鄭州大學復合材料學第四章CMCppt課件

1、 Chapter 5:Ceramic Matrix Composite(CMC)Chapter4:Ceramic Matrix Composite陶瓷資料性能特征陶瓷資料性能特征強度高、耐磨性好、硬度高耐腐蝕性好脆性大，耐熱震性能差，而且陶瓷資料對裂紋、氣孔和夾雜等細微的缺陷很敏感。陶瓷基復合資料陶瓷基復合資料對陶瓷資料增韌1 顆粒、晶須增韌復合資料顆粒、晶須增韌復合資料2 纖維增韌復合資料纖維增韌復合資料3 相變增韌復合資料相變增韌復合資料4 仿生構造復合資料仿生構造復合資料陶瓷基復合資料陶瓷基復合資料(1)層狀復合資料層狀復合資料(2)纖維獨石復合資料纖維獨石復合資料(3)木頭陶瓷木頭陶瓷

2、Chapter4:Ceramic Matrix Composite目前部分實踐運用的陶瓷復合資料SiC-玻璃陶瓷：人工假體資料玻璃陶瓷：人工假體資料ZrO2, Al2O3：抗熱震資料：抗熱震資料C-C：火箭構件，人工假體資料：火箭構件，人工假體資料SiC-SiC：特殊發(fā)動機構件；：特殊發(fā)動機構件；SiC晶須晶須-Al2O3:切削工具切削工具Si3N4復相陶瓷刀具復相陶瓷刀具Chapter4:Ceramic Matrix Composite陶瓷基復合資料的制備成形陶瓷基復合資料的制備成形顆粒資料的成形與預燒結混合加成形劑 成形 燒結成形的方法成形的方法模壓等靜壓注射成形凝膠注模成形軋制擠壓松裝燒

3、結預預 燒燒 結結n維持外形n具有一定的強度Principle and MechanismLanxide工藝工藝80年代中期，美國年代中期，美國Lanxide公司發(fā)明的一種公司發(fā)明的一種CMC新工藝。新工藝。將熔融的金屬直接氧化，生成以反響固體產(chǎn)物將熔融的金屬直接氧化，生成以反響固體產(chǎn)物(氧化物、氧化物、氮化物、硼化物等氮化物、硼化物等)為骨架基體，并含有為骨架基體，并含有5-30%三維延續(xù)三維延續(xù)金屬的復合資料。金屬的復合資料。Chapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic

4、Matrix CompositeCVD利用源氣在高溫條件下的分解或氣相反響，在顆粒、纖維、晶須以及其它具有開口氣孔的加強骨架上堆積所需的陶瓷基質的方法。 CVICVD方法的改良。預成型體一側處于高溫區(qū)，而另一側被水冷堅持較低的溫度。源氣從低溫側進入，到達高溫區(qū)一側后發(fā)生熱分解或化學反響，堆積出所需的陶瓷基質。在源氣的入口處堅持較高的壓力，出口處堅持低壓，更有利于源氣穿過加強骨架，獲得高致密度的陶瓷復合資料。Chapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix Compo

5、siteChapter4:Ceramic Matrix Composite SHS(Self-propagating high-Temperature Synthesis)能產(chǎn)生放熱反響的反響物經(jīng)外加能源點火而開場反響，放出熱量，使固體反響物加熱升溫，從而使反響能自發(fā)維持，并構成熄滅波向前傳播的CMC制備方法。 Sol-gel將無機或金屬有機化合物相繼構成溶液、溶膠、凝膠而固化，然后經(jīng)枯燥和熱處置而制備CMC的方法。 Polymer precursors以有機金屬聚合物為先驅體，成型后使高分子聚合物發(fā)生熱解反響轉化為無機質，然后再經(jīng)高溫燒結制備陶瓷基復合資料的方法。Chapter4:Ceram

6、ic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix CompositeSHS法制備復合資料代表性的例法制備復合資料代表性的例 原材料與反應生成物溫度（K）Ti + 2BZr + 2BTi + CAl + 1/2N2SiO2 + 2Mg + C3TiO2 + 4Al + 3C3TiO2 + 4Al + 6BTiB2ZrB2TiCAlNSiC + 2MgO3TiC + 2Al2O33TiB2 + 2Al2O33190331032002

7、900257023202900(1). 氮化硅基陶瓷刀具系列化氮化硅基陶瓷刀具系列化Si3N4Glass利用Si3N4陶瓷共價鍵、長柱狀晶粒和低膨脹系數(shù)的特點，探求用熱壓氮化硅陶瓷作為金屬切削刀具獲得勝利。著名資料科學家Katz在引見了我們的成果Work on hot-pressed Si3N4 in the Peoples Republic of China (38) and on SiAlON in Britain(39) has shown that these materials give good performance as tool bits in machining selec

8、ted materialsChapter4:Ceramic Matrix Composite著名資料科學家Katz在世界陶瓷大會上對清華大學氮化硅陶瓷刀具研討任務的評價Work in the late 1970s by Ho-Cho and et al , in the Peoples Republic of China, on the applications of HPSN cutting tools showed very promising results18,. Basically, in tool-wear tests on the cutting of chilled cast

9、iron, molybdenum, pyrolytic graphite and fiber-reinforced plastics, they observed that HPSN had a life several times longer than that of conventional cutting tools. They also observed that HSPN was suitable for face-milling operations against hardened alloy steels.Chapter4:Ceramic Matrix CompositeSi

10、3N4TiC(TiCN) Si3N4(HV1600)利用硬質顆粒彌散強化、單相固溶體、玻璃相結晶化原理，研制勝利復合Si3N4陶瓷刀具TiC(HV3300)Glass0200040006000800010000120000.00.8Chilled cost ironHS 71-73a=0.25mmf=0.25mm/rev.Composite Si3N4 (v=35mm/min)Si3N4 (v=29mm/min)Composite Al2O3 (v=29mm/min)YG6(v=6mm/min)Flank wear Vb (mm)Cutting distance (m)Si3

11、N4刀具、復合Si3N4刀具與其它刀具的運用壽命對比Chapter4:Ceramic Matrix Composite在加工CrWMn淬硬鋼時(HRC58-62) 復合 Si3N4刀具的后刀面磨損值與彌散相含量的關系 硬質相顆粒彌散，退火實現(xiàn)玻璃相結晶化Chapter4:Ceramic Matrix CompositeSi3N4粉制備粉制備磨細混料磨細混料枯燥枯燥噴霧造粒噴霧造粒干壓、等干壓、等靜壓成型靜壓成型熱壓燒結熱壓燒結熱等靜壓燒結熱等靜壓燒結加工加工刀具廢品刀具廢品Chapter4:Ceramic Matrix CompositeSi3N4陶瓷刀具陶瓷刀具Si3N4鏜刀對上海群眾發(fā)動機

12、灰鑄鐵鏜刀對上海群眾發(fā)動機灰鑄鐵缸體鏜孔，缸體鏜孔，V=728m/min, a=3mm, f=0.75mm/rev上海群眾運用證明上海群眾運用證明上海群眾上海群眾Chapter4:Ceramic Matrix Composite用熱等靜壓法消費的復用熱等靜壓法消費的復雜外形精細雜外形精細Si3N4陶瓷陶瓷刀具加工剎車盤刀具加工剎車盤德國德國SPK加工加工280件件清華方大加工清華方大加工400件，件，價錢為其價錢為其1/2Si3N4刀具對鑄鐵剎車轂進展切槽加工，刀具對鑄鐵剎車轂進展切槽加工，工件材質：工件材質：HT250, HB180240n=500rev/min, a=8.5mm, f=0.

13、14mm/rev天津夏利天津夏利河南汽車制動器廠河南汽車制動器廠Si3N4陶瓷刀具陶瓷刀具Chapter4:Ceramic Matrix Composite復合復合Si3N4陶瓷刀具陶瓷刀具傳統(tǒng)工藝：鑄造退火軟化粗加工淬火硬化精加工新 工 藝： 鑄造粗、精加工石家莊水泵廠：對Cr15Mo3，Cr27超硬鑄鐵渣漿泵進展撥荒粗加工，免去退火工藝，一年節(jié)省上百萬度電；直接機加工時間，也由48小時減少至8小時。加工超硬鑄鐵渣漿泵加工超硬鑄鐵渣漿泵Chapter4:Ceramic Matrix Composite復合復合Si3N4陶瓷刀陶瓷刀具具邢臺軋輥廠采用復合Si3N4刀具加工冷硬鑄鐵軋輥，由于切除

14、率從37cm3/min提高到270cm3/min，年增產(chǎn)量0.8萬噸/年(1.72.5萬噸/年)，折合年增創(chuàng)產(chǎn)值四千萬元。武鋼車一根1噸重的軋輥，耗費Si3N4刀具一片20元，節(jié)省刀具費用88元，節(jié)省工時費460元加工冷硬鑄鐵軋輥加工冷硬鑄鐵軋輥Chapter4:Ceramic Matrix Composite復合復合Si3N4刀刀具具廣東有色院耐磨資料廠加工礦山機械，效率提高510倍，在不添加廠房、設備、電力等條件下，年銷售額從幾百萬增至五千余萬元。加工礦山機械加工礦山機械Chapter4:Ceramic Matrix Composite(2). TiCN-Si3N4/Al2O3金屬陶瓷刀具

15、系列金屬陶瓷刀具系列Mo, NiTiC 0.5 N 0.5(Mo,Ti)Si2(Ni,Ti)Si2TiCxN 1-xHV=1700HV=2200Chapter4:Ceramic Matrix CompositeSi3N4體積含量對復合金屬陶瓷刀具資料性能的影體積含量對復合金屬陶瓷刀具資料性能的影響響010203040501617181920212223HV vol%Hardness (GPa)681012141618 RFracture toughness KIC(MPam1/2)60080010001200140016001800Flexural Strength (MPa) KICSi3N

16、4HV RChapter4:Ceramic Matrix CompositeTiCN- Si3N4TiCN- Si3N4系統(tǒng)資料性能剪裁及運用表示圖系統(tǒng)資料性能剪裁及運用表示圖100vol% TiCN50vol%100vol%Si3N41600 kg/mm21600 kg/mm217 Mpa.m1/2 1700 MPa1000 MPa7 Mpa.m 1/22200RTK1CHV310-6 /灰鑄鐵灰鑄鐵冷硬鑄鐵冷硬鑄鐵高溫合金高溫合金超硬鑄鐵超硬鑄鐵普通鋼材普通鋼材高強度鋼高強度鋼高硬度鋼高硬度鋼超硬鋼超硬鋼Chapter4:Ceramic Matrix Composite彌散顆粒大小對斷裂韌

17、性的影響彌散顆粒大小對斷裂韌性的影響彌散相彌散相TiC，Ti(CN)平均顆粒尺寸對平均顆粒尺寸對Al2O3基復合陶瓷資基復合陶瓷資料料K1c的影響的影響 Chapter4:Ceramic Matrix CompositeTiC 0.5m TiC 8mHREM image of an area in a TiC particle adjacent to TiC/Al2O3 interface in sample AC05Near interface 0.426 nmCenter 0.431 nmIndentation-induced crack path observed in the surf

18、ace of sample Al2O3-30 wt% TiCChapter4:Ceramic Matrix Composite復合復合Si3N4陶瓷刀具陶瓷刀具復合復合TiCN金屬陶瓷刀具金屬陶瓷刀具性能性能耐磨，抗沖擊耐磨，抗沖擊高耐磨高耐磨工件材料工件材料灰鑄鐵、各類硬化鑄鐵，灰鑄鐵、各類硬化鑄鐵，高溫合金高溫合金淬硬鋼，不銹鋼，高硬度高淬硬鋼，不銹鋼，高硬度高強度鋼，高溫合金強度鋼，高溫合金切削方式切削方式連續(xù)與斷續(xù)切削，銑、連續(xù)與斷續(xù)切削，銑、刨、鏜，高速切削刨、鏜，高速切削連續(xù)切削，高速切削連續(xù)切削，高速切削切削用量切削用量 粗、精加工，大切削量粗、精加工，大切削量 精加工，半精加工

19、精加工，半精加工兩種陶瓷刀具的運用特點兩種陶瓷刀具的運用特點Chapter4:Ceramic Matrix Compositev加工淬硬鋼軋輥寶鋼v加工滾珠絲杠臺灣上銀科技股份v加工淬硬軸承鋼瓦軸，洛軸v加工高硬度高強度炮彈鋼724廠v加工齒輪(常州齒輪廠)復合金屬陶瓷刀具已在百余家企業(yè)運復合金屬陶瓷刀具已在百余家企業(yè)運用用Chapter4:Ceramic Matrix Composite以車代磨，加工時間從以車代磨，加工時間從7小時降至小時降至2.5小時，節(jié)省加工本錢小時，節(jié)省加工本錢75。 單班產(chǎn)量相應提高。單班產(chǎn)量相應提高。復合金屬陶瓷刀具加工超硬鋼軋輥復合金屬陶瓷刀具加工超硬鋼軋輥 工

20、件資料：工件資料：86CrMoV7 HRC63，切削用量：，切削用量：V=6080m/min, a=0.81.5mm; f=0.30.5mm/rev，L=15000m德國精細磨床德國精細磨床 磨加工磨加工清華刀具清華刀具車加工車加工上海寶鋼上海寶鋼Chapter4:Ceramic Matrix Composite復合金屬陶瓷刀具加工炮彈復合金屬陶瓷刀具加工炮彈Chapter4:Ceramic Matrix Composite炮彈加工現(xiàn)場錄像炮彈加工現(xiàn)場錄像Chapter4:Ceramic Matrix Composite新型陶瓷刀具的運用新型陶瓷刀具的運用對對HRC63的超硬鑄鐵渣的超硬鑄鐵渣

21、漿泵進展粗精加工，免漿泵進展粗精加工，免除退火工藝除退火工藝對對HRC55合金耐磨鑄鐵合金耐磨鑄鐵水泵葉輪進展斷續(xù)粗加工水泵葉輪進展斷續(xù)粗加工對高碳高鉻鑄鐵和高對高碳高鉻鑄鐵和高錳鋼顎式破碎機的顎錳鋼顎式破碎機的顎板進展刨削板進展刨削對對HRC63的淬硬鋼軋輥的淬硬鋼軋輥進展進展“以車代磨以車代磨對對HRC60硬鎳鑄鐵磨煤硬鎳鑄鐵磨煤機的磨環(huán)進展斷續(xù)切削機的磨環(huán)進展斷續(xù)切削對對HRC62超硬鑄鐵渣漿超硬鑄鐵渣漿泵護板肋條進展斷續(xù)粗泵護板肋條進展斷續(xù)粗精加工精加工Chapter4:Ceramic Matrix Composite工業(yè)泵工業(yè)泵冶金冶金礦山機械礦山機械軸承軸承石化石化軍工軍工電力電力

22、航空航空清華陶瓷刀具清華陶瓷刀具超硬泵多數(shù)采用，超硬泵多數(shù)采用，典型效益：百萬度電典型效益：百萬度電典型效益：典型效益：4千萬千萬/年年典型效益：典型效益：5千萬千萬/年年加工炮鋼，加工炮鋼，典型效益：幾百發(fā)典型效益：幾百發(fā)/天天車缸套，效率提高車缸套，效率提高3-4倍倍加工硬鎳鑄鐵磨煤機磨環(huán)加工硬鎳鑄鐵磨煤機磨環(huán)加工高溫合金，效率加工高溫合金，效率提高提高5-10倍鋼倍鋼瓦軸，洛軸，以車代瓦軸，洛軸，以車代磨，效率提高磨，效率提高4-5倍倍糧食機械糧食機械加工糧食磨輥，效加工糧食磨輥，效率提高率提高4-6倍倍汽車汽車加工剎車盤、連桿、加工剎車盤、連桿、缸體和離合器缸體和離合器給國家的報答：使

23、各行各業(yè)獲得的經(jīng)濟效益給國家的報答：使各行各業(yè)獲得的經(jīng)濟效益Chapter4:Ceramic Matrix Composite其它基體資料采用高壓的溶膠-凝膠技術已制備出碳纖維加強的氧化鋁與碳纖維加強的氧化鋁。采用Si-Si3N4或Si-Si3N4-ZrO2漿液以及SiC纖維，并在較低溫度下氮化(1300 C)，得到具有明顯纖維拔出的韌性復合資料。反響燒結纖維加強的陶瓷復合資料，以及經(jīng)過浸透聚合物先驅體來制備資料，可以以為是與化學氣相堆積或熱等靜壓法相比，消費低本錢高強度的陶瓷基復合資料的方法。Chapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic

24、Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix Composite功能梯度復合資料功能梯度復合資料功能梯度復合資料FGM經(jīng)過精心設計和特殊手段，使金屬與陶瓷的復合組分、構造

25、能延續(xù)地變化，由金屬側過渡到陶瓷側構成一種物性參數(shù)也延續(xù)變化的復合資料。這種復合資料一側由陶瓷賦予耐熱性，另一側金屬賦予其機械強度及熱傳導性，并且二側之間的延續(xù)過渡能使溫度梯度所產(chǎn)生的熱應力得到充分緩和。從陶瓷到金屬，成份漸變所組成的復合資料。這種延續(xù)變化構成了資料性能的梯度變化。資料必需抗外表氧化，在冷的外表層堅持韌性，必需經(jīng)得起熱梯度的變化。例如：一個三維的碳-碳復合資料摻入SiC-C功能復合資料涂層，具有由SiC到C的成份梯度，顯示出比未涂層資料較好的抗熱沖擊性能。Chapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix Compo

26、site簡述功能梯度復合資料的制備工藝。CVD, PVD, PVD+CVD, 顆粒梯度陳列法，SHSCVD: 經(jīng)過選擇合成溫度，調理氣流量和控制壓力，利用源氣在高溫條件下的分解或氣相反響，在顆粒、纖維、晶須以及其它具有開口氣孔的加強骨架上堆積所需的陶瓷基質的方法。PVD: 經(jīng)過物理的方法使源物質蒸發(fā)，在基體資料上成膜的一種制備資料的方法。CVDPVD顆粒梯度陳列法顆粒填充法：成型時使顆粒呈梯度分布，再進展熱壓燒結。金屬顆粒中間過渡層陶瓷顆粒；薄膜疊層法Chapter4:Ceramic Matrix Composite4 仿生構造陶瓷基復合資料仿生構造陶瓷基復合資料Chapter4:Cerami

27、c Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix Composite(1) 層狀復合資料層狀復合資料Chapter4:Ceramic Matrix Composite層狀復合資料層狀復合資料-實例實例1Chapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix Composite* * 仿生構造的設計思想仿生構造的設計思想 簡單組成、復雜構造簡單組成、復雜構造 引入弱界面層，引入弱界面層， 使裂紋在弱界面層中反復偏折，耗使裂紋在弱界面層中反復偏折，耗費大量能量費大量能量 非均質設計、精細構造非均質設計、精細

28、構造已進展的研討：Si3N4/BN、 SiC/C、SiC/BNChapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix Composite2 纖維獨石復合資料纖維獨石復合資料 1990 Clegg提出并制備出層狀資料 根本性能根本性能 增韌機制增韌機制 裂紋擴展途徑裂紋擴展途徑強

29、度：600MPa 斷裂功：4KJ/m2斷裂韌性：20MPam1/2 裂紋偏轉、橋接、摩擦滑移等* * 纖維獨石資料根本性能：纖維獨石資料根本性能： 1993 Baskaran提出并原位合成了纖維獨石資料并制備出層狀及纖維獨石的Si3N4/BN復合資料 1993 本課題組提出陶瓷資料仿生構造的設計思想，Chapter4:Ceramic Matrix Composite Si3N4/BN 復合資料不同界面相成分的界面韌性值復合資料不同界面相成分的界面韌性值1 隨著Al2O3 添加量的添加，界面韌性值呈增大的趨勢，闡明界面結合力也隨著添加。 2 當界面成分為純的Al2O3 時，裂紋不能發(fā)生偏轉，直接

30、越過界面使基體誘發(fā)貫穿裂紋產(chǎn)生脆性斷裂。 3 為了提高增韌的效果，同時不使資料的強度降低太多，選擇BN+36Vol%Al2O3作為Si3N4/BN復合資料的優(yōu)化界面組成。016% 36% 63%100%37.1653.9571.86119.21-參數(shù)不同體積分數(shù)Al2O3 添加量Gi(J/m2)斷裂功(J/m2)2880330252554268Chapter4:Ceramic Matrix Composite* Si3N4/BN纖維獨石資料的制備工藝纖維獨石資料的制備工藝Si3N4+Y2O3+Al2O3球磨混合枯燥過篩軋膜混料粘結劑+光滑劑+增塑劑涂層資料球磨配制懸浮液擠制纖維坯體懸絲枯燥涂層

31、枯燥排布纖維干壓預成型纖維獨石坯體排膠熱壓燒結Chapter4:Ceramic Matrix Composite400200100200300abLoad (N)Displacement (m)* Si3N4/BN纖維獨石資料的力學性能纖維獨石資料的力學性能載荷載荷- -位移曲線位移曲線裂紋擴展途徑裂紋擴展途徑抗彎強度：斷裂韌性：705.471MPa20.011.17MPam1/2Chapter4:Ceramic Matrix Composite* Si3N4/BN纖維獨石資料的高溫蠕變性能纖維獨石資料的高溫蠕變性能不同應力和溫度下資料的斷裂時間不同應力和溫度下資料的斷裂時間 溫度 ()蠕變應力(MPa)斷裂壽命(Hours)100025