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1頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日陶瓷基復(fù)合材料的制備方法現(xiàn)代陶瓷材料具有耐高溫、耐磨損、耐腐蝕及重量輕等許多優(yōu)良的性能。但是，陶瓷材料同時也具有致命的缺點(diǎn)，即脆性，這一弱點(diǎn)正是目前陶瓷材料的使用受到很大限制的主要原因。因此，陶瓷材料的韌性化問題便成了近年來陶瓷工作者們研究的一個重點(diǎn)問題?，F(xiàn)在這方面的研究已取得了初步進(jìn)展，探索出了若干種韌化陶瓷的途徑。其中，往陶瓷材料中加入起增韌作用的第二相而制成陶瓷基復(fù)合材料即是一種重要方法。第2頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日

陶瓷基基復(fù)合材料的基體與增強(qiáng)體(1)

基體

陶瓷基復(fù)合材料的基體為陶瓷，這是一種包括范圍很廣的材料，屬于無機(jī)化合物而不是單質(zhì)，所以它的結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比金屬合金復(fù)雜得多?，F(xiàn)代陶瓷材料的研究，最早是從對硅酸鹽材料的研究開始的，隨后又逐步擴(kuò)大到了其他的無機(jī)非金屬材料。目前被人們研究最多的是碳化硅、氮化硅、氧化鋁等，它們普遍具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、重量輕和價格低等優(yōu)點(diǎn)。第3頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日

陶瓷基復(fù)合材料中的增強(qiáng)體，通常也稱為增韌體。從幾何尺寸上增強(qiáng)體可分為纖維(長、短纖維)、晶須和顆粒三類。(2)增強(qiáng)體a.纖維:

在陶瓷基復(fù)合材料中使用得較為普遍的是碳纖維、玻璃纖維、硼纖維等；第4頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日玻璃球玻璃球再熔化連續(xù)纖維上漿紗線繞線筒玻璃纖維生產(chǎn)流程圖將玻璃小球熔化，然后通過1mm左右直徑的小孔把它們拉出來。另外，纏繞纖維的心軸的轉(zhuǎn)動速度決定纖維的直徑，通常為10m的數(shù)量級。第5頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日b.晶須：晶須為具有一定長徑比(直徑0.3~1m,長0~100m)的小單晶體。晶須的特點(diǎn)是沒有微裂紋、位錯、孔洞和表面損傷等一類缺陷，因此其強(qiáng)度接近理論強(qiáng)度。由于晶須具有最佳的熱性能、低密度和高楊氏模量，從而引起了人們對其特別的關(guān)注。在陶瓷基復(fù)合材料中使用得較為普遍的是SiC、A12O3及Si3N4晶須。第6頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日顆粒從幾何尺寸上看，顆粒在各個方向上的長度是大致相同的，一般為幾個微米。顆粒的增韌效果雖不如纖維和晶須。但是，如果顆粒種類、粒徑、含量及基體材料選擇適當(dāng)仍會有一定的韌化效果，同時還會帶來高溫強(qiáng)度，高溫蠕變性能的改善。所以，顆粒增韌復(fù)合材料同樣受到重視并對其進(jìn)行了一定的研究。

常用的顆粒也是SiC、Si3N4等。第7頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日1.纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料在陶瓷材料中，加入第二相纖維制成復(fù)合材料是改善陶瓷材料韌性的重要手段，按纖維排布方式的不同，又可將其分為單向排布長纖維復(fù)合材料和多向排布纖維復(fù)合材料。陶瓷基基復(fù)合材料的種類第8頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日

單向排布纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的顯著特點(diǎn)是它具有各向異性，即沿纖維長度方向上的縱向性能要大大優(yōu)于其橫向性能。在實(shí)際構(gòu)件中，主要是使用其縱向性能。在單向排布纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料中，當(dāng)裂紋擴(kuò)展遇到纖維時會受阻，這時，如果要使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展就必須提高外加應(yīng)力。這一過程的示意圖如下：單向排布纖維陶瓷基復(fù)合材料第9頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日裂紋垂直于纖維方向擴(kuò)展示意圖第10頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日單向排布纖維增韌陶瓷只是在纖維排列方向上的縱向性能較為優(yōu)越，而其橫向性能顯著低于縱向性能，所以只適用于單軸應(yīng)力的場合。而許多陶瓷構(gòu)件則要求在二維及三維方向上均具有優(yōu)良的性能，這就要進(jìn)一步研究多向排布纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。多向排布纖維陶瓷基復(fù)合材料第11頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日二維多向排布纖維增韌復(fù)合材料的纖維的排布方式有兩種：一種是將纖維編織成纖維布，浸漬漿料后，根據(jù)需要的厚度將單層或若干層進(jìn)行熱壓燒結(jié)成型，如下圖所示。第12頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日纖維層基體纖維布層壓復(fù)合材料示意圖這種材料在纖維排布平面的二維方向上性能優(yōu)越，而在垂直于纖維排布面方向上的性能較差。一般應(yīng)用在對二維方向上有較高性能要求的構(gòu)件上。第13頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日纖維層基體多層纖維按不同角度方向?qū)訅菏疽鈭D另一種是纖維分層單向排布，層間纖維成一定角度，如下圖所示。第14頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日三維多向編織纖維增韌陶瓷是為了滿足某些情況的性能要求而設(shè)計(jì)的。這種材料最初是從宇航用三向C/C復(fù)合材料開始的，現(xiàn)已發(fā)展到三向石英/石英等陶瓷復(fù)合材料。下圖為三向正交C/C纖維編織結(jié)構(gòu)示意圖。它是按直角坐標(biāo)將多束纖維分層交替編織而成。第15頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日XYZ三向C/C編織結(jié)構(gòu)示意圖由于每束纖維呈直線伸展，不存在相互交纏和繞曲，因而使纖維可以充分發(fā)揮最大的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。第16頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日這種三維多向編織結(jié)構(gòu)還可以通過調(diào)節(jié)纖維束的根數(shù)和股數(shù)，相鄰束間的間距，織物的體積密度以及纖維的總體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)以滿足性能要求。第17頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日2.晶須和顆粒增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料長纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料雖然性能優(yōu)越，但它的制備工藝復(fù)雜，而且纖維在基體中不易分布均勻。因此，近年來又發(fā)展了短纖維、晶須及顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料。第18頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日由于晶須的尺寸很小，從宏觀上看與粉末一樣，因此在制備復(fù)合材料時，只需將晶須分散后與基體粉末混合均勻，然后對混好的粉末進(jìn)行熱壓燒結(jié)，即可制得致密的晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料。目前常用的是SiC，Si3N4，Al2O3晶須，常用的基體則為Al2O3，ZrO2，SiO2，Si3N4及莫來石等。晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料的性能與基體和晶須的選擇、晶須的含量及分布等因素有關(guān)。第19頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日由于晶須具有較大的長徑比，因此，當(dāng)其含量較高時，因其橋架效應(yīng)而使致密化變得因難，從而引起了密度的下降并導(dǎo)致性能的下降。為了克服這一弱點(diǎn)，可采用顆粒來代替晶須制成復(fù)合材料，這種復(fù)合材料在原料的混合均勻化及燒結(jié)致密化方面均比晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料要容易。第20頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日當(dāng)所用的顆粒為SiC，TiC時，基體材料采用最多的是Al2O3，Si3N4。目前，這些復(fù)合材料已廣泛用來制造刀具。晶須與顆粒對陶瓷材料的增韌均有一定作用，且各有利弊：

晶須的增強(qiáng)增韌效果好，但含量高時會使致密度下降；顆粒可克服晶須的一弱點(diǎn)，但其增強(qiáng)增韌效果卻不如晶須。第21頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的制備從基體方面看，與氣孔的尺寸及數(shù)量，裂紋的大小以及一些其它缺陷有關(guān)；從纖維方面來看，則與纖維中的雜質(zhì)、纖維的氧化程度、損傷及其他固有缺陷有關(guān)；從基體與纖維的結(jié)合情況上看，則與界面及結(jié)合效果、纖維在基體中的取向，以及載體與纖維的熱膨脹系數(shù)差有關(guān)。纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的性能取決于多種因素，如基體、纖維及二者之間的結(jié)合等。第22頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日正因?yàn)橛腥绱硕嗟挠绊懸蛩兀栽趯?shí)際中針對不同的材料的制作方法也會不同，成型技術(shù)的不斷研究與改進(jìn)，正是為了能獲得性能更為優(yōu)良的材料。第23頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日1．泥漿燒鑄法這種方法是在陶瓷泥漿中分散纖維。然后澆鑄在石膏模型中。這種方法比較古老，不受制品形狀的限制。但對提高產(chǎn)品性能的效果顯著，成本低，工藝簡單，適合于短纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的制作。目前采用的纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的成型主法主要有以下幾種：第24頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日2．熱壓燒結(jié)法將特長纖維切短(<3mm)，然后分散并與基體粉末混合，再用熱壓燒結(jié)的方法即可制得高性能的復(fù)合材料。這種方法中，纖維與基體之間的結(jié)合較好，是目前采用較多的方法。第25頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日這種短纖維增強(qiáng)體在與基體粉末混合時取向是無序的，但在冷壓成型及熱壓燒結(jié)的過程中，短纖維由于在基體壓實(shí)與致密化過程中沿壓力方向轉(zhuǎn)動，所以導(dǎo)致了在最終制得的復(fù)合材料中，短纖維沿加壓面而擇優(yōu)取向，這也就產(chǎn)生了材料性能上一定程度的各向異性。第26頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日3.浸漬法這種方法適用于長纖維。首先把纖維編織成所需形狀，然后用陶瓷泥漿浸漬，干燥后進(jìn)行焙燒。浸漬法的優(yōu)點(diǎn)是纖維取向可自由調(diào)節(jié)，如單向排布及多向排布等。浸漬法的缺點(diǎn)則是不能制造大尺寸的制品，而且所得制品的致密度較低。第27頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日晶須與顆粒的尺寸均很小，只是幾何形狀上有些區(qū)別，用它們進(jìn)行增韌的陶瓷基復(fù)合材料的制造工藝是基本相同的。

晶須與顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料的加工與制備第28頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日這種復(fù)合材料的制備工藝比長纖維復(fù)合材料簡便得多，只需將晶須或顆粒分散后并與基體粉末混合均勻，再用熱壓燒結(jié)的方法即可制得高性能的復(fù)合材料。第29頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日與陶瓷材料相似，晶須與顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料的制造工藝也可大致分為以下幾個步驟：

這一過程看似簡單，實(shí)則包含著相當(dāng)復(fù)雜的內(nèi)容。即使坯體由超細(xì)粉(微米級)原料組成，其產(chǎn)品質(zhì)量也不易控制，所以隨著現(xiàn)代科技對材料提出的要求的不斷提高，這方面的研究還必持進(jìn)一步深入。配料成型燒結(jié)精加工第30頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日

1．配料高性能的陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)具有均質(zhì)、孔隙少的微觀組織。為了得到這樣品質(zhì)的材料，必須首先嚴(yán)格挑選原料。第31頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日把幾種原料粉末混合配成坯料的方法可分為干法和濕法兩種。現(xiàn)今新型陶瓷領(lǐng)域混合處理加工的微米級、超微米級粉末方法由于效率和可靠性的原因大多采用濕法。

濕法主要采用水作溶劑，但在氮化硅、碳化尼等非氧化物系的原料混合時，為防止原料的氧化則使用有機(jī)溶劑。第32頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日原料混合時的裝置一般為專用球磨機(jī)。為了防止球磨機(jī)運(yùn)行過程中因球和內(nèi)襯磚磨損下來而作為雜質(zhì)混入原料中，最好采用與加工原料材質(zhì)相同的陶瓷球和內(nèi)襯。第33頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日2．成型

混好后的料漿在成型時有三種不同的情況：

(1)經(jīng)一次干燥制成粉末坯料后供給成型工序；

(2)把結(jié)合劑添加于料漿中、不干燥坯料，保持漿狀供給成型工序；

(3)用壓濾機(jī)將料漿狀的粉脫水后成坯料供給成型工序。第34頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日把上述的干燥粉料充入模型內(nèi)，加壓后即可成型。通常有金屬模成型法和橡皮模成型法。

金屬模成型法具有裝置簡單，成型成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，仍它的加壓方向是單向的。粉末與金屬模壁的摩擦力大，粉末間傳遞壓力不太均勻。故易造成燒成后的生坯變形或開裂、只能適用于形狀比較簡單的制件。第35頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日采用橡皮模成型法是用靜水壓從各個方向均勻加壓于橡皮模來成型，故不會發(fā)生生坯密度不均勻和具有方向性之類的問題。由于在成型過程中毛坯與橡皮模接觸而壓成生坯，故難以制成精密形狀，通常還要用剛玉對細(xì)節(jié)部分進(jìn)行修整。第36頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日另一種成型法為注射成型法。從成型過程上看，與塑料的注射成型過程相類似，但是在陶瓷中必須從生坯里將粘合劑除去并再燒結(jié)，這些工藝均較為復(fù)雜，因此也使這種方法具有很大的局限性。第37頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日

注漿成型法是具有十分悠久歷史的陶瓷成型方法。它是將料漿澆入石膏模內(nèi)，靜置片刻，料漿中的水分被石膏模吸收。然后除去多余的料漿，將生坯和石膏模一起干燥，生坯干燥后保持一定的強(qiáng)度，并從石膏中取出。這種方法可成型壁薄且形狀復(fù)雜的制品。第38頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日還有一種成型法為擠壓成型法。這種方法是把料漿放入壓濾機(jī)內(nèi)擠出水分，形成塊狀后，從安裝各種擠形口的真空擠出成型機(jī)擠出成型的方法，它適用于斷面形狀簡單的長條形坯件的成型。第39頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日3.燒結(jié)從生坯中除去粘合劑組分后的陶瓷素坯燒固成致密制品的過程叫燒結(jié)。為了燒結(jié)，必需有專門的窯爐。窯爐的種類繁多，按其功能進(jìn)行劃分可分為間歇式和連續(xù)式。第40頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日間歇式窯爐是放入窯爐內(nèi)生坯的硬化、燒結(jié)、冷卻及制品的取出等工序是間歇地進(jìn)行的。間歇式窯爐不適合于大規(guī)模生產(chǎn)，但適合處理特殊大型制品或長尺寸制品的優(yōu)點(diǎn)，且燒結(jié)條件靈活，筑爐價格也比較便宜。第41頁，共47頁，2023年，2月20日，星期日連續(xù)窯爐適合于大批量制品的燒結(jié)，由預(yù)熱、燒結(jié)和冷卻三個部分組成。把裝生坯的窯車從窯的一端以一定時間間歇推進(jìn)，窯車沿導(dǎo)軌前進(jìn)，沿著窯內(nèi)設(shè)定的溫度分布經(jīng)預(yù)熱、燒結(jié)、冷卻過程后，從窯的另一端取出成品。第42頁，共47頁，2023年，2月20日，星期