陶瓷基復(fù)合材料

1、1陶瓷基復(fù)合材料2陶陶 瓷瓷 基基 復(fù)復(fù) 合合 材材 料料第一章第一章 緒論緒論第二章第二章 復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論第三章第三章 原材料及特性原材料及特性第四章第四章 陶瓷基復(fù)合材料的制備方法陶瓷基復(fù)合材料的制備方法第五章第五章 界面與表面界面與表面3第一章第一章 緒緒 論論 復(fù)合材料的分類 復(fù)合材料在21世紀(jì)中應(yīng)起的作用 復(fù)合材料新的生長(zhǎng)點(diǎn)和有待深入 研究、開(kāi)拓的問(wèn)題4 復(fù)合材料的分類復(fù)合材料的分類定義定義 定義1：把兩種以上不同的原材料組成，使原材料的性能得到充分發(fā)揮，并通過(guò)復(fù)合化而得到單一材料所不具備的性能 的材料。 定義2：把一些個(gè)體典型或基本的特性組合，而得到的物質(zhì)。

2、定義3：經(jīng)過(guò)一定的操作，將復(fù)數(shù)個(gè)原材料合體，或者是由復(fù)數(shù)個(gè)相生成，且具有比原材料優(yōu)異的性能的材料。 共同特點(diǎn)： （1）兩種以上不同的化學(xué)相 （2）具有每個(gè)組分所不具備的優(yōu)良性能5 按基體分：按基體分：金屬基復(fù)合材料MMC復(fù)合材料有機(jī)材料基復(fù)合材料木質(zhì)基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料PMC熱塑性樹(shù)脂熱固性樹(shù)脂無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料水泥或混凝土基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料CMC橡膠基樹(shù)脂基6按增加體分：按增加體分：復(fù)合材料顆粒狀分散復(fù)合材料纖維狀分散復(fù)合材料連續(xù)纖維復(fù)合材料分散強(qiáng)化復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料片晶增強(qiáng)復(fù)合材料不連續(xù)纖維復(fù)合材料單向纖維強(qiáng)化復(fù)合材料非編織纖維層二維、三維編織纖維層定向排列隨機(jī)排列短纖

3、維晶須定向排列隨機(jī)排列7按性能分：按性能分： 聚合物基復(fù)合材料 金屬基復(fù)合材料 無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料 功能基復(fù)合材料 納米基復(fù)合材料 梯度基復(fù)合材料8復(fù)合材料在復(fù)合材料在2121世紀(jì)中應(yīng)起的作用世紀(jì)中應(yīng)起的作用 對(duì)信息技術(shù)提供服務(wù)：信息獲得、處 理、儲(chǔ)存、傳輸和執(zhí)行 對(duì)提高人類生活質(zhì)量作出貢獻(xiàn)： 改善舒適性、提高安全性、提高人類 健康水平等。9復(fù)合材料新的生長(zhǎng)點(diǎn)和有待深入研究、開(kāi)拓的問(wèn)題復(fù)合材料新的生長(zhǎng)點(diǎn)和有待深入研究、開(kāi)拓的問(wèn)題 未來(lái)復(fù)合材料發(fā)展的新領(lǐng)域 發(fā)展功能、多功能、機(jī)敏、智能復(fù)合材料 納米復(fù)合材料 仿生復(fù)合材料 基礎(chǔ)理論、設(shè)計(jì)和制備方法的深化、開(kāi)拓與創(chuàng)新 復(fù)合材料基礎(chǔ)理論問(wèn)題： 界面

4、問(wèn)題、可靠性問(wèn)題 復(fù)合材料新的設(shè)計(jì)和制備方法10 功能復(fù)合材料電功能方面有導(dǎo)電、超導(dǎo)、絕緣、半導(dǎo)電、壓電等磁功能方面有永磁、軟磁、磁屏蔽和磁致伸縮等聲功能方面有吸聲、聲納、抗聲納等機(jī)械功能方面有阻尼減振、自潤(rùn)滑、防彈裝甲等化學(xué)功能方面有吸附與分離、抗腐蝕等 多功能復(fù)合材料兼具功能與結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。如美國(guó)的軍用飛機(jī)即具有自我保護(hù)的隱身功能又有好的結(jié)構(gòu)性能。11 機(jī)敏復(fù)合材料具有能感知外界作用而且作出適當(dāng)反應(yīng)的能力。將傳感功能材料和具有執(zhí)行功能的材料通過(guò)某種基體復(fù)合在一起，并且連接外部信息處理系統(tǒng)，把傳感器給出的信息傳達(dá)給執(zhí)行材料，使之產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作構(gòu)成機(jī)敏復(fù)合材料及系統(tǒng)。 智能復(fù)合功能功能復(fù)合材

5、料的最高形式，在機(jī)敏復(fù)合材料基礎(chǔ)上向自決策能力上的發(fā)展。依靠在外部信息中處理系統(tǒng)增加的工人智能系統(tǒng)，對(duì)信息進(jìn)行分析，給出決策，指揮執(zhí)行材料做出優(yōu)化動(dòng)作對(duì)材料的傳感部分和執(zhí)行部分的靈敏度、精確度和響應(yīng)速度提出了更高的要求。12 納米復(fù)合材料 納米效應(yīng)表面及界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀 量子隧道效應(yīng)等，這些效應(yīng)使納米復(fù)合材料不僅有 優(yōu)良的力學(xué)性質(zhì)而且會(huì)產(chǎn)生光學(xué)、排線性光學(xué)、光 化學(xué)和電學(xué)的功能作用。 （1）有機(jī)無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料 將無(wú)機(jī)納米粒子引入有機(jī)聚合物電磁流變液 （2）無(wú)機(jī)無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料13 仿生復(fù)合材料 天然的生物材料基本上都是復(fù)合材 料 竹子以管式纖維構(gòu)成 貝殼無(wú)機(jī)質(zhì)成分與有機(jī)質(zhì)成分呈層

6、 狀交替疊層構(gòu)成14 復(fù)合材料基礎(chǔ)理論問(wèn)題： 界面問(wèn)題：表征方法、界面設(shè)計(jì)、界面改性、界 面殘余應(yīng)力等。 可靠性問(wèn)題：制約復(fù)合材料發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題與其 組分、設(shè)計(jì)、加工工藝和環(huán)境等密 切相關(guān)。 復(fù)合材料新的設(shè)計(jì)和制備方法： 新型設(shè)計(jì)方法 新的制備方法15第二章第二章 復(fù)合材料復(fù)合材料的基本理論的基本理論 力學(xué)性能的復(fù)合準(zhǔn)則 增強(qiáng)原理：彌散增強(qiáng)和顆粒增強(qiáng)、連續(xù)增強(qiáng) 以彈性論為基礎(chǔ)的復(fù)合法則 物理性能的復(fù)合法則 加和特性 傳遞特性 結(jié)構(gòu)敏感特性16復(fù)合材料組織與性能之間的關(guān)系復(fù)合材料組織與性能之間的關(guān)系 材料的微觀組織形狀、分散程度體積分?jǐn)?shù)幾何學(xué)特征復(fù)合材料的整體性能復(fù)合材料的基本理論 原材料的性能

7、力學(xué)性能物理性能界面狀態(tài)17增強(qiáng)原理增強(qiáng)原理 分散相的形狀可以由形數(shù)比（即形狀尺As：aspect ratio）來(lái)描述。 As為連續(xù)棒狀，對(duì)應(yīng)于連續(xù)纖維，1 As 為棒狀，對(duì)應(yīng)于不連續(xù)的纖維， As1為球狀，對(duì)應(yīng)于顆粒。18連續(xù)纖維增強(qiáng)連續(xù)纖維增強(qiáng) 對(duì)于As的場(chǎng)合，最簡(jiǎn)單的是將其簡(jiǎn)化 為二維層板模型，有并聯(lián)和串聯(lián)兩種考慮方 式。在忽略泊松比影響的情況下，復(fù)合材料 的彈性模量可以表示為：rrrmrrmmcfEfEfEfEE)1 (并聯(lián)：串聯(lián)：rmrrmmrmmcEEfEfEEfrEfE)1 (119由復(fù)合化理論計(jì)算的復(fù)合材料特性的上限與下限由復(fù)合化理論計(jì)算的復(fù)合材料特性的上限與下限20以彈性論為

8、基礎(chǔ)的復(fù)合法則以彈性論為基礎(chǔ)的復(fù)合法則復(fù)合材料的兩種解析模型 a兩相模型 b 三相模型21物理性能的復(fù)合法則物理性能的復(fù)合法則 -加和特性加和特性 復(fù)合材料的加和特性主要由原材料的組合形狀和體積分?jǐn)?shù)決定。相當(dāng)于力學(xué)性能中的彈性模量、線膨脹率等結(jié)構(gòu)不敏感特性。 復(fù)合法則為：NiinicVPP1)( 式中Pc為復(fù)合材料的特性，Pi為構(gòu)成復(fù)合材料的原材料特性，Vi為構(gòu)成復(fù)合材料的原材料的體積分?jǐn)?shù)，n由實(shí)驗(yàn)確定，其范圍為-1 n 122物理性能的復(fù)合法則物理性能的復(fù)合法則 -傳遞特性（乘積特性）傳遞特性（乘積特性）構(gòu)成復(fù)合材料的兩種以上原材料的不同 性能。 假定X作為輸入時(shí)產(chǎn)生輸出（Y/X）； 而Y

9、又作為第二次的輸入，產(chǎn)生輸入出Z （Z/Y），這樣就相當(dāng)于產(chǎn)生了連銷(xiāo)反應(yīng)， 從而引出新的機(jī)能（Z/X）。23舉例1：對(duì)材料施加磁場(chǎng)而產(chǎn)生電流。如具有壓電作結(jié)構(gòu) 的鈦酸鋇BaTiO與磁滯伸縮鐵氧體NiFe2O4的微細(xì) 粉末燒結(jié)而成的復(fù)合材料。對(duì)該材料施加磁場(chǎng)時(shí), 會(huì)在鐵氧體中產(chǎn)生壓力，此壓力傳遞到鈦酸鋇， 就會(huì)在復(fù)合材料中產(chǎn)生電場(chǎng)。舉例2：將X射線變換為可見(jiàn)光的材料。有機(jī)材料蒽 (C14H10）可以將X射線變換為可見(jiàn)光而發(fā)出熒光， 但是由于構(gòu)成蒽的元素的原子序數(shù)小，對(duì)X射線的 吸收能力低，因此將X射線變換成可見(jiàn)光的效率也 低，為了提高其對(duì)X射線的吸收能力，將會(huì)含有原 子序數(shù)較大的原子的PbCl2

10、與蒽混合而成的復(fù)合材 料。當(dāng)X射線照射復(fù)合材料時(shí)其結(jié)果為，X射線首 先與PbCl2顆粒作用而產(chǎn)生二次電子，接著二次電 子再使蒽分子受激勵(lì)產(chǎn)生可見(jiàn)光，達(dá)到復(fù)合效果。24蒽復(fù)合材料中X射線變換為可見(jiàn)光的原理25物理性能的復(fù)合法則物理性能的復(fù)合法則 -結(jié)構(gòu)敏感特性結(jié)構(gòu)敏感特性 彈性模量結(jié)構(gòu)不敏感特性。主要受 第 二相體積分?jǐn)?shù)支配，與分散狀態(tài) 關(guān)系不大。物理性能中的傳導(dǎo)率也屬 于此類。26d=10nmVp=0.001d=5nmVp=0.5d=1nmVp=0.5第二相的粒徑的50nm第二相體積分?jǐn)?shù)Vp=0.0011005010510 210648光的傳播距離光透射率27第三章第三章 原材料及特性原材料及

11、特性 基體材料 氧化物陶瓷 非氧化物陶瓷：氮化硅陶瓷、氮化硼和氮化鈦陶瓷、 碳化硅陶瓷、碳化硼和碳化鈦陶瓷、二硅化鉬陶瓷 增強(qiáng)體材料 顆粒增強(qiáng)體 纖維增強(qiáng)體28按復(fù)合效果，復(fù)合材料分為：按復(fù)合效果，復(fù)合材料分為： 結(jié)構(gòu)材料力學(xué)型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)用途 如纖維增強(qiáng)） 功能材料功能型復(fù)合材料力學(xué) 性能以外的性能（光、電、磁、熱 等）29基體材料基體材料 氧化物陶瓷氧化物陶瓷 氧化物大多數(shù)典型的陶瓷特別是特種陶瓷的 主要組成和晶體相。主要由離子鍵結(jié)合，也有一 定成分的共價(jià)鍵。其結(jié)構(gòu)取決于結(jié)合鍵類型、各 種離子的大小以及在極小空間保持電中性的要求。 陶瓷最重要的氧化物是幾種簡(jiǎn)單類型的氧化物AO， AO2，A

12、2O3，ABO3和AB2O4等（A，B表示陽(yáng)離子）。 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：氧離子（一般比陽(yáng)離子大）進(jìn)行緊密 排列、金屬陽(yáng)離子位于一定的間隙中，最重要的 是四面體和八面體間隙）30結(jié)構(gòu)類型氧離子排列方式陽(yáng)離子填充方式 結(jié)構(gòu)名稱 舉例 A2O3 密排六方2/3八面體間隙剛玉Al2O3, Fe2O3,Cr2O3,Ti2O3,V2O3,Ga2O3,Rh2O3 ABO3 密排六方2/3八面體間隙(A,B)鈦鐵礦FeTiO3,NiTiO3,CoTiO3面心立方1/4八面體間隙(B) 鈣鈦礦CaTiO3, SrTiO3,SrSnO3,SrZrO3,SrHfO3, BaTiO3AB2O4 面心立方1/8四面體(A)1/

13、2八面體間隙(B)尖晶石FeAl2O4, ZnAl2O4,MgAl2O4面心立方1/8四面體(A)1/8八面體間隙(A,B)反尖晶石FeMgFeO4, MgTiMgO4密排六方1/2八面體(A) 1/8四面體間隙(B)橄欖石Mg2SiO4, Fe2SiO431結(jié)構(gòu)類型氧離子排列方式陽(yáng)離子填充方式 結(jié)構(gòu)名稱 舉例 AO 2面心立方全部八面體間隙 巖鹽 MgO, CaO, SrO, BaO, CdO,VO, MnO, FeO, CoO, NiO 面心立方1/2四面體間隙閃鋅礦BeO面心立方1/2四面體間隙纖維鋅礦ZnO簡(jiǎn)單立方1/2立方體間隙螢石ThO2,CaO2,PrO2,UO2,ZrO2,Hf

14、O2,NpO2,PuO2,AmO2 面心立方全部四面體間隙反螢石Li2O,Na2O,K2O,Rb2O畸形面心立方1/2八面體間隙金紅石Al2O3,Fe2O3,Cr2O3,Ti2O3,V2O3,Ga2O3,Rh2O3 續(xù)上表：續(xù)上表：32純氧化物陶瓷：純氧化物陶瓷： 工程應(yīng)用較大，熔點(diǎn)超過(guò)2000，不氧化，耐高溫。 Al2O3（剛玉）典型的純氧化物陶瓷。有較高室溫 和高溫強(qiáng)度。 ZrO2使用溫度達(dá)20002200，主要用作耐火 坩鍋，反應(yīng)堆的絕緣材料，金屬表面的防護(hù)涂層等。 有三種晶型：立方結(jié)構(gòu)（C相）、四方結(jié)構(gòu)（t相） 和單斜結(jié)構(gòu)（m相），加入適量的穩(wěn)定劑后，t相可 以亞穩(wěn)定狀態(tài)存在于室溫，稱

15、部分穩(wěn)定ZrO2(簡(jiǎn)稱 pst).在壓力作用下發(fā)生t-m馬氏體轉(zhuǎn)變，稱應(yīng)力誘 導(dǎo)相變。這種相變將吸收能量，使裂紋尖端的應(yīng)力 場(chǎng)松弛，增加裂紋擴(kuò)展阻力，從而實(shí)現(xiàn)增韌，常用 的穩(wěn)定劑有MgO、Y2O3等。 33 四方多晶氧化鋯(TZP)PSZ的一個(gè)分支。在t相區(qū) 燒結(jié)。冷卻過(guò)程中不發(fā)生相變，室溫下保持全部或大 部分t相。燒成溫度13501450，由于t相含量很高， 強(qiáng)度可達(dá)1000MPa，斷裂韌性可達(dá)10MPam1/2以上。 TZP面臨的問(wèn)題主要是低溫（300500 ）長(zhǎng)期時(shí) 效性能惡化即所謂的老化問(wèn)題，這一現(xiàn)象的機(jī)理尚 不十分清楚，可能是表面受到某種化學(xué)腐蝕（如 H2O等），使基體應(yīng)力松弛，導(dǎo)致

16、t-m相變，使材料 性能惡化。一般加入Al2O3,CeO2等抑制這一惡化過(guò) 程。34 莫來(lái)石（3Al2O32SiO22Al2O3SiO2), 一般15501600燒成，純的莫來(lái)石 要在1750 左右才能燒成。 尖晶石（AR2O4，A代表二價(jià)元素離子， R代表三價(jià)元素），典型的有鎂鋁尖晶 石。35基體材料基體材料 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷 指不含氧的金屬碳化物、氮化物、硼化物 和硅化物等。自然界比較少，需要人工合 成，是先進(jìn)陶瓷特別是金屬陶瓷的主要成 分和晶相，主要由共價(jià)鍵結(jié)合而成，也有 一定的金屬鍵成分。 共價(jià)鍵結(jié)合能比較高材料有高的耐火度、 高的硬度（有的接近金剛石）、高的耐磨 性，但脆性大

17、，抗氧化能力低。 36氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷( (Si3N4)Si3N4) Si3N4Si3N4粉體的制備方法粉體的制備方法 硅粉直接氮化法3Si+2NSi3N4 ，一 般采用多步氮化，時(shí)間70小時(shí)。 SiO2碳還原法 3SiO2+6C+2N2Si3N4+6CO, 關(guān)鍵避免SiC的形成。 亞胺和胺化物熱分解法 SiC(液)+6NH2Si(NH)3+4NH4Cl 化學(xué)氣相沉積法 3SiCl3+16NH3Si3N4+12NH4Cl 或 3SiH4+4NH3Si3N4+12H2 37氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷( (Si3N4)Si3N4) Si3N4Si3N4陶瓷的制備方法陶瓷的制備方法 共價(jià)鍵化合物的原子

18、自擴(kuò)散系數(shù)非常高，高純的Si3N4 的固相燒結(jié)極為困難。因此，常用反應(yīng)燒結(jié)和熱壓燒結(jié)。前者是將Si3N4粉以適當(dāng)?shù)姆绞匠尚魏螅诘獨(dú)夥罩羞M(jìn)行氮化合成(約1350）。后者是將加適當(dāng)?shù)闹鸁齽?(MgO,Al2O3,16001700) 燒結(jié)。38氮化硼和氮化鈦陶瓷氮化硼和氮化鈦陶瓷 氮化硼陶瓷 BN有兩種晶型：六方BN結(jié)構(gòu)，性能與石墨相似，因此有白石墨之稱。HBN硬度不高，是 唯一易于機(jī)械加工的陶瓷。高溫（15002000)高壓（69103MPa ）下可轉(zhuǎn)化為立方BN(CBN）。CBN的硬度接近于金剛石，是極好的耐磨材料。 氮化硼陶瓷的生產(chǎn)工藝用兩種，即冷等靜壓成型 17002000 燒結(jié)，或在20

19、00 熱壓燒結(jié)。前者密度約為1.2g/cm2 ,后者密度可達(dá)2g/cm2 。而CBN的理論密度為3.45g/cm2。 39 氮化鈦陶瓷 TiN是一種新型的結(jié)構(gòu)材料，硬度大（顯微硬度為2100kg mm-2 )高熔點(diǎn)（2950）、化學(xué)穩(wěn)定性好，而且金黃色金屬光澤。是一種很好的耐火耐磨材料及受人歡迎的代金裝飾材料。 TiN還有導(dǎo)電性，可用作熔鹽電極以及電觸頭等材料；TiN具有較高的超導(dǎo)臨界溫度，還是一種優(yōu)良的超導(dǎo)材料。 常用的制備方法有：直接氮化，TiO2碳還原以及CVD法40碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷材 料制備溫度（）抗彎強(qiáng)度（室溫三點(diǎn)）Mpa密度/gcm-3 彈性模量/MPa線膨脹系數(shù)/(20100

20、0)反應(yīng)燒結(jié)SiC160017001594243.093.12380420103 5.24.410-6 熱壓SiC180020007187603.193.2440103 4.810-6 CVD SiC涂層120018007319932.953.21480103 重結(jié)晶SiC160017001702.6206103 燒結(jié)SiC（摻SiCB4C ）195021002803.11 燒結(jié)SiC （摻B）195021005403.14.910-6 41碳化硼和碳化鈦陶瓷碳化硼和碳化鈦陶瓷 碳化硼陶瓷碳化硼陶瓷 碳化硼屬于六方晶系。重量輕，硬度高 （50GPa，僅次于金剛石），耐磨性好，熱 穩(wěn)定性好，耐酸

21、。耐堿性。可用作噴砂嘴， 切削工具，高溫?zé)峤粨Q器、輕型裝甲陶瓷等。 B4C粉末一般用適量的碳還原氧化硼制得： 2B2O3+7C=B4C B4C陶瓷難以燒結(jié)，原因是燒成溫度范圍窄， 溫度過(guò)低，燒結(jié)不致密，溫度太高易導(dǎo)致 B4C分解。42碳化硼和碳化鈦陶瓷碳化硼和碳化鈦陶瓷 碳化鈦陶瓷碳化鈦陶瓷 碳化鈦結(jié)晶為面心立方晶格（NaCl型)。晶格 常數(shù)為0.4319nm，密度為4.934.9 gcm-3 ，熔點(diǎn)為31603250，1.15K時(shí)TiC呈現(xiàn)超導(dǎo)特性，TiC莫氏硬度910，彈性模量322MPa，可用作耐磨材料。 TiC粉末制取方法： 2TiO2+C=Ti2O3+CO Ti2O3+C=2TiO+

22、CO TiO+2C=TiC+CO TiC陶瓷的燒結(jié)方法主要有熱壓法。透明的 TiC陶瓷是較好的光學(xué)功能材料。43二硅化鉬陶瓷二硅化鉬陶瓷 MoSi2是介于無(wú)機(jī)非金屬與金屬間化合物之間的材料，結(jié)合方式為共價(jià)鍵與金屬鍵。熔點(diǎn)2030，800 以上 發(fā)生氧化反應(yīng)形成SiO2保護(hù)層，能阻止氧化的繼續(xù)發(fā)生?？梢宰鳛楦邷剡B接材料。44增強(qiáng)體材料增強(qiáng)體材料 陶瓷基復(fù)合材料一般指相變?cè)鲰g、顆粒 強(qiáng)化和纖維或晶須補(bǔ)強(qiáng)陶瓷，是上個(gè)世紀(jì)八十年代后發(fā)展起來(lái)并受重視的一類高溫結(jié)構(gòu)材料。 增強(qiáng)材料按形態(tài)分：顆粒、纖維、晶須。45顆粒增強(qiáng)體顆粒增強(qiáng)體 金屬基 Ni/TiC顆粒彌散增強(qiáng) 陶瓷 Si3N4/SiC常用的顆粒：S

23、iC、TiB2、 TiC、CBN等46纖維增強(qiáng)體纖維增強(qiáng)體 許多材料特別是脆性材料制成纖維后，其強(qiáng) 度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)塊狀材料。如玻璃纖維強(qiáng)度可達(dá) 30103MPa ，超過(guò)了普通鋼的強(qiáng)度（5 103MPa）纖維增強(qiáng)體種類很多，據(jù)其直徑大 小可分為晶須和纖維。晶須直徑很小，約 1m ，長(zhǎng)徑比很大。 常用的有石墨、碳化硅、氮化硅和氧化鋁等。 纖維直徑為幾到幾十微米，常用的有玻璃纖維 、碳纖維、硼纖維等。47第第四四章章 陶瓷基復(fù)合材料的制備方法陶瓷基復(fù)合材料的制備方法 制備方法概述 制備工藝 粉體制備：機(jī)械和化學(xué)制粉 成 型 燒 成 新型制備方法 氣相化學(xué)方法：CVD和CVI法 利用液相的方法 SHS法4

24、8制備方法概述制備方法概述顆粒增強(qiáng)與傳統(tǒng)的制備工藝相同。纖維增強(qiáng)纖維的處理，如分散、纖維長(zhǎng)度等對(duì)材料的性能影響很大，因此，制備技術(shù)在傳統(tǒng)的陶瓷制備基礎(chǔ)上有許多新的工藝。如：漿液滲透與混合、化學(xué)氣相滲透（CVI )和化學(xué)氣相沉積涂覆（CVD)纖維等。49制備工藝制備工藝粉體制備粉體制備 陶瓷材料制備工藝主要由以下幾個(gè)部分組成：粉體制備，成型和燒結(jié)，每一步又有許多中方法。 粉體制備：粉體性能直接影響陶瓷的性能，優(yōu)良的粉體是獲得高取向陶瓷基復(fù)合材料的關(guān)鍵之一。 粉體制備機(jī)械制粉和化學(xué)制粉 機(jī)械制粉如球磨等，工藝簡(jiǎn)單，但易引入雜質(zhì)。 化學(xué)制粉可得到性能優(yōu)良的高純、超細(xì)、組分均勻的粉料。可分為固相法、液

25、相法和氣相法三種，液相法是目前工業(yè)和試驗(yàn)室廣泛采用的方法，主要用于氧化物系列超細(xì)粉末的合成。50制備工藝制備工藝成形成形 成形也是獲得高性能陶瓷的關(guān)鍵之一。有多種成型方法：干法、等靜壓、熱壓鑄、擠壓、軋制、注漿、注射、流延成形等。 隨著陶瓷及其復(fù)合材料的發(fā)展，陶瓷材料的成形正發(fā)展成為一門(mén)涉及多學(xué)科的綜合科學(xué)技術(shù)。它不僅需要考慮陶瓷粉體的物理性質(zhì)（如顆粒大小、尺寸分布、成形應(yīng)力及顆粒團(tuán)聚等），還要考慮到材料混合中的化學(xué)行為（如流變學(xué)、表面化學(xué)、膠體化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、電化學(xué)、催化反應(yīng)等），如何利用這一些學(xué)科的新成果并吸收機(jī)械和電子技術(shù)方面成熟的方法，對(duì)陶瓷成形的發(fā)展有重要的意義。51制備工

26、藝制備工藝燒成燒成燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力體系的表面能和缺陷能燒成過(guò)程體系表面能和缺陷能降低的過(guò)程。體系能量降低靠高溫激活下的物質(zhì)傳遞過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳質(zhì)過(guò)程1.粘塑性流動(dòng)過(guò)程；2.擴(kuò)散過(guò)程（體積、表面和界面）；3.蒸發(fā)凝結(jié)；4.溶解沉淀。對(duì)固相燒結(jié)，出現(xiàn)了2.3過(guò)程；對(duì)固液燒結(jié)出現(xiàn)1.4過(guò)程。為了降低燒結(jié)溫度，加速燒結(jié)引入添加劑（如Al2O3中引入1TiO2，可降低一百多度）、加壓（如熱壓、熱等靜壓）52新型制備方法新型制備方法氣相化學(xué)方法氣相化學(xué)方法 （CVD、CVI）方法析出場(chǎng)所反應(yīng)溫度反應(yīng)氣體壓力反應(yīng)速度基體狀況設(shè)備裝置CVD基體表面高高，載體濃度高快平面為主較簡(jiǎn)單CVI內(nèi)側(cè)或表面低低，載體濃度低慢可纖

27、維，顆粒較復(fù)雜CVD與CVI法的比較53CVD法法 主要有以下幾種類型： (1)熱分解反應(yīng) （2）氫還原反應(yīng) （3）復(fù)合反應(yīng) （ 4）與基體反應(yīng) CVD的主要優(yōu)點(diǎn)：可以得到晶體結(jié)構(gòu)良好的 基體；對(duì)強(qiáng)化材料構(gòu)成的預(yù)成形體的附著性 好，可以制得形狀復(fù)雜的復(fù)合材料；纖維或 晶須與析出基體間的密著性好等。主要缺點(diǎn) 是：工序時(shí)間較長(zhǎng)；對(duì)預(yù)成形體的加熱反應(yīng) 可能會(huì)引起纖維或晶須等強(qiáng)化材料的性能下 降。54CVD和CVI法中使用的氣體生成的基體 原料氣體碳BSiCSi3N4B4CTiC、ZrCTiB2、ZrB2BNAl2O3,ZrO2CH4 ,C3H8 ,C2H2,C6H6BCl3-H2, BBr3-H2

28、CH3SiCl3-H2, (CH3)2SiCl2-H2,SiCl4-CH4-H2 SiCl4-NH3BCl3-CH4-H2 BBR3-CH4-H2MeCl4-CH4-H2(Me=Ti, Zr)MeCl4- BCl3-H2(Me=Ti, Zr)BCl3- NH3- H2AlCl3-H2-CO2, ZrCl4-H2-CO255CVICVI法法CVI法主要特點(diǎn)：預(yù)成體內(nèi)存在有氣體濃度梯 度；預(yù)成梯內(nèi)存在有溫度梯度；由于溫度梯度 的影響使顆粒形成體內(nèi)的壓力形成梯度。 采用CVI法制備陶瓷基復(fù)合材料時(shí)，預(yù)成形體 可以是纖維或編織物。要得到90以上的密度， 還采用HIP后續(xù)處理工藝。56CVI法的原理示意

29、圖57新型制備方法新型制備方法液相方法液相方法定向凝固 早期應(yīng)用預(yù)金屬基材料的制備 采用此法制備的復(fù)合材料，稱原位復(fù)合材料。 在定向凝固過(guò)程中，將希望成分的陶瓷放入鉑、 鉬、銥或BN制成的坩鍋中熔化，然后緩慢冷 卻，在凝固過(guò)程中析出溶化相，自然生成復(fù)合 材料。58新型制備方法新型制備方法SHSSHS法法原材料與反應(yīng)生成物溫度/KTi+2BTiB2 3190Zr+2BZrB23310Ti+CTiC 3200Al+1/2N2 AlN 2900SiO2+2Mg+CSiC+2MgO 25703TiO2+4Al+3C 3TiC+2Al2O3 23203TiO2+4Al+6B3TiB2+2Al2O3290

30、0利用陶瓷/陶瓷或陶瓷/金屬間的反應(yīng)。是合成復(fù)合材料中使用較多的方法。59第五章第五章 界面與表面界面與表面 界面特征與界面反應(yīng) 界面的分類 界面粘結(jié)強(qiáng)度 界面反應(yīng) 界面控制 改變強(qiáng)化體表面的性能 向基體添加特定的元素 強(qiáng)化體的表面涂層 表面強(qiáng)化 CVD 離子鍍 熔射 離子注入 其他60界面特征與界面反應(yīng)界面特征與界面反應(yīng)界面的分類界面的分類機(jī)械結(jié)合 基體與增強(qiáng)體材料之間沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，純粹靠機(jī)械結(jié)合。靠纖維的粗糙表面與基體產(chǎn)生摩擦力而實(shí)現(xiàn)的。溶解和潤(rùn)濕結(jié)合 基體潤(rùn)濕增強(qiáng)體材料，相互之間發(fā)生原子擴(kuò)散和溶解，形成結(jié)合。界面是溶質(zhì)原子的過(guò)渡帶。反應(yīng)結(jié)合 基體和增強(qiáng)體之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成化合物，

31、使基體與增強(qiáng)體結(jié)合在一起。交換反應(yīng)結(jié)合 基體與增強(qiáng)體材料間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成化合物，并且還通過(guò)擴(kuò)散發(fā)生元素交換，形成固溶體而使兩者結(jié)合。混合結(jié)合 這種結(jié)合較普遍，是重要的一種結(jié)合方式。是以上幾種結(jié)合方式中的幾個(gè)組合。61界面特征與界面反應(yīng)界面特征與界面反應(yīng)界面結(jié)合強(qiáng)度界面結(jié)合強(qiáng)度 對(duì)任何一種復(fù)合材料要求有高的 粘結(jié)強(qiáng)度。對(duì)陶瓷基復(fù)合材料， 則主要關(guān)心界面處的能量消耗， 以提高韌性。62界面特征與界面反應(yīng)界面特征與界面反應(yīng)界面反應(yīng)界面反應(yīng) 界面原子存在擴(kuò)散，擴(kuò)散是界面 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)中主要現(xiàn)象和速度控 制因素，以下按增強(qiáng)體材料與基 體間是否形成化合物分別討論。63 基體與增強(qiáng)體材料間不生成化合物，只

32、生 成固溶體。生成的固溶體不導(dǎo)致復(fù)合材料 性能的降低，主要是增強(qiáng)體材料的消耗使 強(qiáng)度降低。假定基體中的擴(kuò)散物的原始濃 度為零，基體表面上擴(kuò)散原子的濃度在整 個(gè)過(guò)程中保持不變，即該元素在基體中達(dá) 到極限溶解度，基體為半無(wú)限的物體，擴(kuò) 散系數(shù)與溶度無(wú)關(guān)。64擴(kuò)散的菲克第二定律：擴(kuò)散的菲克第二定律：Dtxerfcc210)/exp(kTQAD C0 平衡濃度 D擴(kuò)散濃度， t時(shí)間 A頻率因子，Q活化能，k玻爾茲曼常數(shù)， T絕對(duì)溫度 據(jù)此可以計(jì)算在擴(kuò)散系數(shù)D下，經(jīng)過(guò)時(shí)間t擴(kuò)散后 濃度達(dá)到c時(shí)的擴(kuò)散寬度。65 在界面形成化合物，當(dāng)其達(dá)到一定厚度時(shí)，復(fù)合材料的強(qiáng)度可能會(huì)大幅降低。預(yù)測(cè)化合物反應(yīng)帶的厚度十分重要，通常用簡(jiǎn)化公式求化合物的大致厚度。 C為化合物均質(zhì)區(qū)內(nèi)擴(kuò)散物的平均濃度，C為均質(zhì)區(qū)內(nèi)濃度。 利用上式可以計(jì)算C/C不同時(shí)，經(jīng)一定的擴(kuò)散時(shí)間后，化合物厚度達(dá)到一定值時(shí)所對(duì)應(yīng)的極限擴(kuò)散系數(shù)。 一般情況下，基體與增強(qiáng)體之間相互作用不足或過(guò)量都不利，反應(yīng)不足時(shí)復(fù)合材料的強(qiáng)度低，過(guò)量時(shí)可以引起界面脆化。根據(jù)具體情況，有時(shí)需