第六章 陶瓷基復合材料

1、復合材料導論復合材料導論Introduction to Composite Materials 輕型產業(yè)學院輕型產業(yè)學院 吳玲吳玲第六章第六章 陶瓷基復合材料陶瓷基復合材料 一一. .陶瓷基復合材料的基體材料陶瓷基復合材料的基體材料 二二. .陶瓷基復合材料的分類陶瓷基復合材料的分類 三三. .陶瓷基復合材料的制備方法陶瓷基復合材料的制備方法 四四. .陶瓷基復合材料的應用陶瓷基復合材料的應用陶瓷材料陶瓷材料傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷先進陶瓷先進陶瓷結構陶瓷結構陶瓷功能陶瓷功能陶瓷一一. .陶瓷基復合材料的基體材料陶瓷基復合材料的基體材料 傳統(tǒng)上，傳統(tǒng)上，“陶瓷陶瓷”是指所有以粘土為主要原料與其它天然是

2、指所有以粘土為主要原料與其它天然礦物原料經過粉碎、混煉、成形、燒結等過程而制成的各種礦物原料經過粉碎、混煉、成形、燒結等過程而制成的各種制品。制品。 傳統(tǒng)陶瓷包括常見的日用陶瓷制品和建筑陶瓷、電瓷等。傳統(tǒng)陶瓷包括常見的日用陶瓷制品和建筑陶瓷、電瓷等。日用陶瓷餐具日用陶瓷餐具建筑陶瓷地磚建筑陶瓷地磚絕緣陶瓷絕緣陶瓷傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷 傳統(tǒng)陶瓷的主要原料：取之于自然界的硅酸鹽礦物傳統(tǒng)陶瓷的主要原料：取之于自然界的硅酸鹽礦物( (如粘土、如粘土、長石、石英等長石、石英等) )，陶瓷工業(yè)可與玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等，陶瓷工業(yè)可與玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工業(yè)同屬工業(yè)同屬“硅酸鹽工業(yè)硅酸鹽工業(yè)”的范

3、疇。的范疇。粘土礦物高嶺石粘土礦物高嶺石鉀長石鉀長石石英石英SiO2 Al4Si4O10(OH)8KAlSi3O8 壓電陶瓷晶片壓電陶瓷晶片 氧化鋯陶瓷氧化鋯陶瓷 這些氧化物陶瓷、壓電陶瓷、金屬陶瓷等的生產過程基本上還是原料處這些氧化物陶瓷、壓電陶瓷、金屬陶瓷等的生產過程基本上還是原料處理、成形、燒結這種傳統(tǒng)的陶瓷生產方法，但原料已不再使用或很少使用粘理、成形、燒結這種傳統(tǒng)的陶瓷生產方法，但原料已不再使用或很少使用粘土等傳統(tǒng)陶瓷原料，而已擴大到化工原料和合成礦物，甚至是非硅酸鹽、非土等傳統(tǒng)陶瓷原料，而已擴大到化工原料和合成礦物，甚至是非硅酸鹽、非氧化物原料，組成范圍也延伸到無機非金屬材料的范圍

4、中，并且出現了許多氧化物原料，組成范圍也延伸到無機非金屬材料的范圍中，并且出現了許多新的工藝。新的工藝。先進陶瓷先進陶瓷 結構陶瓷主要是用于耐高溫、絕緣、耐磨等領域結構陶瓷主要是用于耐高溫、絕緣、耐磨等領域不同形狀的特種結構陶瓷件不同形狀的特種結構陶瓷件結構陶瓷結構陶瓷氧化物陶瓷氧化物陶瓷非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷碳化物陶瓷碳化物陶瓷氮化物陶瓷氮化物陶瓷功能陶瓷功能陶瓷先進陶瓷先進陶瓷一般而言，陶瓷具有比金屬更一般而言，陶瓷具有比金屬更高的熔點高的熔點和和硬度硬度，化學性質化學性質非常穩(wěn)定，非常穩(wěn)定，耐熱耐熱性、性、抗老抗老化化性皆好。性皆好。通常的陶瓷是絕緣體，在通常的陶瓷是絕緣體，在高溫高溫

5、下也可以下也可以導電導電，但比金屬導電性差得多。，但比金屬導電性差得多。陶瓷基體材料陶瓷基體材料雖然雖然的許多性能優(yōu)于金屬，但它的許多性能優(yōu)于金屬，但它也存在致命的也存在致命的，即，即，很容易因存在很容易因存在等細微缺等細微缺陷而破碎，引起不可預測的災難性后果，陷而破碎，引起不可預測的災難性后果，因而大大限制了陶瓷作為因而大大限制了陶瓷作為的的應用。應用。近年來的研究結果表明，在近年來的研究結果表明，在陶瓷基體中添陶瓷基體中添加其它成分加其它成分，如，如陶瓷粒子陶瓷粒子、纖維或晶須纖維或晶須，可提，可提高陶瓷的高陶瓷的韌性韌性。粒子增強粒子增強雖能使雖能使陶瓷的韌性陶瓷的韌性有所提高，但有所提

6、高，但效果并不顯著。效果并不顯著。陶瓷材料制備工藝流程陶瓷材料制備工藝流程粉體制備粉體制備 配料與混料配料與混料 成型成型 干燥干燥 修坯修坯 燒結燒結 以氧化鋁以氧化鋁(Al2O3)為主要成分的陶瓷稱為氧化為主要成分的陶瓷稱為氧化鋁陶瓷，氧化鋁僅有一種熱動力學鋁陶瓷，氧化鋁僅有一種熱動力學穩(wěn)定的相態(tài)穩(wěn)定的相態(tài)，即即 -Al2O3 ，屬六方晶系。屬六方晶系。（1）氧化鋁陶瓷）氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷包括高純氧化鋁瓷，包括高純氧化鋁瓷，99氧化鋁氧化鋁瓷，瓷，95氧化鋁瓷和氧化鋁瓷和85氧化鋁瓷等品種，其氧化氧化鋁瓷等品種，其氧化鋁含量鋁含量(質量分數質量分數)依此為依此為999、99、9

7、5和和85，燒結溫度依次為，燒結溫度依次為1800、1700、1650和和1500。粉體制備粉體制備 配料與混料配料與混料 成型成型 干燥干燥 修坯修坯 燒結燒結 滑石滑石1，石膏石膏2，方解石方解石3，螢石螢石4，磷灰石磷灰石5，正長石正長石6，石英石英7，黃玉黃玉8，剛玉剛玉9，金剛石金剛石10 莫氏莫氏硬度硬度3733.8214.24.12373210017以氧化鋯以氧化鋯()為主要成分的陶瓷稱為氧化鋯為主要成分的陶瓷稱為氧化鋯陶瓷。氧化鋯密度陶瓷。氧化鋯密度5.65.9 g / cm3，熔點熔點2175 。 氧化鋯在氧化鋯在1100時，從時，從迅速轉變?yōu)檠杆俎D變?yōu)椋丝赡孓D變伴隨有此可

8、逆轉變伴隨有79的體積變化。的體積變化。 (2) 氧化鋯陶瓷基體氧化鋯陶瓷基體18膨脹膨脹19由于氧化鋯具有由于氧化鋯具有，故在氧化鋯陶瓷的燒，故在氧化鋯陶瓷的燒結過程中加入適量結過程中加入適量、等與等與ZrO2結構近似的氧結構近似的氧化物作為化物作為，形成穩(wěn)定的，形成穩(wěn)定的結構。結構。穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷的穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷的和和小，小，良好，高溫時具有良好，高溫時具有。以氮化硅以氮化硅(為主要成分的陶瓷稱為主要成分的陶瓷稱氮化硅陶瓷。氮化硅陶瓷有氮化硅陶瓷。氮化硅陶瓷有，即，即 和和 兩種兩種，由于氮化硅中，由于氮化硅中，屬難燒結物質。，屬難燒結物質。（3）氮化硅陶瓷基體）氮化硅陶瓷基體主要制備

9、技術有主要制備技術有氮化硅，氮化硅，氮化硅氮化硅(HPSN)，氮化硅氮化硅(RBSN)，(CVD)氮化硅等。氮化硅等。各種制備技術所需的各種制備技術所需的各不相同，所各不相同，所得氮化硅的得氮化硅的也有所差異。也有所差異。以碳化硅以碳化硅()為主要成分的陶瓷稱為碳為主要成分的陶瓷稱為碳化硅陶瓷。化硅陶瓷。SiC 、(4) 碳化硅陶瓷基體碳化硅陶瓷基體SiC并不在自然界中存在，主要通過并不在自然界中存在，主要通過、和和等制備等制備技術獲得。技術獲得。SiC一般有兩種晶型，即一般有兩種晶型，即 -SiC(六方晶六方晶型型)和和 -SiC(立方晶型立方晶型) ，Si-C鍵屬于典型鍵屬于典型的共價鍵。

10、的共價鍵。不同方法制備的不同方法制備的的一些性能的一些性能二二. .陶瓷基復合材料的分類陶瓷基復合材料的分類1 1、按陶瓷基體分類、按陶瓷基體分類2 2、按增強相分類、按增強相分類陶瓷基復合材料的陶瓷基復合材料的對復對復合材料的合材料的有很大的影響，是陶瓷基復有很大的影響，是陶瓷基復合材料的合材料的之一之一三三. .陶瓷基復合材料的制備方法陶瓷基復合材料的制備方法 顆粒彌散強化陶瓷基復合材料顆粒彌散強化陶瓷基復合材料與單相與單相陶瓷基復合材料的制備工藝基本相同陶瓷基復合材料的制備工藝基本相同 晶須補強陶瓷基復合材料晶須補強陶瓷基復合材料通常也是借通常也是借鑒單相陶瓷材料的制備工藝，但其中鑒單相

11、陶瓷材料的制備工藝，但其中晶須的分散是關鍵晶須的分散是關鍵制備方法制備方法 纖維增強陶瓷基復合材料纖維增強陶瓷基復合材料的制備工藝的制備工藝主要有兩類：主要有兩類： 一是先將纖維進行二維或三維的編制一是先將纖維進行二維或三維的編制制成一定形狀的預制體，再采用化學制成一定形狀的預制體，再采用化學氣相滲積或前驅體液相浸漬或反應性氣相滲積或前驅體液相浸漬或反應性熔體浸滲等方法使陶瓷連續(xù)填充于熔體浸滲等方法使陶瓷連續(xù)填充于 纖纖維骨架中，形成復合材料。維骨架中，形成復合材料。 二是將纖維浸入陶瓷漿體后進行纏繞，二是將纖維浸入陶瓷漿體后進行纏繞，制成一定形狀的坯體，然后熱壓成型。制成一定形狀的坯體，然后

12、熱壓成型。四四 常見陶瓷基復合材料及其應用常見陶瓷基復合材料及其應用 SiCw/Al2O3 SiCf/SiC Cf/SiC 陶瓷基復合材料具有陶瓷基復合材料具有耐高溫耐高溫、高強度高強度、高硬高硬度度及及耐腐蝕性好耐腐蝕性好等特點，并在一定程度上克服了等特點，并在一定程度上克服了陶瓷材料的脆性，陶瓷基復合材料已陶瓷材料的脆性，陶瓷基復合材料已或即或即將實用化的領域包括：將實用化的領域包括：刀具刀具、滑動構件滑動構件、航空航航空航天構件天構件、發(fā)動機制件發(fā)動機制件、能源構件能源構件等。等。如：如： SiC/SiC C/SiC 新一代戰(zhàn)斗機，也可用于民機、高速列車、賽車和跑車新一代戰(zhàn)斗機，也可用于民機、高速列車、賽車和跑車 比比C/C剎車材