2-3陶瓷基复合材料PPT学习教案

1、会计学1 2-3陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料PPT课件课件 2 具个具个、 及及等许多优良的性能。等许多优良的性能。 但是，陶瓷材料同时也具有但是，陶瓷材料同时也具有 ，即，即，这一弱点正是目前淘瓷材料，这一弱点正是目前淘瓷材料 的使用受到很大限制的主要原因。的使用受到很大限制的主要原因。 第1页/共95页 3 因此，陶瓷材料的因此，陶瓷材料的便成了便成了 近年来陶瓷工作者们研究的一个重点问题近年来陶瓷工作者们研究的一个重点问题 。 现在这方面的研究巳取得了初步进展现在这方面的研究巳取得了初步进展 ，探索出了若干种，探索出了若干种。 第2页/共95页 4 其中，往陶陶瓷材料中加入其中，往陶陶瓷

2、材料中加入 而制成而制成陶瓷基复陶瓷基复 合材料即合材料即是一种重要方法。是一种重要方法。 第3页/共95页 5 1陶瓷基复合材料的基体陶瓷基复合材料的基体 陶瓷基复合材料的基体陶瓷基复合材料的基体为为，这是一，这是一 种包括范围很广的材料，属于种包括范围很广的材料，属于而而 不是单质，所以它的不是单质，所以它的结构远比金属合金复杂结构远比金属合金复杂 得多得多。 第4页/共95页 6 现代陶瓷材料的研究，最早是从对现代陶瓷材料的研究，最早是从对 开始的，随后又逐步扩大开始的，随后又逐步扩大 到了其他的到了其他的。 目前被人们研究最多的是目前被人们研究最多的是、 、等，它们普遍具有等，它们普遍

3、具有耐高温耐高温、 耐腐蚀耐腐蚀、高强度高强度、重量轻重量轻和和价格低价格低等优点等优点 。 第5页/共95页 7 陶瓷基复合材料中的陶瓷基复合材料中的，通，通 常也称为常也称为。 从几何尺寸上增强体可分为从几何尺寸上增强体可分为( 长、短纤维长、短纤维)、和和三类。三类。 第6页/共95页 8 是用来制造是用来制造 最常用的纤维之一。最常用的纤维之一。 碳纤维可用多种方法进行生产。碳纤维可用多种方法进行生产。 工业上主要采用工业上主要采用和和 。 第7页/共95页 9 主要包括三个阶段主要包括三个阶段 。 第一阶段第一阶段在空气中于在空气中于200400进行进行 ； 第二阶段第二阶段是在惰性

4、气体中在是在惰性气体中在1000左左 右进行右进行； 第三阶段第三阶段则是在惰性气体中于则是在惰性气体中于2000 以上的温度作以上的温度作。 第8页/共95页 10 目前，碳纤维常规生产的品种主要有两种目前，碳纤维常规生产的品种主要有两种 ，即，即和和。 其中，高模量型的其中，高模量型的约为约为400 GPa ，约为约为1.7 GPa； 低模量型的低模量型的约为约为240 GPa， 约为约为2.5 GPa。 第9页/共95页 11 主要用在把主要用在把、 、和和作为设计参数的作为设计参数的 构件构件，在，在1500的温度下，碳纤维的温度下，碳纤维 仍能保持其性能不变。仍能保持其性能不变。 第

5、10页/共95页 12 但是，必须对碳纤维进行但是，必须对碳纤维进行 以防止它以防止它在空气中或氧化性在空气中或氧化性 气氛中被腐蚀气氛中被腐蚀，只有这样，才能充，只有这样，才能充 分发挥它的优良性能。分发挥它的优良性能。 第11页/共95页 13 陶瓷基复合材料中的陶瓷基复合材料中的中中 ，另一种常用纤维是，另一种常用纤维是。 制造玻璃纤维的制造玻璃纤维的如下如下 图所示：图所示： 第12页/共95页 14 玻璃球玻璃球 玻璃球再熔化玻璃球再熔化 连续纤维连续纤维 上浆上浆 纱线纱线 绕线筒绕线筒 将玻璃小球将玻璃小球 熔化，然后通过熔化，然后通过 1mm左右直径的左右直径的 小孔把它们拉出

6、小孔把它们拉出 来。来。 另外，缠绕另外，缠绕 纤维的纤维的心轴的转心轴的转 动速度动速度决定纤维决定纤维 的直径，通常为的直径，通常为 10um的数量级的数量级 。 第13页/共95页 15 为了为了和和 ，在刚凝固成纤维时，表面，在刚凝固成纤维时，表面 就就涂覆薄薄一层保护膜涂覆薄薄一层保护膜，这层保护膜，这层保护膜 还有利于还有利于。 第14页/共95页 16 可在一个可在一个很宽的范围内很宽的范围内调调 整，因而可生产出具有整，因而可生产出具有较高杨氏模量较高杨氏模量的品的品 种，这些特殊品种的纤维通常需要种，这些特殊品种的纤维通常需要在较高在较高 的温度下的温度下，因而，因而成本较高

7、成本较高，但，但 可满足制造一些可满足制造一些复合材料。复合材料。 第15页/共95页 17 还有一种还有一种常用的纤维常用的纤维是是 。它属于。它属于多相的多相的，又是，又是无定形的无定形的， 因为它是用因为它是用将将无定形硼无定形硼 或者或者形成的。形成的。 第16页/共95页 18 在实际结构的在实际结构的硼纤维硼纤维中，由于中，由于 ，使其，使其 到只有晶体硼纤维一半左右。到只有晶体硼纤维一半左右。 第17页/共95页 19 由由所获得的所获得的硼纤维的平均性能硼纤维的平均性能 为，杨氏模量为，杨氏模量420GPa，拉伸强度拉伸强度2.8GPa。 对任何可能的对任何可能的都非常都非常

8、，甚至比玻璃纤维更敏感，甚至比玻璃纤维更敏感， 对硼纤维都有影响，高于对硼纤维都有影响，高于500 时强度会急时强度会急 剧下降。剧下降。 第18页/共95页 20 为了阻止为了阻止， 已采用了已采用了作试验。作试验。 例如，例如，商业上使用的硼纤维商业上使用的硼纤维通常是在通常是在 表面涂了一层表面涂了一层，它可使纤维，它可使纤维长期暴长期暴 露在高温后露在高温后仍有保持仍有保持的优点。的优点。 第19页/共95页 21 陶瓷材料中另一种增强体为陶瓷材料中另一种增强体为。 晶须为具有晶须为具有(直径直径0.31um,长长 30100um)的的。 1952年，年，Herring和和Galt验证

9、了验证了 比比高得多，这促使人们去对高得多，这促使人们去对纤纤 维状的单晶维状的单晶进行详细的研究。进行详细的研究。 第20页/共95页 22 从结构上看，从结构上看，是没有是没有 、和和等一等一 类缺陷，而这些缺陷正是类缺陷，而这些缺陷正是大块晶体中大块晶体中 大量存在大量存在且促使且促使强度下降强度下降的主要原因的主要原因 。 第21页/共95页 23 在某些情况下，在某些情况下， 可达可达0.1E(E为杨氏模量为杨氏模量)，这已非常接，这已非常接 近于近于0.2E。 相比之下，相比之下，多晶的金属纤维多晶的金属纤维和和块块 状金属状金属的的只有只有0.02E和和0.001E 。 第22页

10、/共95页 24 由于晶须具有由于晶须具有、 和和，从而引起了人们对其特别，从而引起了人们对其特别 的关注。的关注。 在在陶瓷基复合材料中陶瓷基复合材料中使用得较为普遍使用得较为普遍 的是的是、及及晶须。晶须。 第23页/共95页 25 陶瓷材料中的另一种增强体为陶瓷材料中的另一种增强体为。 从从几何尺寸几何尺寸上看，颗粒在各个方向上看，颗粒在各个方向 上的长度是大致相同的，一般为上的长度是大致相同的，一般为几个微几个微 米米。 常用得的颗粒也是常用得的颗粒也是、等。等。 第24页/共95页 26 虽不如虽不如，但，但 是，如果颗粒种类、是，如果颗粒种类、粒径粒径、含量含量及及基体材料基体材料

11、 仍会仍会有一定的韧化效果有一定的韧化效果，同时还会，同时还会 带来带来，的改善。的改善。 所以，所以，同样受到重视同样受到重视 并对其进行了一定的研究。并对其进行了一定的研究。 第25页/共95页 27 在陶瓷材料中，加入在陶瓷材料中，加入 是是改善陶瓷材料韧性改善陶瓷材料韧性的重要手段，按的重要手段，按 的不同，又可将其分为的不同，又可将其分为 复合材料和复合材料和复合材料复合材料 。 第26页/共95页 28 增韧陶瓷基复合材料增韧陶瓷基复合材料的显的显 著特点是它具有著特点是它具有，即，即沿纤维长度方沿纤维长度方 向上的纵向性能向上的纵向性能要大大要大大高于其横向性能高于其横向性能。

12、在实际构件中，主要是使用其在实际构件中，主要是使用其纵向性能纵向性能 。 第27页/共95页 29 在在增韧陶瓷基复合材增韧陶瓷基复合材 料料中，当中，当遇到纤维时遇到纤维时， 这时，如果要使这时，如果要使就必须就必须 提高外加应力提高外加应力。 这一过程的示意图如下：这一过程的示意图如下： 第28页/共95页 30 第29页/共95页 31 当当时，由于时，由于 基体与纤维间的基体与纤维间的，同时又由，同时又由 于于纤维的强度高于基体的强度纤维的强度高于基体的强度，从而，从而 。 当当达到某一临界值达到某一临界值时时 ，会使，会使。 第30页/共95页 32 因此，因此，必须克服必须克服由于

13、由于 纤维的加入而产生纤维的加入而产生的的和和 ，这样，使得，这样，使得材料的断裂更为困材料的断裂更为困 难难，从而起到了，从而起到了增韧的作用增韧的作用。 第31页/共95页 33 实际实际材料断裂过程材料断裂过程中，中，并并 非发生在非发生在同一裂纹平面同一裂纹平面，这样，这样还将还将 沿纤维断裂位置的不同沿纤维断裂位置的不同而发生而发生。 这也同样会这也同样会，从而，从而 使使韧性进一步提高韧性进一步提高。 第32页/共95页 34 单向排布纤维单向排布纤维增韧陶瓷只是增韧陶瓷只是在纤维排在纤维排 列方向上的列方向上的较为优越，而其较为优越，而其 显著低于显著低于，所以只适用于，所以只适

14、用于 的场合。的场合。 第33页/共95页 35 而许多而许多则要求则要求在二维及在二维及 三维方向上三维方向上均具有均具有，这就，这就 要进一步研究要进一步研究增韧陶瓷增韧陶瓷 基复合材料。基复合材料。 第34页/共95页 36 这种复合材料中，这种复合材料中， 。 一种是一种是，浸渍浸渍 浆料后浆料后，根据需要的厚度根据需要的厚度将将 进行进行，如下图所示：，如下图所示： 第35页/共95页 37 纤维层纤维层 基体基体 第36页/共95页 38 这种材料在这种材料在 性能优越性能优越，而在，而在 的性能较差。的性能较差。 一般应用在对一般应用在对 的构件上。的构件上。 第37页/共95页

15、 39 另一种是另一种是，层层 间纤维成一定角度间纤维成一定角度，如下图所示。，如下图所示。 第38页/共95页 40 第39页/共95页 41 后一种复合材料可以根据后一种复合材料可以根据 用用纤维浸浆缠绕的方法纤维浸浆缠绕的方法做成所需要形做成所需要形 状的状的。 而前一种材料而前一种材料曲率不曲率不 宜太大宜太大。 第40页/共95页 42 这种这种增韧陶瓷基复合增韧陶瓷基复合 材料材料的的韧化机理韧化机理与与复合材复合材 料是一样的，主要也是靠料是一样的，主要也是靠与与 ，使其，使其比基体比基体 材料大幅度提高。材料大幅度提高。 第41页/共95页 43 增韧陶瓷是为了增韧陶瓷是为了满

16、足满足 某些情况的性能要求某些情况的性能要求而设计的。而设计的。 这种材料最初是从宇航用这种材料最初是从宇航用 开始的，现已发展到开始的，现已发展到等等 陶瓷复合材料。陶瓷复合材料。 第42页/共95页 44 下图为下图为 示意图。它是按直角坐标示意图。它是按直角坐标 而成。而成。 第43页/共95页 45 由于由于每束每束 纤维呈直线伸纤维呈直线伸 展展，不存在，不存在 ，因而使纤维，因而使纤维 可以充分发挥可以充分发挥 最大的结构强最大的结构强 度度。 第44页/共95页 46 这种这种编织结构编织结构还可以通过还可以通过 ， ，以及以及纤维的总体纤维的总体 积分数积分数等参数进行设计以满

17、足性能要求等参数进行设计以满足性能要求 。 第45页/共95页 47 长纤维增韧陶瓷基复合材料长纤维增韧陶瓷基复合材料虽然虽然 ，但它的，但它的，而且，而且纤维在纤维在 基体中不易分布均匀基体中不易分布均匀。 因此，近年来又发展了因此，近年来又发展了、 及及增韧陶瓷基复合材料。由于短纤维增韧陶瓷基复合材料。由于短纤维 与晶须相似，故只讨论后两种情形。与晶须相似，故只讨论后两种情形。 第46页/共95页 48 由于由于很小，从客观上看与很小，从客观上看与 一样，因此一样，因此在制备复合材料在制备复合材料时，只需时，只需 将将与与混合均匀，然后混合均匀，然后 对对混好的粉末混好的粉末进行进行，即可

18、制得致，即可制得致 密的晶须增韧陶瓷基复合材料。密的晶须增韧陶瓷基复合材料。 第47页/共95页 49 目前常用的是目前常用的是， 晶须，常用的基体则为晶须，常用的基体则为， ，及及等。等。 第48页/共95页 50 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料与与 ，等因等因 素有关。素有关。 下面两个图分别给出了下面两个图分别给出了 及及陶瓷复合材料陶瓷复合材料 的性能与的性能与之间的关系。之间的关系。 第49页/共95页 51 ) SiCw含量（含量（vol%） ) SiCw含量（含量（vol%） 第50页/共95页 52 第51页/共95页 53 从上面两个图中可以看出，两从上面两个图中可以看出，两

19、种材料的种材料的、及及 均均随着随着SiCw含量的增加含量的增加而提高。而提高。 第52页/共95页 54 而而的变化规律则是，对的变化规律则是，对 ，随随SiCw含量的增加单调上升含量的增加单调上升 ，而对，而对，在，在10 vol SiCw时时 ，随后又有所下降，但却，随后又有所下降，但却始终高于基体始终高于基体 。 第53页/共95页 55 这可解释为由于这可解释为由于 ，同时，同时而而 ，从而使，从而使， 。 第54页/共95页 56 由图中可知，对由图中可知，对最佳最佳 的韧性和强度的配合的韧性和强度的配合可使可使 KIC=7MPa.M1/2， f=600MPa； 的的 KIC=16

20、MPa.M1/2 ， f=1400MPa。 由此可见，由此可见，SiCw对陶瓷材料对陶瓷材料 。 第55页/共95页 57 从上面的讨论知道，由于从上面的讨论知道，由于 ，因此，因此，当其含量较高时，当其含量较高时， 因其因其而而使致密化变得因难使致密化变得因难， 从而引起了从而引起了密度的下降并导致性能的密度的下降并导致性能的 下降下降。 第56页/共95页 58 为了克服这一弱点，可采用为了克服这一弱点，可采用 来来制成复合材料，这种复合制成复合材料，这种复合 材料在材料在及及 均比晶均比晶须增强陶瓷基复合材料须增强陶瓷基复合材料 要容易。要容易。 第57页/共95页 59 当所用的颗粒为

21、当所用的颗粒为，时，时， 基体材料采用最多的是基体材料采用最多的是， 。 目前，这些复合材料已广泛用目前，这些复合材料已广泛用 来来制造刀具制造刀具。 第58页/共95页 60 右图显示了右图显示了 对对 复合材料复合材料 性能的影响性能的影响。 从中可以看出，在从中可以看出，在强度出现峰值。强度出现峰值。 第59页/共95页 61 下图为下图为对对复合材料性能复合材料性能 的影响。的影响。 从中可以看出，在从中可以看出，在强度及强度及 韧性达到了最高值。韧性达到了最高值。 第60页/共95页 62 从上面的讨论可知，从上面的讨论可知，对陶瓷对陶瓷 材料的增韧材料的增韧均有一定作用，且各有利弊

22、。均有一定作用，且各有利弊。 的的，但，但 ； 可克服晶须的这一弱点，但其可克服晶须的这一弱点，但其 。 第61页/共95页 63 由此很容易想到，若将由此很容易想到，若将与与共共 同使用同使用，则可取长补短，达到更好的效果，则可取长补短，达到更好的效果 。 目前，已有了这方面的研究工作，如目前，已有了这方面的研究工作，如 使用使用与与来来共同增韧共同增韧，用，用 来来共同增韧共同增韧等。等。 第62页/共95页 64 下面两个图分别给出了下面两个图分别给出了 Al2O3+复合材料的复合材料的 性能随性能随的变的变 化情况。化情况。 第63页/共95页 65 与与 第64页/共95页 66 与

23、与 第65页/共95页 67 第66页/共95页 68 可以看出，随着可以看出，随着 ，其，其与与均呈上升趋势均呈上升趋势，在，在20 SiCw及及30 ZrO2(Y2O3)时时，复合材抖的，复合材抖的 f 达达1200MPa。KIC达达10 MPa.M1/2 以上。以上。 这比这比单独晶须韧化单独晶须韧化的的Al2O3+SiCw复合材复合材 料的料的 f =634MPa，KIC=7.5 MPa.M1/2有明显有明显 的提高，这充分体现了这种的提高，这充分体现了这种 。 第67页/共95页 69 下表则给出了下表则给出了莫来石及其制得的复合材料的莫来石及其制得的复合材料的 强度与韧性强度与韧性

24、。 材料材料 f (Mpa)KIC (MPa.M1/2) 莫来石莫来石2442.8 Si3N4+SiCw10001112 很明显，由很明显，由与莫来石制得的复合材料要与莫来石制得的复合材料要 比单独用比单独用制得的复合材料的性能好得制得的复合材料的性能好得 多。多。 第68页/共95页 70 第69页/共95页 71 第70页/共95页 72 由于由于陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料往往是在往往是在 下制备，而且往往下制备，而且往往在高温环境中工作在高温环境中工作， 因此因此容易容易发生化学反应发生化学反应 形成化学粘结的形成化学粘结的或或。 第71页/共95页 73 若若基体与增强体之间基体与增

25、强体之间不发生反应或控不发生反应或控 制它们之间发生反应，那么当制它们之间发生反应，那么当从高温冷却从高温冷却 下来时下来时，大于大于，由于收，由于收 缩而产生的缩而产生的 r 与与 有关：有关： 第72页/共95页 74 式中，式中， 是摩擦系数，一般为是摩擦系数，一般为0.10.6 。 此外，基此外，基体在高温时呈现为液体体在高温时呈现为液体(或或 粘性体粘性体)，它也可，它也可 等缺陷处，冷却后形成等缺陷处，冷却后形成机械结合机械结合。 第73页/共95页 75 实际上，高温下实际上，高温下原子的活性增原子的活性增 大大，原子的扩散速度较室温大的多，原子的扩散速度较室温大的多 ，由于，由

26、于 ，在界面上更易，在界面上更易形成固溶体和化形成固溶体和化 合物合物。 第74页/共95页 76 此时，此时，增强体与基体之间的界面增强体与基体之间的界面 是是具有一定厚度的具有一定厚度的，它，它与与 基体和增强体都能较好的结合基体和增强体都能较好的结合，但通，但通 常是常是的。例如的。例如Al2O3f/SiO2系中会系中会 发生反应形成发生反应形成强的化学键结合强的化学键结合。 第75页/共95页 77 对于对于陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料来讲，来讲， 影响影响陶瓷基体和复合材料的陶瓷基体和复合材料的 。 对于陶瓷基复合材料的对于陶瓷基复合材料的来说，一来说，一 方面应强到方面应强到并具有

27、并具有 ； 第76页/共95页 78 另一方面，陶瓷基复合材料的另一方面，陶瓷基复合材料的要要 弱到弱到及及 。 因此，陶瓷基复合材料界面要有一个因此，陶瓷基复合材料界面要有一个 。 第77页/共95页 79 往往导致往往导致 ，如下图，如下图 (a)所示所示 ，裂纹可以在复合，裂纹可以在复合 材料的材料的 并并迅速扩展迅速扩展至至 复合材料的横截面复合材料的横截面 ，导致，导致。 第78页/共95页 80 主要是由于主要是由于纤维的弹纤维的弹 性模量不是大大高于基体性模量不是大大高于基体，因此在，因此在 断裂过程中，断裂过程中，强的界面结合强的界面结合 。 第79页/共95页 81 若若 ，

28、当基体中的裂当基体中的裂 纹扩展至纤维时纹扩展至纤维时， 将导致将导致， 其后其后 、 以致最后以致最后 (图图 b)。 第80页/共95页 82 、以致最后以致最后 等，这些过程都要等，这些过程都要，从而，从而 提高复合材料的断裂韧性提高复合材料的断裂韧性，避免了，避免了突然的突然的 脆性失效脆性失效。 第81页/共95页 83 为获得为获得最佳的界面结合强度最佳的界面结合强度，我们，我们 常常希望常常希望或或 。 第82页/共95页 84 在实际应用中，除选择在实际应用中，除选择在在 加工和使用期间加工和使用期间能能 外，外，最常用的方法最常用的方法就是在与基体复合之前就是在与基体复合之前 ，往增强材料表面上往增强材料表面上。 第83页/共95页 85 C和和BN是最常用的涂层，此外还有是最常用的涂层，此外还有 SiC、ZrO2和和SnO2涂层。涂层。 通常在通常在0.11um，涂层的涂层的 选择取决于选择取决于纤维纤维、基体基体、加工加工和和服役要求服役要求 。 第84页/共95页 86 纤维上的涂层除了可以改变复合材料纤维上的涂层除了可以改