《材料制备与加工原理》第十五章 陶瓷复合材料.pptVIP

第十五章 陶瓷复合材料 第一节 概述 1 陶瓷的脆性本质 键合类型主要是离子键和共价键，具有高熔点、硬度、强度，但脆性大。 陶瓷结构中原子排列的性状决定其缺乏像金属那样的塑性变形能力，在断裂过程中除了产生新的断裂表面所需要的表面能外，几乎没有其它的吸收能量的机制。 2 复合的目的 对于结构陶瓷主要是为了提高材料的强度、韧性等力学性能，或耐热、耐蚀性能； 对于功能陶瓷主要是为了获得某些新的功能。 3 复合材料及陶瓷基复合材料的定义 复合材料：采用物理或化学的方法，使两种或两种以上的材料在相态与性能相互独立的形式下共存于一体之中，以达到提高材料的某些性能，或互补其缺点，或获得新的性能（功能）的目的。 陶瓷基复合材料：连续相（基体）为陶瓷的复合材料。 4 基体和增强剂 基体： 氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硼化物、玻璃等 增强剂： 纤维（陶瓷或金属）、晶须、颗粒（陶瓷或金属） 5 一般制备方法 第二节 陶瓷基复合材料用增强体的制备 1 纤维 1.1 金属纤维 金属纤维一般由拉丝制成，直径在10～600?m。 目前认为仅有难熔金属Ta、Mo、W、Ni、Nb、Ti、Be等具有研究和应用前景。 1.2 陶瓷纤维 主要有碳化硅纤维、氮化硅纤维、氧化铝纤维及碳纤维等。一般有两种制备方法：化学气相沉积法和聚合物热解法。 （1）SiC纤维 是陶瓷基复合材料最重要的增强体之一。最突出的优点是高温抗氧化性能优异。 ①CVD法：CH3SiCl3?SiC＋3HCl ②聚合物热解法：将有机前驱体熔融纺丝，然后通过聚合处理，最后经高温热解形成SiC陶瓷纤维。 （2）氧化物纤维 将助熔剂与主要原料混合均匀后，在高温炉内加热至2000℃以上，达到熔融状态，使熔体流出，用压缩空气或高压水蒸气喷射，在高速旋转的圆板上，靠离心力形成纤维。 1.3 碳纤维 碳纤维分为有机高分子系和沥青系。 特点：高强度、高韧性、高弹性、抗氧化性差。 2 晶须 2.1 概述 高纯度细长的单晶体（直径在0.1～2?m、长径比在10以上的单晶体短纤维），其晶体结构近乎完整，不含有晶界、位错、空洞等晶体结构缺陷，具有异乎寻常的力学性能及物理性能。 主要是陶瓷晶须。 比强度和比弹性模量高。 2.2 SiC晶须 （1）晶型： 有?和?两种，区别在于原子的排列方式稍有不同。?为六方晶系，为高温稳定型，根据重复的层数不同分为2H、4H、6H型等。?为立方晶系，为低温稳定型，又叫3C-SiC。生长成晶须的，多数是3C，少数是2H型。 （2）制备： 有氧化硅热碳还原法、升华法、热分解法、气相反应法、氮化硅分解碳化法。 3 陶瓷片状晶体与硬质颗粒 （1）片状晶体 片状陶瓷晶体，又称晶片，合成方法与晶须基本相同。 （2）颗粒 基本上各种陶瓷颗粒都可以用作增韧增强的颗粒，其制造方法基本上与陶瓷粉体的制造方法相同。 第三节 颗粒弥散陶瓷基复合材料 1 概述 1.1 颗粒的分类及特点 按相对于基体弹性模量大小，颗粒分为刚性和延性两类。 延性颗粒在外力作用下可产生一定的塑性变形或沿晶界滑移产生蠕变来缓解应力集中，达到增强增韧的效果。 刚性颗粒十分细小（直径从纳米级到几微米之间），主要利用第二相颗粒与基体晶粒之间的弹性模量和热膨胀系数差异，在材料中形成残余应力场，使裂纹产生偏转、绕道、分支和钉扎效应，对基体起增韧作用。 1.2 第二相颗粒的增韧机制 主要包括：相变增韧、微裂纹增韧、裂纹偏转、弥散增韧、颗粒桥联以及钉扎效应等。 1.3 影响因素 陶瓷基体材料和第二相颗粒界面的物理相容（弹性模量、热膨胀系数等）、化学相容（化学键合、中间过渡产物形成）、第二相颗粒本身的粒度和强度、在陶瓷基体中的均匀分散程度、在陶瓷基体中的分布方式（晶界、晶粒内部）均对强化效果有重大影响。 2 硬质颗粒弥散强化陶瓷基复合材料 （1）制备方法 与典型的陶瓷单体材料的制造方法相同。 （2）工艺上的注意事项 ①如何使密度不同的物相能够均匀的混合在一起； ②不同物相之间可能形成的热胀系数失配。 （3）复合的效果 3 相变增韧陶瓷材料 3.1 ZrO2的晶型转变 立方相：2370～2710℃，a=b=c=0.509nm，?=?=?= 90°； 四方相：1207～2370℃，a=b=0.5078nm， c=0.5169 nm，?=?=?= 90°； 单斜相：＜1207℃，a=0.515 nm，b=0.52 nm，c=0.532nm，?=?=90°，?=99.19°。 3.2 增韧原理 稳定剂：Y2O3、Sc2O3、CaO、MgO、CeO2、等，可使氧化锆的高温相（立方相和四方相）在室温稳定存在。 t?m转变时