第6章陶瓷基复合材料

复合材料郭连贵湖北工程学院化学与材料科学学院石墨烯第6章陶瓷基复合材料多壁碳纳米管石墨烯第6章陶瓷基复合材料多壁碳纳米管石墨烯第6章陶瓷基复合材料多壁碳纳米管第6章陶瓷基复合材料6.1陶瓷基复合材料的种类和性能一、陶瓷基复合材料的种类6.1陶瓷基复合材料的种类和性能6.1陶瓷基复合材料的种类和性能6.1陶瓷基复合材料的种类和性能主要增强材料形式6.1陶瓷基复合材料的种类和性能对增强材料的要求6.1陶瓷基复合材料的种类和性能二、陶瓷基复合材料的性能特点6.1陶瓷基复合材料的种类和性能二、陶瓷基复合材料的性能特点6.2陶瓷基复合材料的制备工艺一、普通制备工艺1、粉末冶金工艺是一种被广泛应用的工艺。适用于连续纤维、长纤维、短纤维、颗粒或晶须增强的陶瓷基复合材料。6.2陶瓷基复合材料的制备工艺粉末制备粉体的性能直接影响陶瓷的性能，制备高纯、超细、组分均匀分布、无团聚的粉体是获得优良陶瓷基复合材料的关键的第一步。 制粉的方法：

机械法：工艺简单、产量大。如球磨 化学法：可获得性能优良的高纯、超细、组分均匀的粉料。分为固相法、液相法和气相法三种。6.2陶瓷基复合材料的制备工艺压制工艺

单向或双向的模压 等静压制、振动压制、粉末轧制及粉浆浇注 压制过程中粉末行为 颗粒间位移，密度增加，压力不变 颗粒间产生磨擦位移，密度继续增加，压力升高 颗粒产生弹性变形，压制过程的本质变化，密度

不再提高，压力增加很快 颗粒发生塑性变形和脆性断裂ⅠⅡⅢ成形压力相对密度充填孔隙阻滞变形压坯密度随成形压力的变化6.2陶瓷基复合材料的制备工艺烧结过程 烧结过程：是指粉末压坯的适当的温度和气氛条件下，加热一段时间内发生的变化现象和过程。烧结热力学 烧结是一个体系自由能减少的过程。 缩颈增大，颗粒表面平直化而使比表面积减少 烧结体内孔隙总体积与总表面积减少 颗粒内晶格畸变消除6.2陶瓷基复合材料的制备工艺2、热压工艺(Hotpressing) 热压工艺：压力与温度同时作用于粉体，加快了粉体的致密化速度，使得产品的致密度更高，同时晶粒尺寸也更小。 浆体浸渍热压工艺：6.2陶瓷基复合材料的制备工艺3、热压-反应烧结工艺(Hotpressing-reactionbondingmethod) 这是由美国航空航天局（NASA）在上一世纪八十年代发展的混合了热压法与反应烧结法来制备碳化硅增强氮化硅陶瓷基体复合材料的工艺。 反应烧结工艺：

Si粉+Si3N4

混合后成型。 95%N2+5H2%气氛、1180-1210℃预氮化1-1.5小时。 在1350-1450℃氮化18-36小时，此时有 3Si(s)+2N2(g)Si3N4(g) 3Si(g)+2N2(g)Si3N4(g)反应烧结工艺的优点： 纤维或晶须的体积分量可以相当大； 可用于多种连续纤维预制体； 反应烧结温度低于陶瓷烧结温度，可避免增强纤维的损坏。

高气孔率难以避免4、短纤维或晶须增强复合材料的制备工艺 连续长纤维增强的复合材料的主要特点是具有方向性。 短纤维或晶须与陶瓷浆料混合，烘干，热压。

SiC晶须 Si3N4浆料

混合加入乙醇，球磨

过滤 干燥80℃，50h

湿混加入有机粘结剂

注射成型 去除粘结剂400℃，氮气

锻烧1400℃，1h,

氩气，

热等静压1600℃，4h,200MPa

6.2陶瓷基复合材料的制备工艺二、新型制备工艺所谓的新型工艺都是近二十年发展起来的，主要应用于航空航天等高技术领域的生产先进陶瓷基复合材料的工艺。1、液态浸渍法 6.2陶瓷基复合材料的制备工艺液态浸渍法 优点： 基体陶瓷用一步简单工艺即可成型； 所得到的基体均匀性好。 缺点： 由于陶瓷材料熔点很高，因此就意味着陶瓷熔体与增强相之间较强的化学反应倾向。 由于陶瓷熔体的高粘度，浸渍预制体较困难。 由于陶瓷基体与增强相之间热膨胀系数的差别可能导致基体的裂纹。解决的办法是选用热膨胀系数相近的基体与增强材料。6.2陶瓷基复合材料的制备工艺2、直接氧化法 6.2陶瓷基复合材料的制备工艺2、直接氧化法 6.2陶瓷基复合材料的制备工艺3、溶胶凝胶法 6.2陶瓷基复合材料的制备工艺4、化学气相浸渍法（CVI） CVI工艺的优点： 制备的复合材料在高温下仍有好的机械性能； 可以制备大尺寸、复杂形状和近净形的部件； 适用于很多种类的陶瓷基体与增强纤维。

缺点：

速度慢、成本高6.3氧化物基陶瓷复合材料1、Al2O3基复合材料 脆性大、韧性差6.3氧化物基陶瓷复合材料（1）颗粒强化Al2O3基复合材料陶瓷颗粒强化：TiC、SiC、ZrO2、Si3N4纳米颗粒强化：SiC（300nm）延性颗粒强化：Cr、Fe、Ni、Co、Mo、W、Ti（纯度99%以上）（2）晶须强化Al2O3基复合材料陶瓷晶须：SiC、ZrO2氧化铝陶瓷增韧途径6.3氧化物基陶瓷复合材料2、ZrO2基复合材料 6.3氧化物基陶瓷复合材料（1）颗粒强化：Al2O3（2）晶须强化：SiC（3）金属强化：W氧化锆陶瓷强化途径6.4非氧化物基陶瓷复合材料1、SiC陶瓷基复合材料 6.4非氧化物基陶瓷复合材料（1）颗粒弥散强化：TiC，残余应力韧化（2）晶须强化：SiC，阻断韧化（3）连续纤维强化：碳纤维、SiC纤维，延性断裂碳化硅陶瓷强韧化途径6.4非氧化物基陶瓷复合材料2、Si3N4陶瓷基复合材料 6.4非氧化物基陶瓷复合材料2、Si3N4陶瓷基复合材料 氮化硅粉体的制备6.4非氧化物基陶瓷复合材料2、Si3N4陶瓷基复合材料 氮化硅的烧结Si3N4属于共价键化合物，结合强度高，属于难烧结物质，需要添加烧结助剂（MgO、Al2O3等）。6.4非氧化物基陶瓷复合材料（1）颗粒强化：SiC（大小和含量）、TiN（2）晶须强化：SiC（3）长纤维强化：SiC纤维氮化硅陶瓷强韧化途径6.5碳/碳复合材料1、碳/碳复合材料的发展 6.5碳/碳复合材料2、碳/碳复合材料的制备工艺 6.5碳/碳复合材料2、碳/碳复合材料的制备工艺 6.5碳/碳复合材料（1）预制体成型 6.5碳/碳复合材料（2）基体碳制备 6.5碳/碳复合材料（2）基体碳制备 6.5碳/碳复合材料（2）基体碳制备 6.5碳/碳复合材料（2）基体碳制备 6.5碳/碳复合材料（3）碳碳复合材料石墨化处理 6.5碳/碳复合材料3、碳/碳复合材料的性能优点 6.5碳/碳复合材料4、碳/碳复合材料的应用 6.5碳/碳复合材料6.5碳/碳复合材料6.