第七章---无机非金属基复合材料.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,7,章 无机非金属材料基复合材料,1,所谓的复合材料是指把两种以上在宏观上不同的材料，合理的进行复合，在新制得的材料中，原来各材料的特性得到充分的应用，并且得到了单一材料所不具有的新特性，,如果从微观上看，我们所使用的材料很少不是复合的，我们在这里所说的复合材料则是按上述定义复合得到的材料。,复合材料船体,7.1,概述,2,复合材料的起源可追溯到古埃及人在粘土中加入植物纤维所制成的土坯。大约,100,万年以前，人们开始使用以沙做骨料，用水或水泥固结的混凝土，它是现代建筑领域不可缺少的材料。混凝土具有一定的抗压强度，但比较脆，在张力作用下容易产生裂纹而破裂。,在混凝土中加入钢筋，大大提高了材料的拉伸抗力，成为广泛应用的钢筋混凝土。在橡胶中加入纤维,/,钢丝，既保持了橡胶的柔软性，又提高了材料的强度和耐磨性能。,7.1,概述,3,现代复合材料的发展起源于,1942,年美国空军用于制造飞机构件的玻璃纤维增强和聚脂,，即玻璃钢，以后提高玻璃纤维性能的工作有了很大的发展，硼纤维,/,碳纤维,/,碳化硅纤维,/,各种耐热氧化物纤维与晶须的相继出现，推动着复合材料的研究与开发工作。,复合材料的复合目的,:,提高材料强度,得到热性能,/,电性能,/,磁性能和其他各种性能的最优化,.,7.1,概述,4,根据复合材料的基体的不同及发展历史,:,玻璃纤维增强塑料（,GFRP,）称作第一代复合材料,硼纤维和碳纤维增强的塑料（,BFRP,GFRP,）称作第二代复合材料。,高性能纤维增强金属与陶瓷成为第三代复合材料。,硼纤维,玻璃纤维,碳纤维,7.1,概述,5,7.1.1,复合材料的分类,1,、按基体材料分类,，可分为聚合物基、陶瓷基和金属基复合材料。,2,、按增强相形状分类,，可分为纤维增强复合材料、粒子增强复合材料和层状复合材料。,3,、按复合材料的性能分类,，可分为结构复合材料和功能复合材料。,SiC,颗粒,Al,2,O,3,片,Al,2,O,3,纤维,增强相三种类型,无机非金属材料基复合材料主要包括陶瓷基复合材料（,CMC,）、碳基复合材料、玻璃基复合材料和水泥基复合材料等。,7.1,概述,6,无机非金属材料基复合材料,还可以按其使用温度分,:,高温陶瓷基复合材料,（它以多晶陶瓷为基体，耐受温度为,1000,1400,）,;,低温陶瓷基复合材料,（它以玻璃及玻璃陶瓷为基体，耐受温度在,1000,以下）。,尽管相对而言，无机非金属材料基复合材料目前产量还不大，但陶瓷基复合材料和碳基复合材料是耐高温及高力学性能的首选材料，例如碳碳复合材料是目前耐温最高的材料。水泥基复合材料则在建筑材料中越来越显示其重要性。下面简要介绍几类常见的无机非金属复合材料。,7.1,概述,7,7.1.2,无机非金属材料基复合材料,碳基复合材料,碳碳复合材料的,基体是碳,，用,碳纤维增强,的复合材料。从光学显微镜尺度来看，碳碳复合材料由碳纤维、基体碳、碳纤维,/,基体碳界面层、纤维裂纹和孔隙四部分构成。,优点：,热膨胀系数低、导热好、耐热冲击、抗蠕变优异等优异特性。,缺点：,碳碳复合材料中的孔隙与显微裂纹可明显降低其力学强度和抗氧化性能。,孔隙和裂纹的数量要根据碳碳复合材料的使用性能要求加以控制。,7.1,概述,8,用途：,已发展成为核能和航空航天飞行器中不可缺少的关键材料，如飞机刹车片。利用它的生物相容性和低维性，可以制造人造肢体。,飞机用刹车片,汽车用刹车片,7.1,概述,9,重返温度高达,1650,，碳尖锥在服役期间不仅毫无损伤，而且使用一次相当于热解一次，强度会逐渐提高。尖锥是用两层的,预浸布,制造的。先用,石墨纤维布,浸泡酚醛树脂，进行高温,热解,，驱除气体和水分后酚醛树脂转化为,石墨,。这一阶段的复合材料是软胶。将此材料浸渍糠醇后再热解，浸渍三次，热解三次，使其密度、强度和模量逐次提高。再在表面涂以二氧化硅和三氧化二铝，烧结后就在表面形成一层,碳化硅涂层,。最后，再用硅酸四乙氧脂浸渍表面，水解、干燥后又使涂层含有一定量的二氧化硅。,碳碳复合材料,1986,年首次用于发动机的燃烧喷管,其最显赫的应用是宇宙飞船重返大气层的尖锥。,7.1,概述,10,碳碳复合材料密度只有,1.3g/cm3,具有很高的比强度。其强度与模量可依据用途在较大范围内调节。普通碳碳复合材料的强度可以高达,450MPa,连续纤维材料的强度为,600MPa,，,“,先进,”,碳碳复合材料的强度可以高达,2100MPa,。典型的模量值在,125,175GPa,的范围内。就高温强度而言，碳碳复合材料是,2000,以上最强的材料，更可贵的是，温度越高，碳材料的强度越高。,但高温氧化是其弱点，基体与纤维界面的氧化更甚。,7.1,概述,11,金属陶瓷家族中最著名的成员是钴黏合的碳化物。碳化物与钴等金属一起球磨，一方面减少碳化物的粒度，一方面将金属涂到陶瓷表面。涂饰好的粉末按粒度分级，取所需粒度压成型坯。型坯在真空下或氢气氛中烧结。所谓烧结实质是将金属熔融，把陶瓷粒子彻底,“,焊,”,在一起。,金属陶瓷,金属陶瓷是金属与陶瓷的结合体。,其,分散相是陶瓷颗粒,，多为碳化物，如碳化钛、碳化物等。基体是一种金属或几种金属的混合物，如镍、钴、铬、钼等。实际上金属起到黏合剂的作用，将坚硬的陶瓷粒子粘合在一起。,7.1,概述,12,金属陶瓷比任何工具钢都硬，压缩强度高于大多数工程材料，耐磨性能极佳。可作切削工具，可作任何软、硬表面的摩擦件。如果单纯使用陶瓷，因为其脆性，不能用作切削工具、模具或振动强烈的机器部件。而金属陶瓷中的,金属提供了韧性,，,陶瓷提供了硬度与强度,，这种复合产生了性能上的协同效应。,金属含量越低，陶瓷粒度越细（,1um,）,耐磨性能越好。所有金属陶瓷都具有室内耐腐蚀性，含有镍和铬的金属陶瓷可耐化学环境的腐蚀。,7.1,概述,13,无机胶凝复合材料,解决的方法：加入粗、细骨料（如沙和卵石等）制成混凝土以提高水泥的强度和韧性。但随着混凝土强度的提高，它的脆性也表现的更为明显。,7.1,概述,以水泥为代表的无机胶凝复合材料脆性特点：,抗拉强度低（只有抗压强度的,1/20,1/10,）；,其制品及构件在受拉应力系统或冲击载荷情况下，极易脆性破坏。,14,新型的无机胶凝复合材料：以混凝土或水泥砂浆为基体，在其中掺入纤维形成的复合材料，称为纤维水泥与纤维混凝土。,纤维种类：包括金属纤维（如不锈钢纤维、低碳钢纤维）、无机纤维（如玻璃纤维、硼纤维、碳纤维）、合成纤维（如尼龙、聚酯、聚丙烯等纤维）、植物纤维（如竹、麻纤维）。由于钢纤维能有效提高混凝土的韧性与强度，能成批生产，价格便宜，施工方便，一直是研究和应用的重点。,7.1,概述,15,7.1.3,复合材料特点：,复合材料的组分和它们的相对含量是经人工选择和设计的,;,复合材料是经人工制造而非天然形成的,;,组成复合材料的某些组分在复合后仍保持其固有的物理和化学性质（区别于化合物和合金）,;,复合材料的性能取决于各组成的协同。复合材料具有新的、独特的和可用的性能，这种性能是单个组分材料性能所不及或不同的。,复合材料是各组分之间被明显界面区分的多相材料。,7.1,概述,16,7.2.1,复合材料的结构,复合材料由两种以上以及它们之间的界面构成。组分材料主要指增强体和基体，它们也被称为复合材料的,增强相,和,基体相,。增强相与基体相之间的界面区域因为其特殊的结构与组成也被视为复合材料的“相”，即,界面相。,7.2,复合材料结构,17,增强相和基体相是根据它们组分的物理和化学性质和在最终复合材料中的形态来区分的。,增强相或增强体：,复合材料承受外加载荷时是主要承载相，组分是细丝（连续的或短切的）、薄片或颗粒状、具有较高的强度、模量、硬度和脆性。它们在复合材料中呈分散形式，被基体相隔离包围，因此也称为,分散相,；,基体相：,是包围增强相并相对较软和韧的关联材料。按增强体的几何形态可把复合材料分为三类，即纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料、层片增强复合材料，,7.2,复合材料结构,7.2.1,复合材料的结构,18,纤维复合材料,又分为连续纤维和非连续纤维（包括晶须和短切纤维）增强复合材料。连续纤维复合材料又分为单向纤维、无纬布叠层（正交、斜交）、二维织物层合、多相编织复合材料和混杂纤维复合材料。,碳纤维复合材料机盖,7.2,复合材料结构,7.2.1,复合材料的结构,19,颗粒增强复合材料,的增强体是不同尺寸的颗粒（球形或者非球形）。按照分散相的尺寸大小和间距又可分为弥散增强复合材料（颗粒等效直径为,0.010.1um,，颗粒间距为,0.010.3um,）和粒子增强复合材料（颗粒等效直径为,150um,，颗粒间距为,125um,）。,高体份（,60-70%,）碳化硅颗粒,铝基复合材料电子封装件,7.3,复合材料结构,20,层状增强复合材料,的增强体是长与宽尺寸相近的薄片。薄片增强体由天然、人造和在复合材料工艺过程中自身生长三种途径获得。天然片状增强体的典型代表是云母，人造片状增强体如有机玻璃（又称玻璃鳞片）、铝、银二硼化铝等。,层状复合材料隔热的隔热,7.2,复合材料结构,7.2.1,复合材料的结构,石墨片,21,叠层复合材料,指复合材料中的增强相是分层铺叠的，即按相互平行的层面配置增强相，而各层之间通过基体材料连接。叠层复合材料中的,“,层,”,，可以是前述的单向无纬布、浸胶纤维布，如玻璃纤维布、碳纤维布或棉布、合成纤维布、石棉布等。也可以是片状材料，如纸张、木材以及前述的铝箔（在混杂叠层复合材料中）。叠层复合材料在其层面方向可以提供优良的性能。,7.2,复合材料结构,7.2.1,复合材料的结构,22,（）轻质高强，比强度和比刚度高,、,增强剂,或者,基体,是比重小的物质，或两者的比重都不高，且都不是完全致密的；,、增强剂多是强度很高的纤维。,比强度,（指,强度,与,密度,的比值）和,比弹性模量,是各类材料中最高的。,7.3,复合材料基本特性,1,、复合材料的特性,复合材料是由多种组分的材料组成，许多性能优于单一组分的材料。,(2),可设计性好,复合材料可以,根据不同的用途要求,，灵活地进行产品设计，具有很好的可设计性。,23,(4),耐腐蚀性能好,聚合物基复合材料具有优异的,耐酸性能,、,耐海水性能,、,也能,耐碱,、,盐,和,有机溶剂,。因此它是一种优良的耐腐蚀材料，用其制造的,化工管道,、,贮罐,、,塔器,等具有较长的使用寿命、极低的维修费用。,(3),电性能好,复合材料具有优良的电性能，通过,选择不同的树脂基体,、,增强材料,和,辅助材料,，可以将其制成,绝缘材料,或,导电材料,。,7.3,复合材料基本特性,不饱和聚脂树脂玻璃纤维增强模塑料,24,7.3,复合材料基本特性,(5),热性能良好,玻璃纤维增强的聚合物基复合材料具有,较低的导热系数,，,是一种优良的绝热材料。,(6),工艺性能优良,纤维增强的聚合物基复合材料具有,优良的工艺性能,，能满足各种类型制品的制造需要，特别适合于大型制品、形状复杂、数量少制品的制造，,25,(7),长期耐热性,金属基和陶瓷基复合材料能在较高的温度下长期使用，但是聚合物基复合材料不能在高温下长期使用，即使耐高温的聚酰亚胺基复合材料，其长期工作温度也只能在,300,左右。,(9),老化现象,在白然条件下，由于紫外光、湿热、机械应力、化学侵蚀的作用，会导致,复合材料的性能变差,，,即发生所谓的老化现象。,7.3,复合材料基本特性,26,(1),在航空、航天方面的应用,由于复合材料的,轻质高强,持性，使其在航空航天领域得到广泛的应用。在航空方面，主要用作战斗机的机冀蒙皮、机身、垂尾、副翼、水平尾冀、雷达罩、侧壁板、隔框、翼肋和加强筋等主承力构件。,7.4,复合材料的应用与研究现状,A400M,、波音,787,飞机，复合材料分别占飞机结构重量的,36%,和,50%,，,27,氮化硅结构陶瓷被用作航天飞机的防热瓦,硼纤维金属基复合材料制成的火箭履轴的管道输送部件,7.4.1,、复合材料的应用,7.4,复合材料的应用与研究现状,28,美国,B-2,隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料,由光导纤维构成的光缆,7.4,复合材料的应用与研究现状,29,赛车,(2),在交通运输方面的应用,由复合材料制成的汽车质量减轻，在相同条件下的耗油量只有钢制汽车的,1,4,，而且在受到撞击时复合材料能大幅度吸收冲击能量，保护人员的安全。,7.4,复合材料的应用与研究现状,30,(3),在化学工业方面的应用,在化学工业方面，复合材料主要被用于制造防腐蚀制品。聚合物基复合材料具有优异的耐腐蚀性能。例如，在酸性介质中，聚合物基复合材料的耐腐蚀性能比不锈钢优异得多。,(4),在电气工业方面的应用,聚合物基复合材料是一种优异的电绝缘材料，被广泛地用于电机、电工器材的制造，如绝缘板、绝缘管、印刷线路板、电机护环、槽楔、高压绝缘子、带电操作工具等。,7.4,复合材料的应用与研究现状,31,(5),在建筑工业方面的应用,玻璃纤维增强的聚合物基复合材料,(,玻璃钢,),具有力学性能优异，隔热、隔声性能良好，吸水率低，耐腐蚀性能好和装饰性能好的特点，因此，它是一种理想的建筑材料。,(6),在机械工业方面的应用,复合材料在机械制造工业中，用于制造各种叶片、风机、各种机械部件如齿轮、皮带轮和防护罩等。,(7),在体育用品方面的应用,在体育用品方面，复合材料被用于制造赛车、赛艇、皮艇、划桨、撑杆、球拍、弓箭、雪橇等。,7.4,复合材料的应用与研究现状,32,(1),降低成本,由于复合材料的性能优于传统材料，如能降低复合材料的成本，其应用前景将是非常广阔的。,7.4.2,复合材料今后的发展方向,(2),高性能复合材料的研制,高性能复合材料是指具有,高强度,、,高模量,、,耐高温,等特性的复合材料。,(3),功能性复合材料,功能复合材料是指具有,导电,、,超导,、,微波,、,摩擦,、,吸声,、,阻尼,、,烧蚀,等功能的复合材料。,7.4,复合材料的应用与研究现状,33,(4),智能复合材料,智能复合材料是指具有,感知,、,识别,及,处理能力,的复合材料。在技术上是通过,传感器,、,驱动器,、,控制器,来实现复合材料的上述能力。,(5),仿生复合材料,仿照竹子从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点，成功地制备出具有明显,组织梯度,与,性能梯度,的新型梯度复合材料。,7.5,复合材料的应用与研究现状,34,(6),环保型复合材料,从环境保护的角度看，目前的复合材料大多注重材料性能和加工工艺性能，而在回收利用上存在与环境不相协调的问题。因此，开发、使用与环境相协调的复合材料，是复合材料今后的发展方向之,。,7.4,复合材料的应用与研究现状,35,为什么陶瓷材料多表现为脆性,?,离子键,无滑移或位错,共价键,不能松弛应力,裂纹生成及扩散所需能量小,7.5,陶瓷基复合材料,36,陶瓷基复合材料,(Ceramic matric composite),是,在陶瓷基体中引入第二相材料，使之增强、增韧的多相材料。主要以高性能的陶瓷为基体，通过加入颗粒、晶须、连续纤维和层状材料等增强体而形成的复合材料。,增韧陶瓷阀门,增韧陶瓷刀片,7.5,陶瓷基复合材料,37,陶瓷基复合材料有,:,（,1,）异相颗粒弥散强化陶瓷复合材料,（,2,）纤维增韧增强陶瓷复合材料,（,3,）原位生长陶瓷复合材料,（,4,）梯度功能陶瓷复合材料,（,5,）纳米陶瓷复合材料,7.5,陶瓷基复合材料,38,陶瓷基复合材料的强韧机理,多相复合材料的设计三项原则,:,相之间在化学上相容性,相之间在物理上的相容性,热膨胀系数,匹配,弹性模量,复合材料的显微结构的设计,7.5,陶瓷基复合材料,39,颗粒包括氧化物和非氧化物颗粒，也可以是金属、金属间化合物颗粒。,强韧化机理,（,1,）颗粒能抑制基体的晶粒长大形成细晶。,如,SiC,颗粒弥散在,Si3N4,基体中，可以在一定的程度上抑制,Si3N4,晶粒的长大，从而获得细晶粒的显微结构。,1,、颗粒弥散增韧陶瓷基复合材料,SiC,颗粒弥散在,Si3N4,基体,7.5,陶瓷基复合材料,40,2),微裂纹增韧,影响第二相颗粒增韧效果的主要因素是基体与第二相颗粒的弹性模量、热膨胀系数以及两相的化学相容性。其中化学相容性是复合的前提。两相间不能有过度的化学反应，同时保证具有合适的界面结合强度。弹性模量只在材料受外力作用时产生微观应力再分布效应；热膨胀系数失配在第二相颗粒及周围基体内部产生残余应力场是陶瓷得到增韧的主要根源,1,、颗粒弥散增韧陶瓷基复合材料,7.5,陶瓷基复合材料,41,ZrO2,从四方相到单斜相转变效应的氧化锆多晶体（,TZP,）陶瓷材料，在室温下有较高的强度和断裂韧性，但在高温下由于相变的消失，强度急剧下降。,2,、,ZrO2,微裂纹强化陶瓷基复合材料,单斜相,(m)ZrO2,，,1170,C,四方相,(t)ZrO2,；,2370,C,立方相,ZrO2,。,ZTA,性能随,ZrO2,体积含量的变化,7.5,陶瓷基复合材料,42,图,1,相变增韧示意图,图,2 ZTA,中应力诱变韧化导致性能随,ZrO,2,体积含量的变化,7.5,陶瓷基复合材料,43,金属颗粒和金属间化合物颗粒高温性能不好，但在低温条件下可以显著地改善中低温时的韧性。,增韧机理：裂纹桥联、颗粒塑性变形、颗粒拔出、裂纹偏转和裂纹终止于颗粒。,3,金属颗粒和金属间化合物颗粒的弥散强化,裂纹终止于颗粒,裂纹的分岔,裂纹偏转,颗粒塑性变形,7.5,陶瓷基复合材料,44,桥联,7.5,陶瓷基复合材料,45,拔出功增韧,颗粒的拔出,7.5,陶瓷基复合材料,46,通过有效的分散、复合使纳米颗粒均匀弥散地保留在陶瓷基质中而得到的复合材料。,一般分三类：,A,、基体,晶粒内,弥散纳米粒子第二相（高温、低温力学）,B,、基体,晶粒间,弥散纳米粒子第二相（高温、低温力学）,C,、基体与第二相,同为纳米晶粒,（加工性、超塑性）,4,、纳米强韧化机理,7.5,陶瓷基复合材料,47,晶界间,晶粒内部,7.5,陶瓷基复合材料,48,要求：,尽量满足纤维（晶须）与基体陶瓷的化学相容性和物理相容性。,化学相容性,是指在制造和使用温度下纤维与基体两者不发生化学反应及不引起性能退化,物理相容性,是指两者的膨胀系数和弹性模量匹配，通常希望纤维的膨胀系数和弹性模量高于基体，使基体的残余应力为压应力。,5,、纤维增韧陶瓷材料机理,7.5,陶瓷基复合材料,49,纤维在基体中的不同分布方式,纤维无规排列时，能获得基本各向同性的复合材料。均一方向的纤维使材料具有明显的各向异性。纤维采用正交编织，相互垂直的方向均具有好的性能。纤维采用三维编织，可获得各方向力学性能均优的材料。,7.5,陶瓷基复合材料,50,纤维桥联基体裂纹的应力,-,应变曲线,航天飞机防热瓦的纤维质纤维结构,7.5,陶瓷基复合材料,51,用晶须作为增强相可以显著提高复合材料的强度和弹性模量，但因为价格昂贵，目前仅在少数宇航器件上采用。现在发现，晶须,(,如,SiC,和,Si3N4),能起到陶瓷材料增韧的作用。,ZnO,晶须,自增韧,Si,3,N,4,陶瓷,6,、晶须增韧,7.5,陶瓷基复合材料,52,调整陶瓷工艺或其热处理过程，使陶瓷的晶粒生长成具有一定长径比的柱状和板状形态，即原位生长，使其产生类似与晶须增强的的效果。原位生长可以避免由于等轴晶粒与外加的晶须状物料不易均匀混合的问题。（疾病危害）,7,、自增强陶瓷基复合材料,7.5,陶瓷基复合材料,53,7,、自增强陶瓷基复合材料,7.5,陶瓷基复合材料,54,用陶瓷涂覆金属一般都使涂层的组分做梯度变化，以消除由于陶瓷与金属热膨胀系数的巨大差异而产生的热应力，从而保证涂层对金属基底的结合和使用可靠性。,8,、梯度陶瓷基复合材料,7.5,陶瓷基复合材料,55,二、陶瓷基复合材料的界面和界面设计,1,、界面的粘结形式,（,1,）机械结合,（,2,）化学结合,陶瓷基复合材料往往在高温下制备，由于增强体与基体的原子扩散，在界面上更易形成固溶体和化合物。此时其界面是具有一定厚度的反应区，它与基体和增强体都能较好的结合，但通常是脆性的。,7.5,陶瓷基复合材料,56,2,、界面的作用,陶瓷基复合材料的界面一方面应强到足以传递轴向载荷并具有高的横向强度；另一方面要弱到足以沿界面发生横向裂纹及裂纹偏转直到纤维的拔出。因此，陶瓷基复合材料界面要有一个最佳的界面强度。,图,1,陶瓷基复合材料界面示意图,7.5,陶瓷基复合材料,57,3,、界面性能的改善,为了获得最佳界面结合强度，希望避免界面化学反应或尽量降低界面的化学反应程度和范围。,实际当中除选择增强剂和基体在制备和材料服役期间能形成热动力学稳定的界面外，就是纤维表面涂层处理。包括,C,、,SiC,、,BN,、,ZrO,2,和,SnO,2,等。,7.5,陶瓷基复合材料,58,三、陶瓷基复合材料的性能,1,、室温力学性能,1,）拉伸强度和弹性模量,对陶瓷基复合材料来说陶瓷基体的失效应变低于纤维的失效应变，因此最初的失效往往是基体中晶体缺陷引起的开裂。如图所示，材料的拉伸失效有两种：,图 纤维陶瓷基复合材料应力,-,应变曲线示意图,7.5,陶瓷基复合材料,59,2,）断裂韧性,纤维拔出与裂纹偏转是复合材料韧性提高的主要机制。纤维含量增加，阻止裂纹扩展的势垒增加，断裂韧性增加。但当纤维含量超过一定量时，纤维局部分布不均，相对密度降低，气孔率增加，其抗弯强度反而降低。,图,C,F,/LAS,的断裂韧性和弯曲强度随纤维含量的变化,7.5,陶瓷基复合材料,60,2,、高温力学性能,1,）强度,分别为不同温度下,SiC,F,/MAS,堇青石,复合材料的力学性能变化。,7.5,陶瓷基复合材料,61,1,）强度,图,1,为,SiC,W,/Al,2,O,3,复合材料的断裂韧性随温度的变化。,图,2,是不同,SiC,W,含量的,Al2O3,复合材料的强度随温度的变化。,7.5,陶瓷基复合材料,62,2,）热冲击性（热震性）,材料在经受剧烈的温度变化或在一定起始温度范围内冷热交替作用而不致破坏的能力称为,抗热震性,（,Thermal shock Resistance,），也称之为,耐热冲击性或热稳定性,。抗热震性与材料本身的热膨胀系数、弹性模量、导热系数、抗张强度及材料中气相、玻璃相及其晶相的粒度有关。,图,20%SiC,W,/Al,2,O,3,复合材料的抗热震性能,在,Al2O3,中加入,20Vol%,的,SiC,晶须后，不仅强度提高了一倍，而且抗热震性得到明显提高。,7.5,陶瓷基复合材料,63,氧化铝陶瓷基体,以氧化铝（,Al,2,0,3,）为主要成分的陶瓷，氧化铝仅有一种热动力学稳定的相态，即,-,Al,2,O,3,属六方晶系。氧化铝陶瓷包括高纯氧化铝，,99,氧化铝，,95,氧化铝和,85,氧化铝等品种，其氧化铝含量（质量分数）依次为,99.9%,、,99%,、,95%,、,85%,，烧结温度依次为,1800,、,1700,、,1650,、,1500,。,Al,2,O,3,和,3Al,2,O,3,2SiO,2,为主晶相的称为刚玉,-,莫来石瓷，主要原料为高岭土、氧化铝和少量膨润土，烧结温度为,1350,左右。,四、陶瓷基体材料的种类、组成、结构和特性,7.5,陶瓷基复合材料,64,以氮化硅（,Si,3,N,4,）为主要成分的陶瓷称为氮化硅陶瓷。氮化硅陶瓷有两种形态，即,和,两种六方晶型，由于氮化硅中,Si-N,键结合强度高，属难烧结物质。氮化硅烧结技术有烧结氮化硅，热压氮化硅，反应合成氮化硅，化学气相沉积氮化硅等。各种制备技术所需的工艺条件各不相同，所得到的氮化硅的性能各有差异。另外氮化硅性能与添加剂的种类有关。,氮化物陶瓷基体材料,7.5,陶瓷基复合材料,65,7.5,陶瓷基复合材料,66,以碳化硅为主要成分的陶瓷称为碳化硅陶瓷。,SiC,是一种非常硬和抗磨蚀材料，以热压制造的,SiC,可以用来制作切割钻石的刀具。,SiC,还具有优异的抗腐蚀性，抗氧化性。,SiC,并不在自然界中存在，主要通过热压、烧结、反应烧结和化学气相沉积等技术制备，,Si-C,属于典型的共价键，为了提高陶瓷的致密程度，常添加,MgO,、,Y,2,O,3,、,B,、,C,、,Al,等能够降低晶界能的粉末以促进烧结。,碳化物陶瓷基体,7.5,陶瓷基复合材料,67,7.5,陶瓷基复合材料,68,四、陶瓷复合材料的制备,对于短纤维、晶须、晶片和颗粒状的陶瓷基复合材料的生产通常采用普通的的陶瓷生产工艺即粉体的制备、成型和烧结。,对于连续性纤维增强体采用用泥浆浸润后热压烧结和化学气相烧结（,CVI,）,7.5,陶瓷基复合材料,69,普通陶瓷生产工艺,为了克服粉末冶金法中各组元混合不均的问题，采用了浆体（湿态）法制备陶瓷基复合材料。,其混合体为浆体形式。混合体中各组元保持散凝状，即在浆体中呈弥散分布。这可通过调整水溶液的,pH,值来实现。,对浆体进行超声波震动搅拌则可进一步改善弥散性。弥散的浆体可直接浇铸成型或热（冷）压后烧结成型。适用于颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料。,7.5,陶瓷基复合材料,70,晶须含量对复合材料的相对密度和力学性能的影响,7.5,陶瓷基复合材料,71,不同温度气氛下烧结的复合材料的抗弯强度,(,晶须含量为,30vol%,7.5,陶瓷基复合材料,72,反应烧结法,用此方法制备陶瓷基复合材料，除基体材料几乎无收缩外，还具有以下优点：,增强剂的体积比可以相当大；,可用多种连续纤维预制体；,大多数陶瓷基复合材料的反应烧结温度低于陶瓷的烧结温度，因此可避免纤维的损伤。,此方法最大的缺点是高气孔率难以避免。,反应烧结法制备,SiC/Si3N4,基复合材料工艺流程,7.5,陶瓷基复合材料,73,在颗粒、晶须、纤维以及具有开口气孔的增强骨架上沉积所需陶瓷基质制备陶瓷基复合材料。工艺路线：,增强体制成预成型体,放入低温容器,通源气,升温,源气热分解,沉积下来的基质填满气孔。,特点：得到晶体结构良好的基体，可以得到形状比较复杂的复合材料；缺点，工序时间长，预成型体的加热反应可能引起增强体的性能下降。,CVD,（,chemical vapor deosition,）法即气相化学沉积法。,7.5,陶瓷基复合材料,74,将氮化硼纤维的三维织物浸渍硼酸,使硼酸转变成氮化硼基体,然后经高纯硅溶胶加压,(,70 MPa),浸渍、热压烧成制备了,BNf/(BN+SiO2),复合材料,材料的最佳组成是二氧化硅,2%,18%,氮化硼,5%,15%,。氮化硼纤维织物的纱线走向与热压作用力方向关系,导弹天线罩,浸渍法,7.5,陶瓷基复合材料,75,1,、为什么陶瓷材料多表现为脆性,?,陶瓷基复合材料,2,、多相复合材料的设计三项原则是什么,?,思考题,复合材料,3,、用作高温复合材料增强成分的纤维基本要求有哪些？,4,、影响复合材料性能的主要因素有哪些？因素,5,、简述复合材料界面形成过程,76,举例说明无机非金属新材料如何引导科技进步。,举例几种正处于发展期的无机非金属新材料。,何为陶瓷基复合材料，结合文献，了解陶瓷基复合材料的研发现状,列举陶瓷坯体的基本成型方法，谈谈它们各自的优缺点。,谈谈粉体的团聚及对陶瓷成型的影响。,论文题目,77,一、期刊发表论文的标准格式为：,文章标题,作者姓名 作者单位：（包括单位全称、邮政编码）,摘 要,（以摘录或缩编方式复述文章的主要内容）,50,300,字,关键词,（选用可表达文章主要内容的词或词组）,3,8,个关键词,正文,参考文献：,1 2 3,（有的期刊还要求英文摘要和英文关键词）,作者简介与作者联系方式,78,二、针对以上格式组成还须注意：,1,、标题,期刊发表论文题目是一篇论文给出的涉及论文范围与水平的第一个重要信息，也是必须考虑到有助于选定关键词和编制题录、索引等二次文献可以提供检索的特定实用信息。论文题目十分重要，必须用心斟酌选定。有人描述其重要性，用了下面的一 句话：,论文题目是文章的一半,。,（,1,）准确得体,要求论文题目能准确表达论文内容，恰当反映所研究的范围和深度。,（,2,）简短精炼,力求题目的字数要少，用词需要精选。至于多少字算是合乎要求，并无统一的,硬性,规定，一般希望一篇论文题目不要超出,20,个字,.,（,3,）外延和内涵要恰如其分,79,2,、正文,期刊发表论文格式要求正文篇幅一般在,2000,-8000,字不等，包括简短引言、论述分析、结果和结论等内容。文中出现的外文缩写除公知公用的首次出现一律应标有中文翻译或外文全称。文中图、表应有自明性，且随文出现，并要有相应的英文名。图中文字、符号、坐标中的标值和标值线必须写清，所有出现的数值都应标有明确的量与单位。文中表格一律采用,三线表,。,文中有关量与单位必须符合国家标准和国际标准。正文章节编号采用三级标题顶格排序。一级标题形如,1,，,2,，,3,，,排序；二级标题形如,1.1,，,1.2,，,1.3,，,排序；三级标题形如,1.1.1,，,1.1.2,，,1.1.3,，,排序；引言不排序。,80,3,、参考文献,期刊发表论文格式要求有专著（,M,），论文集（,C,），报纸文集（,N,），期刊文章（,J,），学位论文（,D,），报告（,R,），标准（,S,），专利（,P,），其他未说明文章（,Z,）,参考文献如为专著，项目包括：作者姓名,.,书名,.,版本,.,出版地：出版者，出版年；,参考文献如为期刊，项目包括：作者姓名,.,版本,.,年,.,月,.,卷,(,期,),年,.,月,.,卷,(,期,).,出版地：出版者，出版年；,参考文献如为电子文献，项目包括：作者姓名,.,电子文献题名,.,文献出处或网址，发表或更新日期,.,81,4,、作者信息,包括作者简介（,100,字以内）出生年月 性别 毕业院校 学历 主要研究方向。作者联系方式，包括：地址，邮编，电话，（含手机）,E-mail,等。,82,