无机非金属基复合材料定稿

1、无机非金属基复合材料无机非金属基复合材料Contents陶瓷基复合材料1水泥基复合材料2概概 述述v工程陶瓷的主要问题工程陶瓷的主要问题v 特种陶瓷优良的综合机械性能、耐磨性好、硬度高以特种陶瓷优良的综合机械性能、耐磨性好、硬度高以及耐腐蚀性高，及耐腐蚀性高，v 脆性大、抗热震性能差。脆性大、抗热震性能差。v陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料(CMC)(CMC)及其高韧性及其高韧性v 以陶瓷为基体的复合材料。以陶瓷为基体的复合材料。v 制备陶瓷基复合材料的主要目的之一就是提高陶瓷的制备陶瓷基复合材料的主要目的之一就是提高陶瓷的韧性。特别是纤维增强陶瓷复合材料在断裂前吸收了韧性。特别是纤维增强陶瓷复合

2、材料在断裂前吸收了大量的断裂能量，使韧性得以大幅度提高。大量的断裂能量，使韧性得以大幅度提高。v 表表6-16-1列出了由颗粒、纤维及晶须增强陶瓷复合材料列出了由颗粒、纤维及晶须增强陶瓷复合材料的断裂韧性和临界裂纹尺寸大小的比较。的断裂韧性和临界裂纹尺寸大小的比较。概概 述述v陶瓷基复合材料的基体为陶瓷。陶瓷基复合材料的基体为陶瓷。v 碳化硅、氮化硅、氧化铝等，具有耐高温、耐腐蚀、高强度、碳化硅、氮化硅、氧化铝等，具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量轻和价格低等优点。化学键往往是介于离子键与共价键之重量轻和价格低等优点。化学键往往是介于离子键与共价键之间的混合键。间的混合键。v陶瓷基复合材料中的增

3、强体通常也陶瓷基复合材料中的增强体通常也称为增韧体。称为增韧体。v 从几何尺寸上可分为纤维从几何尺寸上可分为纤维( (长、短纤维长、短纤维) )、晶须和颗粒三类。、晶须和颗粒三类。v 碳纤维主要用在把强度、刚度、重量和抗化学性作为设计参数碳纤维主要用在把强度、刚度、重量和抗化学性作为设计参数的构件；的构件；其它常用纤维是玻璃纤维和硼纤维。其它常用纤维是玻璃纤维和硼纤维。v 纤维增强陶瓷基复合材料，是改善陶瓷材料韧性的重要手段纤维增强陶瓷基复合材料，是改善陶瓷材料韧性的重要手段。概概 述述v短纤维、晶须及颗粒增韧陶瓷基复合材料。短纤维、晶须及颗粒增韧陶瓷基复合材料。 v 目前常用的是目前常用的是

4、SiCSiC和和A1A12 2O O3 3晶须常用的基体则为晶须常用的基体则为A1A12 2O O3 3 ，SiOSiO2 2，SiSi3 3N N4 4以及莫来石等。以及莫来石等。 v 晶须具有长径比，含量较高时，桥架效应使致密化因难，引起晶须具有长径比，含量较高时，桥架效应使致密化因难，引起了密度的下降导致性能下降。了密度的下降导致性能下降。 v 颗粒代替晶须在原料的混合均匀化及烧结致密化方面均比晶须颗粒代替晶须在原料的混合均匀化及烧结致密化方面均比晶须增强陶瓷基复合材料要容易。目前这些复合材料已广泛用来制增强陶瓷基复合材料要容易。目前这些复合材料已广泛用来制造刀具。造刀具。概概 述述v陶

5、瓷基复合材料发展迟滞陶瓷基复合材料发展迟滞v 高温增强材料出现的较晚，高温增强材料出现的较晚， sicsic纤维和晶须是七十年纤维和晶须是七十年代后出现代后出现 ；v 高温制备工艺复杂高温制备工艺复杂 ，热膨胀系数的差异大，热膨胀系数的差异大 ，易产生，易产生热应力；热应力； v 成本昂贵。成本昂贵。 它的发展遇到了比其它复合材料更大的困难。至它的发展遇到了比其它复合材料更大的困难。至今，陶瓷基复合材料的研究还处于较初级阶段，我国今，陶瓷基复合材料的研究还处于较初级阶段，我国对陶瓷基复合材料的研究则刚刚起步。对陶瓷基复合材料的研究则刚刚起步。 CMC制备工艺制备工艺v纤维增强陶瓷基复合材料的加

6、工与制备纤维增强陶瓷基复合材料的加工与制备v 纤维增强陶瓷基复合材料的性能取决于多种因素，如基体致密纤维增强陶瓷基复合材料的性能取决于多种因素，如基体致密程度、纤维的氧化损伤、以及界面结合效果等，都与其制备和程度、纤维的氧化损伤、以及界面结合效果等，都与其制备和加工工艺有关。主要有加工工艺有关。主要有热压烧结法和浸渍法。热压烧结法和浸渍法。v热压烧结法及其问题热压烧结法及其问题v 热压烧结法中，压力和高温同时作用可以加速致密化热压烧结法中，压力和高温同时作用可以加速致密化速率，获得无气孔和细晶粒的构件。速率，获得无气孔和细晶粒的构件。v 困难是基体与增强材料的混合不均匀以及晶须和纤维困难是基体

7、与增强材料的混合不均匀以及晶须和纤维在混合过程中或压制过程中，尤其是在冷压情况下易在混合过程中或压制过程中，尤其是在冷压情况下易发生折断。在烧结过程中，由于基体发生体积收缩，发生折断。在烧结过程中，由于基体发生体积收缩，会导致复合材料产生裂纹。会导致复合材料产生裂纹。CMC制备工艺制备工艺v浆体浸渍浆体浸渍-热压法热压法v 适用于长纤维。首先把纤适用于长纤维。首先把纤维编织成所需形状，然后维编织成所需形状，然后用陶瓷泥浆浸渍，干燥后用陶瓷泥浆浸渍，干燥后进行烧结。进行烧结。v 优点优点是是加热温度较晶体陶加热温度较晶体陶瓷低，层板的堆垛次序可瓷低，层板的堆垛次序可任意排列，纤维分布均匀任意排列

8、，纤维分布均匀，气孔率低，获得的强度，气孔率低，获得的强度较高。较高。v 缺点缺点则是不能制造大尺寸则是不能制造大尺寸的制品，所得制品的致密的制品，所得制品的致密度较低，此外度较低，此外零件的形状零件的形状不宜太复杂，基体材料必不宜太复杂，基体材料必须是低熔点或低软化点陶须是低熔点或低软化点陶瓷。瓷。CMC制备工艺制备工艺v晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工与制备晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工与制备 v 晶须与颗粒的尺寸均很小，只是几何形状上有些区别，用它们进晶须与颗粒的尺寸均很小，只是几何形状上有些区别，用它们进行增韧的陶瓷基复合材料的制造工艺是基本相同的。行增韧的陶瓷基复合材料的制造工

9、艺是基本相同的。v 基本上是采用粉末冶金方法。基本上是采用粉末冶金方法。 制备工艺比长纤维复合材料简便很多。制备工艺比长纤维复合材料简便很多。 所用设备也不复杂设备。所用设备也不复杂设备。 过程简单。混合均匀，热压烧结即可制得高性能的复合材料。过程简单。混合均匀，热压烧结即可制得高性能的复合材料。CMC制备工艺制备工艺v 制造工艺也可大致分为制造工艺也可大致分为配料配料- -成型成型- -烧结烧结- -精加工精加工等步骤。等步骤。v 改进的浆体法改进的浆体法 陶瓷基复合材料的制备还有溶胶凝胶法、液态浸渍法、直接氧化法等，新近发展起来的制备陶瓷基复合材料的方法还有聚合物先驱体热解工艺、原位复合工

10、艺等。CMC性能性能v由于制备陶瓷基复合材料的强化材料不同、基由于制备陶瓷基复合材料的强化材料不同、基材不同和所用工艺方法不同，因此陶瓷基复合材不同和所用工艺方法不同，因此陶瓷基复合材料的性能也各不相同。材料的性能也各不相同。v对于陶瓷基复合材料来说，人们不但关心它们对于陶瓷基复合材料来说，人们不但关心它们的室温性能，而且更关心它们的高温性能。的室温性能，而且更关心它们的高温性能。CMC性能性能v室温力学性能室温力学性能v拉伸强度拉伸强度v 与金属基和聚合物基复合材料不同，对于陶瓷基复合材与金属基和聚合物基复合材料不同，对于陶瓷基复合材料来说陶瓷基体的失效应变低于纤维的失效应变；因此料来说陶瓷

11、基体的失效应变低于纤维的失效应变；因此最初的失效往往是陶瓷基体的开裂，这种开裂是由晶体最初的失效往往是陶瓷基体的开裂，这种开裂是由晶体中存在的缺陷引起的。中存在的缺陷引起的。CMC性能与应用性能与应用单向连续纤维强化陶瓷基复合材料的拉伸失效有两种形式： (1)突然失效。纤维强度较低，界面结合强度较高，基体裂纹穿过纤维扩展，导致突然失效。 (2)如果纤维较强，界面结合相对较弱，基体裂纹沿着纤维扩展，纤维失效前，纤维-基体界面脱粘、因此基体开裂并不导致突然失效，复合材料的最终失效应变大于基体的失效应变。CMC性能性能v弹性模量弹性模量v 图图6-266-26中杨氏弹性模量也随中杨氏弹性模量也随Vf

12、Vf线性增加但在较高线性增加但在较高VfVf时时，由于基体孔隙和纤维排列，由于基体孔隙和纤维排列会导致偏离混合定律的线性会导致偏离混合定律的线性关系。关系。PhilliPsPhilliPs等提出下列等提出下列经验公式修正基体孔隙所带经验公式修正基体孔隙所带来的效应：来的效应：v 式中式中EmEm是有孔隙材料的弹性是有孔隙材料的弹性模量，模量，E mE m。是无孔隙基体。是无孔隙基体( (孔隙为零时孔隙为零时) )的弹性横量，的弹性横量，P P是基体中的孔隙率。由此式是基体中的孔隙率。由此式对弹性模量实测值进行更正对弹性模量实测值进行更正后可与混合定律预测值较好后可与混合定律预测值较好地吻合地吻

13、合CMC性能性能v高温力学性能高温力学性能v 强度强度 室温下，室温下，SiC/MASSiC/MAS玻玻璃陶瓷复合材料的抗弯强璃陶瓷复合材料的抗弯强度比无纤维增强的度比无纤维增强的MASMAS基基体高约体高约1010倍弹性模量提倍弹性模量提高约高约2 2倍。复合材料的抗倍。复合材料的抗弯强度自室温至弯强度自室温至700700度保度保持不变，持不变，700700度之后，强度之后，强度随温度升高而急剧增加度随温度升高而急剧增加；但弹性模量却随温度升；但弹性模量却随温度升高从室温的高从室温的137GPa137GPa降到降到850850度时的度时的80GPa80GPa。 这一变化显然与材料这一变化显然

14、与材料中残余玻璃相随温度升高中残余玻璃相随温度升高的变化相关。的变化相关。CMC性能性能v蠕变蠕变v 在较高的温度与较大的在较高的温度与较大的应力条件下，蠕变速度应力条件下，蠕变速度及变形量都增大。及变形量都增大。v 低于低于700700时，恒速的时，恒速的蠕变速率小于蠕变速率小于1010-6-6h h-1-1表表明材料在此条件下蠕变明材料在此条件下蠕变稳定。稳定。v 800800的恒速蠕变速度的恒速蠕变速度达达1010-2-2h h-1-1 。应力增大。应力增大至至150MPa150MPa，则形变增加，则形变增加了了6 6倍。倍。v 这表明材料的蠕变由残这表明材料的蠕变由残余玻璃相的粘滞流动

15、所余玻璃相的粘滞流动所控制。控制。应用应用v陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域包括：刀具、滑动构件、航空航天构件、域包括：刀具、滑动构件、航空航天构件、发动机制件、能源构件等。发动机制件、能源构件等。 v法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制作超高速列车的制动件而且取得了传统制作超高速列车的制动件而且取得了传统的制动件所无法比拟的优异的磨擦磨损特性的制动件所无法比拟的优异的磨擦磨损特性、取得了满意的应用效果。、取得了满意的应用效果。v在航空航天领域，用陶瓷基复合材料制作的在航空航天领域，用陶瓷基复合材料制作的导

16、弹的头锥、火箭的喷管、航天飞机的结构导弹的头锥、火箭的喷管、航天飞机的结构件等也收到了良好的效果。件等也收到了良好的效果。应用应用v热机的循环压力和循环气体的温度越高，其热热机的循环压力和循环气体的温度越高，其热效率也就越高。合金的耐高温极限受到了其熔效率也就越高。合金的耐高温极限受到了其熔点的限制，因此采用陶瓷材料来代替高温合金点的限制，因此采用陶瓷材料来代替高温合金已成了目前研究的一个重点内容。已成了目前研究的一个重点内容。v为此，美国能源部和宇航局开展了为此，美国能源部和宇航局开展了AGT(AGT(先进的先进的燃气轮机燃气轮机)loo)loo、101101、cATE(cATE(陶瓷在涡轮

17、发动机陶瓷在涡轮发动机中的应用中的应用) )等计划。德国、瑞典等国也进行了研等计划。德国、瑞典等国也进行了研究开发。这个取代现用耐热合金的应用技术是究开发。这个取代现用耐热合金的应用技术是难度很高的陶瓷应用技术，也可以说是这方面难度很高的陶瓷应用技术，也可以说是这方面的最终日标。目前看来，要实现这一日标还有的最终日标。目前看来，要实现这一日标还有相当大的难度。相当大的难度。应用应用v 对于陶瓷材料的应用来说，虽然人们已开始对陶瓷基对于陶瓷材料的应用来说，虽然人们已开始对陶瓷基复合材料的结构、性能及制造技术等问题进行科学系复合材料的结构、性能及制造技术等问题进行科学系统的研究，但这其中还有许多尚

18、未研究情楚的问题，统的研究，但这其中还有许多尚未研究情楚的问题，还需要陶瓷专家们对理论问题进一步研究。此外，陶还需要陶瓷专家们对理论问题进一步研究。此外，陶瓷的制备过程是一个十分复杂的工艺过程，其品质影瓷的制备过程是一个十分复杂的工艺过程，其品质影响因素众多，如何进一步稳定陶资助制造工艺，提高响因素众多，如何进一步稳定陶资助制造工艺，提高产品的可靠性与一致性，则是进一步扩大陶瓷应用范产品的可靠性与一致性，则是进一步扩大陶瓷应用范围所面临的问题。围所面临的问题。v 新型材料的开发与应用已成为当今科技进步的一个重新型材料的开发与应用已成为当今科技进步的一个重要标志，陶瓷基复合材料正以其优良的性能引

19、起人们要标志，陶瓷基复合材料正以其优良的性能引起人们的重视，可以预见，随着对其理论问题的不断深入研的重视，可以预见，随着对其理论问题的不断深入研究和制备技术的不断开发与完善，它的应用范围不断究和制备技术的不断开发与完善，它的应用范围不断扩大，它的应用前景是十分光明的。扩大，它的应用前景是十分光明的。水泥基复合材料水泥基复合材料v混凝土的广义定义混凝土的广义定义v新拌混凝土的性能新拌混凝土的性能v硬化混凝土的结构硬化混凝土的结构v混凝土的性能混凝土的性能v混凝土的应用混凝土的应用v先进水泥基复合材料先进水泥基复合材料广义混凝土广义混凝土v以胶凝材料、散粒状材料及必要的外掺材料按比以胶凝材料、散粒状材料及必要的外掺材料按比例配制搅拌均匀的混合料经硬化而得的人工石材，例配制搅拌均匀的混合料经硬化而得的人工石材，称混凝土。称混凝土。v不加特指，一般即认为是水泥混凝土，即以水泥不加特指，一般即认为是水泥混凝土，即以水泥石为基体，以砂石等散粒材料为增强材料的复合石为基体，以砂石等散粒材料为增强材料的复合材料（水泥基复合材料）。材料（水泥基复合材料）。新拌混凝土的性能新拌混凝土的性能v工作性：工作性：指新拌混凝土适宜