航空航天復(fù)合材料 課件知識(shí)點(diǎn)4 納米復(fù)合材料

納米基復(fù)合材料復(fù)合材料原理

知識(shí)點(diǎn)3-陶瓷基納米復(fù)合材料概述主要內(nèi)容一二三四制備性能應(yīng)用與展望一、陶瓷基納米復(fù)合材料的概述1.定義：通過(guò)有效的分散、復(fù)合使異質(zhì)相納米顆粒分布于基體陶瓷中的一類(lèi)材料。2.分類(lèi)：據(jù)異質(zhì)相分布位置的不同分為：晶內(nèi)型、晶界型、晶內(nèi)-晶界混合型、納米-納米型四類(lèi)圖1晶內(nèi)型晶界型晶內(nèi)-晶界混合型納米-納米型1）機(jī)械混合法機(jī)械混合法即球磨后燒結(jié)成型。優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單、成本低廉。不足：納米顆粒的團(tuán)聚、分散不均、球磨介質(zhì)磨損帶入雜質(zhì)等措施：使用大功率超聲振蕩以破壞團(tuán)聚，并使用適量分散劑，提高分散均勻性。球磨介質(zhì)采用與基質(zhì)相同的材料，可減少因球磨帶來(lái)的雜質(zhì)，如制備納米SiC粉末增強(qiáng)Si3N4基陶瓷復(fù)合材料采用Si3N4磨球。二、制備方法1.制備流程2.制粉方法制粉擠壓燒結(jié)2）復(fù)合粉末法復(fù)合粉末法是目前最常用的一種方法。制備過(guò)程：是先經(jīng)化學(xué)、物理過(guò)程制備含有基質(zhì)和彌散相均勻分散的混合粉末，然后燒結(jié)成型，得到陶瓷基納米復(fù)合材料。復(fù)合粉末制備方法通常有：化學(xué)氣相沉積(CVD)先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法激光合成法等。3）

原位反應(yīng)法定義：原位反應(yīng)法是將基體粉末分散于可生成納米顆粒的先驅(qū)體溶液中，經(jīng)干燥、預(yù)成型、熱處理生成含納米顆粒的復(fù)合粉末，最后熱壓成型。特點(diǎn)：可保證兩相均勻分散，且熱處理過(guò)程中生成的納米顆粒不發(fā)生團(tuán)聚。舉例：1）通過(guò)熱解有機(jī)先驅(qū)體聚六甲基環(huán)四烷，得到含SiC和Si3N4的復(fù)合粉末，經(jīng)燒結(jié)成型可制得Si3N4/SiC陶瓷基納米復(fù)合材料。2）以Ti和B4C為原料，通過(guò)高能球磨能原位反應(yīng)生成納米TiB2/TiC材料粉體，由于C原子的擴(kuò)散首先生成TiC粒子。球磨30h后，Ti和B4C完全反應(yīng)生成TiC和TiB2兩相。其反應(yīng)機(jī)制為減慢的自蔓延反應(yīng)。長(zhǎng)時(shí)間球磨后，形成TiB2顆粒內(nèi)部嵌有納米TiC粒子的復(fù)合納米粉體。4）濕化學(xué)法過(guò)程：液相中進(jìn)行。特點(diǎn)：1）由于在液相中配制，各組分的含量可精確控制并可實(shí)現(xiàn)在分子或原子水平上的均勻混合。

2）可使生成的固相顆粒尺寸遠(yuǎn)小于1μm，

3）可獲得粒度分布窄，形狀為球體的粒子。應(yīng)用：濕化學(xué)法特別適用于制備多組分、超細(xì)粉料。分類(lèi)：均勻共沉淀法、醇鹽水解法、溶膠一凝膠法、非均相凝固法、包裹法等。運(yùn)用最廣泛的是溶膠-凝膠法，該法一般分四個(gè)步驟：1）先把基體粉末和溶劑配成溶液，然后加入納米粉末，采用超聲波、分散劑及調(diào)節(jié)溶液pH值等方法，實(shí)現(xiàn)均勻分散、破壞原有的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)；2）通過(guò)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，在不發(fā)生析晶、團(tuán)聚、沉降的情況下，使體系凝膠聚合3）經(jīng)熱處理制得復(fù)合粉末；4）復(fù)合粉末燒結(jié)成型制成納米復(fù)合材料。由于基體粉末均勻分散在納米顆粒周?chē)?，在熱處理過(guò)程中成核、長(zhǎng)大，容易生成“晶內(nèi)型”結(jié)構(gòu)。此外，還有如等離子相合成法、離子濺射等方法。3.燒結(jié)1）無(wú)壓燒結(jié)無(wú)壓燒結(jié)是指在常壓(0.1MPa)下，具有一定形狀的素坯在高溫下燒結(jié)為致密、堅(jiān)硬、體積穩(wěn)定具有一定性能的燒結(jié)體的方法。此工藝簡(jiǎn)單、成本低，但性能不及熱壓燒結(jié)制品。舉例：制備Si3N4/SiC、Al2O3/SiC等納米陶瓷復(fù)合材料。2）反應(yīng)燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié)又稱(chēng)活化燒結(jié)，指可以降低燒結(jié)活化能，使體系的燒結(jié)可以在較低的溫度下以較快速度進(jìn)行，并且使得燒結(jié)體性能提高的燒結(jié)方法。舉例：Si3N4-莫來(lái)石-Al2O3納米復(fù)合材料，其過(guò)程為：在Si3N4表面進(jìn)行部分氧化產(chǎn)生SiO2，然后表面氧化物與Al2O3反應(yīng)產(chǎn)生莫來(lái)石。3）熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)是指在燒結(jié)過(guò)程中使用壓力，可以阻止納米陶瓷在致密化之前發(fā)生晶粒生長(zhǎng)。舉例：熱壓燒結(jié)法制備Si3N4/SiC納米復(fù)合材料。4）等離子放電燒結(jié)利用脈沖能放電，脈沖壓力和焦耳熱產(chǎn)生瞬時(shí)高溫場(chǎng)，使燒結(jié)體內(nèi)部各個(gè)顆粒均勻地自身發(fā)熱和使顆粒表面活化，樣品內(nèi)的傳熱過(guò)程可瞬間完成，實(shí)現(xiàn)燒結(jié)過(guò)程。舉例1：TiB2/TiN塊體材料，達(dá)理論密度的97.2%，TiB2與TiN顆粒尺寸分別為31.2～58.8nm，38.5～62.5nm。可超快速燒結(jié)，升溫速率可達(dá)600℃/min。舉例2：Al2O3/SiC納米復(fù)相陶瓷材料，燒結(jié)溫度1450℃，比熱壓燒結(jié)降200℃，抗彎強(qiáng)度1000GPa，維氏硬度19GPa，斷裂韌性比Al2O3明顯提高。三、陶瓷基納米復(fù)合材料的性能多種陶瓷基納米復(fù)合材料性能的改善材料斷裂韌性/MPa.m1/2彎曲強(qiáng)度/MPa最高使用溫度/℃未加填料加填料未加填料加填料未加填料加填料Al2O3/納米SiC3.54.835015208001300Al2O3/納米Si3N4

3.54.73508508001300MgO/納米SiC1.24.53407006001400Si3N4/納米SiC4.57.5850155012001400納米填料用量對(duì)納米SiC增強(qiáng)Si3N4復(fù)合材料性能的影響材料(1)Y2O3助劑/%(2)納米SiC(3)成型工藝斷裂韌性/MPa.m1/2彎曲強(qiáng)度/MPa室溫1400℃8Y8熱壓—105010775Y5熱壓8.39667675Y30SCP530%SC80熱壓7.89507507Y30SCP730%SC80熱壓7.59257008Y30SCP830%SC80燒結(jié)6.38946008Y30SCP830%SC80熱壓7.68358608Y30SCP(t)830%SC80熱壓7.68057958Y25SCP825%SC80熱壓7.68556808Y25SCP(t)825%SC80熱壓7.87956508Y25SCP815%SC80熱壓7.69058658Y30SCb(t)830%B20熱壓6.8718—8Y30SCb(T)830%B20熱壓4.45945408Y20SCb820%B20熱壓6.38375608Y20SCb(T)820%B20熱壓5.26305658Y30SCPR830%PR熱壓4.9460—表注：（1）（t）為1800℃

2h處理；（T）為1900℃

1.5h處理；（2）%為質(zhì)量分?jǐn)?shù)；（3）SC80、B20和PR分別表示不同種類(lèi)納米SiC粉。納米尺度的碳化物、氧化物、氮化物等彌散到陶瓷基體中可以大幅度改善陶瓷材料的韌性和強(qiáng)度。舉例1：Si3N4/SiC納米復(fù)合材料具有高強(qiáng)、高韌和高熱穩(wěn)性及化學(xué)穩(wěn)定性，

可制作陶瓷刀具。。