陶瓷基复合材料.pptx

第七章 陶瓷基复合材料 （Ceramic Matrix Composites）;本章主要内容：;一、基本概念和分类; 结构陶瓷基复合材料 主要利用其力学性能和耐高温性能，主要用作承力和次承力构件，主要特性是轻质、高强、高刚度、高比模、耐高温、低膨胀、绝热和耐腐蚀等。 功能陶瓷基复合材料 主要利用其光、声、电、磁、热等物理性能的功能材料，指除力学性能以外而具有某些物理性能（如导电、半导、磁性、压电、阻尼、吸声、吸波、屏蔽、阻燃、防热等）的陶瓷基复合材料。主要由功能体（单功能或多功能）和基体组成，基体不仅起到粘结和赋形的作用，同时也会对复合陶瓷整体性能有影响。多功能体可以使复合陶瓷具有多种功能，同时还有可能由于产生复合效应而出现新的功能。 ;氧化物陶瓷基复合材料 非氧化物陶瓷基复合材料 玻璃基或玻璃陶瓷基复合材料 水泥基多相复合（??瓷）材料 ;颗粒弥散强化陶瓷基复合材料——包括硬质颗粒和延性颗粒 晶须补强增韧陶瓷基复合材料——包括短纤维补强增韧陶瓷基复合材料 晶片补强增韧陶瓷基复合材料——包括人工晶片和天然片状材料 长纤维补强增韧陶瓷基复合材料 叠层式陶瓷基复合材料——包括层状复合材料和梯度陶瓷基复合材料。 ;陶瓷基复合材料类型汇总表 ;二、原材料及其特性;1、陶瓷基体材料 ;几种常用的陶瓷基体材料简介：;1、氧化铝陶瓷（Al2O3, alumina）;氧化铝瓷的主要性能 ;氧化铝的硬度约为20GPa，仅次于金刚石、立方氮化硼和碳化硅，有很好的耐磨性。 耐高温性能好，高氧化铝含量的刚玉瓷可在1600℃高温下长期使用，而且蠕变小。 氧化铝还具有很好的耐腐蚀性和电绝缘性。 但氧化铝脆性较大，抗热震性差，不能承受环境温度的突然变化。 ;2、氧化锆陶瓷（ZrO2, zirconia）;含锆的矿石：斜锆石（ZrO2)，锆英石(ZrO2 ·SiO2)； 颜色：白色（高纯ZrO2）； 黄色或灰色（含少量杂质的ZrO2），常含二氧化铪杂质； 密度：5.65~6.27g/cm3； 熔点：2715℃。; ;单斜相和四方相之间相互转化 ; 常见的ZrO2稳定剂是稀土或碱土氧化物，比如Y2O3 MgO CeO2 CaO。 机理：稳定剂的阳离子在ZrO2中具有一定的溶解度，可以置换其中的锆离子。而形成置换型固溶体，阻碍四方晶型(t)向单斜晶型(m)的转变，从而降低氧化锆陶瓷t-m相变的温度，使t-ZrO2亚稳至室温。 ;部分稳定氧化锆陶瓷(partially stabilized zirconia， PSZ) 四方氧化锆多晶体陶瓷(tetragonal zirconia polycrystal，TZP) 氧化锆增韧陶瓷(Zirconia Toughened Ceramics，ZTC); 含有部分t-ZrO2陶瓷在受到外力作用时微裂纹尖端产生张应力，松弛了四方相所受的压应力，微裂纹表面有一层四方相转变为单斜相。由于单斜相产生7%左右的体积膨胀和剪切应变导致压应力，不仅抵消了外力造成的张应力而且阻止进一步的相变。;相变诱发微裂纹增韧;表面强化增韧;颗粒弥散增韧;(1)、PSZ（Partially Stabilized Zirconia）;(2)、TZP（Tetragonal Zirconia Polycrystals）;3、莫来石陶瓷（3Al2O3·2SiO2, Mullite）;3、莫来石陶瓷（3Al2O3·2SiO2, mullite）;莫来石陶瓷的主要性能 ;4、氮化硅陶瓷（Si3N4, silicon nitride）;赛隆陶瓷（Sialon）;氮化硅陶瓷和赛隆陶瓷的性能 ;5、碳化硅陶瓷（SiC, Silicon Carbide）;不同制备工艺的碳化硅陶瓷及其制品性能;6、玻璃陶瓷（glass-ceramics）;三、设计理论和强韧化机理; 晶须和基体材料的选择; 晶须和基体材料的物理相容性; 弹性模量的匹配; 热膨胀系数的匹配;对于不同的晶须和基体，热膨胀系数的匹配问题可能存在着以下几种情况： ;良好的晶须与基体的热匹配应该是： 二者的热膨胀系数应尽可能接近或晶须稍大于基体。 ; 晶须和基体材料的化学相容性;界面的化学相容性可以通过热力学方法进行分析判断。 ; 晶须和基体之间界面的设计和调控;界面调控一般包括以下三方面内容： (1). 助烧剂的选择和优化； (2). 晶须的表面状态和处理； (3). 界面的结晶化处理。; 陶瓷材料的脆性本质 由于陶瓷材料的分子排列和化学键性质，决定了陶瓷材料中的晶粒位错密度低、滑移系统少、裂纹的成核和生长的能量小，从而决定了陶瓷材料的脆性本质。 ; 克服陶瓷