第六章-陶瓷基复合材料

第六章陶瓷基复合材料（CeramicMatrixComposites）,1,本章主要内容：,一、基本概念和分类二、原材料及其特性三、陶瓷基复合材料的制备技术四、纤维增强陶瓷基复合材料五、碳碳复合材料,2,一、基本概念和分类,陶瓷基复合材料（CeramicMatrixComposites，简称CMCs）以陶瓷材料为基体，以高强度纤维、晶须、晶片和颗粒为增强体，通过适当的复合工艺所制成的复合材料。通常也称为复相陶瓷材料（Multiphaseceramics）或多相复合陶瓷材料（Multiphasecompositeceramics),1、定义,3,结构陶瓷基复合材料主要利用其力学性能和耐高温性能，主要用作承力构件，具有轻质、高强、高刚度、耐高温、低膨胀和耐腐蚀等主要特性。功能陶瓷基复合材料主要利用其光、声、电、磁、热等物理性能的功能材料，指除力学性能以外而具有某些物理性能（如导电、半导、磁性、压电、阻尼、吸声、吸波、屏蔽、阻燃等）的陶瓷基复合材料。主要由功能体（单功能或多功能）和基体组成，基体不仅起到粘结和赋形的作用，同时也会对复合陶瓷整体性能有影响。多功能体可以使复合陶瓷具有多种功能，同时还有可能由于产生复合效应而出现新的功能。,2、分类,(1)、按使用性能特性分类,4,氧化物陶瓷基复合材料非氧化物陶瓷基复合材料微晶玻璃陶瓷基复合材料碳碳复合材料,2、分类,(2)、按基体材料分类,5,颗粒增强陶瓷基复合材料包括刚性颗粒和延性颗粒纤维（晶须）增强陶瓷基复合材料包括长、短纤维补强增韧陶瓷基复合材料晶片补强增韧陶瓷基复合材料包括人工晶片和天然片状材料叠层式陶瓷基复合材料包括层状复合材料和梯度陶瓷基复合材料。,2、分类,(3)、按增强体的形态分类,6,二、原材料及其特性,基体材料有氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、水泥、玻璃等。增强体材料主要以不同形态来区分，有颗粒状、纤维状、晶须、晶板等。,7,几种常用的陶瓷基体材料简介：,氧化铝（Al2O3）二氧化锆（ZrO2），莫来石（3Al2O32SiO2,Mullite）氮化硅（Si3N4），碳化硅（SiC）玻璃陶瓷,1、氧化铝陶瓷（Al2O3,alumina）,以氧化铝为主成分的陶瓷材料。氧化铝含量越高，性能越好。按氧化铝含量可分为75瓷、85瓷、95瓷、99瓷和高纯氧化铝瓷等。主晶相为-Al2O3，属六方晶系，密度为3.9g/cm3左右，熔点达2050。,8,氧化铝瓷的主要性能,9,硬度高（20GPa），仅次于金刚石和碳化硅，有很好的耐磨性。耐高温性能好，高氧化铝含量的刚玉瓷可在1600高温下长期使用，而且蠕变小。很好的耐腐蚀性和电绝缘性。但氧化铝脆性较大，抗热震性差，不能承受环境温度的突然变化。,氧化铝瓷的其它性能：,10,2、氮化硅陶瓷（Si3N4,siliconnitride）,以Si3N4为主晶相的陶瓷材料。Si3N4有两种晶型，-Si3N4和-Si3N4，均属于六方晶系。-相在高温下（1650）可转变为-相。-Si3N4多为等轴状晶粒，有利于材料的硬度和耐磨性；-Si3N4多为长柱状晶粒，有利于材料的强度和韧性。,11,3、碳化硅陶瓷（SiC,SiliconCarbide）,以SiC为主要成分的陶瓷材料。SiC变体很多，但作为陶瓷材料的主要有两种晶体结构，一种是-SiC，属六方晶系；一种是-SiC，属立方晶系，具有半导体特性。SiC具有很高的热传导能力，较好的热稳定性、耐磨性、耐腐蚀性和抗蠕变性。,12,4、玻璃陶瓷（glass-ceramics）,某些玻璃经热处理后可以晶化形成大量的微晶体。这种含有大量微晶体的玻璃称为微晶玻璃或玻璃陶瓷。玻璃陶瓷中的微晶体一般取向杂乱，微晶尺寸在0.01-0.1m，体积结晶率达50-98。常用的玻璃陶瓷有锂铝硅（Li2O-Al2O3-SiO2，LAS）玻璃陶瓷、镁铝硅（MgO-Al2O3-SiO2，MAS）玻璃陶瓷等。LAS玻璃陶瓷的热膨胀系数几乎为零。MAS玻璃陶瓷具有高硬耐磨的特性。,13,三、陶瓷基复合材料的制备技术,1、料浆浸渗-热压烧结法2、直接氧化沉积法3、化学气相浸渗法4、反应性熔体浸渗法,14,1、料浆浸渗-热压烧结法（SlurryInfiltrationandHot-Pressing）,15,16,2、直接氧化沉积法（DirectOxidatingDeposition）,利用熔融金属氧化来制备陶瓷基复合材料的一种方法，这种工艺最早是由美国Lanxide公司发明的，故又称LANXIDE法，其制品已经用作坦克防护装甲材料。它是将纤维预制体置于熔融金属上，金属液12001400C的高温下被空气氧化生成陶瓷，沉积和包裹在纤维周围，而形成纤维增韧陶瓷基复合材料。,17,18,19,3、化学气相浸渗法(ChemicalVaporInfiltration，简称CVI法）,定义：反应物以气体的形式渗入到纤维预制体的内部并发生化学反应，形成陶瓷固体沉积在预制体表面，使预制体逐渐致密形成陶瓷基复合材料的一种工艺。,20,能在较低温度进行高温材料的制备，SiC陶瓷的烧结温度通常高达2000以上，而采用CVI法则能在9001100的温度下制备出高纯度的SiC陶瓷：能制备出硅化物、碳化物、硼化物、氮化物和氧化物等多种陶瓷材料，并能实现微观尺度上化学成份的设计与制造。能制备出形状复杂、近净尺寸的复合材料部件。制备过程中没有机械载荷的作用，纤维的性能损伤程度小。,CVI的突出优点是：,21,CVI法制备的Cf/SiC陶瓷基复合材料的显微结构,22,4、反应性熔体浸渗法(ReactiveMeltInfiltration，简称RMI法),在采用RMI法制备SiC陶瓷基复合材料过程中，将Si熔化后，在毛细管力的作用下Si熔体渗入到以多孔C/C材料内部，并同时与基体碳发生化学反应生成SiC陶瓷基体。,23,24,四、纤维增强陶瓷基复合材料,纤维增强陶瓷基复合材料（通常是指连续纤维增强CMC）（Fiberreinforcedceramicmatrixcomposites，简称FCMCs）以陶瓷材料为基体，以高强度纤维为增强体，通过适当的复合工艺结合在一起的复合材料。CMC具有高强度、高韧性和优异的热和化学稳定性，是一类新型的结构材料。提高韧性是陶瓷材料的重要研究课题。,1、定义,25,3、几种常见的纤维增强陶瓷基复合材料,纤维/微晶玻璃基复合材料纤维/氮化硅基复合材料纤维/碳化硅基复合材料,26,纤维的强度和模量明显高于微晶玻璃基体，因此能同时起到增韧和增强的效果。增强纤维：C纤维、SiC纤维、Al2O3纤维性能：质轻、耐腐蚀、热稳定性好（1000C）；应用：汽车发动机、热交换器等部件。,（1）纤维/微晶玻璃基复合材料,27,Cf/Si3N4是CMC领域研究的很早、且很成功的一个体系。由于基体和纤维的模量相差不大，Cf/Si3N4复合材料的断裂韧性得到了大幅度的提高。,（2）纤维/氮化硅复合材料,28,SiC基CMC的密度22.5g/cm3，仅为高温合金和铌合金的1/31/4，钨合金的1/91/10)主要包括Cf/SiC和SiCf/SiC两种Cf/SiC用于瞬时寿命的固体火箭发动机的使用温度可达28003000C；用于有限寿命的液体火箭发动机的使用温度可达20002200C；Cf/SiC用于长寿命航空发动机的使用温度为1650C，SiCf/SiC为1450C。,（3）纤维/碳化硅陶瓷基复合材料,29,五、碳/碳复合材料（C/C复合材料）,30,定义：C/C复合材料是以碳纤维（或石墨纤维）为增强体，以碳（或石墨）为基体，通过加工处理和碳化处理制成的全碳质复合材料。C/C复合材料发展；C/C复合材料的特性；C/C复合材料应用,31,5.1C/C复合材料的发展,石墨：具有耐高温、抗热震、导热好、弹性模量高、耐磨、化学惰性等性能，是优异的适合于惰性气体环境和烧蚀环境的高温材料。但韧性差，对裂纹敏感。C/C复合材料：既能保持碳（石墨）原来的优良性能外，又能克服它的缺点，大大提高了韧性和强度，降低了热膨胀系数，尤其是因为相对密度小，具有很高的比强度和比模量。,32,材料的发展与需求相联系耐烧蚀材料需求：飞船返回舱和航天飞机的鼻嘴最高温度分别为1800和1650。C/C具有高烧蚀热、低的烧蚀率、抗热冲击和超热环境下具有高强度等优点。可耐受10000的驻点温度。是超热环境中高性能的理想烧蚀材料。高温耐磨材料需求：C/C是唯一能在极高温度下使用的摩阻材料，且密度仅为1.71.9g/cm3。,33,5.2C/C复合材料的特性,C/C复合材料的性能与纤维的类型、增强方向、制造条件以及基体碳的微观结构等密切相关。可供使用的C纤维有人造丝（粘胶）基、PAN基和沥青基C纤维。力学性能热物理性能烧蚀性能化学稳定性,34,5.2.1力学性能,密度小；高的比强度、比模量；良好的高温力学性能，对热应力不敏感；优异的耐摩擦性能。室温:单向高强度C/C拉伸强度可达700MPa。（通用钢材强度500600MPa）高温：1627时仍能保持室温强度，甚至有所提高，这是目前工程材料中唯一能保持这一特性的材料；2500才能测出塑形变形，是当今在太空环境下使用的高温力学性能最好的材料。对热应力不敏感：一旦产生裂纹，不会像陶瓷那样严重的力学性能损失。耐磨性：摩擦系数小，具有优异的耐磨擦磨损性能，是各种耐磨和摩擦部件的最佳候选材料。,35,5.2.2物理性能,热膨胀性能低：常温下为-0.41.810-6/K，仅为金属材料的1/51/10；导热系数高：室温时约为0.380.45cal/cms（铁：0.13）。熔点高：4100。,36,5.2.3烧蚀性能,烧蚀：导弹和飞行器在高温高压大气层热流的冲刷下，由于材料发生热解、气化、升华、辐射等物理和化学过程，引起材料表面质量迁移（材料消耗）的现象。这种材料表面的质量迁移带走大量热量，从而达到耐高温的目的，即烧蚀性能。,37,C/C的烧蚀均匀、烧蚀凹陷浅，能良好地保持制件外形；烧蚀热高。C/C的升华温度高达3600，在这样的高温度下，通过表面升华、辐射除去大量热量，使传递到材料内部的热量相应地减少。不同材料的有效烧蚀热的比较,38,5.2.4化学稳定性,化学稳定性高；抗氧化性能差C/C除含有少量的氢、氮和微量金属元素外，几乎99%以上都是元素C，因此它具有和C一样的化学稳定性。耐腐蚀性：C/C像石墨一样具有耐酸、碱和盐的化学稳定性；氧化性能：C/C在常温下不与氧作用，开始氧化温度为400，高于600会严重氧化。提高其耐氧化性方法成型时加入抗氧化物质或表面加碳化硅涂层。,39,5.2.5其他性能,生物相容性好：是人体骨骼、关节、颅盖骨补块、牙床的优良替代材料；安全性和可靠性高：若用于飞机，其可靠性为传统材料的数十倍。飞机用铝合金构件从产生裂纹至破断的时间是1mim，而C/C是51mim。,40,5.3C/C复合材料的应用,世界各国均把C/C复合材料用作先进飞行器高温区的主要热结构材料，其次是作为飞机和汽车等的刹车材料。军事、航天飞行器中的应用刹车材料方面应用其他应用,41,5.3.1军事、航天飞行器上的应用,主要用能做烧蚀材料和热结构材料，尺寸稳定性良好。其中最重要的用途是做洲际导弹弹头的鼻锥、固体火箭喷管、航天飞机的鼻锥帽和机翼前缘。,42,C/C在航天飞机上的应用部位,航天飞机表面温度,C/C在航天飞机上应用部位,43,5.3.2刹车材料方面的应用,利用其优异的耐摩擦性能。用于飞机、高速火车及汽车刹车片。法国欧洲动力公司大量生产C/C刹车片，用作飞机（如幻影式战斗机）、汽车（如赛车）和高速火车的刹车材料。波音747上使用C/C刹车装置，大约使机身质量减轻了816.5kg。日本C/C用作飞机刹车材料已有10年的历史。日本协和式超音速客机共8个轮，刹车片约用300kgC/C复合材料，可使飞机减轻450k