第6章陶瓷基復(fù)合材料

復(fù)合材料郭連貴湖北工程學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院石墨烯第6章陶瓷基復(fù)合材料多壁碳納米管石墨烯第6章陶瓷基復(fù)合材料多壁碳納米管石墨烯第6章陶瓷基復(fù)合材料多壁碳納米管第6章陶瓷基復(fù)合材料6.1陶瓷基復(fù)合材料的種類和性能一、陶瓷基復(fù)合材料的種類6.1陶瓷基復(fù)合材料的種類和性能6.1陶瓷基復(fù)合材料的種類和性能6.1陶瓷基復(fù)合材料的種類和性能主要增強材料形式6.1陶瓷基復(fù)合材料的種類和性能對增強材料的要求6.1陶瓷基復(fù)合材料的種類和性能二、陶瓷基復(fù)合材料的性能特點6.1陶瓷基復(fù)合材料的種類和性能二、陶瓷基復(fù)合材料的性能特點6.2陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝一、普通制備工藝1、粉末冶金工藝是一種被廣泛應(yīng)用的工藝。適用于連續(xù)纖維、長纖維、短纖維、顆?；蚓ы氃鰪姷奶沾苫鶑?fù)合材料。6.2陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝粉末制備粉體的性能直接影響陶瓷的性能，制備高純、超細、組分均勻分布、無團聚的粉體是獲得優(yōu)良陶瓷基復(fù)合材料的關(guān)鍵的第一步。 制粉的方法：

機械法：工藝簡單、產(chǎn)量大。如球磨 化學(xué)法：可獲得性能優(yōu)良的高純、超細、組分均勻的粉料。分為固相法、液相法和氣相法三種。6.2陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝壓制工藝

單向或雙向的模壓 等靜壓制、振動壓制、粉末軋制及粉漿澆注 壓制過程中粉末行為 顆粒間位移，密度增加，壓力不變 顆粒間產(chǎn)生磨擦位移，密度繼續(xù)增加，壓力升高 顆粒產(chǎn)生彈性變形，壓制過程的本質(zhì)變化，密度

不再提高，壓力增加很快 顆粒發(fā)生塑性變形和脆性斷裂ⅠⅡⅢ成形壓力相對密度充填孔隙阻滯變形壓坯密度隨成形壓力的變化6.2陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝燒結(jié)過程 燒結(jié)過程：是指粉末壓坯的適當(dāng)?shù)臏囟群蜌夥諚l件下，加熱一段時間內(nèi)發(fā)生的變化現(xiàn)象和過程。燒結(jié)熱力學(xué) 燒結(jié)是一個體系自由能減少的過程。 縮頸增大，顆粒表面平直化而使比表面積減少 燒結(jié)體內(nèi)孔隙總體積與總表面積減少 顆粒內(nèi)晶格畸變消除6.2陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝2、熱壓工藝(Hotpressing) 熱壓工藝：壓力與溫度同時作用于粉體，加快了粉體的致密化速度，使得產(chǎn)品的致密度更高，同時晶粒尺寸也更小。 漿體浸漬熱壓工藝：6.2陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝3、熱壓-反應(yīng)燒結(jié)工藝(Hotpressing-reactionbondingmethod) 這是由美國航空航天局（NASA）在上一世紀(jì)八十年代發(fā)展的混合了熱壓法與反應(yīng)燒結(jié)法來制備碳化硅增強氮化硅陶瓷基體復(fù)合材料的工藝。 反應(yīng)燒結(jié)工藝：

Si粉+Si3N4

混合后成型。 95%N2+5H2%氣氛、1180-1210℃預(yù)氮化1-1.5小時。 在1350-1450℃氮化18-36小時，此時有 3Si(s)+2N2(g)Si3N4(g) 3Si(g)+2N2(g)Si3N4(g)反應(yīng)燒結(jié)工藝的優(yōu)點： 纖維或晶須的體積分量可以相當(dāng)大； 可用于多種連續(xù)纖維預(yù)制體； 反應(yīng)燒結(jié)溫度低于陶瓷燒結(jié)溫度，可避免增強纖維的損壞。

高氣孔率難以避免4、短纖維或晶須增強復(fù)合材料的制備工藝 連續(xù)長纖維增強的復(fù)合材料的主要特點是具有方向性。 短纖維或晶須與陶瓷漿料混合，烘干，熱壓。

SiC晶須 Si3N4漿料

混合加入乙醇，球磨

過濾 干燥80℃，50h

濕混加入有機粘結(jié)劑

注射成型 去除粘結(jié)劑400℃，氮氣

鍛燒1400℃，1h,

氬氣，

熱等靜壓1600℃，4h,200MPa

6.2陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝二、新型制備工藝所謂的新型工藝都是近二十年發(fā)展起來的，主要應(yīng)用于航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域的生產(chǎn)先進陶瓷基復(fù)合材料的工藝。1、液態(tài)浸漬法 6.2陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝液態(tài)浸漬法 優(yōu)點： 基體陶瓷用一步簡單工藝即可成型； 所得到的基體均勻性好。 缺點： 由于陶瓷材料熔點很高，因此就意味著陶瓷熔體與增強相之間較強的化學(xué)反應(yīng)傾向。 由于陶瓷熔體的高粘度，浸漬預(yù)制體較困難。 由于陶瓷基體與增強相之間熱膨脹系數(shù)的差別可能導(dǎo)致基體的裂紋。解決的辦法是選用熱膨脹系數(shù)相近的基體與增強材料。6.2陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝2、直接氧化法 6.2陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝2、直接氧化法 6.2陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝3、溶膠凝膠法 6.2陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝4、化學(xué)氣相浸漬法（CVI） CVI工藝的優(yōu)點： 制備的復(fù)合材料在高溫下仍有好的機械性能； 可以制備大尺寸、復(fù)雜形狀和近凈形的部件； 適用于很多種類的陶瓷基體與增強纖維。

缺點：

速度慢、成本高6.3氧化物基陶瓷復(fù)合材料1、Al2O3基復(fù)合材料 脆性大、韌性差6.3氧化物基陶瓷復(fù)合材料（1）顆粒強化Al2O3基復(fù)合材料陶瓷顆粒強化：TiC、SiC、ZrO2、Si3N4納米顆粒強化：SiC（300nm）延性顆粒強化：Cr、Fe、Ni、Co、Mo、W、Ti（純度99%以上）（2）晶須強化Al2O3基復(fù)合材料陶瓷晶須：SiC、ZrO2氧化鋁陶瓷增韌途徑6.3氧化物基陶瓷復(fù)合材料2、ZrO2基復(fù)合材料 6.3氧化物基陶瓷復(fù)合材料（1）顆粒強化：Al2O3（2）晶須強化：SiC（3）金屬強化：W氧化鋯陶瓷強化途徑6.4非氧化物基陶瓷復(fù)合材料1、SiC陶瓷基復(fù)合材料 6.4非氧化物基陶瓷復(fù)合材料（1）顆粒彌散強化：TiC，殘余應(yīng)力韌化（2）晶須強化：SiC，阻斷韌化（3）連續(xù)纖維強化：碳纖維、SiC纖維，延性斷裂碳化硅陶瓷強韌化途徑6.4非氧化物基陶瓷復(fù)合材料2、Si3N4陶瓷基復(fù)合材料 6.4非氧化物基陶瓷復(fù)合材料2、Si3N4陶瓷基復(fù)合材料 氮化硅粉體的制備6.4非氧化物基陶瓷復(fù)合材料2、Si3N4陶瓷基復(fù)合材料 氮化硅的燒結(jié)Si3N4屬于共價鍵化合物，結(jié)合強度高，屬于難燒結(jié)物質(zhì)，需要添加燒結(jié)助劑（MgO、Al2O3等）。6.4非氧化物基陶瓷復(fù)合材料（1）顆粒強化：SiC（大小和含量）、TiN（2）晶須強化：SiC（3）長纖維強化：SiC纖維氮化硅陶瓷強韌化途徑6.5碳/碳復(fù)合材料1、碳/碳復(fù)合材料的發(fā)展 6.5碳/碳復(fù)合材料2、碳/碳復(fù)合材料的制備工藝 6.5碳/碳復(fù)合材料2、碳/碳復(fù)合材料的制備工藝 6.5碳/碳復(fù)合材料（1）預(yù)制體成型 6.5碳/碳復(fù)合材料（2）基體碳制備 6.5碳/碳復(fù)合材料（2）基體碳制備 6.5碳/碳復(fù)合材料（2）基體碳制備 6.5碳/碳復(fù)合材料（2）基體碳制備 6.5碳/碳復(fù)合材料（3）碳碳復(fù)合材料石墨化處理 6.5碳/碳復(fù)合材料3、碳/碳復(fù)合材料的性能優(yōu)點 6.5碳/碳復(fù)合材料4、碳/碳復(fù)合材料的應(yīng)用 6.5碳/碳復(fù)合材料6.5碳/碳復(fù)合材料6.