第六章陶瓷基复合材料

复合材料导论IntroductiontoCompositeMaterials轻型产业学院吴玲1第六章陶瓷基复合材料一.陶瓷基复合材料的基体材料二.陶瓷基复合材料的分类三.陶瓷基复合材料的制备方法四.陶瓷基复合材料的应用2陶瓷材料传统陶瓷先进陶瓷结构陶瓷功能陶瓷

一.陶瓷基复合材料的基体材料

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传统上，“陶瓷”是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。日用陶瓷－餐具建筑陶瓷－地砖绝缘陶瓷传统陶瓷4

传统陶瓷的主要原料：取之于自然界的硅酸盐矿物(如粘土、长石、石英等)，陶瓷工业可与玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工业同属“硅酸盐工业”的范畴。粘土矿物－高岭石钾长石石英SiO2Al4[Si4O10]·(OH)8KAlSi3O8

5压电陶瓷晶片

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。先进陶瓷6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7结构陶瓷氧化物陶瓷非氧化物陶瓷碳化物陶瓷氮化物陶瓷功能陶瓷先进陶瓷8一般而言，陶瓷具有比金属更高的熔点和硬度，化学性质非常稳定，耐热性、抗老化性皆好。通常的陶瓷是绝缘体，在高温下也可以导电，但比金属导电性差得多。陶瓷基体材料9虽然陶瓷的许多性能优于金属，但它也存在致命的弱点，即脆性强，韧性差，很容易因存在裂纹、空隙、杂质等细微缺陷而破碎，引起不可预测的灾难性后果，因而大大限制了陶瓷作为承载结构材料的应用。10近年来的研究结果表明，在陶瓷基体中添加其它成分，如陶瓷粒子、纤维或晶须，可提高陶瓷的韧性。

粒子增强虽能使陶瓷的韧性有所提高，但效果并不显著。11陶瓷材料制备工艺流程粉体制备配料与混料成型干燥修坯烧结12

以氧化铝(Al2O3)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稳定的相态，即--Al2O3，属六方晶系。（1）氧化铝陶瓷1314

氧化铝陶瓷包括高纯氧化铝瓷，99氧化铝瓷，95氧化铝瓷和85氧化铝瓷等品种，其氧化铝含量(质量分数)依此为99．9％、99％、95％和85％，烧结温度依次为1800℃、1700℃、1650℃和1500℃。粉体制备配料与混料成型干燥修坯烧结15滑石1，石膏2，方解石3，萤石4，磷灰石5，正长石6，石英7，黄玉8，刚玉9，金刚石10莫氏硬度氧化铝陶瓷

材料的力学性能16

以氧化锆(ZrO2)为主要成分的陶瓷称为氧化锆陶瓷。氧化锆密度5.6~5.9g/cm3，熔点2175℃。氧化锆在1100℃时，从单斜相迅速转变为四方相，此可逆转变伴随有7％～9％的体积变化。(2)氧化锆陶瓷基体17单斜相四方相膨胀18由于氧化锆具有可逆相变，故在氧化锆陶瓷的烧结过程中加入适量CaO、MgO等与ZrO2结构近似的氧化物作为稳定剂，形成稳定的立方相结构。稳定的氧化锆陶瓷的比热容和导热系数小，韧性好，化学稳定性良好，高温时具有抗酸性和抗碱性。19以氮化硅(Si3N4)为主要成分的陶瓷称氮化硅陶瓷。氮化硅陶瓷有两种形态，即和两种六方晶型，由于氮化硅中Si-N键结合强度高，属难烧结物质。（3）氮化硅陶瓷基体20

氮化硅陶瓷主要制备技术有烧结氮化硅，热压氮化硅(HPSN)，反应化合氮化硅(RBSN)，化学气相沉积(CVD)氮化硅等。各种制备技术所需的工艺条件各不相同，所得氮化硅的性能也有所差异。

21以碳化硅(SiC)为主要成分的陶瓷称为碳化硅陶瓷。SiC硬度高、耐高温、抗氧化、耐烧蚀。(4)碳化硅陶瓷基体22SiC并不在自然界中存在，主要通过热压、烧结、反应烧结和化学气相沉积等制备技术获得。SiC一般有两种晶型，即--SiC(六方晶型)和--SiC(立方晶型)，Si--C键属于典型的共价键。23不同方法制备的碳化硅的一些性能24二.陶瓷基复合材料的分类1、按陶瓷基体分类252、按增强相分类26陶瓷基复合材料的制备工艺方法对复合材料的性能有很大的影响，是陶瓷基复合材料的重要研究内容之一三.陶瓷基复合材料的制备方法27颗粒弥散强化陶瓷基复合材料与单相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通常也是借鉴单相陶瓷材料的制备工艺，但其中晶须的分散是关键制备方法28纤维增强陶瓷基复合材料的制备工艺主要有两类：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纤维骨架中，形成复合材料。二是将纤维浸入陶瓷浆体后进行缠绕，制成一定形状的坯体，然后热压成型。29四常见陶瓷基复合材料及其应用SiCw/Al2O3SiCf/SiC

Cf/SiC30陶瓷基复合材料具有耐高温、高强度、高硬度及耐腐蚀性好等特点，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、发动机制件、能源构件等。31陶瓷刀具(SiCw/Al2O3等)SiCw/Al2O3复合材料钻头用于金属切削的陶瓷刀具提高工作温度300~500℃提高推力30%~100%结构减重50%~70%航空发动机热结构件燃烧室喷管涡轮如：SiC/SiCC/SiC高速刹车系统(C/SiC)▼新一代战斗机，也可用于民机、高速列车、赛车和跑车▼比C/C刹车材料制备周期短、成本低、强度高、动静摩擦系数高且匹配好，湿态恢复快核聚变反应堆（SiCf/SiC）SiC/SiCSiC/