陶瓷基复合材料课件

1、陶瓷基复合材料第二章第二章 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 陶瓷基体材料陶瓷基体材料 陶瓷基复合材料的制造工艺陶瓷基复合材料的制造工艺 陶瓷基复合材料的界面陶瓷基复合材料的界面 陶瓷基复合材料的性能陶瓷基复合材料的性能 陶瓷基复合材料的应用陶瓷基复合材料的应用陶瓷基复合材料2.1陶瓷材料的特点陶瓷材料的特点陶瓷材料也称为陶瓷材料也称为无机非金属材料无机非金属材料。陶瓷材料与金属材料的区分：陶瓷材料与金属材料的区分：根据两种材料的电阻根据两种材料的电阻 温度系数来区别。温度系数来区别。陶瓷材料与有机高分子材料的区分：陶瓷材料与有机高分子材料的区分：可以从分子结构上来区别。可以从分子结构上来区别。高

2、分子材料含有不连高分子材料含有不连续的大分子，在分子内的碳原子是由共价键相联，分子续的大分子，在分子内的碳原子是由共价键相联，分子与分子间则通过较弱的与分子间则通过较弱的van-der-Waal 或或氢键结合。氢键结合。陶瓷材料没有不连续的分子，是一种或多种原子陶瓷材料没有不连续的分子，是一种或多种原子的空间排列，有序为晶体，否则为非晶材料。的空间排列，有序为晶体，否则为非晶材料。陶瓷基复合材料2.1 陶瓷材料的特点陶瓷材料的特点陶瓷材料可分为：陶瓷材料可分为： 普通陶瓷普通陶瓷 (Conventional Ceramics）：）：砖、陶砖、陶器、瓷器等器、瓷器等 精细陶瓷精细陶瓷(Advan

3、ced Ceramics)：硅、铝、钛、硅、铝、钛、锆等的氧化物、氮化物和碳化物等。锆等的氧化物、氮化物和碳化物等。陶瓷材料以高的抗压性能、很高的化学稳定陶瓷材料以高的抗压性能、很高的化学稳定性和高的熔点著称。性和高的熔点著称。陶瓷基复合材料2.1 陶瓷材料的特点陶瓷材料的特点陶瓷材料的特点：陶瓷材料的特点： 很好的耐热性很好的耐热性 很好的化学稳定性很好的化学稳定性 高的耐磨性能高的耐磨性能 低的密度低的密度 低的韧性低的韧性K1C陶瓷基复合材料2.1 陶瓷材料的特点陶瓷材料的特点)(2/12/31PamNmaKC陶瓷基复合材料2.1 陶瓷材料的特点陶瓷材料的特点断裂韧性断裂韧性K1C 反映

4、含裂纹材料或构件的抗裂纹扩展反映含裂纹材料或构件的抗裂纹扩展的能力，又称为强度因子。的能力，又称为强度因子。陶瓷材料不象金属材料有塑性变形，因此在受机械陶瓷材料不象金属材料有塑性变形，因此在受机械拉伸或热冲击载荷时可能出现灾难性的失效。拉伸或热冲击载荷时可能出现灾难性的失效。所以提高所以提高其韧性是陶瓷基复合材料最重要的目标。其韧性是陶瓷基复合材料最重要的目标。陶瓷基复合材料2.1 陶瓷材料的特点陶瓷材料的特点 使用温度使用温度陶瓷基复合材料2.1 陶瓷材料的特点陶瓷材料的特点 材料的密度材料的密度陶瓷基复合材料2.1 陶瓷材料的特点陶瓷材料的特点 热膨胀系数热膨胀系数陶瓷基复合材料2.1 陶

5、瓷材料的特点陶瓷材料的特点 表表 2-1 一些材料典型断裂韧性一些材料典型断裂韧性(K1C)值值材材 料料 K1C, MPa m1/2聚合物聚合物聚乙烯聚乙烯 1 - 2尼龙尼龙 3环氧树脂，聚酯环氧树脂，聚酯 0.5金属金属纯金属纯金属（铜、镍、铝）（铜、镍、铝） 100 - 300铝合金铝合金 20 - 50钛合金钛合金 50 - 100低碳钢低碳钢 4 10陶瓷陶瓷玻璃玻璃 0.5 1氧化镁氧化镁 3氧化铝氧化铝 1 3碳化硅碳化硅 2 4氮化硅氮化硅 3 - 5断裂韧性断裂韧性陶瓷基复合材料2.2 陶瓷基复合材料的特点陶瓷基复合材料的特点 增强相与基体的模量之比相当低，为增强相与基体的

6、模量之比相当低，为 0.1 - 1 陶瓷基复合材料中，提高强度不是其目的，最主要陶瓷基复合材料中，提高强度不是其目的，最主要的是提高其韧性。的是提高其韧性。陶瓷基复合材料陶瓷基体材料陶瓷基体材料2.2.1 陶瓷基体材料的基本要求陶瓷基体材料的基本要求陶瓷基复合材料陶瓷基体材料陶瓷基体材料2.2.1 陶瓷基体材料的基本要求陶瓷基体材料的基本要求陶瓷基复合材料2.2.1 陶瓷基体材料的基本要求陶瓷基体材料的基本要求 具有良好的抗蠕变、疲劳和冲击性能具有良好的抗蠕变、疲劳和冲击性能 具有很好的化学稳定性，不易受到环境中温度、氧具有很好的化学稳定性，不易受到环境中温度、氧化或还原气氛的影响，不易挥发化

7、或还原气氛的影响，不易挥发 具有较高的韧性具有较高的韧性 能够渗入、浸润纤维束、晶须束或颗粒预成型件中能够渗入、浸润纤维束、晶须束或颗粒预成型件中 与增强相能形成良好的界面联接与增强相能形成良好的界面联接 在制造和使用过程中，与增强纤维不发生化学反应在制造和使用过程中，与增强纤维不发生化学反应 不会物理损坏增强纤维不会物理损坏增强纤维陶瓷基复合材料2.2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构陶瓷材料的化学键及晶体结构1 陶瓷材料的化学键陶瓷材料的化学键原子结合键：原子结合键： 三种强结合力的化学键三种强结合力的化学键:共价键（共价键（Covalent bond)、离离子键子键 (Ionic bond

8、)、金属键金属键 (metallic bond) 二种弱结合键：范德华键二种弱结合键：范德华键 (van der Waals bond)、氢键氢键(hydrogen bond)u 陶瓷材料：离子键或共价键陶瓷材料：离子键或共价键陶瓷基复合材料2.2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构陶瓷材料的化学键及晶体结构陶瓷基复合材料2.2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构陶瓷材料的化学键及晶体结构2 陶瓷材料的晶体结构陶瓷材料的晶体结构通常金属阳离子尺寸较非金属的阴离子要小，因此通常金属阳离子尺寸较非金属的阴离子要小，因此在陶瓷晶体中的金属阳离子经常占据的是由非金属阴离在陶瓷晶体中的金属阳离子经常占据的是由非

9、金属阴离子构成的晶格中的间隙位置。子构成的晶格中的间隙位置。F 简单立方：简单立方：CsCl, CsBr, CsIF 面心立方：面心立方：NaCl, CaO, MgO, MnO, NiO, FeO, BaOF 密排六方：密排六方：ZnS, Al2O3陶瓷基复合材料2.2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构陶瓷材料的化学键及晶体结构陶瓷材料的晶体结构陶瓷材料的晶体结构陶瓷基复合材料2.2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构陶瓷材料的化学键及晶体结构陶瓷材料陶瓷材料的晶体结构的晶体结构陶瓷基复合材料2.2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构陶瓷材料的化学键及晶体结构陶瓷材料的晶体结构陶瓷材料的晶体结构陶瓷材料

10、可能是非晶吗？陶瓷材料可能是非晶吗？陶瓷基复合材料2.2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构陶瓷材料的化学键及晶体结构几种陶瓷晶体结构介绍几种陶瓷晶体结构介绍 MX型结构（型结构（M为金属阳离子，为金属阳离子，X为阴离子）为阴离子） 闪锌矿结构闪锌矿结构陶瓷基复合材料2.2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构陶瓷材料的化学键及晶体结构几种陶瓷晶体结构介绍几种陶瓷晶体结构介绍 MX型结构（型结构（M为金属阳离子，为金属阳离子，X为阴离子）为阴离子） NaCl型结构型结构MgO, NiO, TiC, VC, VN等等都是这种结构，具有这种结都是这种结构，具有这种结构的化合物多数有熔点高、构的化合物多数有熔

11、点高、稳定性好的特点。稳定性好的特点。陶瓷基复合材料2.2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构陶瓷材料的化学键及晶体结构几种陶瓷晶体结构介绍几种陶瓷晶体结构介绍 MX2型结构型结构 这种结构的典型代表是金红石结构。单位晶胞中的这种结构的典型代表是金红石结构。单位晶胞中的8个顶角和中心为阳离子，阴离子的位置则正好处于由阳个顶角和中心为阳离子，阴离子的位置则正好处于由阳离子构成的稍有变形离子构成的稍有变形的八面体中心。的八面体中心。陶瓷基复合材料2.2.2 陶瓷材料的化学键及晶体结构陶瓷材料的化学键及晶体结构几种典型陶瓷晶体结构介绍几种典型陶瓷晶体结构介绍 M2X型结构型结构 这种结构以赤铜矿为代表。

12、阴离子构成体心立方结这种结构以赤铜矿为代表。阴离子构成体心立方结构，阳离子处于间隙中。构，阳离子处于间隙中。陶瓷基复合材料2.3陶瓷材料的制备方法陶瓷材料的制备方法2.3.1 陶瓷普通制备工艺陶瓷普通制备工艺在普通工艺中都包括以下几个步骤在普通工艺中都包括以下几个步骤： 原材料制成粉状原材料制成粉状 粉末压制成一定的形状的坯料粉末压制成一定的形状的坯料 坯料在高温下的烧结，也可能在高温和压力下进行坯料在高温下的烧结，也可能在高温和压力下进行 加工至最终形状和尺寸加工至最终形状和尺寸陶瓷基复合材料2.3陶瓷材料的制备方法陶瓷材料的制备方法2.3.1 陶瓷普通制备工艺陶瓷普通制备工艺一、热等静压工

13、艺（一、热等静压工艺（Hot Isostatic Pressing, HIP)压力为压力为 100 - 300 MPa，温度可达温度可达 2000 ，时间在，时间在1-8 hr。陶瓷基复合材料2.3陶瓷材料的制备方法陶瓷材料的制备方法2.3.1 陶瓷普通制备工艺陶瓷普通制备工艺一、一、热热等等静静压压工工艺艺陶瓷基复合材料2.3陶瓷材料的制备方法陶瓷材料的制备方法2.3.1 陶瓷普通制备工艺陶瓷普通制备工艺一、化学气相沉积工艺（一、化学气相沉积工艺（Chemical Vapor Deposition, CVD)加热炉加热炉石英舟石英舟基底基底石英管石英管进 气 口进 气 口端端出气口端出气口端

14、电源线电源线热电偶热电偶控温仪控温仪陶瓷基复合材料2.3陶瓷材料的制备方法陶瓷材料的制备方法2.3.2 新型陶瓷制备工艺新型陶瓷制备工艺一、溶胶一、溶胶-凝胶工艺凝胶工艺（Sol - gel）陶瓷基复合材料2.3陶瓷材料的制备方法陶瓷材料的制备方法2.3.2 新型陶瓷制备工艺新型陶瓷制备工艺一、溶胶一、溶胶-凝胶工艺凝胶工艺（Sol - gel）陶瓷基复合材料2.3陶瓷材料的制备方法陶瓷材料的制备方法2.3.2 新型陶瓷制备工艺新型陶瓷制备工艺一、溶胶一、溶胶-凝胶工艺（凝胶工艺（Sol - gel）陶瓷基复合材料2.3陶瓷材料的制备方法陶瓷材料的制备方法2.3.2 新型陶瓷制备工艺新型陶瓷制

15、备工艺一、溶胶一、溶胶-凝胶工艺（凝胶工艺（Sol - gel）陶瓷基复合材料2.3陶瓷材料的制备方法陶瓷材料的制备方法2.3.2 新型陶瓷制备工艺新型陶瓷制备工艺二、自延高温合成工艺（二、自延高温合成工艺（Self-propagating high temperature synthesis, SHS）该类工艺的又一名称为铝热燃烧反应。铝与氧化铁的放该类工艺的又一名称为铝热燃烧反应。铝与氧化铁的放热反应释放出的热量很多，可使温度达到热反应释放出的热量很多，可使温度达到 2500 。SHS 的突出特点的突出特点：P 极极高的燃烧温度（接近高的燃烧温度（接近 4000 ）P 简单、低成本的设备简

16、单、低成本的设备P 能精确控制其化学成分能精确控制其化学成分P 能制备不同的形状的零件能制备不同的形状的零件 陶瓷基复合材料2.3陶瓷材料的制备方法陶瓷材料的制备方法2.3.2 新型陶瓷制备工艺新型陶瓷制备工艺二、自延高温合成工艺（二、自延高温合成工艺（Self-propagating high temperature synthesis, SHS）陶瓷基复合材料2.4一些常用陶瓷材料的介绍一些常用陶瓷材料的介绍2.4.1 碳化硅碳化硅碳化硅碳化硅（SiC）是一种非常硬而脆的材料。在还原气氛）是一种非常硬而脆的材料。在还原气氛中，碳化硅具有很好的耐烧蚀与化学腐蚀能力。在氧化气氛中，碳化硅具有很

17、好的耐烧蚀与化学腐蚀能力。在氧化气氛中，碳化硅中的自由中，碳化硅中的自由 Si 可能被氧化，在极高温度下，碳化可能被氧化，在极高温度下，碳化硅也可能被氧化。硅也可能被氧化。碳化硅主要有两种晶体结构，一种为碳化硅主要有两种晶体结构，一种为 - SiC，属于六方，属于六方晶系晶系，另一种为，另一种为 - SiC，属立方晶系，属立方晶系。多数碳化硅以。多数碳化硅以 - SiC为主晶相。为主晶相。碳化硅并不是一种天然存在的矿物，虽然硅和碳都是地碳化硅并不是一种天然存在的矿物，虽然硅和碳都是地球上存在着的最丰富的元素之一。球上存在着的最丰富的元素之一。陶瓷基复合材料2.4一些常用陶瓷材料的介绍一些常用陶

18、瓷材料的介绍2.4.1 碳化硅碳化硅主要的制备工艺有：主要的制备工艺有： 热压烧结法热压烧结法 反应烧结法反应烧结法 化学气相沉积法化学气相沉积法一、热压烧结法一、热压烧结法 需要添加剂：需要添加剂：MgO, B, C , Al 需要的热压温度非常高：需要的热压温度非常高：1900 - 2200 压力：压力：35 Mpa 热压后的碳化硅制品必须用金刚石来打磨、修整，很贵热压后的碳化硅制品必须用金刚石来打磨、修整，很贵陶瓷基复合材料2.4一些常用陶瓷材料的介绍一些常用陶瓷材料的介绍2.4.1 碳化硅碳化硅二、反应烧结法二、反应烧结法 原材料为碳化硅粉、石墨和增塑剂混合料。原材料为碳化硅粉、石墨和

19、增塑剂混合料。 粉状的原材料被压制、拉挤或注射到模具中，得到坯料。粉状的原材料被压制、拉挤或注射到模具中，得到坯料。 分解增塑剂。分解增塑剂。 渗入硅的固体、液体或气体到坯料中与其中的碳反应原渗入硅的固体、液体或气体到坯料中与其中的碳反应原位形成碳化硅。位形成碳化硅。在这一工艺中，额外的在这一工艺中，额外的 2-12%硅被渗入进去，以填充形硅被渗入进去，以填充形成的空隙，因而可得到致密的制件。成的空隙，因而可得到致密的制件。陶瓷基复合材料2.4一些常用陶瓷材料的介绍一些常用陶瓷材料的介绍2.4.1 碳化硅碳化硅表表 2 - 3 用不同工艺制备的碳化硅的典型性能用不同工艺制备的碳化硅的典型性能四

20、点弯曲强度四点弯曲强度(MP(MPa a）杨 氏 模杨 氏 模量，量，E E热膨胀系热膨胀系数，数，热导率热导率25 10001375(GPa)(10-6 K-1)(Wm-1 K-1)热压热压（添（添加加 MgOMgO）6906203303173.030 - 15烧结烧结（添（添加加 Y Y2 2O O3 3）6555852752363.228 - 12反应烧结反应烧结（2.452.45gcmgcm-3-3）2103453801652.86 - 3陶瓷基复合材料2.4一些常用陶瓷材料的介绍一些常用陶瓷材料的介绍2.4.2 氮化硅氮化硅氮化硅（氮化硅（Si3N4) 是键合能很高的共价化合物。是键

21、合能很高的共价化合物。有两种晶有两种晶体结构，体结构， 型与型与 型，两者均为密排六方结构，但型，两者均为密排六方结构，但 - Si3N4的的C-轴长度是轴长度是 - Si3N4的两倍。的两倍。主要的制备工艺有：主要的制备工艺有： 冷压烧结法冷压烧结法 热压烧结法热压烧结法 反应烧结法反应烧结法 热等静压法热等静压法 化学气相沉积法化学气相沉积法 陶瓷基复合材料2.4一些常用陶瓷材料的介绍一些常用陶瓷材料的介绍2.4.2 氮化硅氮化硅 一、反应烧结法一、反应烧结法将硅粉压成需要的形状，然后在将硅粉压成需要的形状，然后在 1100 - 1400 的高温下的高温下通入纯氮气或氮气与氢气的混合气，这

22、时就有下列反应发生：通入纯氮气或氮气与氢气的混合气，这时就有下列反应发生：3Si (s) + 2 N2(g) Si3N4(s)3Si (g) + 2 N2(g) Si3N4(s) Si(s) + SiO2 2SiO(g)第三个反应说明了在反应过程中硅的减少。第三个反应说明了在反应过程中硅的减少。反应烧结法制备的氮化硅孔隙率较热压制品高（反应烧结法制备的氮化硅孔隙率较热压制品高（10%），），因此其中温下的抗氧化能力也较低，通常其强度因此其中温下的抗氧化能力也较低，通常其强度 400MPa, 一般为一般为250 MPa左右。左右。陶瓷基复合材料2.4一些常用陶瓷材料的介绍一些常用陶瓷材料的介绍2

23、.4.2 氮化硅氮化硅 二、化学气相沉积二、化学气相沉积化学气相沉积法用来制备氮化硅的纯缘（热）或防扩散化学气相沉积法用来制备氮化硅的纯缘（热）或防扩散膜。膜。将硅烷或氯化硅在将硅烷或氯化硅在800 - 1100 的温度下与氨气反应，的温度下与氨气反应，就可制备得到氮化硅，具体的化学反应如下：就可制备得到氮化硅，具体的化学反应如下：3SiH4(g) + 4NH3(g) Si3N4(s) + 12 H2(g)3SiCl4(g) + 4NH3(g) Si3N4(s) + 12 HCl(g)3SiHCl3(g) + 4NH3(g) Si3N4(s) + 9HCl (g) + 3 H2(g)用该方法制

24、备的氮化硅致密，但不能制备复杂的形状。用该方法制备的氮化硅致密，但不能制备复杂的形状。陶瓷基复合材料2.4一些常用陶瓷材料的介绍一些常用陶瓷材料的介绍2.4.2 氮化硅氮化硅 表表 2 - 4 不同工艺制备氮化硅的性能不同工艺制备氮化硅的性能 反应烧结法反应烧结法 热压法热压法（MgOMgO）热压法热压法（Y Y2 2O O3 3）冷压烧结冷压烧结（Y Y2 2O O3 3）密度密度,(gcm,(gcm-3-3）2.83.23.43.2杨氏模量，杨氏模量，（GpaGpa）210300310275泊松比，泊松比，0.220.250.270.23剪切模量剪切模量(Gpa)(Gpa)86120122

25、113四点弯曲强度四点弯曲强度（MpaMpa）288760920665陶瓷基复合材料2.4一些常用陶瓷材料的介绍一些常用陶瓷材料的介绍2.4.3 氧化铝氧化铝氧化铝陶瓷也称为高铝陶瓷，主要成分为氧化铝陶瓷也称为高铝陶瓷，主要成分为Al2O3和和SiO2。 Al2O3含量越高，性能越好。含量越高，性能越好。 Al2O3只有一种稳定的晶体结构，只有一种稳定的晶体结构，即即 - Al2O3，呈密排六方结构。呈密排六方结构。 氧化铝的制备原料是工业氧化氧化铝的制备原料是工业氧化铝，加入少量的添加剂后，经压铝，加入少量的添加剂后，经压制坯料烧结而成。制坯料烧结而成。氧化铝的硬度很高，有很好的氧化铝的硬度很高，有很好的耐磨性，很好的耐高温性能，在耐磨性，很好的耐高温性能，在1600下仍能长期下仍能长期 工作。工作。陶瓷基复合材料2.4一些常用陶瓷材料的介绍一些常用陶瓷材料的介绍2.4.3 氧化铝氧化铝表表 2-5 氧化铝陶瓷的主要性能氧化铝陶瓷的主要性能名名 称称刚玉刚玉- -莫来石瓷莫来石瓷刚玉瓷刚玉瓷刚玉瓷刚玉瓷牌牌 号号75 瓷瓷95 瓷瓷99 瓷瓷主晶相主晶相 -Al2O3和和 -Al2O3 2SiO2 -Al2O3 -Al2O3密度密度,(gcm,(gcm-3-3）3.2 3.43.53.9抗拉强度，抗拉强度，MPaMPa140180250抗