第六章 陶瓷基复合材料

1、复合材料导论复合材料导论Introduction to Composite Materials 轻型产业学院轻型产业学院 吴玲吴玲第六章第六章 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 一一. .陶瓷基复合材料的基体材料陶瓷基复合材料的基体材料 二二. .陶瓷基复合材料的分类陶瓷基复合材料的分类 三三. .陶瓷基复合材料的制备方法陶瓷基复合材料的制备方法 四四. .陶瓷基复合材料的应用陶瓷基复合材料的应用陶瓷材料陶瓷材料传统陶瓷传统陶瓷先进陶瓷先进陶瓷结构陶瓷结构陶瓷功能陶瓷功能陶瓷一一. .陶瓷基复合材料的基体材料陶瓷基复合材料的基体材料 传统上，传统上，“陶瓷陶瓷”是指所有以粘土为主要原料与其它天然是

2、指所有以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎、混炼、成形、烧结等过程而制成的各种矿物原料经过粉碎、混炼、成形、烧结等过程而制成的各种制品。制品。 传统陶瓷包括常见的日用陶瓷制品和建筑陶瓷、电瓷等。传统陶瓷包括常见的日用陶瓷制品和建筑陶瓷、电瓷等。日用陶瓷餐具日用陶瓷餐具建筑陶瓷地砖建筑陶瓷地砖绝缘陶瓷绝缘陶瓷传统陶瓷传统陶瓷 传统陶瓷的主要原料：取之于自然界的硅酸盐矿物传统陶瓷的主要原料：取之于自然界的硅酸盐矿物( (如粘土、如粘土、长石、石英等长石、石英等) )，陶瓷工业可与玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等，陶瓷工业可与玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工业同属工业同属“硅酸盐工业硅酸盐工业”的范

3、畴。的范畴。粘土矿物高岭石粘土矿物高岭石钾长石钾长石石英石英SiO2 Al4Si4O10(OH)8KAlSi3O8 压电陶瓷晶片压电陶瓷晶片 氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷 这些氧化物陶瓷、压电陶瓷、金属陶瓷等的生产过程基本上还是原料处这些氧化物陶瓷、压电陶瓷、金属陶瓷等的生产过程基本上还是原料处理、成形、烧结这种传统的陶瓷生产方法，但原料已不再使用或很少使用粘理、成形、烧结这种传统的陶瓷生产方法，但原料已不再使用或很少使用粘土等传统陶瓷原料，而已扩大到化工原料和合成矿物，甚至是非硅酸盐、非土等传统陶瓷原料，而已扩大到化工原料和合成矿物，甚至是非硅酸盐、非氧化物原料，组成范围也延伸到无机非金属材料的范围

4、中，并且出现了许多氧化物原料，组成范围也延伸到无机非金属材料的范围中，并且出现了许多新的工艺。新的工艺。先进陶瓷先进陶瓷 结构陶瓷主要是用于耐高温、绝缘、耐磨等领域结构陶瓷主要是用于耐高温、绝缘、耐磨等领域不同形状的特种结构陶瓷件不同形状的特种结构陶瓷件结构陶瓷结构陶瓷氧化物陶瓷氧化物陶瓷非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷碳化物陶瓷碳化物陶瓷氮化物陶瓷氮化物陶瓷功能陶瓷功能陶瓷先进陶瓷先进陶瓷一般而言，陶瓷具有比金属更一般而言，陶瓷具有比金属更高的熔点高的熔点和和硬度硬度，化学性质化学性质非常稳定，非常稳定，耐热耐热性、性、抗老抗老化化性皆好。性皆好。通常的陶瓷是绝缘体，在通常的陶瓷是绝缘体，在高温高温

5、下也可以下也可以导电导电，但比金属导电性差得多。，但比金属导电性差得多。陶瓷基体材料陶瓷基体材料虽然虽然的许多性能优于金属，但它的许多性能优于金属，但它也存在致命的也存在致命的，即，即，很容易因存在很容易因存在等细微缺等细微缺陷而破碎，引起不可预测的灾难性后果，陷而破碎，引起不可预测的灾难性后果，因而大大限制了陶瓷作为因而大大限制了陶瓷作为的的应用。应用。近年来的研究结果表明，在近年来的研究结果表明，在陶瓷基体中添陶瓷基体中添加其它成分加其它成分，如，如陶瓷粒子陶瓷粒子、纤维或晶须纤维或晶须，可提，可提高陶瓷的高陶瓷的韧性韧性。粒子增强粒子增强虽能使虽能使陶瓷的韧性陶瓷的韧性有所提高，但有所提

6、高，但效果并不显著。效果并不显著。陶瓷材料制备工艺流程陶瓷材料制备工艺流程粉体制备粉体制备 配料与混料配料与混料 成型成型 干燥干燥 修坯修坯 烧结烧结 以氧化铝以氧化铝(Al2O3)为主要成分的陶瓷称为氧化为主要成分的陶瓷称为氧化铝陶瓷，氧化铝仅有一种热动力学铝陶瓷，氧化铝仅有一种热动力学稳定的相态稳定的相态，即即 -Al2O3 ，属六方晶系。属六方晶系。（1）氧化铝陶瓷）氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷包括高纯氧化铝瓷，包括高纯氧化铝瓷，99氧化铝氧化铝瓷，瓷，95氧化铝瓷和氧化铝瓷和85氧化铝瓷等品种，其氧化氧化铝瓷等品种，其氧化铝含量铝含量(质量分数质量分数)依此为依此为999、99、9

7、5和和85，烧结温度依次为，烧结温度依次为1800、1700、1650和和1500。粉体制备粉体制备 配料与混料配料与混料 成型成型 干燥干燥 修坯修坯 烧结烧结 滑石滑石1，石膏石膏2，方解石方解石3，萤石萤石4，磷灰石磷灰石5，正长石正长石6，石英石英7，黄玉黄玉8，刚玉刚玉9，金刚石金刚石10 莫氏莫氏硬度硬度3733.8214.24.12373210017以氧化锆以氧化锆()为主要成分的陶瓷称为氧化锆为主要成分的陶瓷称为氧化锆陶瓷。氧化锆密度陶瓷。氧化锆密度5.65.9 g / cm3，熔点熔点2175 。 氧化锆在氧化锆在1100时，从时，从迅速转变为迅速转变为，此可逆转变伴随有此可

8、逆转变伴随有79的体积变化。的体积变化。 (2) 氧化锆陶瓷基体氧化锆陶瓷基体18膨胀膨胀19由于氧化锆具有由于氧化锆具有，故在氧化锆陶瓷的烧，故在氧化锆陶瓷的烧结过程中加入适量结过程中加入适量、等与等与ZrO2结构近似的氧结构近似的氧化物作为化物作为，形成稳定的，形成稳定的结构。结构。稳定的氧化锆陶瓷的稳定的氧化锆陶瓷的和和小，小，良好，高温时具有良好，高温时具有。以氮化硅以氮化硅(为主要成分的陶瓷称为主要成分的陶瓷称氮化硅陶瓷。氮化硅陶瓷有氮化硅陶瓷。氮化硅陶瓷有，即，即 和和 两种两种，由于氮化硅中，由于氮化硅中，属难烧结物质。，属难烧结物质。（3）氮化硅陶瓷基体）氮化硅陶瓷基体主要制备

9、技术有主要制备技术有氮化硅，氮化硅，氮化硅氮化硅(HPSN)，氮化硅氮化硅(RBSN)，(CVD)氮化硅等。氮化硅等。各种制备技术所需的各种制备技术所需的各不相同，所各不相同，所得氮化硅的得氮化硅的也有所差异。也有所差异。以碳化硅以碳化硅()为主要成分的陶瓷称为碳为主要成分的陶瓷称为碳化硅陶瓷。化硅陶瓷。SiC 、(4) 碳化硅陶瓷基体碳化硅陶瓷基体SiC并不在自然界中存在，主要通过并不在自然界中存在，主要通过、和和等制备等制备技术获得。技术获得。SiC一般有两种晶型，即一般有两种晶型，即 -SiC(六方晶六方晶型型)和和 -SiC(立方晶型立方晶型) ，Si-C键属于典型键属于典型的共价键。

10、的共价键。不同方法制备的不同方法制备的的一些性能的一些性能二二. .陶瓷基复合材料的分类陶瓷基复合材料的分类1 1、按陶瓷基体分类、按陶瓷基体分类2 2、按增强相分类、按增强相分类陶瓷基复合材料的陶瓷基复合材料的对复对复合材料的合材料的有很大的影响，是陶瓷基复有很大的影响，是陶瓷基复合材料的合材料的之一之一三三. .陶瓷基复合材料的制备方法陶瓷基复合材料的制备方法 颗粒弥散强化陶瓷基复合材料颗粒弥散强化陶瓷基复合材料与单相与单相陶瓷基复合材料的制备工艺基本相同陶瓷基复合材料的制备工艺基本相同 晶须补强陶瓷基复合材料晶须补强陶瓷基复合材料通常也是借通常也是借鉴单相陶瓷材料的制备工艺，但其中鉴单相

11、陶瓷材料的制备工艺，但其中晶须的分散是关键晶须的分散是关键制备方法制备方法 纤维增强陶瓷基复合材料纤维增强陶瓷基复合材料的制备工艺的制备工艺主要有两类：主要有两类： 一是先将纤维进行二维或三维的编制一是先将纤维进行二维或三维的编制制成一定形状的预制体，再采用化学制成一定形状的预制体，再采用化学气相渗积或前驱体液相浸渍或反应性气相渗积或前驱体液相浸渍或反应性熔体浸渗等方法使陶瓷连续填充于熔体浸渗等方法使陶瓷连续填充于 纤纤维骨架中，形成复合材料。维骨架中，形成复合材料。 二是将纤维浸入陶瓷浆体后进行缠绕，二是将纤维浸入陶瓷浆体后进行缠绕，制成一定形状的坯体，然后热压成型。制成一定形状的坯体，然后

12、热压成型。四四 常见陶瓷基复合材料及其应用常见陶瓷基复合材料及其应用 SiCw/Al2O3 SiCf/SiC Cf/SiC 陶瓷基复合材料具有陶瓷基复合材料具有耐高温耐高温、高强度高强度、高硬高硬度度及及耐腐蚀性好耐腐蚀性好等特点，并在一定程度上克服了等特点，并在一定程度上克服了陶瓷材料的脆性，陶瓷基复合材料已陶瓷材料的脆性，陶瓷基复合材料已或即或即将实用化的领域包括：将实用化的领域包括：刀具刀具、滑动构件滑动构件、航空航航空航天构件天构件、发动机制件发动机制件、能源构件能源构件等。等。如：如： SiC/SiC C/SiC 新一代战斗机，也可用于民机、高速列车、赛车和跑车新一代战斗机，也可用于民机、高速列车、赛车和跑车 比比C/C刹车材