金属基复合材料及陶瓷基基复合材料.pdf

第一节金属基复合材料金属的特性：强度高，韧性好，塑性变形能力强，综 合机械性能好，通过热处理可以大幅度 改变机械性能。金属材料导电、导热性好。不同的金属材料耐蚀性相差很大，钛、不锈钢耐蚀性好，碳钢、铸铁耐蚀性差。一、金属基复合材料的分类金属基复合材料是以金属为基体的复合材料，按增强体分类:1）连续纤维增强金属基复合材料 2）非连续增强金属基复合材料（包括颗粒、短纤维、晶须）3）自生增强金属基复合材料;4）层板金属基复合材料按基体分：铝基、镁基、锌基、铜基、钛基、铅基、银基、耐热金属基、金属间化合物基等，一般以铝、镁、钛基复合材料发展较为成熟。按用途分：结构型功能型二、金属基复合材料的特点:1）高比强度、比模量；2）导电、导热性；3）热膨胀系数小、尺寸稳定性好;4）良好的高温性能；5）耐摩性好三、金属基复合材料的基体材料基体的作用：回1)结增强体;2）传递和承受各种载荷（力、热、电）的作用;基体的含量:1）在连续连维增强金属基复合材料中，基体占50%70%；2)颗粒增强金属基复合材料中，占8090%。3）而晶须、短切纤维增强金属基复合材料的基体含量在70%以选择基体的原则金属与合金的种类繁多，作为复合材料的基体有，铝及其合金、镁合金、钛合金、银合金、铜合金、铅、钛铝、银铝、金属间化合物等，基体材料的正确对能 否充分组合和发挥金属增强体的性能特点获得预期优 异综合性能以满足使用要求十分重要。L金属基复合材料的使用要求 航天、航空技术一一比强度、比模量高，尺寸稳定性好。飞行器和卫星构件宜选密度小的轻金属合金一镁、铝合金为 基体，与高强、高模石墨纤维、硼纤维组成石墨/镁、石墨/铝、硼/铝等复合材料；高性能发动机要求：高比强、比模量，优良的耐高温性能在高温氧化性气氛中工作。而选用钛合金、银基合金及金属间化合物，如碳化硅/钛、错、鸨丝/银基起合金复合材料，可用于喷气发动机叶片、转轴等重要 零件。汽车发动机要求：耐热、耐摩、导热、一定高温强度 等，要求成本低适合批量生产，则选用铝合金作为基 体与陶瓷颗粒、短纤维组成复合材料，如碳化硅/铝 复合材料，氧化铝/铝复合材料可制作发动机活塞、缸套等零件。电子工业集成电路一一高导热、低热膨胀系数金属基 复合材料作为散热元件和基板。用具有高导热率的银、铜铝等金属基体与高导热、低热膨胀性的超高模石墨 纤维、金刚石纤维、碳化硅纤维复合成具有低热膨胀 系数和高热导率、高比强、比模量等性能的金属基复一 合材料。五、结构复合材料的基体1）航天、航空、汽车、先进武器：选用铝及铝合金，镁及镁合金作为基体材料。2）发动机、燃气轮机：要求：工作温度在6501200左右，良好的抗氧化、抗蠕变、耐疲劳；良好的高温力学性能使用温度：铝、镁450左右，a用于450以下的轻质金属基体一一铝镁合金;a用于450700的复合材料：钛金属可用于高性 能发动机叶片和转动轴等部件；a用于1000C以上的高温复合材料：主要是银基、铁基复合材料和金属间化合物，主要用于航空发 动机叶片。六、功能用金属基复合材料1）超高力学性能，2）高导热性能；3）低热膨胀；4）高电导率；5）高抗电弧烧蚀性；6）高摩擦系数和耐摩性等。电子封装材料；耐摩材料；集电和电触头材料;七、金属基复合材料的制造方法制备金属基复合材料应考虑以下几个方面:1）增强体的分散问题；2）制造过程对制品性能的影响；3）制造过程中应避免各种不利反应；4）简单易行，适于批量生产，尽可能直接制成接近最终形状和 尺寸的零件。L 金属基复合材料的制造难点及解决方法难点:1）高温下的界面反应、氧化反应等;2)金属与增强体之间浸润性差，甚至不浸润;3)将增强体按设计要求的含量、分布、方向均匀地分布;解决办法：1）增强体表面处理作用是：有效防止的界面反应，相互扩散，溶解等;有效改善基体与增强体的润湿性；优化界面结构和性能表面处理方法：化学气相沉积物理气相沉积2）加入适当合金元素，优化合金成份有效改善金属基体之间的浸润性;有效在防止界面反应；例如：加入钛、倍、铝、锌等元素，可有效改 善纤维与铝液的浸润性，工艺方法及工艺参数金属基复合材料制造方法的分类归纳起来可分为四大类:1）固态法;2）液态成型法；3）自生成法；4）其它方法还有：复合涂（镀）法;类别制造方法适用金属基复合材料体系典型的复合材料及产品增强材料金属基体固态法粉末冷金法，热压固结法热等静压法挤压、拉拔轧制法SiCp,Al2()3,SiCw,BCp 等 颗粒、晶须及短纤维B,SiC,C(Gr),WB,SiC,WAl,Cu,Ti等金属Ah Ti,Cu,耐热合金Al,Ti,超合金AlSiCp/Al,SiCw/Al,A12OS/AI,TiB2/Ti等金属基复合材料零 件、板、锭坯等B/Al,SiC/Al,SiC/TiC/Al,C/Mg等零件、管，板等B/Al,SiC/Ti 管C/Al,Ak5/Al 棒、管液态法挤压铸造法真空压力浸渍法搅拌法共喷沉积法真空铸造法各种类型增强材料，纤维、晶 须、短纤维，C,A12O3 SiCp,A12O3 Si()2各种纤维,晶须、颗粒增强 材料颗粒、短纤维及AI2O3,SiCpSiCp,A120j,BiC.TiC 等 颗粒c、AI3O3连续纤维Al,Zn,Mg,Cu 等Al,Mg,Cu,Ni基合金等Al Mg,ZnAl.Ni,Fe等金属Mg.AlSiCp/AI,SiCw/AI,C/Al,C/Mg,Al 2O3/Al,AI2O3/AJ,S1O2/Al等零件、板.锭、坯等C/AhC/Cu,C/Mg,SiCp/Al,SiCw+SiCp/Al等零件、板、锭、坯等铸件、淀坯SiCp/Al,Al2Oa/Al 等板坯、管 坯、锭坏零件零件其它方法反应自生成法 电镀及化学镀法热喷镀法SiCp,B：C,Al?()3 颗粒，C纤维颗粒增强材料，SiCp,TiCAl,TiNi,Cu 等Ni,Fc铸件表面复合层管、裨等固态法固态法是指基体处于固态制造金属基复合材料的 方法。在某些方法中（加热压法），为了复合更好，有时 希望有少量液相存在，但温度要控制在基体合金的液相 线和固相线之间。由于整个过程处于较低温度，因此金属基体与增强材料之间的界面反应不严重。这是一种最早使用的一 种方法。1粉未冶金法 2、热压固结法（也称扩散粘结法）3、热等静压法 4、热轧法 5、热挤压和热拉法 6、爆炸焊接法工粉末冶金法1）粉末冶金是最早用来制造金属基复合材料的方法，早在1961年Kopenaal等人就利用粉末冶金法制造纤维 体积含且为20%40%的碳一铝复合材料；2）但由于性能很低，也无有效措施加以提高，这种方法不用来制造长纤维增强复合材料，而主要用于制造颗粒或晶须增强金属基复合材料。3）用粉末冶金法可以制造复合材料坯料，供挤压、轧 制、锻压、旋压等二次加工后制成零部件，也可直接 制成复合材料制件。粉未冶金法的工艺关键:1）混合均匀2）基体防氧化粉未冶金法的特点:1）增强体含量不受限制2）制品尺寸可在较大范围内变化3）材料成本高；4）大尺寸制品有一定的困难;工热压法热压法和热等静压法亦称扩散粘结法，是加压焊接的一 种，因此有时也称扩散焊接法。它是在较长时间的高温及 不大的塑性变形作用下依靠接触部位原子间的相互扩散进 行的。扩散粘结过程可分为三个阶段：粘结表面之间的最初接触，由于加热和加压使表面 发生变形、移动、表面膜（通常是氧化膜）破坏；随着时间的进行发生界面扩散和体扩散，使接触面 密着粘结；由于热扩散结合界面最终消失，粘结过程完成。影响扩散粘结过程的主要参数是温度、压力和一定 温度及压力下维持的时间，其中温度最为重要，气 氛对产品质量也有影响。热压工艺过程:1、制成预制片（纤维与金属基体）；2、将预制片裁剪、叠层排布;3、放入模具内;4、加热加压；加热加压过程可在真空或惰性气氛中进行，也 可在大气中进行，也可用纤维织物与基体箔直接进行 热压制造复合材料及零件。铺金属箔裁剪成型加热到福要温度，按需要叠层抽真空通压及保压扩散粘结法冷却、取出、清理零件a热压温度:有时为了复合更好，希望有少量的液相存在，温度控制在 基体合金的固相线和液相线之间。占热压压力：选用压力可在较大范围内变化，但过高容易损伤纤 维，一般控制在lOMPa以下。压力的选择与温度有关，温 度高、压力可适当降低。&热压时间：时间在10-20minin即可。热压沆借驾配热压法是制造直径较大的硼纤维和碳化硅纤维增强铝基、钛基复合材料的主要方法，其产品作为航天飞机主仓框 架承力柱、发动机叶片、等。热压法也是制造鸨丝-超合金、鸨丝-铜等复合材料的主 要方法之一。1热等静压法热等静压法也是热压的一种，用惰性气体加压，工 件在各个方向上受到均匀压力的作用。工作原理：在高压容器内装置加热器，将金属基体（粉末或箔）与增强材料（纤维、品须、颗粒）按一定比 例混合或排布后，或用预制片叠层后放入金属包套中,抽气密封后装入热等静压装置中加热、加压，复合成 金属基复合材料。压温度：2000 00-200MPao5?工件高压缸超压排出=1冷却水入口-发热体-热电偶热等静压原理示意图热等静压的工艺关键：a温度：温度低于热压温度，以防止界面反应a压力：易变形的金属压力选择低一些，难变形的金属 则选择较高的压力。保温保压时间：根据工件的大小确定。热等静压工艺有三种：即先升压后升温。适合于金属包套工件的制造;先升温后升压，此工艺对于用玻璃包套制造复合材料 比较合适.同时升温升压，这种工艺适合于低压成型、装入量大、保温时间长的工件制造。产品管、筒、柱及形状复杂零件。特别适用于钛、金属间化合物、超合金基复合材料特点：产品的组织均匀致密，无缩孔、气孔等缺陷，形状、尺 寸精确，性能均匀。热等静压法的主要缺点是设备投资 大、工艺周期长、成本高。占Al管制造工艺流程,热轧法、热挤压法和热拉法热轧法、热挤压法和热拉法都是金属材料中成熟的塑 性成型加工工艺，这里移植来用于制造复合材料。热轧法主要用来将已复合好的颗粒、品须、短纤维增强 金属基复合材料锭坯进一步加工成扳材。也可将由金属箔和连续纤维组成的预制片制成板材，例 如铝箔与硼纤维、铝箔与钢丝。为了提高粘结强度，常在纤维上涂银、银、铜等涂层，轧制时为了防止氧化常用钢板包覆。热挤压和热拉主要用于颗粒、晶须、短纤维增强金属基 复合材料坯料的进一步加工，制成各种形状的管材、型 材、棒材等。经挤压、拉拔后复合材料的组织变得均匀、缺陷减少或消除，性能明显提高，短纤维和晶须还有一 定的择优取向，轴向抗拉强度提高很多。热挤压和热拉法实例:在基体金属坯料上钻长孔.将增强金属制成棒放入基体 金属的孔中，密封后进行热挤压或热拉，增强金属棒变 成丝，也有将颗粒或晶须与基体金属粉末混匀后装入金 属管中.密封后直接热挤压或热拉成复合材料管材或棒 材的。热电偶真空/夹及具夹具阻挡块冷却卷,模典加热炉/绝缘体纤维展墩炉热拉金属基复合材料工艺示意图上爆炸焊接法用爆炸产生的强大的冲击波,使两种金属高速碰 撞，从而相互“嵌入”。如果用金属丝作增强材料，为了防止弯曲和移动应将其固定或编织好。基体和金属丝在焊前必须除去表面的氧化膜 和污物。特点：时间短、温度低，不发生界面反应。制造：形状复杂的零件和大尺寸的板材。一次作业可得多块复合板。此法主要用来制造金属层合板和金属丝增强金属基复合材料.例如钢丝增强铝、铜丝或鸨丝增强钛、鸨丝增强银等复 合材料。1底座：2基体i 3-动板,4爆爵 5炸药包；6缓冲层；7-纤维爆炸焊接液态法液态法是制备金属基复合材料的主要方法:真空压力浸渍法;共喷沉积；A挤压铸造；真空吸铸；A搅拌铸造等方法工笈堂爰力漫渍法在真空和高压惰性气体共同作用下，将液态金属压入增强材料的预制件。它兼备真空吸铸和压力铸造的优点，由美国的Alcon公司于1960年最先发明首先将增强材料预制件放入模具，基体金属装入垣期.然后 将装有预制件的模具和装有基体金属的生蜗分别装入浸渍炉的预热炉和熔化炉内，密封和紧固炉体，将预制件模具和炉腔抽真空，当炉腔内达到预定真空度后开始通电加热预制件和熔化金属基体。控制加热过程使预制件和熔融基体达到预定温度，保温一定时间，提升生竭，使模具升液管插入金属 熔体，通入高压惰性气体，在真空和惰性气体高压的共同作 用下，液态金属渗入预制件中并充满增强材料之间的空隙，完成浸渍过程，形成复合材料。降下培蜗，接通冷却系统，待完全凝固后，即可从棋具中取出复合材料零件或坯科。凝压力下进行，无一般的铸造缺陷。fp UZI与卜-上真空腔，上炉腔N盘长热预制件s:二十太 二RN 上炉腔发热体w JLi；1nJr、-水降炉套 W)广一下炉腔升液管 1 1 1豳下炉腔发热体Ks嗔杆TUJ-u?j 一一一气缸典型底部压入式真空 压力浸渍炉结构抽真空管一快速 脱卸盖熔体 加热炉一一预制件凝固控制模具/加热炉压力容器-定升液管薄壁模具O 0 O O00OO 6。模具宙封73提升装置L(M（a）装入预制件j模具、预制件、熔体 通过管子抽真空(c)6）装炉事（e）抽真空与熔什提升增培 升液管浸 人熠体真空模具内 保持真空Q)提升*堪：S)通人高压气体：(f)进入模具(g)(h)G)Cg）浸渍ch）凝固I开打真空压力浸渍法制备金属基复合材料过程中,预制件的制备和工艺参数的控制是得到高性能复合材 料的关键。复合材料中纤维、颗粒等增强材料的含量、分布、排列方向是由预制件决定的。(1)压制成型(a)搅拌;一(2)抽吸成型Cb)制模,(c)挤压孑心干燥吸取：(上)脱膜(c)干燥4挤压铸造法通过压机将液态金属强行压入增强材料的预制件中以制造复合材料的一种方法;其过程是先将增强材料制成一定形状的预制件,经干燥预热后放入摸具中，浇注入熔融金属，用压头 加压，压力为70lOOMPa,液态金属在压力下浸渍入预制件中，并在压力 下凝固形成接近最终形状和尺寸的零件，或供用塑性 成型法二次加工的锭坯。预制件的质量，模具的设计.预制件预热温度、熔体温度、压力等参数的控制是得到高性能复合材料 的关键。挤压铸造的压力比真空压力浸渍的压力高得多,因此要求预制件具有高的机械强度，能承受高的压力 而不变形。在制造纤维预制件时加入少量的颗粒不但 能够提高预制件的机械强度，还能防止纤维在挤压过 程中发生偏聚，最终保证纤维在复合材料中分布均匀。注入液态(f)取出工液态金属搅拌铸造法液态金属搅拌铸造法是一种适合于工业规模生产颗粒 增强金属基复合材料的主要方法.特点：工艺过程简单，制造成本低廉。原理：将颗粒直接加入到基体金属熔体中，通过一定 方式的搅拌使颖粒均匀地分散在金属熔体中并与之复 然后浇铸成锭坯、铸件等。搅拌铸造法主要问题:1、加入的增强体易产生团聚;2、强烈的搅拌容易造成金属熔体的氧化和大量吸入空 气。采取的主要措施：在金属熔体中添加合金元素O颗粒表面处理；复合过程的气氛控制；有效的机械搅拌。热电偶 1 a勺 热电偶R凶金a 建黑-固定模 睡拄法的工艺原理工液态金属浸渍法液态金属浸渍法是指用液态金属连续浸渍长纤 维，得到复合材料预制品（带、丝等）的一种方法，有 时也称连铸法。由于在液态金属中容易分散、复合完 全，因此特别适用于一束多丝、直径细的连续长纤维。预处理年工放丝简收丝筒人共喷沉积法共喷沉积法是制造各种颗粒增强金属基复合材料的有效方法，1960年由A.R.E.Siager发明，随 后由Ospray金属有限公司发展成工业生产规模的制造 技术，可用来制造铝、铜、银、铁、金属间化合物基 复合材料。基本原理：液态金属基体通过特殊的喷嘴，在隋性气 体气流的作用下雾化成细小的液态金属喷向衬底。将 增强体颗粒加入到雾化的金属流中，与金属液滴混合 在一起并沉积在衬底上，凝固形成金属基复合材料。1挡杆感应加热炉懵性气体分解室一颗粒 喷射器废气颗粒液化床底板（管、坯、板等）共喷沉积法的特点:适用面广。可用于铝、铜、银、钻等有色金同基体，也可用于铁、金属间化合物基体，可加入sic、A12O3 石墨等多种颗粒产品可以是圆棒、锭、板市、管材等。园生产工艺简单、效率高。与粉末冶金法相比，不必先制成金属 粉末，然后再与颗粒混合、压型、烧结等工序，而是快速一次复 合成坯料，雾化速率可达25-lOOKg/min,沉淀凝固迅速。冷却速度大。所得复合材料基体金属的组织与快速凝固相近，晶粒细、无宏观偏析、组织均匀。颗粒分布均匀。在严格控制工艺参数的条件下颗粒在基体中的 分布均匀。复合材料中的气孔卒较大。气孔串在2%-5%之间，但经挤压处 理后可消除气孔.获得致密材科。粒子喷射器i=T(b)(c)（a）圆锭；（b）板带；（c）管共喷沉积三种类型工件生产简图工热喷涂法根据热源的术同热喷涂分为等离子喷涂和氧-乙焕陷喷涂。尽管等离子喷涂的设备比氧-乙快喷涂复杂。但由 于工艺参数和气氛容易控制，因此在复台材科制造上，主要采用等离子喷涂。等离子喷涂是利用等离子弧的高温将基体熔化后喷射到工件（增强材料）上，冷却并沉积下来的一种复合方法。具体过程是先将纤维缠绕在包有基体金属箔的园筒上、纤维之间保持一定的间隔，然后放在喷涂室中进行喷徐，过程结束后剪开取下，使得复合材料预制片，经热压或热等挤压等二次处理，最终得到型材 或零件。等离子喷涂法适用于直径较租的纤维单丝.例 如用化学气相沉积法得到的硼纤维和碳化硅纤维.它 是制造这两种纤维增强铅、钛基复合材料项制片的大 规模生产方法。美国和原苏联在航天飞机上使用的、也是最早使用的金属基复合材料一硼一铝复台材料，以及美国的碳化硅一钛复合材料，就是用等离子喷涂 法制得预制片，然后用热压或热等静压法加工而成的。工其它制造方法一、原位自生成法增蠡材料在复合材料制造过程中在基体中生成和生 长的方法。1、增强材料可以共晶的形式从基体中凝固析出凝固共晶复合材料）;（定向2、加入相应元素之间的反应或合金熔体中的某 种组 分与加入 的元素或化合物之间的反应 生成（反应自 生成复合材料）。特点：基体与增强材料间的相容性好。界面干净，结 合牢固，能非常有效地传递应力，界面上不生成有害 的反应产物，因此这种复合材料有较优异的力学性能。二、物理气相沉积法一、材料源的不面气化和在基材上的冷凝沉积，最终 获得涂层，制备金属基复合树料的预制片（丝）三、化学气相沉积法化合物以气态、在一定的温度条件下发生分解或 化学反应，分解或反应产物以固态沉积在工件上得到涂 层的一种方法。四、电镀、化学镀和复合镀法第二节陶瓷基复合材料工基体材料-陶瓷早在新石器时代（公元前6000 年公元前5000年），中华民族 的先人们用粘土（主要成分为 Si02,A1203）烧制成陶器。我国在东汉时期发明了瓷器，成为最早生产瓷器的I家。瓷器于9世纪传到非洲东部和阿拉伯国家,13世纪传到日本，十五世纪传到欧洲。传统意义上的陶瓷主要指陶器和瓷器，也包括玻璃、搪瓷、耐火材料、砖瓦等。这些材 料都是用粘土、石灰石、长石、石英等天然硅 酸盐类矿物制成的。因此，传统的陶瓷材料是 指硅酸盐类材料。现今意义上的陶瓷材料已有了巨大变化,许多新型陶瓷已经远远超出了硅酸盐的范畴,不仅在性能上有了重大突破，在应用上也已渗 透到各个领域。所以，一般认为，陶瓷材料是 指各种无机非金属材料的通称、陶瓷的分类1、普通陶瓷普通陶瓷也叫传统陶瓷，其主要原料是粘土(A12O3.2SiO2.2H2O)、石英(SiO2)和长石(K20-A1203.6Si02)o组分的配比不同，陶瓷的性能会有所差别。例如：长石含量高时，熔化温度低而使陶瓷致密，表 现在性能上即是抗电性能高、耐热性能及机械性能差；粘土或石英含量高时，烧结温度高而使得陶瓷的抗电性 能差、但有较高的热性能和机械性能。普通陶瓷坚硬而脆性较大，绝缘性和耐蚀性极 去加里于其制造工艺简单、成本低廉，因而在各种 陶瓷中用量最大。普通陶瓷通常分为日用陶瓷和工业陶瓷两大类。普通日用陶瓷、普通日用陶瓷的用途和特点日用陶瓷主要用作日用器皿和瓷器,般具有良好的光泽度、透明度，热稳定性和机械强度较高。二、常用普通日用陶瓷(1)长石质瓷 国内外常用的日用瓷，作一般工业瓷制品O(2)绢云母质瓷我国的传统日用瓷。(3)骨质瓷 近些年得到广泛应用，主要作高级日用瓷制品。(4)滑石质瓷 我国发展的综合性能好的新型高质瓷。高石英质日用瓷石英含量240%,瓷质细腻、色调柔和、机械强度和热稳定性好。日用器皿艺术陶瓷普通工业陶瓷 一、建筑卫生瓷用于装饰板、卫生间装置及器具等，通常尺寸较大,要求强度和热稳定性好。建筑陶瓷卫生陶瓷建筑陶瓷卫生陶瓷二、化学化工瓷用于化工、制药、食品等工业及实验室中的管道 设备、耐蚀容器及实验器皿等，通常要求耐各种化学 介质腐蚀的能力要强。三、电工瓷主要指电器绝缘用瓷，也叫高压陶瓷，要求机械性能高、介电性能和热稳定性好。绝缘瓷瓶特种陶瓷特种陶瓷也叫现代陶瓷、精细陶瓷或高性能陶瓷,包括特种结构陶瓷和功能陶瓷两大类，如压电陶瓷、磁性陶瓷、电容器陶瓷、高温陶瓷等。工程上最重要的是高温陶瓷，包括氧化物陶瓷、硼化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶瓷。氧化物陶瓷氧化物陶瓷熔点大多2000 以上，烧成温度约1800；单相多晶体结构，有时有少量气相；强度随温度的 升高而降低，在1000 以下时一直保持较高强度，随 温度变化不大；纯氧化物陶瓷任何高温下都不会氧化。一 编1kH，刚不）陶咨宣化铝的结构懿2-排成密排六方结构，A2+占据间隙 位置。根据含杂质的多少，氧化铝呈红色（如红宝石）或蓝色（如蓝宝石）；实际生产中，氧化铝陶瓷按A1203含量可 分为传等几种氧化铝熔点达2050,抗氧化性好，广泛用于耐火 材料；较高纯度的A12O3粉末压制成形、高温烧结后得到刚 玉耐火砖、高压器皿、用烟、电炉炉管、热电偶套管等；微晶刚玉的硬度极高（仅次于金刚石），红硬性达 1200,可作要求高的工具如切削淬火钢刀具、金属拔 丝模等。很高的电阻率和低的导热率，是很好的电绝缘材 料和绝热材料。强度和耐热强度均较高（是普通陶瓷的5 倍），是很好的高温耐火结构材料，如可作内燃机火花塞、空压机泵零件等。单晶体氧化铝可做蓝宝石激光器;氧化铝热电偶套管氧化铝陶瓷密封环氧化铝陶瓷喷咀二、氧化镀陶瓷氧化钺陶瓷具备一般陶瓷的特性，导热性极好，很高的 热稳定性，强度低，抗热冲击性较高；消散高能辐射的能 力强、热中子阻尼系数大。氧化被陶瓷制造珀烟，作真空陶瓷和原子反应堆陶瓷，气体激光管、晶体管散热片和集成电路的基片和外壳等。三、氧化错陶瓷氧化错陶瓷的熔点在2700 以上，耐2300 高温，推荐使用温度2000 2200；能抗熔融金属的 浸蚀，做钳、楮等金属的冶炼生烟和1800 以上的发 热体及炉子、反应堆绝热材料等；氧化错作添加剂大大 提高陶瓷材料的强度和韧性，氧化倍增韧陶瓷可替代金 属制造模具、拉丝模、泵叶轮和汽车零件如凸轮、推杆、连杆等。碳化物陶瓷碳化物陶瓷有很高的熔点、硬度（近于金刚石）和耐磨性（特别是在浸蚀性介质中），缺点是耐高 温氧化能力差（约900 1000 C）、脆性极大。一、碳化硅陶瓷、碳化硅陶瓷密度为3.2X103 kg/m3,弯曲强度 为 200 MPa250 MPa,抗压强度 1000 MPa1500 MPa,硬度莫氏9.2,热导率很高，热膨胀系数很小,在900 1300 时慢慢氧化。龌连要用于制造加热元件、石墨表面保护层以及碳化硅陶瓷堪烟碳化硅陶瓷密封件二、碳化硼陶瓷碳化硼陶瓷硬度极高，抗磨粒磨损能力很强；熔 点达2450,高温下会快速氧化，与热或熔融黑色金属发生反应，使用温度限定在980 以下。主要用于作磨料，有时用于制造超硬质工具材料。三、其它碳化物陶瓷碳化铝、碳化铜、碳化铝、碳化鸨和碳化错陶瓷的 熔点和硬度都很高，在2000 以上的中性或还原气氛 作高温材料；碳化铜、碳化钛还可用于2500 以上的 氮气气氛中的高温材料。硼化物陶瓷硼化物陶瓷有硼化格、硼化铝、硼化钛、硼化鸨和硼化错等。硼化物陶瓷具有高硬度，同时具有较好的耐化学浸蚀 能力。熔点范围为1800-2500 o比起碳化物陶瓷,硼化物陶瓷具有较高的抗高温氧化性能，使用温度达1400 o硼化向主要用于高温轴承、内燃机喷嘴、各种高温器 件、处理熔融非铁金属的器件等。各种硼化物还用作电触点材料。氮化物陶瓷一、氮化硅陶瓷氮在硅陶瓷是键能高而稳定的共价键晶体；硬度高 而摩擦系数低，有自润滑作用，是优良的耐磨减摩材 料；氮化硅的耐热温度比氧化铝低，而抗氧化温度高 于碳化物和硼化物；1200 以下具有较高的机械性能 和化学稳定性，且热膨胀系数小、抗热冲击，可做优 良的高温结构材料；耐各种无机酸（氢氟酸除外）和 碱溶液浸蚀，优良的耐腐蚀材料。反应烧结法得到的a-Si3N4用于制造各种泵的耐蚀、耐磨密封环等零件。热压烧结法得到的B-Si3N4,用于制造高温轴承、转子叶片、静叶片以及加工难切削材料的刀具等。在Si3N4中加一定量A1203烧制成陶瓷可制造柴油机的气缸、活塞和燃气轮机的转 动叶轮。氮化硅陶瓷刀具氮化硅陶瓷滚珠二、氮化硼陶瓷六方氮化硼为六方晶体结构，也叫白色石墨；硬度低，可进行各种切削加工；导热和抗热性能高，耐 热性好，有自润滑性能；高温下耐腐蚀、绝缘性好。用 于高温耐磨材料和电绝缘材料、耐火润滑剂等。在高压和1360 时六方氮化硼转化为立方B-BN,硬度接近金刚石的硬度，用作金刚石的代用品，制作耐 磨切削刀具、高温模具和磨料等。氮化硼刀具三、氮化钛陶瓷硬度高(1800HV)耐磨。刃具表面涂层、耐磨 零件表面涂层。金黄色，装饰表面。工陶瓷材料的性能一、陶瓷的机械性能1.刚度陶瓷刚度（由弹性模量衡量）各类材料中最 高，因为陶瓷具有很强的结合键。各种常见材料的弹性模量和硬度材料弹性模量/MPa硬度/HV橡胶6.9很低塑料138017铝合金72300170钢207000300800碳化钛3900003000金刚石11710006000100002.硬度陶瓷硬度是各类材料中最高的，因其结合键强度高。陶瓷硬度为1000 HV5000 HV,淬火钢 为500 HV800 HV,高聚物最硬不超过20 HVo 陶瓷的硬度随温度的升高而降低，但在高温下 仍有较高的数值。3.强度晶界使陶瓷实际强度比理论值低得多（1/10001/100）。晶界上有晶粒间的局部分离或空隙；晶界上原子间键被拉长,键强度被 削弱；相同电荷离子的靠近产生 斥力,会造成裂缝。陶瓷的晶界结构刚玉（A1203）陶瓷块抗拉强度为280 MPa。瓷纤维（缺陷少），抗拉强度为2100 MPa4.塑性陶瓷在室温下几乎没有塑性。陶瓷晶体滑 移系很少，位错运动所需切应力很大；共价 键有明显的方向性和饱和性，离子键的同号 离子接近时斥力很大；在高温慢速加载，特 别是组织中存在玻璃相时，陶瓷也表现出一 定的塑性。5.韧性(1)陶瓷是非常典型的脆性材料冲击韧性10kJ/m2以下,断裂韧性值很低。(2)对表面状态特别敏感由于表面划伤、化学侵蚀、冷热胀缩不均等，很易产生细微裂纹；受载时，裂纹尖 端产生很高的应力集中，由于不能由塑性变形使高的应 力松弛，所以裂纹很快扩展，表现出很高的脆性。改善陶瓷韧性的方法预防陶瓷中特别是表面上产 生缺陷；在陶瓷表面形成压应力(如加预压应力可做成“不碎”陶瓷)；消除陶瓷表面的微裂纹。上陶瓷的物理性能和化学性能1.热膨胀性能陶瓷的线膨胀系数很低，比高聚物低，比金属更低。2 导热性 窗于陶瓷无自由电子传热，导热性很低，较好绝热 材料。3,热稳定性 6孩稳定性很低（比金属低得多）：线膨胀系数大和一导热性低。4.化学稳定性结构非常稳定，很好的耐火材料和垣期材料。金属 原子被屏蔽在紧密排列的间隙中，很难再同介质中的氧 发生作用；对酸、碱、盐等腐蚀性很强的介质均有较强 的抵抗能力，与许多金属的熔体也不发生作用。5.导电性变化范围很广：由于缺乏电子导电机制，多数陶瓷 是良好的绝缘体；不少陶瓷既是离子导体，又有一定 的电子导电性；许多氧化物（ZnO、NiO、Fe304）是重 要的半导体材料。陶瓷的性能特点是:具有不可燃烧性、高耐热性、高化 学稳定性、不老化性、高的硬度和良好的抗压能力，但 脆性很高，温度急变抗力很低，抗拉、抗弯性能差，不 易加工。工陶瓷原料与制坯 1、凡经粉未状出产的原料称为可塑性原料,2、而必须先经粉碎才能使用的则称为非可塑性原料。1、陶瓷原料的种类和性质1）粘土与高岭土（A1203-2Si02-2H20）2）蜡石（A12O3.SiO2.H2O）；3）膨润土（A1203.4 Si02.H20.n H20）4）瓷石；5）滑石；6）二氧化硅原料；7）熔剂原料；8瓷原料;L陶瓷的加工制作陶瓷坯体时必须先将原料做成粉体，使用化学药品为原料时，有时需要事先在某温度下煨烧,然后才粉碎。调制坯体的重点在于粒度分布，合理的粒度分 布就是最紧密充填的，一般陶瓷坯土只要通过 200250目筛即可。L陶瓷的坯体成型陶瓷坯体在成型时应尽可能在模型中均匀地填充原料粉未,即填充到坯体的各种部分。其中水份、化学组成、气泡多 少以及颗粒的分配状态都应尽可能均匀。1、注浆成型法注浆成型法是将坯料泥浆注入石膏模内，石膏将 水中所悬浮的粘土与水一起吸引至模的表面，此 时，泥浆中的水扩散到石膏模之中而被吸收，而 在模面上形成水少的泥浆层，经过一段时间后，该层变硬。时间越长泥层越厚。2、可塑性成型法又称塑性成型法。是用练土状态的坯泥，即具有 可用于捏练状态的湿坯泥成型方法，坯泥中水份 大约在1525%。3、加压成型法加压形式水含量模型材料坯体状态应用湿式18-22加强石膏可塑性简单形状制品半湿式15-17钢可塑性造粒高低压电瓷及形状复杂 坯体半干式8-12钢造粒糖类粉压6-10钢粉面被类钙0.5,外加粘 合剂，润滑 剂钢造粒高低压电瓷，滑石瓷、各 种电子陶瓷及其它。4、等静压法压力将干粉料在模具中压制成型。上陶瓷烧制陶瓷的烧制在专业上称烧成，烧成是将由粉未做 成的坯体，利用热的作用使之硬固。由粉未成型的坯体经烧成而坚硬一般称为烧结，烧结机理是，颗粒在接触点处的离子因热振动扩散而 完成的。烧成后不生成玻璃相而固结的这种烧成称固 相烧结，一般瓷器坯体会产生玻璃相而固结则称为液 相烧结。影响烧成的因素如下：1）化学组成 2）粒度分布；3）填充密度及体密度；4）烧成温度与时间；5）冷却速度；6）烧成中的气氛；陶瓷的原料通常是由粘土、石英和长石三部分组 成。在加热烧成或烧结和冷却过程中，由这三部分 组成的坯料相继发生四个阶段的变化：(1)低温阶段(室温300)残余水分的排除。(2)分解及氧化阶段(300950C)结构水的排除；有 机物、碳素和无机物等的氧化；碳酸盐、硫化物等 的分解；石英晶型转变。高温阶段(950烧成温度)氧化、分解反应继续 进行；相继出现共熔体等液相，各组成物逐渐溶 解；一次莫来石(3A12O32SiO2)晶体生成；二次莫来石晶体长大;石英块溶解成残留小块;发生烧结成瓷。(4)冷却阶段(烧成温度室温)二次莫来石晶体析出或长大;液相转变;残留石英晶型转变二、陶瓷基复合材料制备工艺陶瓷材料：优点：耐高温、抗氧化耐磨、耐腐蚀等特性缺点：都很脆，不能承受剧烈的机械冲击和热冲击。解决办法：在陶瓷中加入纤维是提高韧性陶瓷基复合材料都在高温制造，因此在选择纤维和基体材料时 必须考虑它们之间的相溶性以及它们与环境的相容性，两者的 膨胀系数必须基本匹配，否则产生的残余应力将导致基体中产 生裂纹。1、陶瓷基复合材料制备工艺要解决的问题纤维的加入与定向随机排列的短纤维复合材料在制造时要将纤维和基体粉未混合 即可。纤维越长，含量越高，在基体中均匀分布就越困难。纤 维最高含量为30%,否则纤维容易成团并产生空洞。在热压过 程中混合物中随机排列的纤维趋向于在垂直热压方向的各平面 内定向，但在平面内仍是随机排列。短纤维定向可由下列方法实现1）液力切变定向，将短纤维和晶须与基体粉未一起加入液态载体,使其定向流动并通过一喷嘴，纤维或晶须与基体共同沉积得到毡，纤维取向排列。2）电泳法，悬浮在液体中固体颗粒表面都带电，如果在液体中施 加一直流电场，悬浮在液体中的纤维与基体粉未将向阳极移动，共 同沉积在导电基片上，取下来热压便得到纤维定向排列的复合材料,此法另一特点是可用于导电纤维，将纤维束作为电极，由于带同一 种电荷，束中的纤维互相排斥，基体粉未能够进入束中最内部纤维 之间，已沉积下来的颗粒产生屏蔽作用自动调节，保证纤维中沉积 层的厚度。连续纤维复合材料最常用的方法是泥浆浸渍法，将基体粉未悬浮在 有机溶媒中制成泥浆，纤维单丝或束丝通过泥浆挂上基体。2、陶瓷基复合材料制备工艺过程陶瓷基复合材料的制备工艺过程包括 粉体的制备、成型与烧成三个部分组 成。金粉体的制备要求：高纯超细、组分均匀、无团聚。方法：分为机械制粉和化学制粉两种方法机械制粉特点：工艺简单，产量大粉体不均匀,易引入杂质。化学制粉特点：高纯、超细、组分均匀，粒径可 达lOum以下。化学制粉可分为气相法、液相法和固相法三种方 法，其中液相法应用最为广泛，主要用于氧化物 的超细粉未的合成，近年来发展起来的多组分氧 化物细粉技术有：化学共沉积法、溶胶一凝胶法、冰冻干燥法、金属氢氧化物水解法及喷雾热分解 法，气相法多用于制备超细高纯非氧化物粉体。成型1)干压成型法(dry Pressing)又称模压法特点是：操作简单生产效率高，易于自动 化，是常见的方法之一。其缺点是：粉料易团聚，坏体厚度大时内部密度不均匀。2)等静压成型法(Isostatic Pressing)该方法的特点是：粉料不需要粘结剂、坯体密度操均 匀性好并具有良好的烧结体性能。其缺点是：只适用 于简单形状的制品，形状和尺寸的控制性差，生产效 率低。3)热压铸成型法(Hot Pressing Casting)该方法是将粉料与蜡或有机高分子粘结剂混合后,加热使混合料具有一定的流动性，将其压入模具,冷却后可得到致密 的较结实的坯体，其优点是:适合形状复杂的制品，易于工业化生产，缺点是:烧成时间长，大制品易变形。4）轧制成型（Roll Compacting）也称滚（辐）制成型：将加入粘结剂 的物料放入相向滚动的轧根之间，不断 受到挤压得到薄膜状坯体的一种方法，其特点是：简单、高效、膜片厚度均匀。5)注浆成型(Slip Casting)将一定浓度的浆料注入石膏模中，利用 石膏的吸水作用，使浆料脱水硬化。6)流延法成型(Tape Casting)方法类似于注浆成型，只是制品的形状 尺寸及排溶剂的方法不同，它适用于薄 膜制品。其特点是生产效率高，可制备 23um至23cm的制品，膜片弹性好、坯7)注射成型(Injection Moulding)干燥粉料二）坯件|4脱蜡浇注蜡饼注射成形烧结成品注射成型工艺流程8)压力渗滤工艺(Pressure Filtration)和离心成型(Centrifugal Casting)该法是在注浆成型基础上发展起来的一种工 艺，可避免一般工艺发生的超细粉团聚现象,特别适用于晶须或纤维增强的复合材料。9）凝胶注模10）直接凝固(Gel Casting)(Direct Coagulation Casting)特殊的新型制备方法1、气相化学反应1)CVD法(Chemical Vapor Deposition)2)CVI法(Chemical Vapor Infiltration)CVD与CVI的区另Ij方法析出 场所应度 反温反应气体 压力应度 同速设备装置CVD基体表面高高、载气 浓度高快较简单CVI内侧或 表面低低、载气 浓度高慢较复杂CVD与CVI法使用的气体生成的基体原料气体碳CH4,C3H8,C6H6,C2H2BBCI3-H2.BBr 3-H2SiCCH3SiCI3-H2,(CH3)SiCI2-H2,SiCI4-CH4-H2Si3N4SiCI4-NH3B4CBCI3-CH4-H2,BBr 3-CH4H2TiC.ZeCMeCI4-CH4-H2,(Me=Ti,Zr)TiB4,Zr B2MeCI4-BCI3-H2,(Me=Ti,Zr)BNBCI3-NH3-H2AICI3-H2-CO2,Zr CI4-H2=CO22、利用液相的方法1）定向凝固2）纤维在低粘状态的陶瓷中含浸3）利用熔融的金属与气体反应4）利用熔融的金属与陶瓷（金属）反应3、利用陶瓷-金属-陶瓷间的反应（SHS法）4、由有机聚合物的合成制备