第六章4陶瓷复合材料陶瓷复合材料.pptx

主要内容主要内容n n概述概述n n颗粒弥散陶瓷基复合材料颗粒弥散陶瓷基复合材料n n晶须强韧化陶瓷基复合材料晶须强韧化陶瓷基复合材料n n纤维增强陶瓷基复合材料纤维增强陶瓷基复合材料n n纳米复合材料纳米复合材料n n陶瓷基复合材料种类陶瓷基复合材料种类功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷-利用材料的利用材料的电电、磁磁、声声、光光、热热、化学性化学性能能与与力学性能力学性能及其及其耦合效应耦合效应，实现某种使用功能的精，实现某种使用功能的精细陶瓷。包括半导体材料、敏感材料细陶瓷。包括半导体材料、敏感材料(热敏、压敏、热敏、压敏、气敏、光敏、湿敏陶瓷等）、绝缘材料（含高导热绝气敏、光敏、湿敏陶瓷等）、绝缘材料（含高导热绝缘材料）、高温超导材料等。缘材料）、高温超导材料等。结构陶瓷结构陶瓷结构陶瓷结构陶瓷-主要是指发挥其主要是指发挥其机械机械、热热、化学化学等性能的等性能的一大类新型陶瓷材料。它可以在许多苛刻的工作环境一大类新型陶瓷材料。它可以在许多苛刻的工作环境下服役，因而成为许多新兴科学技术得以实现的关键，下服役，因而成为许多新兴科学技术得以实现的关键，包括各种耐高温、耐腐蚀、耐磨结构材料，如包括各种耐高温、耐腐蚀、耐磨结构材料，如AlAl2 2O O3 3、BNBN、WCWC等结构用陶瓷材料。等结构用陶瓷材料。纳米功能陶瓷项链纳米功能陶瓷项链结构陶瓷柱塞结构陶瓷柱塞高温结构陶瓷件高温结构陶瓷件远红外负离子纳米功能陶远红外负离子纳米功能陶瓷粉保健自发热瓷粉保健自发热 护踝护踝 n n陶瓷材料复合化的目的陶瓷材料复合化的目的功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷主要是为了获得某些新的功能。主要是为了获得某些新的功能。结构陶瓷结构陶瓷结构陶瓷结构陶瓷为了提高材料的强度、韧性等力学为了提高材料的强度、韧性等力学性能，或耐热、耐蚀性能。性能，或耐热、耐蚀性能。n n用作陶瓷基复合材料的强化材料用作陶瓷基复合材料的强化材料各种陶瓷颗粒、晶须、纤维及某些金属纤维各种陶瓷颗粒、晶须、纤维及某些金属纤维各种陶瓷颗粒、晶须、纤维及某些金属纤维各种陶瓷颗粒、晶须、纤维及某些金属纤维。n n陶瓷复合材料的应用陶瓷复合材料的应用陶瓷材料具有强度高、质量轻、耐腐蚀、耐高温等一陶瓷材料具有强度高、质量轻、耐腐蚀、耐高温等一系列优点，受到广泛的关注与重视。系列优点，受到广泛的关注与重视。陶瓷复合材料主要应用在陶瓷复合材料主要应用在耐磨耐磨、耐蚀耐蚀、耐高温耐高温以及对以及对于于强度强度、比强度比强度、质量质量有较为特殊要求的材料等方面。有较为特殊要求的材料等方面。作为高温结构件的陶瓷复合材料，较为成功的应用实例作为高温结构件的陶瓷复合材料，较为成功的应用实例是轿车发动机涡轮增压器用转子材料（是轿车发动机涡轮增压器用转子材料（SiSi3 3N N4 4基复合材料）基复合材料），其工作温度为，其工作温度为900900，最高转速达每分钟十几万转。，最高转速达每分钟十几万转。SiSi3 3N N4 4基复合材料的另一典型应用是耐磨材料，如耐磨轴基复合材料的另一典型应用是耐磨材料，如耐磨轴承、刀具等。承、刀具等。氧化锆耐腐蚀陶瓷轴承氧化锆耐腐蚀陶瓷轴承超硬超耐磨立方氮化硼刀具，陶瓷刀具超硬超耐磨立方氮化硼刀具，陶瓷刀具 n n陶瓷复合材料的韧化机制陶瓷复合材料的韧化机制韧化机制韧化机制防护机制防护机制非防护机制非防护机制偏转机制偏转机制弯曲机制弯曲机制桥梁机制桥梁机制 非桥梁机制非桥梁机制n n陶瓷复合材料的韧化机制陶瓷复合材料的韧化机制防护机制防护机制防护机制防护机制指可以缓和裂纹尖端的应力集中，从指可以缓和裂纹尖端的应力集中，从而减缓或阻止裂纹的扩展，提高材料韧性的机制。而减缓或阻止裂纹的扩展，提高材料韧性的机制。桥梁机制桥梁机制桥梁机制桥梁机制强化相直接承受应力作用；强化相直接承受应力作用；非桥梁机制非桥梁机制非桥梁机制非桥梁机制以及强化相不直接承受应力，但在裂纹端以及强化相不直接承受应力，但在裂纹端形成附加应力场。形成附加应力场。非防护机制非防护机制非防护机制非防护机制指由于强化相的存在，迫使裂纹需指由于强化相的存在，迫使裂纹需要不断改变扩展方向，或使裂纹产生要不断改变扩展方向，或使裂纹产生“弯曲弯曲”（类似于（类似于颗粒对位错的钉扎作用），使得其扩展需要消耗附加能颗粒对位错的钉扎作用），使得其扩展需要消耗附加能量（即提高了材料的韧性）。主要有量（即提高了材料的韧性）。主要有偏转机制偏转机制偏转机制偏转机制和和弯曲机弯曲机弯曲机弯曲机制制制制。n n陶瓷基复合材料的制备方法陶瓷基复合材料的制备方法粉末烧结法、气相析出法、有机高分子材料合成法、液态基体复合法、自蔓延燃烧合成法、等离子体喷射法以及电解析出法等几大类。陶瓷基复合材料用增强体分类陶瓷基复合材料用增强体分类增强材料增强材料增强纤维增强纤维晶须晶须陶瓷片状晶体与硬质颗粒陶瓷片状晶体与硬质颗粒陶瓷纤维有SiC、SiN、Al2O3纤维增强纤维增强纤维金属纤维有Ta、Mo、W、Ni等纤维碳纤维：有机高分子系和沥青系。指直径在0.12um、长径比L/D在10以上的单晶体短纤维。主要是陶瓷晶须，如SiC晶须、NbC晶须、磷酸钙晶须。金属晶须和高分晶须的研究和使用报导还比较少。晶须晶须片状陶瓷晶体又称晶片，主要有SiC晶片和Al2O3晶片。陶瓷片状晶体陶瓷片状晶体与硬质颗粒与硬质颗粒n n颗粒弥散陶瓷基复合材料颗粒弥散陶瓷基复合材料 复合材料的增强增韧体，在颗粒增强复合材料中一般为第二相，或者弥散相弥散相。可用于陶瓷复合材料增强体的弥散颗粒相弥散颗粒相主要有SiC、Al2O3、TiC、TiN、BN等硬质陶瓷相以及Fe、Co、Ni等金属及其合金等延性相。基体材料基体材料主要有SiC、Al2O3、ZrO2、Si3N4等各种陶瓷材料。相变增韧陶瓷材料：ZrO2颗粒颗粒弥散陶瓷颗粒弥散陶瓷基复合材料基复合材料硬质颗粒弥散强化陶瓷基复合材料液相(L)立方相(C)四方相(t)单斜相(m)23701027n n晶须强韧化陶瓷基复合材料晶须强韧化陶瓷基复合材料 晶须的增韧效果很大程度上来自于晶须与基体的相互作用，而相互作用的着力点（界面）则是晶须的表面晶须的表面。晶须的处理简单的原位处理方法，以使表面形成简单的原位处理方法，以使表面形成富碳膜层富碳膜层化学或电化学涂层的方法，使晶须表化学或电化学涂层的方法，使晶须表面形成氧化物凝胶包覆层。面形成氧化物凝胶包覆层。晶须的分离机械力方法机械力方法机械力方法机械力方法：将晶须放入液态介质中，：将晶须放入液态介质中，进行强力搅拌。进行强力搅拌。辅助电化学方法辅助电化学方法辅助电化学方法辅助电化学方法：使晶须在介质中：使晶须在介质中“电泳电泳”，以将单根单根的晶须从团聚，以将单根单根的晶须从团聚中分离出来并沉淀到电极一端。中分离出来并沉淀到电极一端。n n纤维增强陶瓷基复合材料纤维增强陶瓷基复合材料 用陶瓷纤维增强的基体材料，主要有SiC、Si3N4、Al2O3、SiO2及玻璃等，其制造工艺包括：纤维的处理（涂层等）纤维的编织和叠层将基体物质充填到纤维之间压制和烧结等 陶瓷纤维增强基体材料制备技术的关键，是如何将陶瓷基体的粉料密实地充填到纤维之间。常用的充填方法：化学气相渗透高温熔融体渗透室温浆料浸渍反应烧结等化学气相沉积n n纳米复合材料纳米复合材料 是指复合材料中至少有一种结晶相或者颗粒的尺寸为纳米尺度（200nm以内）发光纳米复合材料发光纳米复合材料