復(fù)合材料工藝及設(shè)備講義(共115頁).ppt

1、12目 錄3目 錄49 無機(jī)非金屬基復(fù)合材料59.1 概述概述9.1.1 9.1.1 開展概況開展概況無機(jī)非金屬基復(fù)合材料，通常是指各種類無機(jī)非金屬基復(fù)合材料，通常是指各種類型的纖維或晶須為增強(qiáng)材料，以水泥、型的纖維或晶須為增強(qiáng)材料，以水泥、玻璃、陶瓷、石膏等無機(jī)非金屬材料為基玻璃、陶瓷、石膏等無機(jī)非金屬材料為基體，通過不同的成型方法復(fù)合而成的一類體，通過不同的成型方法復(fù)合而成的一類新型的多相固態(tài)材料。新型的多相固態(tài)材料。6 傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料與現(xiàn)在所傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料與現(xiàn)在所用的許多金屬材料相比，有許多獨(dú)用的許多金屬材料相比，有許多獨(dú)特的優(yōu)勢，如抗腐蝕、耐高溫等。特的優(yōu)勢，如抗腐蝕、耐高溫等

2、。這使得許多行業(yè)的科學(xué)家都對它情這使得許多行業(yè)的科學(xué)家都對它情有獨(dú)鐘，然而，它也有質(zhì)脆、經(jīng)不有獨(dú)鐘，然而，它也有質(zhì)脆、經(jīng)不起熱沖擊的弱點(diǎn)，又使它的應(yīng)用范起熱沖擊的弱點(diǎn)，又使它的應(yīng)用范圍受到了一定的限制。圍受到了一定的限制。7無機(jī)非金屬材料復(fù)合材料無機(jī)非金屬材料復(fù)合材料特性：特性：1 1、能承受高溫，強(qiáng)度高、能承受高溫，強(qiáng)度高2 2、具有電學(xué)特性、具有電學(xué)特性3 3、具有光學(xué)特性、具有光學(xué)特性4 4、具有生物功能、具有生物功能89F-117F-117是一種單座戰(zhàn)斗轟炸機(jī)。設(shè)計(jì)目的是憑隱身性能，突破敵火力網(wǎng)，是一種單座戰(zhàn)斗轟炸機(jī)。設(shè)計(jì)目的是憑隱身性能，突破敵火力網(wǎng)，壓制敵方防空系統(tǒng)，摧毀嚴(yán)密防守的

3、指揮所、戰(zhàn)略要地、重要工業(yè)目標(biāo)，壓制敵方防空系統(tǒng)，摧毀嚴(yán)密防守的指揮所、戰(zhàn)略要地、重要工業(yè)目標(biāo)，還可執(zhí)行偵察任務(wù)，具有一定空戰(zhàn)能力。還可執(zhí)行偵察任務(wù)，具有一定空戰(zhàn)能力。101112陶瓷基復(fù)合材料主要是以高性能陶瓷為基體，通過陶瓷基復(fù)合材料主要是以高性能陶瓷為基體，通過參加顆粒、晶須、連續(xù)纖維和層狀材料等增強(qiáng)體而參加顆粒、晶須、連續(xù)纖維和層狀材料等增強(qiáng)體而形成的復(fù)合材料。形成的復(fù)合材料。其復(fù)合材料的類型如下圖。其復(fù)合材料的類型如下圖。13不同增強(qiáng)材料的陶瓷基復(fù)合材料不同增強(qiáng)材料的陶瓷基復(fù)合材料連續(xù)纖維連續(xù)纖維片狀或?qū)訝罾w維片狀或?qū)訝罾w維1415所用的陶瓷纖維或晶須有所用的陶瓷纖維或晶須有SiCS

4、iC、Si3N4Si3N4和和Al2O3Al2O3等。等。陶瓷基復(fù)合材料主要有四大系陶瓷基復(fù)合材料主要有四大系列：列：Al2O3-ZrO2Al2O3-ZrO2系列；系列；SiC-SiC-SiCSiC系列；系列； Si3N4Si3N4系列；系列；SiC- SiC- Si3N4Si3N4系列。其成型方法有：系列。其成型方法有：燒結(jié)法、熱壓法、反響燒結(jié)法、燒結(jié)法、熱壓法、反響燒結(jié)法、化學(xué)氣相沉積法和浸漬法等?；瘜W(xué)氣相沉積法和浸漬法等。16氧化鋯陶瓷刀具氧化鋯陶瓷刀具氧化鋯陶瓷刀具氧化鋯陶瓷刀具171964年，丹麥年，丹麥Krenchel博士應(yīng)用復(fù)合材料理論探博士應(yīng)用復(fù)合材料理論探討了纖維增強(qiáng)無機(jī)與有

5、機(jī)膠凝材料的機(jī)理。討了纖維增強(qiáng)無機(jī)與有機(jī)膠凝材料的機(jī)理。1967年英國的年英國的Majumdar試制成功含鋯的抗堿玻璃試制成功含鋯的抗堿玻璃纖維，并研究了抗堿玻璃纖維增強(qiáng)波特蘭水泥砂漿，纖維，并研究了抗堿玻璃纖維增強(qiáng)波特蘭水泥砂漿，取得了專利。取得了專利。1971年此種復(fù)合材料開始小規(guī)模生產(chǎn)。年此種復(fù)合材料開始小規(guī)模生產(chǎn)。18我國在我國在5050年代曾探索用中堿玻璃纖維年代曾探索用中堿玻璃纖維增強(qiáng)普通硅酸鹽水泥砂漿。進(jìn)入增強(qiáng)普通硅酸鹽水泥砂漿。進(jìn)入8080年年代用抗堿玻璃纖維增強(qiáng)低堿鋁硅酸鹽代用抗堿玻璃纖維增強(qiáng)低堿鋁硅酸鹽水泥。水泥。纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的纖維種纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的纖維種

6、類有類有：石棉纖維、纖維素纖維、鋼：石棉纖維、纖維素纖維、鋼纖維、玻璃纖維、聚丙烯纖維、炭纖維、玻璃纖維、聚丙烯纖維、炭纖維、纖維、KevlarKevlar纖維和植物纖維等。纖維和植物纖維等。19成型工藝方法：噴射法、預(yù)拌法、成型工藝方法：噴射法、預(yù)拌法、注射法、鋪網(wǎng)法、纏繞法、離心法、注射法、鋪網(wǎng)法、纏繞法、離心法、抄取法和流漿法。抄取法和流漿法。20二、陶瓷基和水泥基復(fù)合材料性能及其應(yīng)用二、陶瓷基和水泥基復(fù)合材料性能及其應(yīng)用1.1.陶瓷基復(fù)合材料性能及應(yīng)用陶瓷基復(fù)合材料性能及應(yīng)用21稀土離子摻雜稀土離子摻雜YAG透明透明陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)陶瓷的顯微結(jié)構(gòu) 無壓燒結(jié)氮化硅陶瓷材料無壓燒結(jié)氮化硅陶瓷

7、材料的顯微結(jié)構(gòu)的顯微結(jié)構(gòu) 22碳化物陶瓷制品碳化物陶瓷制品SiC密封件、密封件、SiC軸承球、軸承球、SiC燃燒室燃燒室Si3N4及陶瓷制品及陶瓷制品232. 2. 水泥基復(fù)合材料性能及應(yīng)用水泥基復(fù)合材料性能及應(yīng)用特點(diǎn)：特點(diǎn)：輕質(zhì)高強(qiáng)、具有良好的斷裂韌輕質(zhì)高強(qiáng)、具有良好的斷裂韌性。性。增強(qiáng)材料增強(qiáng)材料：石棉纖維、玻璃纖維和有：石棉纖維、玻璃纖維和有機(jī)合成纖維等。機(jī)合成纖維等。1 1玻璃纖維增強(qiáng)水泥的性能及應(yīng)用玻璃纖維增強(qiáng)水泥的性能及應(yīng)用廣泛用于建筑物中。廣泛用于建筑物中。24252627282 2石棉水泥基復(fù)合材料性能及應(yīng)用石棉水泥基復(fù)合材料性能及應(yīng)用由于石棉粉塵的危害性，使其應(yīng)用由于石棉粉塵

8、的危害性，使其應(yīng)用受到了限制。受到了限制。主要應(yīng)用：石棉瓦、石棉水泥管。主要應(yīng)用：石棉瓦、石棉水泥管。293 3鋼纖維水泥復(fù)合材料性能及應(yīng)用鋼纖維水泥復(fù)合材料性能及應(yīng)用鋼纖維水泥復(fù)合材料是由鋼纖維與鋼纖維水泥復(fù)合材料是由鋼纖維與水泥砂漿或混凝土所組成。通常稱水泥砂漿或混凝土所組成。通常稱為為“鋼纖維增強(qiáng)混凝土鋼纖維增強(qiáng)混凝土Steel Steel Fiber Reinforced ConcreteFiber Reinforced Concrete。主要應(yīng)用領(lǐng)域：隧道、巷道、機(jī)場主要應(yīng)用領(lǐng)域：隧道、巷道、機(jī)場跑道、橋梁、高速公路等。跑道、橋梁、高速公路等。304 4聚丙烯纖維水泥復(fù)合材料性能及應(yīng)

9、用聚丙烯纖維水泥復(fù)合材料性能及應(yīng)用是由聚丙烯纖維與水泥砂漿或混凝土所組成。是由聚丙烯纖維與水泥砂漿或混凝土所組成。統(tǒng)稱為聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土統(tǒng)稱為聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土Polypropylene Fiber Reinforced Polypropylene Fiber Reinforced ConcreteConcrete。特點(diǎn)特點(diǎn)：抗沖擊強(qiáng)度增大、韌性增高。：抗沖擊強(qiáng)度增大、韌性增高。主要應(yīng)用領(lǐng)域主要應(yīng)用領(lǐng)域：可做半承重的預(yù)制品，還可：可做半承重的預(yù)制品，還可用于現(xiàn)場澆注、地板和復(fù)合樓板等。用于現(xiàn)場澆注、地板和復(fù)合樓板等。319.3 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料 陶瓷基復(fù)合材料開展現(xiàn)狀 陶瓷基

10、復(fù)合材料所用原材料 陶瓷基復(fù)合材料成型工藝及設(shè)備 連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料生產(chǎn)工藝32重點(diǎn)：重點(diǎn)：陶瓷基復(fù)合材料纖維晶須與基體陶瓷基復(fù)合材料纖維晶須與基體間的相容性；低溫制備技術(shù)；陶瓷纖間的相容性；低溫制備技術(shù)；陶瓷纖維與陶瓷基體復(fù)合過程中的匹配原那維與陶瓷基體復(fù)合過程中的匹配原那么；陶瓷基復(fù)合材料成型方法及燒結(jié)么；陶瓷基復(fù)合材料成型方法及燒結(jié)原理。原理。33難點(diǎn)：難點(diǎn)：低溫制備技術(shù)；陶瓷纖維與陶瓷基體復(fù)低溫制備技術(shù)；陶瓷纖維與陶瓷基體復(fù)合過程中的匹配原那么；陶瓷基復(fù)合材合過程中的匹配原那么；陶瓷基復(fù)合材料燒結(jié)過程及原理。料燒結(jié)過程及原理。349.3.1 9.3.1 陶瓷基復(fù)合材料開展現(xiàn)狀陶

11、瓷基復(fù)合材料開展現(xiàn)狀35陶瓷基復(fù)合材料主要是以高性能陶瓷基復(fù)合材料主要是以高性能陶瓷為基體，通過參加顆粒、晶陶瓷為基體，通過參加顆粒、晶須、連續(xù)纖維和層狀材料等增強(qiáng)須、連續(xù)纖維和層狀材料等增強(qiáng)體而形成的復(fù)合材料。體而形成的復(fù)合材料。36我國在我國在2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代開始重視先進(jìn)陶瓷材年代開始重視先進(jìn)陶瓷材料研究，取得了一系列創(chuàng)新性成果。纖維料研究，取得了一系列創(chuàng)新性成果。纖維補(bǔ)強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料在我國獨(dú)創(chuàng)性地應(yīng)用補(bǔ)強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料在我國獨(dú)創(chuàng)性地應(yīng)用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈上，被列入為定型產(chǎn)品，并另于戰(zhàn)略導(dǎo)彈上，被列入為定型產(chǎn)品，并另被應(yīng)用于各類衛(wèi)星天線窗的保護(hù)框上。被應(yīng)用于各類衛(wèi)星天線窗的保護(hù)框上。

12、 37假設(shè)一輛普通的汽車在沙漠中行駛，在零假設(shè)一輛普通的汽車在沙漠中行駛，在零部件不壞的前提下最怕遇到什么問題？部件不壞的前提下最怕遇到什么問題？3839近十年來，我國以近十年來，我國以發(fā)動機(jī)用陶瓷零部發(fā)動機(jī)用陶瓷零部件的研制為契機(jī)，件的研制為契機(jī)，研制成功一系列新研制成功一系列新的陶瓷材料，并帶的陶瓷材料，并帶出許多應(yīng)用。出許多應(yīng)用。廣州本田新雅閣發(fā)動機(jī)廣州本田新雅閣發(fā)動機(jī)40“梟龍戰(zhàn)斗梟龍戰(zhàn)斗機(jī)機(jī) 發(fā)動機(jī)發(fā)動機(jī)4120042004年年3 3月我國國防科月我國國防科技工業(yè)領(lǐng)域惟一的女技工業(yè)領(lǐng)域惟一的女院士、西北工業(yè)大學(xué)院士、西北工業(yè)大學(xué)教授張立同率領(lǐng)的科教授張立同率領(lǐng)的科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，以技創(chuàng)新

13、團(tuán)隊(duì)，以“耐耐高溫長壽命抗氧化陶高溫長壽命抗氧化陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用技瓷基復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)研究榮獲國家技術(shù)研究榮獲國家技術(shù)創(chuàng)造一等獎。術(shù)創(chuàng)造一等獎。 42氮化硅與與碳化硅碳化硅基陶瓷基陶瓷材料應(yīng)用于機(jī)械密封、材料應(yīng)用于機(jī)械密封、金屬加工切削和金屬冶金屬加工切削和金屬冶煉工業(yè)中。氧化鋁、氧煉工業(yè)中。氧化鋁、氧化鋯基增韌陶瓷部件應(yīng)化鋯基增韌陶瓷部件應(yīng)用于集成電路基片、光用于集成電路基片、光纖連接器關(guān)鍵部件、汽纖連接器關(guān)鍵部件、汽車工業(yè)和石油工業(yè)等許車工業(yè)和石油工業(yè)等許多領(lǐng)域。多領(lǐng)域。43缺乏：缺乏：與其他復(fù)合材料相比，陶瓷基復(fù)合材料與其他復(fù)合材料相比，陶瓷基復(fù)合材料的開展較慢。的開展較慢。原因：原因

14、：制備工藝復(fù)雜；缺少耐高溫的制備工藝復(fù)雜；缺少耐高溫的纖維。纖維。44研究方向：研究方向：主要集中于纖維與基體之間的相容性；主要集中于纖維與基體之間的相容性；低溫制備技術(shù)；纖維外表處理技術(shù)。低溫制備技術(shù)；纖維外表處理技術(shù)。45(1)(1)要大力提高陶瓷纖維或晶須的性能。要大力提高陶瓷纖維或晶須的性能。1. 1. 纖維晶須與晶體間的相容性纖維晶須與晶體間的相容性(2)必須考慮纖維或晶須與基體在化學(xué)必須考慮纖維或晶須與基體在化學(xué)上和物理上的相容性。上和物理上的相容性。46低溫制備技術(shù)的研究，近年來十分活低溫制備技術(shù)的研究，近年來十分活潑。潑。2. 2. 低溫制備技術(shù)低溫制備技術(shù)47目的：主要改善纖

15、維晶須與基體在目的：主要改善纖維晶須與基體在物理上和化學(xué)上的相容性，提高纖維物理上和化學(xué)上的相容性，提高纖維晶須與基體的結(jié)合強(qiáng)度，減少或防晶須與基體的結(jié)合強(qiáng)度，減少或防止纖維與基體之間的有害化學(xué)反響的發(fā)止纖維與基體之間的有害化學(xué)反響的發(fā)生，從而提高復(fù)合材料的性能。生，從而提高復(fù)合材料的性能。3. 3. 纖維晶須外表處理技術(shù)纖維晶須外表處理技術(shù)48常用的外表處理方法有：化學(xué)氣相沉常用的外表處理方法有：化學(xué)氣相沉淀、化學(xué)氣相浸漬、化學(xué)反響沉積、淀、化學(xué)氣相浸漬、化學(xué)反響沉積、熔態(tài)浸漬、等離子噴涂、電鍍和化學(xué)熔態(tài)浸漬、等離子噴涂、電鍍和化學(xué)鍍等。鍍等。49原材料如何？501. 1. 增強(qiáng)材料增強(qiáng)材料

16、陶瓷基復(fù)合材料所用增強(qiáng)材料陶瓷基復(fù)合材料所用增強(qiáng)材料 有：有：AlAl2 2O O3 3、SiOSiO2 2、TiOTiO2 2、ZnOZnO、ZrOZrO2 2等氧化等氧化物晶須和物晶須和SiSi3 3N N4 4、SiCSiC、TaCTaC和和BNBN等非氧等非氧化物晶須?；锞ы?。所用纖維有所用纖維有C C纖維、纖維、B B纖維、纖維、SiCSiC纖維、纖維、BNBN纖維和纖維和AlAl2 2O O3 3纖維等。纖維等。9.3.2 陶瓷基復(fù)合材料所用原材料陶瓷基復(fù)合材料所用原材料51晶須放大照片晶須放大照片碳化硅晶須樣品碳化硅晶須樣品522. 基體材料基體材料常用的有常用的有SiCSiC

17、、SiSi3 3N N4 4、 AlAl2 2O O3 3、C C、BNBN、 ZrOZrO2 2、MgOMgO和和SiOSiO2 2等。等。碳化硅碳化硅SiCSiC是一種非常硬而脆的材料。是一種非常硬而脆的材料。在復(fù)原氣氛中，碳化硅具有很好的耐燒蝕與在復(fù)原氣氛中，碳化硅具有很好的耐燒蝕與化學(xué)腐蝕能力。化學(xué)腐蝕能力。2. 基體材料基體材料53碳化硅陶瓷的特點(diǎn)碳化硅陶瓷的特點(diǎn) 高溫強(qiáng)度高，在高溫強(qiáng)度高，在14001400時抗彎強(qiáng)度仍保持在時抗彎強(qiáng)度仍保持在500500600MPa600MPa，而其它陶瓷材料到，而其它陶瓷材料到120012001400 1400 時強(qiáng)度水平顯著降低。時強(qiáng)度水平顯著

18、降低。 具有很高的熱傳導(dǎo)能力，在陶瓷中僅次于氧化具有很高的熱傳導(dǎo)能力，在陶瓷中僅次于氧化鈹陶瓷。鈹陶瓷。 具有較好的熱穩(wěn)定性、耐磨性、耐腐蝕性和抗具有較好的熱穩(wěn)定性、耐磨性、耐腐蝕性和抗蠕變性能。蠕變性能。碳化硅碳化硅54 強(qiáng)度高，反響燒結(jié)氮化硅室溫抗彎強(qiáng)度強(qiáng)度高，反響燒結(jié)氮化硅室溫抗彎強(qiáng)度為為200 MPa200 MPa，到，到1200-13501200-1350仍保持較高仍保持較高強(qiáng)度。熱壓氮化硅室溫抗彎強(qiáng)度可達(dá)強(qiáng)度。熱壓氮化硅室溫抗彎強(qiáng)度可達(dá)500 MPa500 MPa。 抗熱震性能和抗高溫蠕變性能比其它陶抗熱震性能和抗高溫蠕變性能比其它陶瓷材料好；瓷材料好； 硬度高，摩擦系數(shù)低，為硬度

19、高，摩擦系數(shù)低，為0.1-0.20.1-0.2，是，是一種極其優(yōu)良的耐磨材料；一種極其優(yōu)良的耐磨材料； 具有自潤滑性，可在無潤滑的磨損條件具有自潤滑性，可在無潤滑的磨損條件下工作；下工作；氮化硅陶瓷的特點(diǎn)氮化硅陶瓷的特點(diǎn)55563. 陶瓷纖維晶須與陶瓷基體復(fù)合過程中陶瓷纖維晶須與陶瓷基體復(fù)合過程中的匹配原那么的匹配原那么1 1增強(qiáng)材料彈性模量要高。增強(qiáng)材料彈性模量要高。2 2增強(qiáng)材料和基體材料熱膨脹系數(shù)相近。增強(qiáng)材料和基體材料熱膨脹系數(shù)相近。3 3在制造過程中，應(yīng)防止纖維或晶須與在制造過程中，應(yīng)防止纖維或晶須與基體在高溫處理時兩者發(fā)生化學(xué)反響?；w在高溫處理時兩者發(fā)生化學(xué)反響。4 4確保增強(qiáng)材

20、料與基體材料界面之間的確保增強(qiáng)材料與基體材料界面之間的結(jié)合強(qiáng)度。結(jié)合強(qiáng)度。57工藝如何？工藝如何？589.3.3 陶瓷基復(fù)合材料成型工藝及設(shè)備陶瓷基復(fù)合材料成型工藝及設(shè)備陶瓷基復(fù)合材料的成型方法主要有：注漿法、陶瓷基復(fù)合材料的成型方法主要有：注漿法、浸漬法、氣相沉積法和熱壓法等。浸漬法、氣相沉積法和熱壓法等。陶瓷和粉末冶金工藝通常包括粉末制備、陶瓷和粉末冶金工藝通常包括粉末制備、坯塊成型和燒結(jié)工藝三個工序。坯塊成型和燒結(jié)工藝三個工序。591. 1. 注漿成型注漿成型Slip CastingSlip Casting注漿成型是氧化鋁陶瓷使用最早的成型方注漿成型是氧化鋁陶瓷使用最早的成型方法。由于采

21、用石膏模、本錢低；此法易于法。由于采用石膏模、本錢低；此法易于成型大尺寸、外形復(fù)雜的薄壁部件。成型大尺寸、外形復(fù)雜的薄壁部件。 注漿成型包括石膏模制做、粉漿制備和粉注漿成型包括石膏模制做、粉漿制備和粉漿澆注。注漿成型的關(guān)鍵是漿料的制備。漿澆注。注漿成型的關(guān)鍵是漿料的制備。在制備漿料時，需要參加分散懸浮劑、粘在制備漿料時，需要參加分散懸浮劑、粘結(jié)劑、除氣劑和滴定劑。結(jié)劑、除氣劑和滴定劑。 60成型過程：將物料和水經(jīng)研磨后制成型過程：將物料和水經(jīng)研磨后制成一定濃度的懸浮粉漿，注入具有成一定濃度的懸浮粉漿，注入具有所需形狀的石膏模具，空心注漿時，所需形狀的石膏模具，空心注漿時，在模壁吸附漿料達(dá)要求厚

22、度時，還在模壁吸附漿料達(dá)要求厚度時，還需將多余漿料倒出；拆開模具取注需將多余漿料倒出；拆開模具取注件，枯燥，燒結(jié)。件，枯燥，燒結(jié)。61注漿成型工藝過程注漿成型工藝過程注漿成型研究論文注漿成型研究論文62為縮短吸漿時間，提高注件質(zhì)量，可采為縮短吸漿時間，提高注件質(zhì)量，可采用壓力注漿、離心注漿和真空注漿。用壓力注漿、離心注漿和真空注漿。離心成型離心成型Centrifugal casting也也稱為離心注漿成型。是將料漿注入容稱為離心注漿成型。是將料漿注入容器中，利用大的離心力使固態(tài)顆粒沉器中，利用大的離心力使固態(tài)顆粒沉降在容器內(nèi)壁而成型，較適合于空心降在容器內(nèi)壁而成型，較適合于空心柱狀部件，缺乏之

23、處是坯體的密度沿柱狀部件，缺乏之處是坯體的密度沿離心方向變化。離心方向變化。632. 2. 壓力滲濾工藝壓力滲濾工藝(Pressure filtration)(Pressure filtration)和離和離心成形心成形(Centrifugal casting)(Centrifugal casting)壓力滲濾工藝綜合了注漿和注射工藝的優(yōu)壓力滲濾工藝綜合了注漿和注射工藝的優(yōu)點(diǎn)，可得到異形的復(fù)合材料制品，可防止點(diǎn)，可得到異形的復(fù)合材料制品，可防止超細(xì)粉或晶須在整個制備過程中發(fā)生團(tuán)聚超細(xì)粉或晶須在整個制備過程中發(fā)生團(tuán)聚和再團(tuán)聚現(xiàn)象。特別適合于晶須增韌陶瓷和再團(tuán)聚現(xiàn)象。特別適合于晶須增韌陶瓷基復(fù)合材

24、料的成型。基復(fù)合材料的成型。64壓力滲濾法生產(chǎn)過程：壓力滲濾法生產(chǎn)過程：首先將晶須首先將晶須( (短切纖維短切纖維) )預(yù)成型為坯件，預(yù)成型為坯件，然后經(jīng)外表處理，置于石膏模具中，然后經(jīng)外表處理，置于石膏模具中，在壓力作用下使料漿充滿晶須在壓力作用下使料漿充滿晶須( (短切纖短切纖維維) )預(yù)成型坯件的縫隙。料漿中的液體預(yù)成型坯件的縫隙。料漿中的液體經(jīng)過過濾器排入過濾腔，而留在模具經(jīng)過過濾器排入過濾腔，而留在模具內(nèi)的經(jīng)加壓燒結(jié)形成晶須內(nèi)的經(jīng)加壓燒結(jié)形成晶須( (短切纖維短切纖維) )補(bǔ)強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。補(bǔ)強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。6566將晶須或短切纖維進(jìn)行預(yù)處理，然后采用將晶須或短切纖維進(jìn)行預(yù)處理，

25、然后采用分散技術(shù)分布于陶瓷基體料漿中，再利用分散技術(shù)分布于陶瓷基體料漿中，再利用上圖所示的裝置直接加壓滲濾，經(jīng)過燒結(jié)上圖所示的裝置直接加壓滲濾，經(jīng)過燒結(jié)后也可以獲得晶須后也可以獲得晶須( (短團(tuán)纖維短團(tuán)纖維) )補(bǔ)強(qiáng)陶瓷基補(bǔ)強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。復(fù)合材料。特點(diǎn)：可防止粉料團(tuán)聚和重團(tuán)聚現(xiàn)象，特點(diǎn)：可防止粉料團(tuán)聚和重團(tuán)聚現(xiàn)象，坯體密度高，非常適合于晶須和纖維補(bǔ)坯體密度高，非常適合于晶須和纖維補(bǔ)強(qiáng)復(fù)合材料的成型。強(qiáng)復(fù)合材料的成型。673.3.流延法成型流延法成型Tape Casting/Doctor Tape Casting/Doctor BladeBlade流延法成形與注漿成形類似，不同之處在流延法成

26、形與注漿成形類似，不同之處在于所成型的制品形狀、尺寸及溶劑排除方于所成型的制品形狀、尺寸及溶劑排除方式不同，要獲得膜厚度在式不同，要獲得膜厚度在1010微米以下的陶微米以下的陶瓷膜必須用流延法。瓷膜必須用流延法。68它是將超細(xì)粉中混入適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)它是將超細(xì)粉中混入適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)劑制成流延漿料，然后通過固定劑制成流延漿料，然后通過固定的流延嘴及依靠料漿本身的自重的流延嘴及依靠料漿本身的自重將漿料刮成薄片狀流在一條平移將漿料刮成薄片狀流在一條平移轉(zhuǎn)動的環(huán)形鋼帶上。經(jīng)過上下烘轉(zhuǎn)動的環(huán)形鋼帶上。經(jīng)過上下烘干道，鋼帶又回到初始位置時就干道，鋼帶又回到初始位置時就得到所需的薄膜坯體。得到所需的薄膜坯體。69特點(diǎn)

27、：是可以進(jìn)行材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏特點(diǎn)：是可以進(jìn)行材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；比干壓成型獲得的坯體密觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；比干壓成型獲得的坯體密度高；可制得厚度為度高；可制得厚度為0.05mm0.05mm以下的薄膜；以下的薄膜；機(jī)械化和自動化程度較高。機(jī)械化和自動化程度較高。70燒結(jié)是陶瓷工藝中最重要的工序。所謂燒結(jié)是陶瓷工藝中最重要的工序。所謂燒結(jié)就是指在高溫作用下，瓷料發(fā)生一燒結(jié)就是指在高溫作用下，瓷料發(fā)生一系列物理化學(xué)變化并由松散狀態(tài)逐漸致系列物理化學(xué)變化并由松散狀態(tài)逐漸致密化，且機(jī)械強(qiáng)度大大提高的過程。密化，且機(jī)械強(qiáng)度大大提高的過程。(1) (1) 燒結(jié)過程及原理燒結(jié)過程及原理4.4.燒結(jié)工藝燒結(jié)

28、工藝71一般燒結(jié)的驅(qū)動力為體系的外表能和一般燒結(jié)的驅(qū)動力為體系的外表能和缺陷能。缺陷能。粉末燒結(jié)從熱力學(xué)角度分析是系統(tǒng)自粉末燒結(jié)從熱力學(xué)角度分析是系統(tǒng)自由能降低的過程，即由不穩(wěn)定的高能由能降低的過程，即由不穩(wěn)定的高能狀態(tài)向穩(wěn)定的低能狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程。狀態(tài)向穩(wěn)定的低能狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程。72根據(jù)燒結(jié)時是否存在明顯的液相，燒結(jié)根據(jù)燒結(jié)時是否存在明顯的液相，燒結(jié)過程可分為固相燒結(jié)和液相燒結(jié)。過程可分為固相燒結(jié)和液相燒結(jié)。固相燒結(jié)過程，在升溫階段發(fā)生水分和固相燒結(jié)過程，在升溫階段發(fā)生水分和有機(jī)物的蒸發(fā)和揮發(fā)，成型劑和吸附氣有機(jī)物的蒸發(fā)和揮發(fā)，成型劑和吸附氣體的排除，顆粒內(nèi)應(yīng)力的消除，再結(jié)晶體的排除，顆粒內(nèi)應(yīng)

29、力的消除，再結(jié)晶等過程。等過程。固相燒結(jié)固相燒結(jié)73球形顆粒的燒結(jié)模型球形顆粒的燒結(jié)模型中期變化中期變化燒結(jié)前燒結(jié)前燒結(jié)后期孔隙球化燒結(jié)后期孔隙球化74坯體燒結(jié)過程示意圖坯體燒結(jié)過程示意圖75在高溫保溫時，液相燒結(jié)過程的三在高溫保溫時，液相燒結(jié)過程的三個階段：個階段：形成液相和顆粒重排；形成液相和顆粒重排；固相在液相中的溶解和析出；固相在液相中的溶解和析出；固相骨架的形成。固相骨架的形成。在冷卻階段，液相凝固。在冷卻階段，液相凝固。液相燒結(jié)液相燒結(jié)76燒結(jié)三階段燒結(jié)三階段77小結(jié)小結(jié)陶瓷基復(fù)合材料開展現(xiàn)狀；陶瓷基復(fù)合材料開展現(xiàn)狀；陶瓷基復(fù)合材料所用原材料；陶瓷基復(fù)合材料所用原材料；注漿成型、壓

30、力滲濾成型、流延成型；注漿成型、壓力滲濾成型、流延成型；燒結(jié)過程及原理。燒結(jié)過程及原理。78回憶與思考回憶與思考1.通過哪些途徑可提高陶瓷基復(fù)合材通過哪些途徑可提高陶瓷基復(fù)合材料韌性？料韌性？2.查閱資料，綜述陶瓷基復(fù)合材料的查閱資料，綜述陶瓷基復(fù)合材料的開展前沿及應(yīng)用。開展前沿及應(yīng)用。79為了加速瓷料的燒結(jié)、提高瓷件的致為了加速瓷料的燒結(jié)、提高瓷件的致密度，還常常通過給瓷料加高溫的同密度，還常常通過給瓷料加高溫的同時施加外力的方式進(jìn)行瓷料的燒結(jié)，時施加外力的方式進(jìn)行瓷料的燒結(jié)，尤其對一些難于燒結(jié)的材料，加壓燒尤其對一些難于燒結(jié)的材料，加壓燒結(jié)具有無可比較的優(yōu)越性。這就是所結(jié)具有無可比較的優(yōu)越

31、性。這就是所謂的熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)。前者謂的熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)。前者是一維單向施加壓力；后者是三維方是一維單向施加壓力；后者是三維方向加壓。向加壓。802 2燒結(jié)方法及設(shè)備燒結(jié)方法及設(shè)備1 1熱壓法熱壓法加壓成型和加熱燒結(jié)同時進(jìn)行的工藝。加壓成型和加熱燒結(jié)同時進(jìn)行的工藝。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：所需成型壓力?。凰璩尚蛪毫π。唤档蜔Y(jié)溫度、降低燒結(jié)溫度、縮短燒結(jié)時間；縮短燒結(jié)時間；容易獲得接近理論密容易獲得接近理論密度、氣孔率接近于零的燒結(jié)體；容易得度、氣孔率接近于零的燒結(jié)體；容易得到細(xì)晶粒的組織和實(shí)現(xiàn)晶體的取向效應(yīng)、到細(xì)晶粒的組織和實(shí)現(xiàn)晶體的取向效應(yīng)、可獲得具有良好機(jī)械性能、電性能的制可獲得具有

32、良好機(jī)械性能、電性能的制品；品；81缺點(diǎn)：生產(chǎn)效率低、本錢高。缺點(diǎn)：生產(chǎn)效率低、本錢高?？缮a(chǎn)形狀復(fù)雜、尺寸較精確的制可生產(chǎn)形狀復(fù)雜、尺寸較精確的制品。品。822 2干壓成形干壓成形(Dry Pressing)(Dry Pressing)干壓成形又稱為模壓成形，是將粉料填干壓成形又稱為模壓成形，是將粉料填充到模具內(nèi)部后，通過單向或雙向加壓，充到模具內(nèi)部后，通過單向或雙向加壓，將粉料壓成所需形狀。這種方法操作簡將粉料壓成所需形狀。這種方法操作簡便，生產(chǎn)效率高，易于自動化，是常用便，生產(chǎn)效率高，易于自動化，是常用的方法之一。但干壓成形時粉料容易團(tuán)的方法之一。但干壓成形時粉料容易團(tuán)聚，坯體厚度大時內(nèi)

33、部密度不均勻、制聚，坯體厚度大時內(nèi)部密度不均勻、制品形狀可控精度差，且對模具質(zhì)量要求品形狀可控精度差，且對模具質(zhì)量要求高，復(fù)雜形狀的部件模具設(shè)計(jì)較困難。高，復(fù)雜形狀的部件模具設(shè)計(jì)較困難。83 干壓成形的粉料含水量應(yīng)嚴(yán)格控制，干壓成形的粉料含水量應(yīng)嚴(yán)格控制，一般應(yīng)枯燥至含水量不超過一般應(yīng)枯燥至含水量不超過1 12 2( (質(zhì)量分?jǐn)?shù)為宜。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為宜。84加壓方式對坯體密度的影響加壓方式對坯體密度的影響85此外，干壓時壓模下落速度緩慢些此外，干壓時壓模下落速度緩慢些為好，加壓速度過快會導(dǎo)致坯體分為好，加壓速度過快會導(dǎo)致坯體分層、坯體內(nèi)夾雜氣泡、外表致密而層、坯體內(nèi)夾雜氣泡、外表致密而中間松散等缺陷

34、。批量生產(chǎn)時加壓中間松散等缺陷。批量生產(chǎn)時加壓應(yīng)均勻一致，否那么會引起瓷件薄應(yīng)均勻一致，否那么會引起瓷件薄厚不均勻造成廢品。厚不均勻造成廢品。86自本世紀(jì)自本世紀(jì)3030年代開始采用等靜壓成型。年代開始采用等靜壓成型。一般等靜壓指的是濕袋式等靜壓一般等靜壓指的是濕袋式等靜壓(wet(wetbag isostatic pressing,bag isostatic pressing,也叫濕法等也叫濕法等靜壓靜壓) )，就是將粉料裝入橡膠等可變形，就是將粉料裝入橡膠等可變形的容器中，密封后放入液壓油或水等流的容器中，密封后放入液壓油或水等流體介質(zhì)中，加壓獲得所需的坯體。這種體介質(zhì)中，加壓獲得所需的坯

35、體。這種工藝最大的優(yōu)點(diǎn)是粉料不需要加粘合劑、工藝最大的優(yōu)點(diǎn)是粉料不需要加粘合劑、坯體密度均勻性好、所成形制品的大小坯體密度均勻性好、所成形制品的大小和材質(zhì)幾乎不受限制并具有良好的燒結(jié)和材質(zhì)幾乎不受限制并具有良好的燒結(jié)體性能。體性能。等靜壓成形等靜壓成形(Isostatic Pressing)(Isostatic Pressing)87等靜壓成形原理示意圖等靜壓成形原理示意圖88但此法僅適用于簡但此法僅適用于簡單形狀制品，形狀單形狀制品，形狀和尺寸控制性差，和尺寸控制性差，而且生產(chǎn)效率低、而且生產(chǎn)效率低、難于實(shí)現(xiàn)自動化批難于實(shí)現(xiàn)自動化批量生產(chǎn)。因而出現(xiàn)量生產(chǎn)。因而出現(xiàn)了干袋式等靜壓的了干袋式等靜

36、壓的方法方法( (干式等靜壓干式等靜壓) )。89這種成形方法是將加壓橡膠袋封緊在高這種成形方法是將加壓橡膠袋封緊在高壓容器中，加料后的彈性模具送入壓力壓容器中，加料后的彈性模具送入壓力室中，加壓成形后退出來脫模。也可將室中，加壓成形后退出來脫模。也可將模具固定在高壓容器中，加料后封緊模模具固定在高壓容器中，加料后封緊模具加壓成形，這時模具不和加壓液體直具加壓成形，這時模具不和加壓液體直接接觸，可以減少模具的移動，不用調(diào)接接觸，可以減少模具的移動，不用調(diào)整容器中的液面和排除多余的空氣，因整容器中的液面和排除多余的空氣，因而能加速取出壓好的坯體，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)而能加速取出壓好的坯體，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)等靜壓

37、。等靜壓。90但是這種方法只是在粉料周圍受壓，但是這種方法只是在粉料周圍受壓，粉體的頂部和底部都無法受到壓力。粉體的頂部和底部都無法受到壓力。而且這種方法只適用于大量壓制同而且這種方法只適用于大量壓制同一類型的產(chǎn)品，特別是幾何形狀簡一類型的產(chǎn)品，特別是幾何形狀簡單的產(chǎn)品，如管子、圓柱等。單的產(chǎn)品，如管子、圓柱等。91等靜壓成形設(shè)備示意圖等靜壓成形設(shè)備示意圖濕袋式等靜壓濕袋式等靜壓干袋式等靜壓干袋式等靜壓92熱等靜壓燒結(jié)法熱等靜壓燒結(jié)法等靜壓成型是使粉料在各向同時均勻受等靜壓成型是使粉料在各向同時均勻受壓的一種成型工藝，有干袋法和濕袋法壓的一種成型工藝，有干袋法和濕袋法兩種。兩種。傳遞壓力的介質(zhì)

38、為液體時，稱為液等靜傳遞壓力的介質(zhì)為液體時，稱為液等靜壓成型；傳遞壓力介質(zhì)為氣體或彈性體，壓成型；傳遞壓力介質(zhì)為氣體或彈性體，稱為均衡壓制成型。稱為均衡壓制成型。9394在制備一些陶瓷時在制備一些陶瓷時( (如如SiCSiC、Si3N4Si3N4和和莫來石等莫來石等) )，人們還常常利用反響燒，人們還常常利用反響燒結(jié)的方法使材料合成和燒結(jié)同時完成。結(jié)的方法使材料合成和燒結(jié)同時完成。這種方法是先將原材料這種方法是先將原材料( (如制備如制備Si3N4Si3N4時使用時使用SiSi粉粉) )粉末以適當(dāng)方式成形后，粉末以適當(dāng)方式成形后，在一定氣氛中在一定氣氛中( (如氮?dú)馊绲獨(dú)? )加熱發(fā)生原位加熱

39、發(fā)生原位反響合成所要的材料并同時發(fā)生燒結(jié)。反響合成所要的材料并同時發(fā)生燒結(jié)。它的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠很精確地控制制它的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠很精確地控制制品的尺寸變化，但燒成致密度不品的尺寸變化，但燒成致密度不高一般低于高一般低于9090。953活化燒結(jié)法反響燒結(jié)或強(qiáng)化燒結(jié)活化燒結(jié)法反響燒結(jié)或強(qiáng)化燒結(jié)它是指能提高燒結(jié)效率、使陶瓷材料它是指能提高燒結(jié)效率、使陶瓷材料性能發(fā)生顯著改善的一種燒結(jié)工藝。性能發(fā)生顯著改善的一種燒結(jié)工藝。原理：原理： 在燒結(jié)前或在燒結(jié)過程中，在燒結(jié)前或在燒結(jié)過程中，采用某些物理或化學(xué)方法，使反響物采用某些物理或化學(xué)方法，使反響物的原子或分子處于高能狀態(tài)，利用這的原子或分子處于高能狀態(tài)，

40、利用這種高能狀態(tài)的不穩(wěn)定性，容易釋放出種高能狀態(tài)的不穩(wěn)定性，容易釋放出能量而變成低能態(tài)，作為強(qiáng)化燒結(jié)的能量而變成低能態(tài)，作為強(qiáng)化燒結(jié)的新的驅(qū)動力。新的驅(qū)動力。96反響燒結(jié)與其他燒結(jié)工藝相比，其主要反響燒結(jié)與其他燒結(jié)工藝相比，其主要特點(diǎn)：特點(diǎn)：反響燒結(jié)時，質(zhì)量增加；反響燒結(jié)時，質(zhì)量增加；燒結(jié)坯件不收縮，尺寸不變；燒結(jié)坯件不收縮，尺寸不變；物質(zhì)遷移過程發(fā)生在長距離范圍內(nèi)，物質(zhì)遷移過程發(fā)生在長距離范圍內(nèi)，反響速度取決于傳質(zhì)和傳熱過程；反響速度取決于傳質(zhì)和傳熱過程；液相反響燒結(jié)液相和固相間發(fā)生化學(xué)液相反響燒結(jié)液相和固相間發(fā)生化學(xué)反響。反響。979.3.4 9.3.4 連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料生產(chǎn)工連

41、續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料生產(chǎn)工藝藝1.1.概述概述優(yōu)點(diǎn)：耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、高硬優(yōu)點(diǎn)：耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、高硬度、韌性高、可機(jī)械加工等。度、韌性高、可機(jī)械加工等。連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料所用的增連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料所用的增強(qiáng)纖維主要有強(qiáng)纖維主要有AlAl2 2O O3 3纖維、纖維、SiCSiC纖維、纖維、SiSi3 3N N4 4纖維和碳纖維等，所用基體材料主纖維和碳纖維等，所用基體材料主要有要有AlAl2 2O O3 3陶瓷、陶瓷、 SiCSiC陶瓷和陶瓷和 SiSi3 3N N4 4陶瓷陶瓷等。等。982. 2. 連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料生產(chǎn)連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料生

42、產(chǎn)工藝工藝使用最多的工藝方法有：化學(xué)氣相沉積使用最多的工藝方法有：化學(xué)氣相沉積法法CVDCVD法、化學(xué)氣相滲透法法、化學(xué)氣相滲透法CVICVI法、直接熔融氧化法法、直接熔融氧化法(LANXIDE(LANXIDE法和法和溶膠凝膠與有機(jī)聚合物先驅(qū)轉(zhuǎn)化法溶膠凝膠與有機(jī)聚合物先驅(qū)轉(zhuǎn)化法有機(jī)聚合物高溫裂解法。有機(jī)聚合物高溫裂解法。991 1化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法CVD(Chemical Vapor CVD(Chemical Vapor Depositon)Depositon)C纖纖/SiC氣相沉積原理圖示氣相沉積原理圖示它是將連續(xù)纖維或晶須制成預(yù)成型坯它是將連續(xù)纖維或晶須制成預(yù)成型坯體，而后置于化

43、學(xué)氣相沉積爐內(nèi)，通過高體，而后置于化學(xué)氣相沉積爐內(nèi)，通過高溫條件下的氣相反響形成復(fù)合材料基體物溫條件下的氣相反響形成復(fù)合材料基體物質(zhì)沉積，填充于骨架纖維中，從而直接獲質(zhì)沉積，填充于骨架纖維中，從而直接獲得陶瓷基復(fù)合材料制品。得陶瓷基復(fù)合材料制品。1002 2化學(xué)氣相浸漬法化學(xué)氣相浸漬法 (Chemical Vapor (Chemical Vapor Impregnation,Impregnation,CVI)CVI)CVICVI法是在法是在CVDCVD法根底上開展起來的；法根底上開展起來的；CVICVI法主要有六種，最具代表性的為等溫法主要有六種，最具代表性的為等溫CVICVI法法ICVIIC

44、VI和熱梯度強(qiáng)制對流和熱梯度強(qiáng)制對流CVICVI法法FCVIFCVI101原理：利用原理：利用CVDCVD的原理，設(shè)法使氣相物質(zhì)在的原理，設(shè)法使氣相物質(zhì)在加熱的纖維外表或附近發(fā)生化學(xué)反響，形成加熱的纖維外表或附近發(fā)生化學(xué)反響，形成基體物質(zhì)沉積于骨架纖維中，從而獲得陶瓷基體物質(zhì)沉積于骨架纖維中，從而獲得陶瓷基復(fù)合材料制品?；鶑?fù)合材料制品。102化學(xué)氣相浸漬法化學(xué)氣相浸漬法 (Chemical Vapor Impregnation, CVI)以在以在1200 - 1400 K的溫度下制備的溫度下制備SiC陶瓷基復(fù)合材料為例：陶瓷基復(fù)合材料為例：CH3Cl3Si(g) + H2(g) SiC(s)

45、+ 3HCl(g) + H2(g)有的時候還可以用原料氣，如氧化鋁基體復(fù)合材料的制備，有的時候還可以用原料氣，如氧化鋁基體復(fù)合材料的制備，在在 950 - 1000 和和 23 kPa 的壓力下的壓力下: H2(g) + CO2(g) H2O(g) + CO (g) 2AlCl3(g) + H2O (g) Al2O3(s) + 6 HCl(g)2AlCl3(g) + 3H2(g) + 3CO2(g) Al2O3(s) + 3CO(g) + 6HCl(g)103 ICVI工藝又稱靜態(tài)法，是將被浸漬的預(yù)制件放在工藝又稱靜態(tài)法，是將被浸漬的預(yù)制件放在等溫室中，反響物氣體通過擴(kuò)散滲透到多孔預(yù)制等溫室中，反響物氣體通過擴(kuò)散滲透到多孔預(yù)制件中，發(fā)生化學(xué)反響并沉積，反響副產(chǎn)物氣體也件中，發(fā)生化學(xué)反響并沉積，反響副產(chǎn)物氣體也通過擴(kuò)散逸出；通過擴(kuò)散逸出； 由