第二章结构陶瓷.ppt

2.7.1 陶瓷纤维、晶须的制备 1）碳纤维 碳纤维的生产过程 预氧化处理。预氧化处理是将处于牵伸状态的聚丙烯腈原丝置于 200-300℃温度下，在空气中加热。其目的是使原丝中链状分子环化脱氢，形成热稳定性好的梯形结构，以便进行随后的高温碳化处理。 ② 碳化处理。将预氧化的纤维在牵伸状态下，于惰性气体中继续加热时，大部分非碳原子（N、O、H等）将通过一系列复杂的化学变化转化为低分子量的裂变产物而被排除，分子间发生交联，碳含量增至95%以上，同时纤维结构也逐步转变为乱层石墨结构。碳化处理的参数直接影响碳纤维的性能，这些参数包括碳化温度、惰性气体的纯度和牵伸力的大小。 ③ 石墨化处理。碳化处理后的纤维在适当的牵引力作用下，用氩气保护，在高于2000℃温度加热，这叫做石墨化处理。加热温度愈高，纤维的塑性愈好，可以施加的牵伸力就愈大，制的的纤维取向度和模量也就大大提高。 2.7 复合材料 2.7.1 陶瓷纤维、晶须的制备 2）硼纤维 硼纤维是1956年由美国Texaco实验公司所发明的。主要优点是弹性模量高，熔点高、密度比金属小，故用于制备金属基复合材料（硼酸铝增强铝基复合材料）。 硼纤维的制造过程是将元素硼用蒸气沉积的办法沉积到耐热的金属丝----底丝上（一般用钨丝）。改变底丝材料、蒸气的化学成分、底丝的温度，可以改变所制造的硼纤维的性能。目前常用制造工艺有：卤化法，有机金属法。 硼纤维是脆性纤维，硼纤维在拉伸过程中没有塑性变形，应变值很小，具有较高的弹性模量。 2.7 复合材料 2.7.1 陶瓷纤维、晶须的制备 3）碳化硅纤维 碳化硅纤维是一种高熔点、高强度、高模量的陶瓷纤维，1960年Nither等人用化学气相沉积法（CVD）研制出了带有钨丝芯的碳化硅纤维。70年代美国AVCO公司采用碳化硅纤维做底丝，用甲基三氯硅烷共同沉积的方法成批生产碳化物纤维。平均抗拉强度可达2450MPa。 碳化硅制备方法：化学气相沉积法。 2.7 复合材料 2.7.1 陶瓷纤维、晶须的制备 4）晶须 80年代国内外已开始使用金属或非金属晶须来增强金属。晶须是细短的微晶体，即近乎纯晶体的单晶，几乎无错位，其强度接近理论强度，一般直径为 0.05-10μm，长度为数毫米。而事实上，通常是把存在某种缺陷的长度为几百微米的大结晶也作为晶须看待。 2.7 复合材料 2.7.2 纤维增强陶瓷复合材料 1）纤维增强陶瓷的机理 在外加负荷作用下，在陶瓷胚体表面或内部的微裂纹尖端生产应力集中，因陶缺乏塑性变形，没有吸收能量的过程，致使外加负荷的能量都集中于裂纹的扩展上，而且裂纹的扩展速度及其迅速，往往在瞬间就能使胚体在遭到灾难性破坏，呈现脆性断裂。 为了控制裂纹的延伸，必须采用一些措施来吸收能量，消除裂纹尖端所集中的应力。对于纤维增强陶瓷，当裂纹扩展遇到纤维的地方，剩余的能量被吸收，阻止它继续延伸。 2.7 复合材料 2.7.2 纤维增强陶瓷复合材料 1）纤维增强陶瓷的机理 要制作高强度、高韧性复合材料，最好能满足以下几点要求： ① 高强度、高模量的纤维或晶须（均大于基体材料）。 ② 在复合材料制备条件下（如温度和气氛）下，纤维或晶须性能不退化。 ③ 纤维或晶须与基体不发生化学反应。 ④ 热膨胀系数匹配，最好是α纤适当大于α基。 ⑤ 在复合材料中，纤维与基体间的结合力以达到这样的程度为宜，及保证基体应力向纤维上的有效传递，又能使纤维从基体中有足够长度拔出。 2.7 复合材料 * 特种陶瓷材料及工艺 授课教师：蒋百灵 教授 材料科学与工程学院 第二章 结构陶瓷 氧化物陶瓷 非氧化物陶瓷 复合材料 2.1.1 AI2O3陶瓷的类型及性能 1）AI2O3陶瓷类型 氧化铝陶瓷是一种以α-AI2O3为主晶的陶瓷材料。其AI2O3含量一般在75-99.9%之间。 2）AI2O3的晶型 Al2O3主要有三种晶型结构，即α-AI2O3，β-AI2O3，γ-AI2O3。AI2O3晶型转化关系如图2-1-1所示。其结构不同，性质也不同，在1300℃以上的高温几乎完全转变为α-AI2O3。 2.1 AI2O3陶瓷 2.1.1 AI2O3陶瓷的类型及性能 3）AI2O3陶瓷的制备方法 基本工序为： 煅烧→磨细→成型→烧结 ① 煅烧 目的是使γ- AI2O3 转变为α- AI2O3，并排除原料中的Na2O等低熔点挥发物。 ② 磨细 一般要求小于1μm的颗粒占15%-30%，若大于40% ，烧结时会出现严重的晶粒长大。 ③ 成型 可采用注浆法、模压法、挤压法以及热压注、热压等各种方法。 ④ 烧结 AI2O3很难烧结，为改善烧结性，降低烧结