《陶瓷基復(fù)合材料》PPT課件

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1、第八章陶瓷基復(fù)合材料8.1陶瓷基復(fù)合材料的種類及基本性能8.2陶瓷基復(fù)合材料的成型加工技術(shù)8.3陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用18.1陶瓷基復(fù)合材料的種類及基本性能現(xiàn)代陶瓷材料具個耐高溫、耐磨損、耐腐蝕及重量輕等許多優(yōu)良的性能。但是，陶瓷材料同時也具有致命的缺點，即脆性，這一弱點正是目前淘瓷材料的使用受到很大限制的主要原因。2因此，陶瓷材料的韌性化問題便成了近年來陶瓷工作者們研究的一個重點問題?，F(xiàn)在這方面的研究巳取得了初步進(jìn)展，探索出了若干種韌化陶瓷的途徑。3其中，往陶陶瓷材料中加入起增韌作用的第二相而制成陶瓷基復(fù)合材料即是一種重要方法。48.1.1陶瓷基復(fù)合材料的基體與增強(qiáng)體1．陶瓷基復(fù)合材

2、料的基體陶瓷基復(fù)合材料的基體為陶瓷，這是一種包括范圍很廣的材料，屬于無機(jī)化合物而不是單質(zhì)，所以它的結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比金屬合金復(fù)雜得多。5現(xiàn)代陶瓷材料的研究，最早是從對硅酸鹽材料的研究開始的，隨后又逐步擴(kuò)大到了其他的無機(jī)非金屬材料。目前被人們研究最多的是碳化硅、氮化硅、氧化鋁等，它們普遍具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、重量輕和價格低等優(yōu)點。62．陶瓷復(fù)合材料的增強(qiáng)體陶瓷基復(fù)合材料中的增強(qiáng)體，通常也稱為增韌體。從幾何尺寸上增強(qiáng)體可分為纖維(長、短纖維)、晶須和顆粒三類。7碳纖維是用來制造陶瓷基復(fù)合材料最常用的纖維之一。碳纖維可用多種方法進(jìn)行生產(chǎn)。工業(yè)上主要采用有機(jī)母體的熱氧化和石墨化。8碳纖維的生產(chǎn)過

3、程主要包括三個階段。第一階段在空氣中于200~400℃進(jìn)行低溫氧化；第二階段是在惰性氣體中在1000℃左右進(jìn)行碳化處理；第三階段則是在惰性氣體中于2000℃以上的溫度作石墨化處理。9目前，碳纖維常規(guī)生產(chǎn)的品種主要有兩種，即高模量型和低模量型。其中，高模量型的拉伸模量約為400GPa，拉伸強(qiáng)度約為1.7GPa；低模量型的拉伸模量約為240GPa，拉伸強(qiáng)度約為2.5GPa。10碳纖維主要用在把強(qiáng)度、剛度、重量和抗化學(xué)性作為設(shè)計參數(shù)的構(gòu)件，在1500℃的溫度下，碳纖維仍能保持其性能不變。11但是，必須對碳纖維進(jìn)行有效的保護(hù)以防止它在空氣中或氧化性氣氛中被腐蝕，只有這樣，才能充分發(fā)揮它的優(yōu)良

4、性能。12陶瓷基復(fù)合材料中的增強(qiáng)體中，另一種常用纖維是玻璃纖維。制造玻璃纖維的基本流程如下圖所示：13玻璃球玻璃球再熔化連續(xù)纖維上漿紗線繞線筒玻璃纖維生產(chǎn)流程圖將玻璃小球熔化，然后通過1mm左右直徑的小孔把它們拉出來。另外，纏繞纖維的心軸的轉(zhuǎn)動速度決定纖維的直徑，通常為10um的數(shù)量級。14為了便于操作和避免纖維受潮并形成紗束，在剛凝固成纖維時，表面就涂覆薄薄一層保護(hù)膜，這層保護(hù)膜還有利于與基體的粘結(jié)。15玻璃的組成可在一個很寬的范圍內(nèi)調(diào)整，因而可生產(chǎn)出具有較高楊氏模量的品種，這些特殊品種的纖維通常需要在較高的溫度下熔化后拉絲，因而成本較高，但可滿足制造一些有特殊要求的復(fù)合材料。16

5、還有一種常用的纖維是硼纖維。它屬于多相的，又是無定形的，因為它是用化學(xué)沉積法將無定形硼沉積在鎢絲或者碳纖維上形成的。17在實際結(jié)構(gòu)的硼纖維中，由于缺少大晶體結(jié)構(gòu)，使其纖維強(qiáng)度下降到只有晶體硼纖維一半左右。18由化學(xué)分解所獲得的硼纖維的平均性能為，楊氏模量420GPa，拉伸強(qiáng)度2.8GPa。硼纖維對任何可能的表面損傷都非常敏感，甚至比玻璃纖維更敏感，熱或化學(xué)處理對硼纖維都有影響，高于500℃時強(qiáng)度會急劇下降。19為了阻止隨溫度而變化的降解作用，已采用了不同類型的涂層作試驗。例如，商業(yè)上使用的硼纖維通常是在表面涂了一層碳化硅，它可使纖維長期暴露在高溫后仍有保持室溫強(qiáng)度的優(yōu)點。20陶瓷材料

6、中另一種增強(qiáng)體為晶須。晶須為具有一定長徑比(直徑0.3~1um,長30~100um)的小單晶體。1952年，Herring和Galt驗證了錫的晶須的強(qiáng)度比塊狀錫高得多，這促使人們?nèi)w維狀的單晶進(jìn)行詳細(xì)的研究。21從結(jié)構(gòu)上看，晶須的特點是沒有微裂紋、位錯、孔洞和表面損傷等一類缺陷，而這些缺陷正是大塊晶體中大量存在且促使強(qiáng)度下降的主要原因。22在某些情況下，晶須的拉伸強(qiáng)度可達(dá)0.1E(E為楊氏模量)，這已非常接近于理想拉伸強(qiáng)度0.2E。相比之下，多晶的金屬纖維和塊狀金屬的拉伸強(qiáng)度只有0.02E和0.001E。23由于晶須具有最佳的熱性能、低密度和高楊氏模量，從而引起了人們對其特別的關(guān)注

7、。在陶瓷基復(fù)合材料中使用得較為普遍的是SiC、A12O3及Si3N4晶須。24陶瓷材料中的另一種增強(qiáng)體為顆粒。從幾何尺寸上看，顆粒在各個方向上的長度是大致相同的，一般為幾個微米。常用得的顆粒也是SiC、Si3N4等。25顆粒的增韌效果雖不如纖維和晶須，但是，如果顆粒種類、粒徑、含量及基體材料選擇適當(dāng)仍會有一定的韌化效果，同時還會帶來高溫強(qiáng)度，高溫蠕變性能的改善。所以，顆粒增韌復(fù)合材料同樣受到重視并對其進(jìn)行了一定的研究。268.1.2纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料在