陶瓷基體復(fù)合材料

1、第七章第七章陶瓷基體復(fù)合材料陶瓷基體復(fù)合材料目標(biāo)與要求目標(biāo)與要求l了解陶瓷材料的特點(diǎn)了解陶瓷材料的特點(diǎn)l掌握常見的陶瓷基體及性能掌握常見的陶瓷基體及性能l掌握陶瓷基體復(fù)合材料增韌機(jī)理掌握陶瓷基體復(fù)合材料增韌機(jī)理l掌握陶瓷基體復(fù)合材料主要的制備方法掌握陶瓷基體復(fù)合材料主要的制備方法l了解陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用了解陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用7.1 陶瓷材料的特點(diǎn)陶瓷材料的特點(diǎn)l熔點(diǎn)高，耐高溫熔點(diǎn)高，耐高溫l硬度大，耐磨性好硬度大，耐磨性好l化學(xué)穩(wěn)定性好，耐腐蝕化學(xué)穩(wěn)定性好，耐腐蝕l密度較小密度較小l韌性低（或脆性）韌性低（或脆性）l熱膨脹系數(shù)較小，熱膨脹系數(shù)較小，抗熱震性能差抗熱震性能差化合物化合物熔點(diǎn)熔

2、點(diǎn)/化合物化合物熔點(diǎn)熔點(diǎn)/化合物化合物熔點(diǎn)熔點(diǎn)/al2o32054zno1975zrn2980zro22677tio21857ti2b2897莫來石莫來石1850sic2837tic3070一些陶瓷材料的熔點(diǎn)一些陶瓷材料的熔點(diǎn)/ 使用溫度使用溫度材料的密度材料的密度熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)斷裂韌性斷裂韌性表表2-1 一一些些材材料料典典型型斷斷裂裂韌韌性性(k1c)值值材材 料料 k1c, mpa m1/2聚聚合合物物聚聚乙乙烯烯 1 - 2尼尼龍龍 3環(huán)環(huán)氧氧樹樹脂脂，聚聚酯酯 0.5金金屬屬純純金金屬屬（銅銅、鎳鎳、鋁鋁） 100 - 300鋁鋁合合金金 20 - 50鈦鈦合合金金 50 -

3、100低低碳碳鋼鋼 4 10陶陶瓷瓷玻玻璃璃 0.5 1氧氧化化鎂鎂 3氧氧化化鋁鋁 1 3碳碳化化硅硅 2 4氮氮化化硅硅 3 - 5因此，陶瓷材料的因此，陶瓷材料的便成了便成了近年來陶瓷工作者們研究的一個(gè)重點(diǎn)問題。近年來陶瓷工作者們研究的一個(gè)重點(diǎn)問題。現(xiàn)在這方面的研究巳取得了初步進(jìn)展，現(xiàn)在這方面的研究巳取得了初步進(jìn)展，探索出了若干種探索出了若干種?，F(xiàn)代陶瓷材料的研究，最早是從對現(xiàn)代陶瓷材料的研究，最早是從對開始的，隨后又逐步擴(kuò)大開始的，隨后又逐步擴(kuò)大到了其他的到了其他的。目前被人們研究最多的是目前被人們研究最多的是、等，它們普遍具有等，它們普遍具有耐高溫耐高溫、耐腐蝕耐腐蝕、高強(qiáng)度高強(qiáng)度、

4、重量輕重量輕和和價(jià)格低價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。等優(yōu)點(diǎn)。7.2常見的陶瓷基復(fù)合材料的基體常見的陶瓷基復(fù)合材料的基體陶瓷基復(fù)合材料的基體陶瓷基復(fù)合材料的基體為為，這是一種，這是一種包括范圍很廣的材料，屬于包括范圍很廣的材料，屬于而不是單而不是單質(zhì)，所以它的質(zhì)，所以它的結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比金屬合金復(fù)雜得多結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比金屬合金復(fù)雜得多。 陶瓷材料中的化學(xué)鍵往注是介于離子鍵與共陶瓷材料中的化學(xué)鍵往注是介于離子鍵與共價(jià)鍵之間的混合鍵。它們普遍具有耐高溫、耐腐價(jià)鍵之間的混合鍵。它們普遍具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、重量輕和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。蝕、高強(qiáng)度、重量輕和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。常見的陶瓷基體有：常見的陶瓷基體有：1 1、氧化物基體氧化物基體，

5、 2 2、非氧非氧化物陶瓷指金屬碳化物化物陶瓷指金屬碳化物，氮化物氮化物、硼化物硼化物等等 3 3、微晶玻璃微晶玻璃 1 1、氧化物陶瓷、氧化物陶瓷 l主要由離子鍵結(jié)合，也有一定成分的共價(jià)鍵主要由離子鍵結(jié)合，也有一定成分的共價(jià)鍵 l純氧化物陶瓷的熔點(diǎn)多超過純氧化物陶瓷的熔點(diǎn)多超過2000。在。在8001000以前強(qiáng)度降低不大以前強(qiáng)度降低不大 l氧化物陶瓷在高溫下不會被氧化，所以常做高氧化物陶瓷在高溫下不會被氧化，所以常做高溫耐火結(jié)構(gòu)材料溫耐火結(jié)構(gòu)材料 l常見的基體材料有氧化鋁和氧化鋯陶瓷常見的基體材料有氧化鋁和氧化鋯陶瓷 1）氧化鋁陶瓷的主要性能）氧化鋁陶瓷的主要性能 主要有具有主要有具有、和

6、和三種晶型，其中三種晶型，其中和和型是純氧化型是純氧化鋁，而鋁，而型是含堿的鋁酸鹽型是含堿的鋁酸鹽 基體材料的氧化鋁陶瓷主要是基體材料的氧化鋁陶瓷主要是-al2o3，純度為，純度為9999.5，密度，密度3.753.85g/cm3，熔點(diǎn)，熔點(diǎn)2054。剛玉瓷具。剛玉瓷具有很好的機(jī)械強(qiáng)度，加熱到有很好的機(jī)械強(qiáng)度，加熱到16001700仍保持很高的仍保持很高的機(jī)械強(qiáng)度。化學(xué)穩(wěn)定性好，與酸堿都不發(fā)生作用，常溫機(jī)械強(qiáng)度?；瘜W(xué)穩(wěn)定性好，與酸堿都不發(fā)生作用，常溫下，也不與氫氟酸發(fā)生作用。具有很好的介電性，同時(shí)下，也不與氫氟酸發(fā)生作用。具有很好的介電性，同時(shí)還可以作為透光度為還可以作為透光度為80以上的制品

7、。以上的制品。 2）氧化鋯陶瓷）氧化鋯陶瓷 單斜變四方時(shí)體積收縮單斜變四方時(shí)體積收縮7.7，晶型轉(zhuǎn)變產(chǎn)生明顯的晶型轉(zhuǎn)變產(chǎn)生明顯的體積收縮或膨脹，可以加入一些的穩(wěn)定劑，如體積收縮或膨脹，可以加入一些的穩(wěn)定劑，如cao、mgo等，保持氧化鋯的四方結(jié)構(gòu)。等，保持氧化鋯的四方結(jié)構(gòu)。 氧化鋯熔點(diǎn)氧化鋯熔點(diǎn)2667，熱的不良導(dǎo)體，化學(xué)性能穩(wěn)定。，熱的不良導(dǎo)體，化學(xué)性能穩(wěn)定。可作為耐火材料，熔融鉑、銠、鈦等金屬的坩鍋，可作為耐火材料，熔融鉑、銠、鈦等金屬的坩鍋，最高溫度可達(dá)最高溫度可達(dá)2500?？捎米骰鸺蛧姎獍l(fā)動機(jī)的?？捎米骰鸺蛧姎獍l(fā)動機(jī)的耐腐蝕部件。耐腐蝕部件。 2、非氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷 在自然

8、界很少，需要人工合成。非氧化物陶瓷在自然界很少，需要人工合成。非氧化物陶瓷主要是共價(jià)鍵結(jié)合而成，但也有一定的金屬鍵主要是共價(jià)鍵結(jié)合而成，但也有一定的金屬鍵成分。這類陶瓷材料的熔點(diǎn)高、硬度大和耐磨成分。這類陶瓷材料的熔點(diǎn)高、硬度大和耐磨性好。具有特殊的電磁和化學(xué)性質(zhì)。但這類材性好。具有特殊的電磁和化學(xué)性質(zhì)。但這類材料的脆性大，高溫抗氧化能力不高，所以在高料的脆性大，高溫抗氧化能力不高，所以在高溫氧化氣氛中使用壽命有限。常見的基體材料溫氧化氣氛中使用壽命有限。常見的基體材料有有碳化硅碳化硅和和氮化硅氮化硅陶瓷。陶瓷。 1）碳化硅陶瓷）碳化硅陶瓷 和和兩種晶型，兩種晶型， 為六方型多層鏈狀結(jié)構(gòu)。為六

9、方型多層鏈狀結(jié)構(gòu)。型為立方結(jié)構(gòu)，在型為立方結(jié)構(gòu)，在2100轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)樾?。無熔點(diǎn)，在型。無熔點(diǎn)，在2830發(fā)生分解。理論密度發(fā)生分解。理論密度3.21g/cm3，莫氏硬度，莫氏硬度9.29.2，耐磨性好，導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)，耐磨性好，導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)4.710-6/?；瘜W(xué)穩(wěn)定性好，除磷酸、硝酸和氫氟酸混合。化學(xué)穩(wěn)定性好，除磷酸、硝酸和氫氟酸混合酸外，與所有的酸都不反應(yīng)。碳化物中抗氧化能力酸外，與所有的酸都不反應(yīng)。碳化物中抗氧化能力最好。高溫下能與金屬氧化物發(fā)生反應(yīng)最好。高溫下能與金屬氧化物發(fā)生反應(yīng) 工業(yè)陶瓷中碳化硅有工業(yè)陶瓷中碳化硅有黑色黑色和和綠色綠色兩種，黑色是碳過兩種，黑色是碳過量

10、，綠色是硅過量量，綠色是硅過量 2）氮化硅陶瓷）氮化硅陶瓷 氮和硅的唯一化合物。有氮和硅的唯一化合物。有、兩中晶型，兩中晶型，屬于屬于低溫型，在低溫型，在14001600時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)樾停ǜ邷胤€(wěn)定型（高溫穩(wěn)定型）。兩種變體均屬于六方晶系，但型）。兩種變體均屬于六方晶系，但c c方向上方向上型晶型晶格常數(shù)格常數(shù)型的型的2倍。兩種晶型密度很相近，相變時(shí)幾倍。兩種晶型密度很相近，相變時(shí)幾乎不發(fā)生體積變化乎不發(fā)生體積變化 。理論密度為。理論密度為3.184g/cm3，布氏，布氏硬度硬度9999級，分解溫度級，分解溫度1900，型膨脹系數(shù)為型膨脹系數(shù)為3.010-6/, 型熱膨脹系數(shù)為型熱膨脹系數(shù)為3

11、.610-6/。20時(shí)時(shí)電阻率為電阻率為101314cm。機(jī)械強(qiáng)度高，尤其是高溫機(jī)。機(jī)械強(qiáng)度高，尤其是高溫機(jī)械強(qiáng)度。化學(xué)穩(wěn)定性好，抗氧化能力強(qiáng)械強(qiáng)度?；瘜W(xué)穩(wěn)定性好，抗氧化能力強(qiáng) 氮化硅原子自擴(kuò)散系數(shù)非常小，制備難，近年來氮化硅原子自擴(kuò)散系數(shù)非常小，制備難，近年來人們開始研究添加氧化鋁形成的氮化硅固溶體形人們開始研究添加氧化鋁形成的氮化硅固溶體形成成sialon陶瓷（賽隆，含有陶瓷（賽隆，含有si、al、o、n四種元四種元素）。素）。 氮化硅是一種出色的耐腐蝕材料，可用作坩鍋，氮化硅是一種出色的耐腐蝕材料，可用作坩鍋，熱電歐保護(hù)管，金屬冶煉爐的內(nèi)襯材料。有極高熱電歐保護(hù)管，金屬冶煉爐的內(nèi)襯材料。

12、有極高的熱穩(wěn)定性和中等的機(jī)械強(qiáng)度，可以用作火箭噴的熱穩(wěn)定性和中等的機(jī)械強(qiáng)度，可以用作火箭噴嘴、導(dǎo)彈發(fā)射臺和尾氣噴管以及燃?xì)廨喨~片。嘴、導(dǎo)彈發(fā)射臺和尾氣噴管以及燃?xì)廨喨~片。 微晶玻璃微晶玻璃 玻璃組成中引入晶核劑，通過熱處理、光照或化學(xué)玻璃組成中引入晶核劑，通過熱處理、光照或化學(xué)處理等手段，使玻璃內(nèi)均勻析出大量微小晶體，形處理等手段，使玻璃內(nèi)均勻析出大量微小晶體，形成致密的微晶相和玻璃相的成致密的微晶相和玻璃相的多相復(fù)合體多相復(fù)合體?？刂莆龀??？刂莆龀龅奈⒕У姆N類、數(shù)量和尺寸，可以獲得透明微晶玻的微晶的種類、數(shù)量和尺寸，可以獲得透明微晶玻璃、膨脹系數(shù)為零的微晶玻璃及可切削的微晶玻璃。璃、膨脹系數(shù)

13、為零的微晶玻璃及可切削的微晶玻璃。按照基礎(chǔ)玻璃組成，分為按照基礎(chǔ)玻璃組成，分為硅酸鹽、鋁硅酸鹽、硼硅硅酸鹽、鋁硅酸鹽、硼硅酸鹽、硼酸鹽和磷酸鹽酸鹽、硼酸鹽和磷酸鹽5 5大類大類 7.3 陶瓷復(fù)合材料分類陶瓷復(fù)合材料分類 按照用途分類按照用途分類l結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料l功能陶瓷復(fù)合材料功能陶瓷復(fù)合材料 按照增強(qiáng)材料形態(tài)分類按照增強(qiáng)材料形態(tài)分類l顆粒增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料l纖維（晶須）增強(qiáng)復(fù)合材料纖維（晶須）增強(qiáng)復(fù)合材料l片材增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料片材增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料 一、顆粒增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料一、顆粒增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料延性顆粒延性顆粒 過渡元素過渡元素( (鐵、鈷、鎳、鉻、鎢、鉬

14、等）鐵、鈷、鎳、鉻、鎢、鉬等）及其合金。復(fù)合材料韌性有明顯提高，強(qiáng)度不足及其合金。復(fù)合材料韌性有明顯提高，強(qiáng)度不足 剛性顆粒剛性顆粒 主要是陶瓷顆粒主要是陶瓷顆粒，如如sic、tib2、b4c等，脆性問題沒有解決等，脆性問題沒有解決 顆粒彌散強(qiáng)化顆粒彌散強(qiáng)化 直徑從納米量級到幾十個(gè)微米，利用彈性直徑從納米量級到幾十個(gè)微米，利用彈性模量和熱膨脹系數(shù)的差異，在冷卻粒子和基體周圍產(chǎn)生殘余模量和熱膨脹系數(shù)的差異，在冷卻粒子和基體周圍產(chǎn)生殘余應(yīng)力場。與擴(kuò)展裂紋尖端應(yīng)力交互作用，從而產(chǎn)生裂紋的偏應(yīng)力場。與擴(kuò)展裂紋尖端應(yīng)力交互作用，從而產(chǎn)生裂紋的偏轉(zhuǎn)、繞道、分支和釘扎等效用，從而對基體產(chǎn)生增韌作用轉(zhuǎn)、繞道、

15、分支和釘扎等效用，從而對基體產(chǎn)生增韌作用 真正的顆粒增強(qiáng)真正的顆粒增強(qiáng) 顆粒尺寸處于微米量級，如混凝土、砂顆粒尺寸處于微米量級，如混凝土、砂輪磨料輪磨料 陶瓷基復(fù)合材料尤其是先進(jìn)陶瓷基顆粒復(fù)合材料大陶瓷基復(fù)合材料尤其是先進(jìn)陶瓷基顆粒復(fù)合材料大多數(shù)是指多數(shù)是指顆粒彌散增強(qiáng)顆粒彌散增強(qiáng)。成本低，復(fù)合材料呈各向。成本低，復(fù)合材料呈各向同性。除了金屬增韌粒子外，顆粒增強(qiáng)在高溫下仍同性。除了金屬增韌粒子外，顆粒增強(qiáng)在高溫下仍然起作用。然起作用。 剛性顆粒增強(qiáng)剛性顆粒增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性陶瓷復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性都有所增加，但結(jié)果不甚理想，尤其是斷裂韌性。都有所增加，但結(jié)果不甚理想，

16、尤其是斷裂韌性。金屬顆粒增強(qiáng)金屬顆粒增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料韌性可以顯著增強(qiáng)，但陶瓷復(fù)合材料韌性可以顯著增強(qiáng)，但強(qiáng)度變化不大，尤其是高溫強(qiáng)度下降強(qiáng)度變化不大，尤其是高溫強(qiáng)度下降顆粒增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料增韌機(jī)理顆粒增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料增韌機(jī)理 熱膨脹系數(shù)的失配熱膨脹系數(shù)的失配 顆粒增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料增韌機(jī)理顆粒增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料增韌機(jī)理 裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋橋聯(lián)裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋橋聯(lián) 顆粒增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料增韌機(jī)理顆粒增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料增韌機(jī)理 相變增韌相變增韌 右圖顯示了右圖顯示了對對復(fù)合材料復(fù)合材料性能的影響。性能的影響。從中可以看出，在從中可以看出，在強(qiáng)度出現(xiàn)峰值。強(qiáng)度出現(xiàn)峰值。下圖為下圖為對對復(fù)合材料性能的復(fù)

17、合材料性能的影響。影響。 從中可以看出，在從中可以看出，在強(qiáng)度及強(qiáng)度及韌性達(dá)到了最高值。韌性達(dá)到了最高值。二、纖維（晶須）增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料二、纖維（晶須）增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料 晶須有石墨、碳化硅、氮化硅和氧化鋁等晶須有石墨、碳化硅、氮化硅和氧化鋁等纖維多為多晶或非晶材料，如玻璃纖維、碳纖纖維多為多晶或非晶材料，如玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、氧化鋁纖維和碳化硅纖維等。維、硼纖維、氧化鋁纖維和碳化硅纖維等。 纖維和晶須里面的缺陷和微裂紋很少，所以力纖維和晶須里面的缺陷和微裂紋很少，所以力學(xué)性能要優(yōu)于塊狀材料，尤其是晶須的強(qiáng)度，學(xué)性能要優(yōu)于塊狀材料，尤其是晶須的強(qiáng)度，接近理論強(qiáng)度。接近理論強(qiáng)度。纖維（晶須

18、）增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料增韌機(jī)理纖維（晶須）增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料增韌機(jī)理目前常用的是目前常用的是sic，si3n4，al2o3晶須，常用的晶須，常用的基體則為基體則為al2o3，zro2，sio2，si3n4及莫來石等。及莫來石等。晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料的性能與基體和晶須晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料的性能與基體和晶須的選擇，晶須的含量及分布等因素有關(guān)。的選擇，晶須的含量及分布等因素有關(guān)。從上面的討論知道，由于從上面的討論知道，由于，因此，當(dāng)其含量較高時(shí)，因其，因此，當(dāng)其含量較高時(shí)，因其而使致密化變得因難，從而引起了密而使致密化變得因難，從而引起了密度的下降并導(dǎo)致性能的下降。度的下降并導(dǎo)致性能的下降。設(shè)計(jì)纖

19、維或晶須增強(qiáng)復(fù)合材料選擇纖維材料的原則：設(shè)計(jì)纖維或晶須增強(qiáng)復(fù)合材料選擇纖維材料的原則：a，增強(qiáng)體要在基體中均勻分布；，增強(qiáng)體要在基體中均勻分布；b，彈性模量要匹配，一般纖維的強(qiáng)度、彈性模量，彈性模量要匹配，一般纖維的強(qiáng)度、彈性模量要大于基體材料；要大于基體材料；c，纖維與基體要有很好的化學(xué)相容性，無明顯的，纖維與基體要有很好的化學(xué)相容性，無明顯的化學(xué)反應(yīng)或形成固溶體；化學(xué)反應(yīng)或形成固溶體；d，纖維與基體熱膨脹系數(shù)要匹配，對熱膨脹系數(shù)，纖維與基體熱膨脹系數(shù)要匹配，對熱膨脹系數(shù)差別大的，可在纖維表面涂層或引入雜質(zhì)使纖維和差別大的，可在纖維表面涂層或引入雜質(zhì)使纖維和基體界面產(chǎn)生新相緩沖應(yīng)力；基體界面

20、產(chǎn)生新相緩沖應(yīng)力；e，適量的纖維體積分?jǐn)?shù)；，適量的纖維體積分?jǐn)?shù)；f，纖維直徑要在臨界直徑以下。，纖維直徑要在臨界直徑以下。 連續(xù)長纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料連續(xù)長纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料的韌性、強(qiáng)度和模量都的韌性、強(qiáng)度和模量都有不同程度增強(qiáng)，而且制備工藝復(fù)雜，不容易均勻分有不同程度增強(qiáng)，而且制備工藝復(fù)雜，不容易均勻分布。布。短纖維（晶須）增強(qiáng)復(fù)合材料短纖維（晶須）增強(qiáng)復(fù)合材料可以明顯改善韌性，但可以明顯改善韌性，但強(qiáng)度提高不夠顯著。晶須具有長徑比，當(dāng)其含量較高強(qiáng)度提高不夠顯著。晶須具有長徑比，當(dāng)其含量較高時(shí)，因其橋架效應(yīng)而使致密化變得因難，引起了密度時(shí)，因其橋架效應(yīng)而使致密化變得因難，引起了密度的下降并

21、導(dǎo)致性能的下降。的下降并導(dǎo)致性能的下降。復(fù)合材料的性能與基體的復(fù)合材料的性能與基體的氣孔率氣孔率、界面結(jié)合界面結(jié)合有很大的有很大的關(guān)系關(guān)系若將若將與與共同使用共同使用，則可取長補(bǔ)短，則可取長補(bǔ)短，達(dá)到更好的效果。達(dá)到更好的效果。目前，已有了這方面的研究工作，如使目前，已有了這方面的研究工作，如使用用與與來來共同增韌共同增韌，用，用來來共同增韌共同增韌等。等。與與與與三、片狀增強(qiáng)陶瓷三、片狀增強(qiáng)陶瓷 由層片狀陶瓷結(jié)構(gòu)單元和界面分隔層兩部分由層片狀陶瓷結(jié)構(gòu)單元和界面分隔層兩部分組成組成 ，陶瓷層一般由強(qiáng)度大、耐高溫的的，陶瓷層一般由強(qiáng)度大、耐高溫的的陶瓷材料，可以承受較大的應(yīng)力，如陶瓷材料，可以承

22、受較大的應(yīng)力，如sic、si3n4、al2o3和和zro2等陶瓷材料，分隔層根等陶瓷材料，分隔層根據(jù)基體材料而不同據(jù)基體材料而不同 7.4 陶瓷基復(fù)合材料的制備陶瓷基復(fù)合材料的制備的制造分為兩個(gè)步驟：的制造分為兩個(gè)步驟：第一步是將第一步是將摻入摻入未固結(jié)未固結(jié)(或粉末狀或粉末狀)的的中，排列整齊或混合均勾；中，排列整齊或混合均勾；第二步是運(yùn)用第二步是運(yùn)用各種加工條件各種加工條件在盡量在盡量和和的前提下，制成復(fù)合材料制品。的前提下，制成復(fù)合材料制品。 在加工制備復(fù)合材料時(shí)，應(yīng)根據(jù)使用要求，在加工制備復(fù)合材料時(shí)，應(yīng)根據(jù)使用要求，針對不同的增強(qiáng)材料針對不同的增強(qiáng)材料(纖維、晶須、顆粒纖維、晶須、顆粒

23、)，選，選擇相應(yīng)的加工條件等因素。擇相應(yīng)的加工條件等因素。物理因素：熔點(diǎn)、揮發(fā)度、密度、彈性模物理因素：熔點(diǎn)、揮發(fā)度、密度、彈性模量、熱膨脹系數(shù)、蠕變性能、強(qiáng)度、斷裂韌性量、熱膨脹系數(shù)、蠕變性能、強(qiáng)度、斷裂韌性等。等。 化學(xué)因素：纖維和基體的化學(xué)相容性，尤化學(xué)因素：纖維和基體的化學(xué)相容性，尤其是高溫的化學(xué)相容性其是高溫的化學(xué)相容性一、冷壓和燒結(jié)法（粉末冶金法）一、冷壓和燒結(jié)法（粉末冶金法）二、熱壓燒結(jié)法二、熱壓燒結(jié)法 三、熱等靜壓燒結(jié)成型三、熱等靜壓燒結(jié)成型 四、滲透法四、滲透法 五、五、cvd、cvi法法 六、溶膠六、溶膠-凝膠（凝膠（sol-gel）法）法 七、熱解七、熱解(pyrolys

24、is)法法 八、其他方法八、其他方法具體的制備工藝具體的制備工藝一、冷壓和燒結(jié)法一、冷壓和燒結(jié)法 傳統(tǒng)的陶瓷生產(chǎn)工藝，是將粉末和纖維冷壓，傳統(tǒng)的陶瓷生產(chǎn)工藝，是將粉末和纖維冷壓，然后燒結(jié)。也可以在一定的條件下將陶瓷粉體和然后燒結(jié)。也可以在一定的條件下將陶瓷粉體和有機(jī)載體混合后，壓制成型，除去有機(jī)黏結(jié)劑，有機(jī)載體混合后，壓制成型，除去有機(jī)黏結(jié)劑，然后燒結(jié)成制品。然后燒結(jié)成制品。 在冷壓和燒結(jié)法的生產(chǎn)過程中，通常會遇到在冷壓和燒結(jié)法的生產(chǎn)過程中，通常會遇到燒結(jié)過程中制品收縮，同時(shí)最終產(chǎn)品中有許多裂燒結(jié)過程中制品收縮，同時(shí)最終產(chǎn)品中有許多裂紋的問題。在用纖維和晶須增強(qiáng)陶瓷基材料進(jìn)行紋的問題。在用纖維

25、和晶須增強(qiáng)陶瓷基材料進(jìn)行燒結(jié)時(shí)，除了會遇到陶瓷基收縮的問題外，還會燒結(jié)時(shí)，除了會遇到陶瓷基收縮的問題外，還會使燒結(jié)材料在燒結(jié)和冷卻時(shí)產(chǎn)生缺陷或內(nèi)應(yīng)力。使燒結(jié)材料在燒結(jié)和冷卻時(shí)產(chǎn)生缺陷或內(nèi)應(yīng)力。 熱壓是目前制備纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料最常熱壓是目前制備纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料最常用的方法，是用的方法，是壓力與溫度同時(shí)作用于粉體，加壓力與溫度同時(shí)作用于粉體，加快了粉體的致密化速度，使得產(chǎn)品的致密度更快了粉體的致密化速度，使得產(chǎn)品的致密度更高，同時(shí)晶粒尺寸也更小高，同時(shí)晶粒尺寸也更小。主要包括以下兩個(gè)。主要包括以下兩個(gè)步驟：步驟：增強(qiáng)相滲入沒有固化的基體中；增強(qiáng)相滲入沒有固化的基體中；固固化的復(fù)合材料被

26、熱壓成型?；膹?fù)合材料被熱壓成型。整個(gè)操作過程中纖維要特別小心對待，以防損整個(gè)操作過程中纖維要特別小心對待，以防損壞纖維表面壞纖維表面二、熱壓燒結(jié)法二、熱壓燒結(jié)法 三、熱等靜壓燒結(jié)成型三、熱等靜壓燒結(jié)成型 將粉體裝入橡膠或塑料等可變性容器中，密封后放將粉體裝入橡膠或塑料等可變性容器中，密封后放入液體中加壓而成。然后在氣體介質(zhì)高溫和高壓作用下，入液體中加壓而成。然后在氣體介質(zhì)高溫和高壓作用下，將基體與增強(qiáng)體燒結(jié)復(fù)合而成。將基體與增強(qiáng)體燒結(jié)復(fù)合而成。 燒結(jié)過程中，第二相的存在，特別是晶須的架橋作燒結(jié)過程中，第二相的存在，特別是晶須的架橋作用，阻礙陶瓷基體的致密化過程，而且晶須、纖維在高用，阻礙陶瓷

27、基體的致密化過程，而且晶須、纖維在高溫下有更強(qiáng)烈的分解趨勢，要求燒結(jié)的溫度不能太高。溫下有更強(qiáng)烈的分解趨勢，要求燒結(jié)的溫度不能太高。四、滲透法四、滲透法 在預(yù)制的增強(qiáng)材料坯件中使基體材料以固態(tài)、在預(yù)制的增強(qiáng)材料坯件中使基體材料以固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)的形式滲透制成復(fù)合材料。比較常用液態(tài)或氣態(tài)的形式滲透制成復(fù)合材料。比較常用的是液相滲透。的是液相滲透。 由于熔融的陶瓷具有較高的黏度，通過對增由于熔融的陶瓷具有較高的黏度，通過對增強(qiáng)材料的表面處理，來提高其浸漬性，加壓和抽強(qiáng)材料的表面處理，來提高其浸漬性，加壓和抽真空這兩種物理方法也可以被用來提高滲透性。真空這兩種物理方法也可以被用來提高滲透性。優(yōu)點(diǎn)是制

28、造工藝簡單，制品均勻。優(yōu)點(diǎn)是制造工藝簡單，制品均勻。五、五、cvd、cvi法法cvd法就是利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)，通過一些反法就是利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)，通過一些反應(yīng)性混合氣體在高溫狀態(tài)下反應(yīng)，分解出陶瓷材應(yīng)性混合氣體在高溫狀態(tài)下反應(yīng)，分解出陶瓷材料并沉積在各種增強(qiáng)材料上形成陶瓷基復(fù)合材料料并沉積在各種增強(qiáng)材料上形成陶瓷基復(fù)合材料的方法。的方法。cvi法法 在在cvd技術(shù)上發(fā)展起來并被廣泛應(yīng)用于各技術(shù)上發(fā)展起來并被廣泛應(yīng)用于各種陶瓷基復(fù)合材料。將化學(xué)氣相沉積技術(shù)運(yùn)用在種陶瓷基復(fù)合材料。將化學(xué)氣相沉積技術(shù)運(yùn)用在將大量陶瓷材料滲透進(jìn)增強(qiáng)材料預(yù)制坯件的工藝將大量陶瓷材料滲透進(jìn)增強(qiáng)材料預(yù)制坯件的工藝就稱為

29、化學(xué)氣相滲透工藝。就稱為化學(xué)氣相滲透工藝。六、溶膠六、溶膠-凝膠（凝膠（sol-gel）法）法運(yùn)用膠體化學(xué)的方法，將含有金屬化合物的溶液，運(yùn)用膠體化學(xué)的方法，將含有金屬化合物的溶液，與增強(qiáng)材料混合后反應(yīng)形成溶膠，溶膠在一定的與增強(qiáng)材料混合后反應(yīng)形成溶膠，溶膠在一定的條件下轉(zhuǎn)化成為凝膠，然后燒結(jié)成條件下轉(zhuǎn)化成為凝膠，然后燒結(jié)成cmc的一種工的一種工藝。藝。反應(yīng)溫度要低于傳統(tǒng)工藝中的熔融和燒結(jié)溫度，反應(yīng)溫度要低于傳統(tǒng)工藝中的熔融和燒結(jié)溫度，七、熱解七、熱解(pyrolysis)法法 使聚合物先驅(qū)體熱解形成陶瓷基復(fù)合材料的使聚合物先驅(qū)體熱解形成陶瓷基復(fù)合材料的方法。方法。 如由聚碳硅烷生產(chǎn)如由聚碳硅

30、烷生產(chǎn)sic陶瓷基復(fù)合材料，陶陶瓷基復(fù)合材料，陶瓷產(chǎn)量高、收低率縮、好的機(jī)械性能，同時(shí)聚瓷產(chǎn)量高、收低率縮、好的機(jī)械性能，同時(shí)聚合物本身容易制備?？捎脕砩a(chǎn)合物本身容易制備。可用來生產(chǎn)sicf/sic和和si3n4f/sic等陶瓷基復(fù)合材料。等陶瓷基復(fù)合材料。 八八 其他方法其他方法 自蔓燃高溫合成法自蔓燃高溫合成法碳化物基復(fù)合材料（碳化物基復(fù)合材料（如如al2o3/sic、al2o3/b4c、al2o3/tic) 、氮化物、氮化物基復(fù)合材料基復(fù)合材料( (al2o3/tin）、硼化物基復(fù)合材料硼化物基復(fù)合材料( (al2o3/tin、tic/tib2）原位生長工藝原位生長工藝 如在氮化硅陶瓷

31、在高壓氣氛如在氮化硅陶瓷在高壓氣氛中燒結(jié)生成中燒結(jié)生成-si3n4晶須晶須 7.5 陶瓷基體復(fù)合材料應(yīng)用陶瓷基體復(fù)合材料應(yīng)用l航空與火力發(fā)電方面航空與火力發(fā)電方面 渦輪機(jī)燃燒室覆壁、渦輪渦輪機(jī)燃燒室覆壁、渦輪盤、導(dǎo)向葉片和螺栓。減小質(zhì)量，提高燃燒效率，盤、導(dǎo)向葉片和螺栓。減小質(zhì)量，提高燃燒效率，減少有害氣體排放，節(jié)省冷卻系統(tǒng)。減少有害氣體排放，節(jié)省冷卻系統(tǒng)。l石油化工石油化工 如催化劑載體、熱交換器。耐高溫、如催化劑載體、熱交換器。耐高溫、抗腐蝕。提高燃燒溫度，提高熱效率，減少有害抗腐蝕。提高燃燒溫度，提高熱效率，減少有害氣體排放氣體排放l冶金材料冶金材料 熔煉爐耐火材料，鋼液過濾材料熔煉爐耐

32、火材料，鋼液過濾材料l生物工程生物工程 人類骨骼和牙齒的替代材料人類骨骼和牙齒的替代材料l機(jī)械與汽車工業(yè)機(jī)械與汽車工業(yè) 機(jī)械加工刀具、滑動構(gòu)件。耐機(jī)械加工刀具、滑動構(gòu)件。耐磨軸承、噴嘴。汽車方面火花塞、密封圈、渦輪磨軸承、噴嘴。汽車方面火花塞、密封圈、渦輪轉(zhuǎn)子等轉(zhuǎn)子等航空與火力發(fā)電方面航空與火力發(fā)電方面用碳化硅晶須用碳化硅晶須增強(qiáng)的氧化鋁增強(qiáng)的氧化鋁陶瓷復(fù)合材料陶瓷復(fù)合材料刀具刀具作業(yè)作業(yè) 簡述常見的陶瓷基體及特性簡述常見的陶瓷基體及特性 簡述陶瓷基體復(fù)合材料的分類簡述陶瓷基體復(fù)合材料的分類 不同增強(qiáng)體的增強(qiáng)機(jī)理是什么不同增強(qiáng)體的增強(qiáng)機(jī)理是什么 常見的陶瓷基體復(fù)合材料制備方法有哪些常見的陶瓷基

33、體復(fù)合材料制備方法有哪些7.7 c/c復(fù)合材料復(fù)合材料 由石墨纖維和石墨基體組成，具有高由石墨纖維和石墨基體組成，具有高的燒蝕熱、低燒蝕率，在抗熱沖擊和超熱的燒蝕熱、低燒蝕率，在抗熱沖擊和超熱環(huán)境下具有高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。主要應(yīng)用于以環(huán)境下具有高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。主要應(yīng)用于以航天飛機(jī)鼻錐和機(jī)翼前緣的抗氧化碳航天飛機(jī)鼻錐和機(jī)翼前緣的抗氧化碳/ /碳碳復(fù)合材料為代表。復(fù)合材料為代表。 碳碳/ /碳復(fù)合材料的發(fā)展碳復(fù)合材料的發(fā)展l19581958年美國年美國chance voughtchance vought航空公司實(shí)驗(yàn)室一航空公司實(shí)驗(yàn)室一次失敗的試驗(yàn)，意外發(fā)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)碳基體次失敗的試驗(yàn)，意外發(fā)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)碳

34、基體復(fù)合材料。復(fù)合材料。l6060年代中期到年代中期到7070年代末期迅速發(fā)展的階段。年代末期迅速發(fā)展的階段。 現(xiàn)代空間技術(shù)，高強(qiáng)、高模量碳纖維，多種現(xiàn)代空間技術(shù)，高強(qiáng)、高模量碳纖維，多種cvdcvd沉積沉積碳基體工藝技術(shù)碳基體工藝技術(shù) l 8080年代后逐步成熟年代后逐步成熟 預(yù)成型體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和多向編織加工技術(shù)日趨發(fā)展預(yù)成型體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和多向編織加工技術(shù)日趨發(fā)展成熟；復(fù)合材料的致密化工藝逐漸完善成熟；復(fù)合材料的致密化工藝逐漸完善 一、一、c/c復(fù)合材料的制備復(fù)合材料的制備 1 1、預(yù)制體的制備、預(yù)制體的制備 2 2、預(yù)制體與基體的復(fù)合、預(yù)制體與基體的復(fù)合 1、碳纖維預(yù)制體的制備、碳纖維預(yù)制

35、體的制備l碳纖維的選擇碳纖維的選擇l碳纖維編織結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)碳纖維編織結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 1）碳纖維的選擇碳纖維的選擇 通常使用通常使用加捻加捻、有涂層有涂層的連續(xù)碳纖維紗。的連續(xù)碳纖維紗。 用作用作結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料時(shí)選擇時(shí)選擇高強(qiáng)度高強(qiáng)度和和高模量高模量的碳纖維。的碳纖維。要求要求熱導(dǎo)率低熱導(dǎo)率低時(shí)，選擇時(shí)，選擇低模量低模量的碳纖維。的碳纖維。 總之，應(yīng)該從總之，應(yīng)該從價(jià)格價(jià)格、預(yù)制體紡織形態(tài)預(yù)制體紡織形態(tài)、性能性能以及以及穩(wěn)定性穩(wěn)定性等多方面因素選擇碳纖維。等多方面因素選擇碳纖維。2）碳纖維編制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)碳纖維編制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照增強(qiáng)方式可分為單向纖維增強(qiáng)、二維織物或多按照增強(qiáng)方式可分為單向纖維增強(qiáng)、二維織

36、物或多向織物增強(qiáng)向織物增強(qiáng)單向和二維大多是將碳纖維、碳纖維平面編織物或單向和二維大多是將碳纖維、碳纖維平面編織物或碳?xì)值阮A(yù)先浸漬高碳化的瀝青或樹脂，形成預(yù)浸片，碳?xì)值阮A(yù)先浸漬高碳化的瀝青或樹脂，形成預(yù)浸片，按設(shè)計(jì)要求搭層或鋪層、再進(jìn)行二次固化獲得預(yù)成按設(shè)計(jì)要求搭層或鋪層、再進(jìn)行二次固化獲得預(yù)成型體型體 單向增強(qiáng)可以在一個(gè)方向上獲得高拉伸強(qiáng)度的碳單向增強(qiáng)可以在一個(gè)方向上獲得高拉伸強(qiáng)度的碳/碳復(fù)合材料碳復(fù)合材料 纖維層纖維層基體基體 兩向編織物有平紋和緞紋兩種。編織物的性能兩向編織物有平紋和緞紋兩種。編織物的性能決定于相鄰兩股紗的決定于相鄰兩股紗的間距間距、紗的、紗的尺寸尺寸、每個(gè)方向上每個(gè)方向上

37、紗的百分含量紗的百分含量、紗的填充效率紗的填充效率以及以及編制圖案的復(fù)雜編制圖案的復(fù)雜性性 。 兩向碳兩向碳/碳復(fù)合材料在平行于布層的方向上拉伸碳復(fù)合材料在平行于布層的方向上拉伸強(qiáng)度比石墨纖維高，并且提高了抗熱應(yīng)力性能和斷強(qiáng)度比石墨纖維高，并且提高了抗熱應(yīng)力性能和斷裂韌性，容易制造大尺寸形狀復(fù)雜的部件。缺點(diǎn)是裂韌性，容易制造大尺寸形狀復(fù)雜的部件。缺點(diǎn)是垂直于布層方向上的拉伸強(qiáng)度較低，層間剪切強(qiáng)度垂直于布層方向上的拉伸強(qiáng)度較低，層間剪切強(qiáng)度低，易產(chǎn)生分層。低，易產(chǎn)生分層。 2）碳纖維編制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)碳纖維編制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平紋、斜紋、緞紋平紋、斜紋、緞紋 多向編織技術(shù)能夠?qū)d荷進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證復(fù)多向編織技術(shù)

38、能夠?qū)d荷進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證復(fù)合材料中纖維的正確排列方向以及每個(gè)方向上纖合材料中纖維的正確排列方向以及每個(gè)方向上纖維的含量。維的含量。 最簡單的最簡單的多向編制多向編制是是三向正交三向正交結(jié)構(gòu)。纖維按結(jié)構(gòu)。纖維按照三維直角坐標(biāo)軸照三維直角坐標(biāo)軸x x、y y、z z排列，形成直角塊狀排列，形成直角塊狀預(yù)制體。預(yù)制體。 三向正交結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，編制三向正交結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，編制四、五、四、五、七和十一七和十一向增強(qiáng)的預(yù)制體向增強(qiáng)的預(yù)制體 制造多向預(yù)制體的方法有：干紗編織、織物制造多向預(yù)制體的方法有：干紗編織、織物縫制、預(yù)固化紗的編排、纖維纏繞以及上述方法縫制、預(yù)固化紗的編排、纖維纏繞以及上述方法的組合。的

39、組合。 三維三維c/c編制結(jié)構(gòu)編制結(jié)構(gòu) 多維編織的碳碳復(fù)合材料預(yù)成型體結(jié)構(gòu)多維編織的碳碳復(fù)合材料預(yù)成型體結(jié)構(gòu) (b) 5維結(jié)構(gòu)維結(jié)構(gòu)2、預(yù)制體與基體的復(fù)合預(yù)制體與基體的復(fù)合l液態(tài)熱浸漬分解法液態(tài)熱浸漬分解法 l化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法 1 1）液態(tài)熱浸漬分解法）液態(tài)熱浸漬分解法將先驅(qū)體浸入預(yù)制體，然后固化、高溫下將先驅(qū)體浸入預(yù)制體，然后固化、高溫下（6501100）碳化或直接碳化，碳化后還要在更高的溫碳化或直接碳化，碳化后還要在更高的溫度度（26002750）進(jìn)行石墨化和抗氧化處理。進(jìn)行石墨化和抗氧化處理。 常見的前驅(qū)體有常見的前驅(qū)體有熱固性樹脂熱固性樹脂和和瀝青瀝青兩類，熱固性兩類，熱固

40、性樹脂常用樹脂常用酚醛樹脂酚醛樹脂和和呋喃樹脂呋喃樹脂，瀝青中常用，瀝青中常用煤焦煤焦油瀝青油瀝青和和石油瀝青石油瀝青。 樹脂浸漬、固化、碳化體積收縮示意圖樹脂浸漬、固化、碳化體積收縮示意圖 選擇先驅(qū)體時(shí)要考慮液體的選擇先驅(qū)體時(shí)要考慮液體的粘度粘度、碳收獲率碳收獲率、碳的微觀結(jié)構(gòu)碳的微觀結(jié)構(gòu)和和晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)。這些都與制備過程中的。這些都與制備過程中的壓力壓力、溫度溫度、時(shí)間時(shí)間有一定的關(guān)系。有一定的關(guān)系。 熱固性樹脂熱固性樹脂熱解轉(zhuǎn)化為碳，其質(zhì)量轉(zhuǎn)化率為熱解轉(zhuǎn)化為碳，其質(zhì)量轉(zhuǎn)化率為5056。酚醛樹脂的收縮率為。酚醛樹脂的收縮率為20，但收縮率對，但收縮率對多向預(yù)制體的影響要小于兩向結(jié)構(gòu)多向

41、預(yù)制體的影響要小于兩向結(jié)構(gòu) 瀝青瀝青是熱塑性的，軟化點(diǎn)低（是熱塑性的，軟化點(diǎn)低（400），粘度低，），粘度低，產(chǎn)碳率高。瀝青作為先驅(qū)體不需要固化，直接熱解。產(chǎn)碳率高。瀝青作為先驅(qū)體不需要固化，直接熱解。常壓下瀝青的產(chǎn)碳率為常壓下瀝青的產(chǎn)碳率為50左右左右 。10mpa氮壓和氮壓和550下產(chǎn)碳率為下產(chǎn)碳率為90 樹脂浸漬法樹脂浸漬法程序程序：酚醛樹脂：酚醛樹脂 制備溶液制備溶液 （真空）（真空）浸漬預(yù)成型體浸漬預(yù)成型體 預(yù)固化預(yù)固化 碳化（樹脂體積收縮）碳化（樹脂體積收縮） 再浸漬再浸漬 固化固化 碳化碳化 致密化。致密化。浸漬浸漬溫度為溫度為50左右。有時(shí)也施加一定的壓力左右。有時(shí)也施加一定的

42、壓力35mpa 酚醛樹脂的酚醛樹脂的固化固化壓力為壓力為1mpa，固化溫度，固化溫度140170，保溫保溫2h在氮?dú)饣驓鍤獗Ｗo(hù)下進(jìn)行在氮?dú)饣驓鍤獗Ｗo(hù)下進(jìn)行碳化碳化，溫度為，溫度為6501100 瀝青浸漬工藝瀝青浸漬工藝先進(jìn)行真空浸漬，先進(jìn)行真空浸漬，250然后加壓浸漬。然后加壓浸漬。600700加壓碳化加壓碳化 浸漬熱處理需要多次循環(huán)多次，直到得到一定密浸漬熱處理需要多次循環(huán)多次，直到得到一定密度的復(fù)合材料。度的復(fù)合材料。 瀝青碳化率隨瀝青中高分子量化合物的增加而增加；瀝青碳化率隨瀝青中高分子量化合物的增加而增加；隨著碳化時(shí)壓力的增加，瀝青的碳化率有明顯的提隨著碳化時(shí)壓力的增加，瀝青的碳化率有

43、明顯的提高。高。壓力瀝青浸漬壓力瀝青浸漬 碳化工藝（碳化工藝（pic）熱等靜壓浸漬預(yù)）熱等靜壓浸漬預(yù)制體，溫度制體，溫度650700，壓力，壓力7100mpa。 2)2)化學(xué)氣相滲透法化學(xué)氣相滲透法（cvi） 將碳?xì)浠衔?，如甲烷、丙烷、天然氣等通入預(yù)制將碳?xì)浠衔铮缂淄椤⒈?、天然氣等通入預(yù)制體，并使其分解，析出碳沉積在預(yù)制體中。有以下體，并使其分解，析出碳沉積在預(yù)制體中。有以下幾種方法：幾種方法： 等溫法等溫法 溫度不能太高，碳的擴(kuò)散速度低于沉積速度。碳溫度不能太高，碳的擴(kuò)散速度低于沉積速度。碳基體性能均勻，可批量生產(chǎn)，但時(shí)間長，容易產(chǎn)生裂紋基體性能均勻，可批量生產(chǎn)，但時(shí)間長，容易產(chǎn)生裂

44、紋 l溫度梯度法溫度梯度法 接近預(yù)制體外表面溫度最高，碳的沉積徑接近預(yù)制體外表面溫度最高，碳的沉積徑向發(fā)展。沉積速度快，周期短，效率較低向發(fā)展。沉積速度快，周期短，效率較低 l差壓法差壓法 碳?xì)浠衔镌谡龎合聦?dǎo)入預(yù)制體，在預(yù)制體壁碳?xì)浠衔镌谡龎合聦?dǎo)入預(yù)制體，在預(yù)制體壁兩邊產(chǎn)生壓差，使氣體流過間隙。兩邊產(chǎn)生壓差，使氣體流過間隙。 擴(kuò)散與沉積速度對空隙封閉影響擴(kuò)散與沉積速度對空隙封閉影響 cvi法缺點(diǎn)法缺點(diǎn)：沉積碳容易阻塞預(yù)制體上面的：沉積碳容易阻塞預(yù)制體上面的間隙，容易在基體內(nèi)部形成密封的小孔，隨間隙，容易在基體內(nèi)部形成密封的小孔，隨后長大成較大的空隙，降低復(fù)合材料的密度。后長大成較大的空隙，

45、降低復(fù)合材料的密度。周期長。補(bǔ)救方法是與液體浸漬法聯(lián)合應(yīng)用。周期長。補(bǔ)救方法是與液體浸漬法聯(lián)合應(yīng)用。3 3、石墨化處理、石墨化處理對碳對碳/碳復(fù)合材料進(jìn)行碳復(fù)合材料進(jìn)行24002800的高溫?zé)崽幚恚母邷責(zé)崽幚?，使使n、h、o、k、na 、ca 等雜質(zhì)溢出，碳發(fā)生晶等雜質(zhì)溢出，碳發(fā)生晶格結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。格結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。石墨化處理后，碳碳復(fù)合材料的強(qiáng)度和熱膨脹系數(shù)石墨化處理后，碳碳復(fù)合材料的強(qiáng)度和熱膨脹系數(shù)均降低，熱導(dǎo)率、熱穩(wěn)定性、抗氧化性以及純度都均降低，熱導(dǎo)率、熱穩(wěn)定性、抗氧化性以及純度都有所提高。有所提高。石墨化程度主要取決于石墨化溫度。石墨化處理使石墨化程度主要取決于石墨化溫度。石墨化處理使許

46、多閉氣孔變?yōu)橥?，有利于進(jìn)一步浸漬致密化。許多閉氣孔變?yōu)橥?，有利于進(jìn)一步浸漬致密化。4 4、抗氧化處理、抗氧化處理抗氧化涂層法抗氧化涂層法 在碳碳復(fù)合材料表面進(jìn)行耐高在碳碳復(fù)合材料表面進(jìn)行耐高溫氧化材料涂層，阻止與碳碳復(fù)合材料的接觸溫氧化材料涂層，阻止與碳碳復(fù)合材料的接觸 抑制劑法抑制劑法 在碳在碳/碳復(fù)合材料的基體材料中加入碳復(fù)合材料的基體材料中加入容易通過氧化而形成玻璃態(tài)的物質(zhì)。高溫下生容易通過氧化而形成玻璃態(tài)的物質(zhì)。高溫下生成的氧化物流動并填充復(fù)合材料的孔隙，從而成的氧化物流動并填充復(fù)合材料的孔隙，從而隔開碳與氧的接觸和防止氧擴(kuò)散隔開碳與氧的接觸和防止氧擴(kuò)散 抑制劑法抑制劑法比較經(jīng)濟(jì)而

47、有效的主要有比較經(jīng)濟(jì)而有效的主要有b2o3、b4c、zr2b等硼化等硼化物。硼氧化后形成物。硼氧化后形成b2o3類硼酸鹽玻璃，具有低的類硼酸鹽玻璃，具有低的粘度和熔點(diǎn)，很容易流動并填充復(fù)合材料的孔隙，粘度和熔點(diǎn)，很容易流動并填充復(fù)合材料的孔隙，從而隔開碳與氧的接觸和防止氧擴(kuò)散。從而隔開碳與氧的接觸和防止氧擴(kuò)散。 大都用于大都用于600 c以下的氧化防護(hù)，也可用于與高溫以下的氧化防護(hù)，也可用于與高溫涂層結(jié)合的復(fù)合抗氧化保護(hù)體系中。涂層結(jié)合的復(fù)合抗氧化保護(hù)體系中。 抗氧化涂層法抗氧化涂層法防氧化涂層特性：防氧化涂層特性：l與復(fù)合材料適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)性；與復(fù)合材料適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)性；l與復(fù)合材料適當(dāng)?shù)臒崤蛎浵禂?shù)

48、匹配，避免熱循環(huán)造與復(fù)合材料適當(dāng)?shù)臒崤蛎浵禂?shù)匹配，避免熱循環(huán)造成熱應(yīng)力引起涂層剝落；成熱應(yīng)力引起涂層剝落；l低的氧擴(kuò)散滲透率，即較高的阻止氧擴(kuò)散能力；低的氧擴(kuò)散滲透率，即較高的阻止氧擴(kuò)散能力；l與復(fù)合材料的相容穩(wěn)定性，防止與碳發(fā)生氧化還原與復(fù)合材料的相容穩(wěn)定性，防止與碳發(fā)生氧化還原反應(yīng)，和碳通過涂層擴(kuò)散氧化；反應(yīng)，和碳通過涂層擴(kuò)散氧化；l低揮發(fā)性。低揮發(fā)性。 主要有硅基陶瓷涂層，如主要有硅基陶瓷涂層，如sic、si3n4等等1500 c以下的抗氧化防護(hù)以下的抗氧化防護(hù) sic和和si3n4類陶瓷是較好的抗氧類陶瓷是較好的抗氧化陶瓷涂層化陶瓷涂層1500 1800 c的抗氧化防護(hù)的抗氧化防護(hù) 比

49、較成功的是硅基陶瓷復(fù)合涂比較成功的是硅基陶瓷復(fù)合涂層，即層，即sio2/sic復(fù)合涂層。復(fù)合涂層。sio2為復(fù)合涂層的外涂層，為復(fù)合涂層的外涂層，sic為與復(fù)合材料接觸的內(nèi)涂層。為與復(fù)合材料接觸的內(nèi)涂層。1800 c以上的耐高溫氧化材料主要有以上的耐高溫氧化材料主要有zro2、hfo2、y2o3和和tho2。最外層是耐高溫氧化物以保持高溫穩(wěn)定性和抗侵蝕；。最外層是耐高溫氧化物以保持高溫穩(wěn)定性和抗侵蝕；次外層為低氧滲透率的次外層為低氧滲透率的sio2作為氧阻擋層，并可封接最外作為氧阻擋層，并可封接最外層的裂紋；第三層為耐高溫氧化物層，以保持結(jié)合性；最層的裂紋；第三層為耐高溫氧化物層，以保持結(jié)合性

50、；最底層為碳化物層底層為碳化物層三、三、c/c復(fù)合材料的性能復(fù)合材料的性能l屬于脆性材料，斷裂應(yīng)變小，屬于脆性材料，斷裂應(yīng)變小，0.122.4。但適但適量的界面結(jié)合強(qiáng)度，裂紋在界面偏轉(zhuǎn)，材料表現(xiàn)量的界面結(jié)合強(qiáng)度，裂紋在界面偏轉(zhuǎn)，材料表現(xiàn)出出“假塑性假塑性”， l膨脹系數(shù)小，高溫?zé)釕?yīng)力小，具有良好的尺寸穩(wěn)膨脹系數(shù)小，高溫?zé)釕?yīng)力小，具有良好的尺寸穩(wěn)定性。熱導(dǎo)率高，為定性。熱導(dǎo)率高，為574.6680.4kw/(m) )；比；比熱高，隨溫度所上升而升高，可以存儲熱能熱高，隨溫度所上升而升高，可以存儲熱能 l燒蝕熱大，燒蝕率小燒蝕熱大，燒蝕率小l碳碳/ /碳復(fù)合材料化學(xué)穩(wěn)定性好。耐氧化能力差，可碳復(fù)合

51、材料化學(xué)穩(wěn)定性好。耐氧化能力差，可以在表面涂抗氧化層或加入抗氧化物質(zhì)以在表面涂抗氧化層或加入抗氧化物質(zhì)。 代表特性代表特性tokarec28s單位單位表現(xiàn)密度表現(xiàn)密度1.48g/cm3抗折強(qiáng)度抗折強(qiáng)度170mpa抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度100mpa電阻率電阻率26 m導(dǎo)熱率導(dǎo)熱率2.8w/mk熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù) （室溫至（室溫至450450）0.0810/tokarec碳碳_ _碳復(fù)合材料是一種由高強(qiáng)度碳素纖維和碳素碳復(fù)合材料是一種由高強(qiáng)度碳素纖維和碳素基質(zhì)構(gòu)成的材料。該材料具有出色的機(jī)械特性，適用于各種基質(zhì)構(gòu)成的材料。該材料具有出色的機(jī)械特性，適用于各種高溫用途。高溫用途。 碳碳復(fù)合材料屬碳碳復(fù)合

52、材料屬于脆性材料，其斷于脆性材料，其斷裂應(yīng)變較小，在裂應(yīng)變較小，在2.42.4以下。但是，其以下。但是，其應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出出“假塑性效應(yīng)假塑性效應(yīng)”。 四、碳四、碳/ /碳復(fù)合材料的應(yīng)用碳復(fù)合材料的應(yīng)用 作為高溫結(jié)構(gòu)材料，耐高溫，高溫力學(xué)性作為高溫結(jié)構(gòu)材料，耐高溫，高溫力學(xué)性能好，燒蝕率低，可以用在航空航天的飛能好，燒蝕率低，可以用在航空航天的飛行器頭部材料，作為航天發(fā)動機(jī)材料、剎行器頭部材料，作為航天發(fā)動機(jī)材料、剎車材料車材料 在生物醫(yī)學(xué)方面在生物醫(yī)學(xué)方面 在人造關(guān)節(jié)、人造骨骼在人造關(guān)節(jié)、人造骨骼方面已經(jīng)有了初步的應(yīng)用。方面已經(jīng)有了初步的應(yīng)用。 碳碳/ /碳復(fù)合材料制造的剎

53、車零件碳復(fù)合材料制造的剎車零件 對于火箭來說，要求耐燒蝕的部位是發(fā)動機(jī)燃燒室和噴管對于火箭來說，要求耐燒蝕的部位是發(fā)動機(jī)燃燒室和噴管系統(tǒng)。由噴管噴出數(shù)干度的高溫高壓氣體，把推進(jìn)劑燃燒系統(tǒng)。由噴管噴出數(shù)干度的高溫高壓氣體，把推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為推進(jìn)動能。產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為推進(jìn)動能。 作業(yè)作業(yè) 碳碳復(fù)合材料的制備方法都有哪些步驟？碳碳復(fù)合材料的制備方法都有哪些步驟？ c/c復(fù)合材料預(yù)制體滲碳都有哪些方法，各復(fù)合材料預(yù)制體滲碳都有哪些方法，各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？有什么優(yōu)缺點(diǎn)？ c/c復(fù)合材料抗氧化處理都有那些方法？各復(fù)合材料抗氧化處理都有那些方法？各適用的溫度是多少適用的溫度是多少 c/c復(fù)合材料都要

54、哪些性能特點(diǎn)？復(fù)合材料都要哪些性能特點(diǎn)？ 實(shí)際材料斷裂過程中，纖維的斷裂實(shí)際材料斷裂過程中，纖維的斷裂并非發(fā)生在同一裂并非發(fā)生在同一裂紋平面紋平面，這樣主裂紋還將沿纖維斷裂位置的不同而發(fā)生裂，這樣主裂紋還將沿纖維斷裂位置的不同而發(fā)生裂紋轉(zhuǎn)向。這也同樣會使裂紋的擴(kuò)展阻力增加，從而使韌性紋轉(zhuǎn)向。這也同樣會使裂紋的擴(kuò)展阻力增加，從而使韌性進(jìn)一步提高。進(jìn)一步提高。 單向排布纖維增韌陶瓷只是在纖維排列方向上的縱向單向排布纖維增韌陶瓷只是在纖維排列方向上的縱向性能較為優(yōu)越，而其橫向性能顯著低于縱向性能，所以只性能較為優(yōu)越，而其橫向性能顯著低于縱向性能，所以只適用于單軸應(yīng)力的場合。而許多陶瓷構(gòu)件則要求在二維

55、及適用于單軸應(yīng)力的場合。而許多陶瓷構(gòu)件則要求在二維及三維方向上均具有優(yōu)良的性能，這就要進(jìn)一步研究多向排三維方向上均具有優(yōu)良的性能，這就要進(jìn)一步研究多向排布纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。布纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。 7.5 sic基體材料基體材料 理論密度理論密度3.21g/cm3，不同的制備工藝，碳化硅的致，不同的制備工藝，碳化硅的致密度不同，密度會略有減小密度不同，密度會略有減小材料材料制備溫度制備溫度/抗彎曲強(qiáng)度抗彎曲強(qiáng)度（室溫，三（室溫，三點(diǎn)）點(diǎn)）/mpa密度密度/(g/cm3)彈性模量彈性模量/ (103mpa)線膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù)（201000）/（10-6）熱壓熱壓sic180020007

56、187603.193.204404.8cvd sic涂層涂層120018007319932.953.21480重結(jié)晶重結(jié)晶sic16001700約約1702.60206燒結(jié)燒結(jié)sic（摻入摻入sicb4c）19502100約約2803.11燒結(jié)燒結(jié)sic（摻入（摻入b）19502100約約5403.104204.9反應(yīng)燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié)sic160017001594243.093.123804204.45.2碳化硅常見制備方法碳化硅常見制備方法 1、反應(yīng)燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié) 用用-sic粉末與碳混合，成型后放在盛有硅粉末與碳混合，成型后放在盛有硅粉的爐子中加熱粉的爐子中加熱16001700，利用，利用si和和c的反應(yīng)生成的反應(yīng)生成-sic與原有的與原有的-sic結(jié)合在一起。結(jié)合在一起。2、熱壓燒結(jié)，加入、熱壓燒結(jié)，加入b4c、al2o3燒結(jié)劑；燒結(jié)劑；3、常壓燒結(jié)，在、常壓燒結(jié)，在sic粉體中加入粉體中加入b(b4c)-c