航空航天復(fù)合材料 課件知識點2 陶瓷基復(fù)合材料的制備

陶瓷基復(fù)合材料復(fù)合材料原理

知識點2-陶瓷基復(fù)合材料的制備主要內(nèi)容陶瓷基復(fù)合材料粉體制備陶瓷基復(fù)合材料粉體成型陶瓷基復(fù)合材料粉體燒結(jié)1.粉體制備分類1）機械制粉：機械方式獲得粉體的過程特點：工藝簡單、產(chǎn)量大，但得到的粉體組分分布不均勻，特別是當(dāng)某種組分很少的時候，而且該方法常會給粉體引入雜質(zhì)。分類：球磨、攪拌震動磨等其中球磨是最常用的一種粉碎和混合的裝置。注意：在球磨過程中需要某種氣氛或氣氛保護時，應(yīng)選用可抽真空的球磨罐進行，也可在液態(tài)下球磨，細(xì)化、混合后再揮發(fā)液態(tài)溶劑一、陶瓷基復(fù)合材料粉體制備機械制粉化學(xué)制粉分類：固相法、液相法、氣相法等固相法：液相法：主要用于氧化物系列超細(xì)粉體的合成。有液相共沉積法、溶膠凝膠法、冰凍干燥法、噴霧干燥法及噴霧熱分解法等。氣相法：多用于制備超細(xì)高純的非氧化物粉體，該法是利用揮發(fā)性金屬化合物的蒸汽通過化學(xué)反應(yīng)合成所需物質(zhì)的粉體?；瘜W(xué)氣相沉積制粉法是利用揮發(fā)性金屬化合物蒸氣分解或與其他氣體間的化學(xué)反應(yīng)獲得超細(xì)粉末的一種粉末制取方法。此外，還可用物理法：即用蒸發(fā)-凝聚法。就是將金屬原料加熱（用電弧或等離子流等）到高溫，使之汽化，然后急冷，凝聚成粉體，可制備出超細(xì)的金屬粉體。2）化學(xué)制粉1．模壓成型2．等靜壓成型3．熱壓鑄成型4．?dāng)D壓成型5．軋膜成型6．注漿成型8．注射成型9．直接凝固成型10．泥漿滲透法

7．流延法成型二、陶瓷基復(fù)合材料粉體成型定義：燒結(jié)是指陶瓷坯料在表面能減少的推動力下通過擴散、晶粒長大、氣孔和晶界逐漸減少而致密化的過程。燒結(jié)機制：①粘性流動；②蒸發(fā)與凝聚；③體積擴散；④表面擴散；⑤晶界擴散；⑥塑性流動等。燒結(jié)是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)變化過程，是多種機制組合作用的結(jié)果。分類：

普通燒結(jié)熱致密化方法反應(yīng)燒結(jié)微波燒結(jié)放電等離子燒結(jié)等。三、陶瓷基復(fù)合材料粉體燒結(jié)1．普通燒結(jié)燒結(jié)窯：主要在隧道窯、梭式窯、電窯中進行。燒結(jié)氣氛：保護氣氛(如氫、氖、氮氣等)、或真空或空氣。燒結(jié)助劑：因為純陶瓷材料有時很難燒結(jié)，所以在性能允許的前提下，常添加一些燒結(jié)助劑，以降低燒結(jié)溫度。例如在對A12O3的燒結(jié)中添加少量的TiO2、MgO和MnO等，在Si3N4的燒結(jié)中添加MgO、Y2O3、A12O3等。作用機制：使晶格空位增加，易于擴散，從而降低燒結(jié)溫度。有些添加劑的引入會形成液相，由于粒子在液相中的重排和黏性流動的進行，從而可獲得致密產(chǎn)品并可降低燒結(jié)溫度。液相燒結(jié)：如果液相在整個燒結(jié)過程中存在，通稱為液相燒結(jié)。如果液相只在燒結(jié)開始階段存在，隨后逐步消失，則稱為瞬時液相燒結(jié)。盡可能降低粉末粒度也是促進燒結(jié)的重要措施之一，因為粉末越細(xì)、表面能越高，燒結(jié)越容易。固相燒結(jié)：如果在整個燒結(jié)過程中無液相存在，稱為固相燒結(jié)，靠固相擴散結(jié)合。定義：加熱燒結(jié)過程中施加一定壓力促進致密化的燒結(jié)方法。分類：熱壓燒結(jié)(HotPressedSintering，HPS)將干燥粉料充填入模型內(nèi)，再從單軸方向邊加壓邊加熱，使成型和燒結(jié)同時完成的一種燒結(jié)方法。

熱等靜壓燒結(jié)(hotisostaticpressingSintering，HIPS)，是一種集高溫、高壓于一體的工藝生產(chǎn)技術(shù)，加熱溫度通常為1000~2000℃，通過以密閉容器中的高壓惰性氣體或氮氣為傳壓介質(zhì)，工作壓力可達200MPa。在高溫高壓的共同作用下，被加工件的各向均衡受壓。特點：價貴、生產(chǎn)率低。高溫下施壓，有利于黏性和塑性流動，從而有利于致密化。可在更低溫度、更短時間內(nèi)使陶瓷材料致密晶粒更加細(xì)小。2．熱致密化方法定義：反應(yīng)燒結(jié)是通過化學(xué)反應(yīng)直接形成陶瓷材料的方法。有固-固、固-液、氣-固反應(yīng)。特點：是坯塊在燒結(jié)的過程中尺寸基本不變，可制得尺寸精確的構(gòu)件，同時工藝簡單、經(jīng)濟，適于大批量生產(chǎn)。缺點是合成的材料常常不致密，造成材料力學(xué)性能不高。目前反應(yīng)燒結(jié)僅限于少量幾個體系:反應(yīng)燒結(jié)氮化硅（Si3N4）、氧氮化硅（Si2ON2）和碳化硅（SiC）等。反應(yīng)燒結(jié)Si3N4是將多孔硅坯體在l400℃左右和燒結(jié)氣氛N2發(fā)生反應(yīng)形成的Si3N4。一般只能達到理論密度的90%左右。反應(yīng)燒結(jié)SiC是將SiC-C多孔坯塊用液態(tài)硅在1550-1650℃浸漬反應(yīng)而制成的，致密性高，但會含有8～10%的游離Si，降低其高溫性能。3．反應(yīng)燒結(jié)微波是波長為1～1000mm的電磁波，加熱原理：就是一種新型的加熱技術(shù)，它是利用物質(zhì)在微波作用下發(fā)生的電子極化、原子極化、界面極化、偶極轉(zhuǎn)向極化等方式，將微波的電磁能轉(zhuǎn)化為熱能的，加熱特點：具有整體性、瞬時性、選擇性、環(huán)境友好性、安全性及高效節(jié)能等。傳統(tǒng)加熱，即加熱是以對流、輻射、傳導(dǎo)三種形式進行的，受熱塊體表面溫度高，心部溫度低，特別是反應(yīng)時表面溫度會急速升高，塊體的熱應(yīng)力也隨之驟增，甚至使塊體開裂。傳統(tǒng)加熱不足：1）受熱體的熱應(yīng)力大易開裂；2）能耗高；3）制備周期長；4）組織易粗化；5）環(huán)境負(fù)擔(dān)重等。4．微波燒結(jié)圖6-5Al-Ni2O3體系微波反應(yīng)結(jié)果組織圖圖6-6Al-Ni2O3體系微波加熱過程溫度變化曲線非熱效應(yīng)：反應(yīng)活化能顯著降低，反應(yīng)速度顯著加快的現(xiàn)象。機制：有學(xué)者認(rèn)為這是因為微波頻率與分子轉(zhuǎn)動頻率相近，微波被極性分子吸收時，會與分子的平動能發(fā)生自由交換，從而降低了反應(yīng)活化能，促進反應(yīng)進程所致。但也有學(xué)者認(rèn)為微波加熱的能級太?。ㄎ⒉ü庾幽芰俊?J/mol），不能激發(fā)分子進入高能級（化學(xué)鍵能通常>300J/mol，即使氫鍵鍵能也有數(shù)十J/mol），故認(rèn)為不存在所謂的非熱效應(yīng)。

等離子體：是物質(zhì)在高溫或特定激勵下的一種物質(zhì)狀態(tài)，是除固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)以外，物質(zhì)的第四種狀態(tài)。等離子體是電離氣體，由大量正負(fù)帶電粒子和中性粒子組成，并表現(xiàn)出集體行為的一種準(zhǔn)中性氣體。等離子燒結(jié)：是指利用脈沖能、放電脈沖壓力和焦耳熱產(chǎn)生的瞬時高溫場來實現(xiàn)燒結(jié)過程的方法，因而也叫放電等離子燒結(jié)（SPS），為了使材料能快速致密化，一般在等離子燒結(jié)過程