復(fù)合材料(2)綜述

河南理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)論文陶瓷基復(fù)合材料摘要: 材料是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，材料的發(fā)展可以推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，材料主要有金屬材料、聚合物材料、無(wú)機(jī)非金屬材料和復(fù)合材料四大類.復(fù)合材料是不同的材料結(jié)合在一起、形成一種結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的材料。近年來(lái)，通過(guò)往陶瓷中加入或生成成顆粒、晶須、纖維等增強(qiáng)材料，使陶瓷的韌性大大地改善，而且強(qiáng)度及模量也有一定的提高。陶瓷復(fù)合基材料就是以陶瓷材料為基體，并以陶瓷、碳纖維、難熔金屬纖維、晶須、晶片和顆粒等為增強(qiáng)體，通過(guò)適當(dāng)?shù)膹?fù)合工藝所構(gòu)成的復(fù)合材料。本文主要綜述了陶瓷基復(fù)合材料的發(fā)展?fàn)顩r,分類,基體,增強(qiáng)體,以及制備工藝等內(nèi)容。關(guān)鍵詞：陶瓷基復(fù)合材料、基體、增強(qiáng) 、制備。陶瓷基復(fù)合材料的發(fā)展概況。陶瓷材料作為技術(shù)革命的新材料早在十幾年前就引起了美國(guó)的關(guān)注。 近年來(lái)由于日本、美國(guó)、歐洲的競(jìng)相研究陶瓷材料技術(shù)得到迅速發(fā)展。作為能適應(yīng)各種環(huán)境的新型結(jié)構(gòu)材料陶瓷材料已步入了實(shí)用化階段。為使陶瓷在更大范圍內(nèi)達(dá)到實(shí)用化國(guó)內(nèi)外都對(duì)能改善陶瓷韌性陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行了廣泛研究。陶瓷基復(fù)合材料(CMC)由于具有高強(qiáng)度、高硬度、高彈性模量、熱化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，是制造推重比 10以上航空發(fā)動(dòng)機(jī)的理想耐高溫結(jié)構(gòu)材料。一方面，它克服了單一陶瓷材料脆性斷裂的缺點(diǎn)，提高了材料的斷裂韌性；另一方面，它保持了陶瓷基體耐高溫、低膨脹、低密度、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。陶瓷基復(fù)合材料的最高使用溫度可達(dá) 1650℃，而密度只有高溫合金的70％。因此，近幾十年來(lái)，陶瓷基復(fù)合材料的研究有了較快發(fā)展。目前 CMC正在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫段的少數(shù)零件上作評(píng)定性試用。陶瓷基復(fù)合材料的分類按增強(qiáng)材料形態(tài)分類，陶瓷基復(fù)合材料可分為顆粒增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料、纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料、片材增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料。按基體材料分類，陶瓷基復(fù)合材料可分為氧化物基陶瓷復(fù)合材料、非氧化物基陶瓷復(fù)合材料、碳 /碳復(fù)合材料、微晶玻璃基復(fù)合材料。河南理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)論文瓷基體的種類陶瓷基體材料主要以結(jié)晶和非結(jié)晶兩種形態(tài)的化合物存在，按照組成化合物的元素不同，又可以分為氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷等。此外，還有一些會(huì)以混合氧化物的形態(tài)存在3.1氧化物陶瓷基體3.1.1 氧化鋁陶瓷基體以氧化鋁為主要成分的陶瓷稱為氧化鋁陶瓷，氧化鋁僅有一種熱動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的相態(tài)。氧化鋁陶瓷包括高純氧化鋁瓷，99氧化鋁陶瓷，95氧化鋁陶瓷，85氧化鋁陶瓷等.3.1.2 氧化鋯陶瓷基體以氧化鋯為主要成分的陶瓷稱為氧化鋯陶瓷。 氧化鋯密度5.6-5.9g/cm3熔點(diǎn)2175℃。穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)小，韌性好，化學(xué)穩(wěn)定性良好．高溫時(shí)具有抗酸性和抗堿性。3.2氮化物陶瓷基體3.2.1 氮化硅陶瓷基體以氮化硅為主要成分的陶瓷稱氮化硅陶瓷，氮化硅陶瓷有兩種形態(tài)。此外氮化硅還具有熱膨脹系數(shù)低，優(yōu)異的抗冷熱聚變能力，能耐除氫氟酸外的各種無(wú)機(jī)酸和堿溶液，還可耐熔融的鉛、錫、鎳、黃鋼、鋁等有色金屬及合金的侵蝕且不粘留這些金屬液。3.2.2 氮化硼陶瓷基體以氮化硼為主要成分的陶瓷稱為氯化硼陶瓷。氮化硼是共價(jià)鍵化合物。3.3碳化物陶瓷基體3.3.1 碳化硅陶瓷基體河南理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)論文以碳化硅為主要成分的陶瓷稱為碳化硅陶瓷。碳化硅是一種非常硬和抗磨蝕的材料，以熱壓法制造的碳化硅用來(lái)作為切割鉆石的刀具。碳化硅還具有優(yōu)異的抗腐蝕性能，抗氧化性能。3.3.2 碳化硼陶瓷基體以碳化硼為主要成分的陶瓷稱為碳化硼陶瓷碳化硼是一種低密度、高熔點(diǎn)、高硬度陶瓷。碳化硼粉末可以通過(guò)無(wú)壓燒結(jié)、熱壓等制備技術(shù)形成致密的材料。陶瓷基復(fù)合材料增強(qiáng)體用于復(fù)合材料的增強(qiáng)體品種很多，根據(jù)復(fù)合材料的性能要求，主要分為以下幾種4.1纖維類纖維類增強(qiáng)體有連續(xù)長(zhǎng)纖維和短纖維。連續(xù)長(zhǎng)纖維的連續(xù)長(zhǎng)度均超過(guò)數(shù)百。纖維性能有方向性，一般沿軸向均有很高的強(qiáng)度和彈性模量。4.2顆粒類顆粒類增強(qiáng)體主要是一些具有高強(qiáng)度、高模量。耐熱、耐磨。耐高溫的陶瓷等無(wú)機(jī)非金屬顆粒，主要有碳化硅、氧化鋁、碳化鈦、石墨﹑細(xì)金剛石、高嶺土、滑石、碳酸鈣等。主要還有一些金屬和聚合物顆粒類增強(qiáng)體，后者主要有熱塑性樹(shù)脂粉末。4.3晶須類晶須是在人工條件下制造出的細(xì)小單晶，一般呈棒狀，其直徑為 0.2~1微米，長(zhǎng)度為幾十微米，由于其具有細(xì)小組織結(jié)構(gòu)，缺陷少，具有很高的強(qiáng)度和模量。河南理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)論文4.4金屬絲用于復(fù)合材料的高強(qiáng)福、高模量金屬絲增強(qiáng)物主要有鈹絲、鋼絲、不銹鋼絲和鎢絲等，金屬絲一般用于金屬基復(fù)合材料和水泥基復(fù)合材料的增強(qiáng)，但前者比較多見(jiàn)。4.5片狀物片狀增強(qiáng)物主要是陶瓷薄片，將陶瓷薄片疊壓起來(lái)形成的陶瓷復(fù)合材料具有很高的韌性。陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝陶瓷基復(fù)合材料的制造通常分為兩個(gè)步驟：第一步是將增強(qiáng)材料滲入未固結(jié)(成粉木狀)的基體材料排列整齊或混合均勾；第二步是運(yùn)用各種加工條件在盡量不破壞增強(qiáng)材料和基體行能的前提下制成復(fù)合材料制品。5.1傳統(tǒng)的制備方法5.1.1 冷壓和燒結(jié)法將粉末和纖維冷壓，然后燒結(jié)是—種傳統(tǒng)的陶瓷生產(chǎn)工藝。借鑒聚合物生產(chǎn)工藝中的擠壓、吹塑、注射等成型工藝，為了快速生產(chǎn)的需要．可以在一定的條件下將陶瓷粉末和有機(jī)載體混合后壓制成型，除去有機(jī)粘連劑然后燒結(jié)成制品；在這種方法的生產(chǎn)過(guò)程中，通常會(huì)遇到燒結(jié)過(guò)程中制品收縮，同時(shí)最終產(chǎn)品中有許多裂紋的問(wèn)題。在用纖維和品須增強(qiáng)陶瓷廷材料進(jìn)行燒結(jié)時(shí)，除了會(huì)遇到陶瓷基收縮的問(wèn)題外，還會(huì)因?yàn)樵鰪?qiáng)構(gòu)料具有較高的長(zhǎng)徑比，增強(qiáng)材料和基體不同的熱膨脹系數(shù)，增強(qiáng)材料在基體中排列方式的不同等因素使燒結(jié)材料在燒結(jié)和冷卻時(shí)產(chǎn)生缺陷或內(nèi)應(yīng)力。5.1.2熱壓法熱壓是目前制備纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料最常用的方法，一般把它稱為河南理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)論文漿料浸漬工藝，主要用在纖維增強(qiáng)玻璃和纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料中，漿料浸漬工藝主要包括兩個(gè)步驟：增強(qiáng)相滲入沒(méi)有固化的基體中；固化的復(fù)合材料被熱壓成型。5.2新的制備方法新的制備技術(shù)主要指在 20世紀(jì)70年代開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的技術(shù)。它包括滲透，直接氧化等技術(shù)。5.2.1 滲透法滲透法就是在預(yù)制的增強(qiáng)材料坯件中使基體材料以液態(tài)或氣態(tài)的形式滲透制成復(fù)合材料。比較常用的是液相滲透。這個(gè)方法類似于聚合物基復(fù)合材料制造技術(shù)中纖維布被液相的樹(shù)脂滲透后熱壓固化：二者的差別就是所用的基體是陶瓷，滲透的溫度要高得多。5.2.2 直接氧化法直接氧化法就是利用熔融金屬直接與氧化劑發(fā)生氧化反應(yīng)而制備陶瓷基復(fù)合材料的工藝方法。它的主要生產(chǎn)工藝是：將增強(qiáng)纖維或纖維預(yù)成型件置于熔融金屬上面，并處于空氣或其他氣氛中，熔融金屬中含有鎂、硅等一些添加劑。在纖維不斷被金屬滲透的過(guò)程中．滲透到纖維中的金屬與空氣或其他氣體在不斷發(fā)生氧化反應(yīng)，這種反應(yīng)始終在液相金屬和氣相氧化劑的界面處進(jìn)行，反應(yīng)生成的氧化物沉積在纖維周圍，形成含有少量金屬、致密的陶瓷摹復(fù)合材料。5.2.3原位化學(xué)反應(yīng)法原位化學(xué)反應(yīng)技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于制造整體陶瓷件，同樣該技術(shù)也可以用于制造陶瓷基復(fù)合材料。已廣泛應(yīng)用的有 CVD和CVI法CVD法就是利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)，通過(guò)一些反應(yīng)性混合氣體在高溫狀態(tài)反應(yīng)，分解出陶瓷材料并沉積在各種增強(qiáng)材料上形成陶瓷簽復(fù)合材料的方法 CVI法就是將化學(xué)氣相沉積技術(shù)運(yùn)用在將大量陶瓷材料滲透進(jìn)增強(qiáng)材料預(yù)制坯件的工藝，也就河南理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)論文是化學(xué)氣相滲透工藝。5.2.4 溶膠-疑膠法和熱解法溶膠—凝膠法是運(yùn)用膠體化學(xué)的方法，將含有金屬化合物的溶液，與增強(qiáng)材料混合后反應(yīng)形成镕膠，溶膠在—定的條件下轉(zhuǎn)化成為凝膠，然后燒結(jié)成CMC的一種工藝，由于從凝膠轉(zhuǎn)變成陶瓷所需的反比溫度要低于傳統(tǒng)工藝中的溫度．因此在制造—些整體的陶瓷構(gòu)件時(shí)，溶膠—凝膠法有較大的優(yōu)勢(shì)。熱解法就是使聚合物先驅(qū)體熱解形成陶瓷苯復(fù)合材料的方法．以溶膠—凝膠法和熱解法生產(chǎn)CMC的優(yōu)點(diǎn)是可以非常好地控制復(fù)合材料的組分，無(wú)論是溶膠還處聚合物先驅(qū)體都比較容易滲透到纖維中，而且最后成型時(shí)的溫度較低，兩種生產(chǎn)工藝上的主要缺點(diǎn)是在燒結(jié)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的收縮以及收率較低。5.2.5 自蔓燃高溫合成法自蔓燃高溫合成法就是利用有效的熱反比使化學(xué)反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行下去．最后生成所需要的產(chǎn)品，該技術(shù)一般用于制造系列耐火材料。該技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品一般都有較多的孔隙。為了減少孔隙，在燃燒反應(yīng)結(jié)束后，溫度還相當(dāng)高的情況下，應(yīng)立即置于較高壓力。陶瓷基復(fù)合材料發(fā)展方向陶瓷基復(fù)合材料在近 10多年的發(fā)展過(guò)程中已取得了較大的發(fā)展， 但要把它應(yīng)用于實(shí)踐仍有許多問(wèn)題亟待解決，其研究應(yīng)在以下幾個(gè)方面發(fā)展：在理論上確定f/m(纖維/基體)之間的最佳界面結(jié)合強(qiáng)度，使材料的強(qiáng)度和韌性都達(dá)到最佳值，研制高性能纖維，改善纖維表面特征和 f/m界面相容性，研究f/m間的中間相對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度和斷裂韌性的影響。開(kāi)發(fā)漿料復(fù)合材料及致密化工藝(特別是三維復(fù)合材料)，并從理論上深入研究料漿-纖維或凝膠-纖維系統(tǒng)的燒結(jié)行為，熱壓燒結(jié)僅限于實(shí)驗(yàn)室及制作一些簡(jiǎn)單件，在實(shí)際生產(chǎn)中也應(yīng)強(qiáng)調(diào)氣壓燒結(jié)工藝。用流變學(xué)觀點(diǎn)分析料漿的懸浮性，研究纖維和晶須的分散技術(shù)，尤河南理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)論文其是研究和開(kāi)發(fā)有機(jī)高聚物，使其既能作為分散劑，同時(shí)又能在高溫下轉(zhuǎn)化為陶瓷材料。研究CVI工藝制備連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料，建立更為合理的CVI模型，探索更實(shí)用的 CVI工藝，提高纖維和基體界面的抗氧化性能。參考文獻(xiàn)馮倩，王文強(qiáng)，王震，楊金山C纖維和SiC纖維增強(qiáng)SiC基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)分析[J]實(shí)驗(yàn)室研究與探索， 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