顆粒對(duì)基體晶粒形狀的影響

對(duì)某些納米復(fù)合陶瓷，納米顆粒的存在促使基體晶粒呈細(xì)長(zhǎng)的棒狀生長(zhǎng)，可使裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋橋接機(jī)理發(fā)揮作用，增加裂紋路徑，吸收更多的能量，從而提高材料韌性。四、納米復(fù)合陶瓷的作用機(jī)制1、顯微結(jié)構(gòu)晶粒細(xì)化302、晶內(nèi)韌化機(jī)理晶內(nèi)型納米相的韌化機(jī)理的體現(xiàn)晶內(nèi)型結(jié)構(gòu)導(dǎo)致納米化效應(yīng)誘發(fā)穿晶斷裂納米粒子使裂紋二次偏轉(zhuǎn)或被釘扎四、納米復(fù)合陶瓷的作用機(jī)制2、晶內(nèi)韌化機(jī)理晶內(nèi)型納米相的韌化機(jī)理的體現(xiàn)晶內(nèi)型結(jié)構(gòu)導(dǎo)致納313、晶間強(qiáng)韌化機(jī)理晶間型結(jié)構(gòu)強(qiáng)韌化機(jī)理①主晶界被納米粒子局部強(qiáng)化②晶界納米粒子使裂紋二次偏轉(zhuǎn)或被釘扎③晶間納米粒子形成有利的應(yīng)力分布四、納米復(fù)合陶瓷的作用機(jī)制3、晶間強(qiáng)韌化機(jī)理晶間型結(jié)構(gòu)強(qiáng)韌化機(jī)理①主晶界被納米粒子局部32

隨著高技術(shù)的不斷出現(xiàn)，人們對(duì)納米陶瓷寄予很大希望，納米陶瓷研究已成為陶瓷復(fù)合材料研究的熱點(diǎn)，納米彌散技術(shù)也已成為改善傳統(tǒng)陶瓷材料的室溫和高溫性能的一個(gè)重要方向。隨著高技術(shù)的不斷出現(xiàn)，人們對(duì)納米陶瓷寄予很大希望，33

金屬基納米復(fù)合材料是以金屬及合金為基體，與一種或幾種金屬或非金屬納米級(jí)增強(qiáng)體結(jié)合的復(fù)合材料，因兼有金屬和納米相而具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征和物理、化學(xué)及力學(xué)性能，成為一種新興的納米復(fù)合材料和新型金屬功能材料。7.4金屬基納米復(fù)合材料7.4金屬基納米復(fù)合材料34

一、金屬基復(fù)合材料制備工藝的分類：

1）固態(tài)法：粉末冶金法、真空熱壓擴(kuò)散結(jié)合、熱等靜壓、超塑性成型/擴(kuò)散結(jié)合、模壓。

2）液態(tài)法：液態(tài)浸滲、真空壓鑄、反壓鑄造、半固態(tài)鑄造。

3）噴射成型法：等離子噴涂成型、噴射成型。

4）原位生長(zhǎng)法。一、金屬基復(fù)合材料制備工藝的分類：35連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料的制備工藝鋁合金——固態(tài)、液態(tài)法碳纖維鎂合金——固態(tài)、液態(tài)法硼纖維鈦合金——固態(tài)法

SiC纖維高溫合金——固態(tài)法氧化鋁纖維金屬間化合物——固態(tài)法連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料的制備工藝36不連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料的制備工藝鋁合金—固態(tài)、液態(tài)、原位生長(zhǎng)、噴射成型法顆粒鎂合金—液態(tài)法晶須鈦合金—固態(tài)、液態(tài)法、原位生長(zhǎng)法短纖維高溫合金—原位生長(zhǎng)法金屬間化合物—粉末冶金、原位生長(zhǎng)法不連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料的制備工藝371.固相法:粉末冶金法熱等靜壓熱擠壓機(jī)加工燒結(jié)封裝除氣冷等靜壓納米增強(qiáng)體+基體金屬粉1.固相法:粉末冶金法熱等靜壓熱擠壓機(jī)加工燒結(jié)封裝除氣冷38納米復(fù)合材料ppt課件39

1．按基體分類(1)鋁基復(fù)合材料（450℃

）(2)鎳基復(fù)合樹樹（1200℃

）(3)鈦基復(fù)合材料（650℃

）1．按基體分類40(1)鋁基復(fù)合材料

這是在金屬基復(fù)合材料中應(yīng)用得最廣的一種。由于鋁的基體為面心立方結(jié)構(gòu)，因此具有良好的塑性和韌性，再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，為其在工程上應(yīng)用創(chuàng)造了有利的條件。在制造鋁基復(fù)合材料時(shí)，通常并不是使用純鋁而是用各種鋁合金。(1)鋁基復(fù)合材料在制造鋁基復(fù)合材料時(shí)，通常41(2)鎳基復(fù)合材料這種復(fù)合材料是以鎳及鎳合金為基體制造的。由于鎳的高溫性能優(yōu)良，因此這種復(fù)合材料主要是用于制造高溫下工作的零部件。研制鎳基復(fù)合材料的一個(gè)重要目的，即是希望用它來制造燃汽輪機(jī)的葉片，從而進(jìn)一步提高燃汽輪機(jī)的工作溫度。(2)鎳基復(fù)合材料42(3)鈦基復(fù)合材料

鈦比任何其它的結(jié)構(gòu)材料具有更高的比強(qiáng)度。此外，鈦在中溫時(shí)比鋁合金能更好地保持其強(qiáng)度。對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)來說，當(dāng)速度從亞音速提高到超音速時(shí)，鈦比鋁合金顯示出了更大的優(yōu)越性。隨著速度的進(jìn)一步加快，還需要改變飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用更細(xì)長(zhǎng)的機(jī)冀和其它冀型，為此需要高剛度的材料，而纖維增強(qiáng)鈦恰可滿足這種對(duì)材料剛度的要求。(3)鈦基復(fù)合材料43基體和增強(qiáng)體的熱膨脹系數(shù)

鈦基復(fù)合材料中最常用的增強(qiáng)體是硼纖維，這是由于鈦與硼的熱膨脹系數(shù)比較接近，如下表所示?；w和增強(qiáng)體的熱膨脹系數(shù)鈦基復(fù)合材料中最常用的44

2.按增強(qiáng)體分類(1)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料(2)層狀復(fù)合材料(3)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料2.按增強(qiáng)體分類45(1)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料這里的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料是指彌散的硬質(zhì)增強(qiáng)相的體積超過20％的復(fù)合材料，而不包括那種彌散質(zhì)點(diǎn)體積比很低的彌散強(qiáng)化金屬。此外，顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的顆粒直徑和顆粒間距很大，一般大于1um。在這種復(fù)合材料中，增強(qiáng)相是主要的承載相，而基體的作用則在于傳遞載荷和便于加工。(1)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料此外，顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的顆粒直徑和46雖然顆粒復(fù)合材料的強(qiáng)度通常取決于顆粒的直徑、間距和體積比，但是基體性能也很重要。除此以外，這種材料的性能還對(duì)界面性能及顆粒排列的幾何形狀十分敏感。雖然顆粒復(fù)合材料的強(qiáng)度通常取決于顆粒的直徑、間距和體積比47(2)層狀復(fù)合材料

這種復(fù)合材料是指在韌性和成型性較好的金屬基體材料中，含有重復(fù)排列的高強(qiáng)度、高模量片層狀增強(qiáng)物的復(fù)合材料。(2)層狀復(fù)合材料48層狀復(fù)合材料的強(qiáng)度和大尺寸增強(qiáng)物的性能比較接近，而與晶須或纖維類小尺寸增強(qiáng)物的性能差別較大。因?yàn)樵鰪?qiáng)薄片在二維方向上的尺寸相當(dāng)于結(jié)構(gòu)件的大小，因此增強(qiáng)物中的缺陷可以成為長(zhǎng)度和構(gòu)件相同的裂紋的核心。層狀復(fù)合材料的強(qiáng)度和大尺寸增強(qiáng)物的性能比較接近，而與晶須49由于薄片增強(qiáng)的強(qiáng)度不如纖維增強(qiáng)相高，因此層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的強(qiáng)度受到了限制。然而，在增強(qiáng)平面的各個(gè)方向上，薄片增強(qiáng)物對(duì)強(qiáng)度和模量都有增強(qiáng)效果，這與纖維單向增強(qiáng)的復(fù)合材料相比具有明顯的優(yōu)越性。由于薄片增強(qiáng)的強(qiáng)度不如纖維增強(qiáng)相高，因此層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材