《复合材料》课件-第六章 陶瓷基复合材料-2

氧化物基陶瓷复合材料二氧化锆多晶陶瓷(Y-TZP)高压纳灯的透明陶瓷灯管1、氧化铝陶瓷（Al2O3,alumina）

以氧化铝为主成分的陶瓷材料。氧化铝含量越高，性能越好。主晶相为-Al2O3，属六方晶系，体积密度为3.9g/cm3左右，熔点达2050℃。氧化铝有主要有、型。除-Al2O3外，其它均为不稳定晶型。-Al2O3为低温型，具有FCC结构，在950~1200℃范围内可转化为-Al2O3，体积收缩约13%。α氧化铝结构图混有少量钛（Ti）和铁（Fe）杂质所致。蓝宝石红色来自铬(Cr)红宝石年产1000颗人造蓝宝石整流罩和350万片直径2-6英寸人造蓝宝石衬底片，应用于光电产业的衬底材料等领域。福建鑫晶精密刚玉科技有限公司氧化铝的硬度约为20GPa，仅次于金刚石、立方氮化硼和碳化硅，有很好的耐磨性。耐高温性能好，高氧化铝含量的刚玉瓷可在1600℃高温下长期使用，而且蠕变小。氧化铝还具有很好的耐腐蚀性和电绝缘性。但氧化铝脆性较大，抗热震性差，不能承受环境温度的突然变化。

氧化铝瓷的性能：刚性颗粒强化①随着TiC含量的增加，复合材料的强度和韧性都有大幅提高。②存在最佳添加量，当超过时，强度和韧性都下降。Si3N4/Al2O3切削刀具延性颗粒强化延性颗粒是指：金属颗粒Cr、Fe、Ni、Co、Mo、W等，金属粒子的加入可以显著提高陶瓷基体的韧性，这类材料常被称为金属陶瓷。Cr/Al2O3复合材料***晶须强化SiCw/Al2O3复合材料钻头山东大学研制生产的SiCw/Al2O3复合材料刀具切削镍基合金时，不但刀具使用寿命增加，而且进刀量和切削速度也大大提高。除SiCw/Al2O3外，SiCf/Al2O3、TiO2p/Al2O3复合材料也用于制造机加工刀具。ZrO2基复合材料复合应用…非氧化物基陶瓷复合材料碳化物氮化物硼化物硅化物等特点：脆，抗氧化能力差以SiC为主要成分的陶瓷材料。碳化硅（SiC）变体很多，但作为陶瓷材料的主要有两种晶体结构，一种是-SiC，属六方晶系；一种是-SiC，属立方晶系，具有半导体特性。多数碳化硅陶瓷是以-SiC为主晶相。碳化硅陶瓷的制备方法也是反应烧结和热压烧结两种工艺。碳化硅具有很高的热传导能力，在陶瓷系列中仅次于氧化铍陶瓷。碳化硅陶瓷还具有较好的热稳定性、耐磨性、耐腐蚀性和抗蠕变性。碳化硅陶瓷（SiC,SiliconCarbide）不同制备工艺的碳化硅陶瓷及其制品性能材料制备温度℃密度g/cm3抗弯强度MPa弹性模量GPa线膨胀系数(20~1000℃),10-6K-1反应烧结SiC1600~17003.09~3.12160~450380~4205.0热压烧结SiC1800~20003.19~3.20700~800400~4404.8CVD-SiC涂层1200~18002.95~3.21700~900440~480_重结晶SiC1600~17002.60150~300200~220_烧结SiC(掺入B4C)1950~21003.11250~400350~400_烧结SiC(掺入B)1950~21003.10500~6004204.9长纤维增强

主要使用有C纤维和SiC纤维。由于纤维的加入，使得材料在某些性能上达到金属材料的水平。图6-6C纤维和SiC纤维强化SiC复合材料的应力-应变关系图。可得：复合材料的断裂方式像金属材料的延性断裂，而不是脆性断裂。Cf/SiC和SiCf/SiC复合材料的韧性数据对比

FracturetoughnessMPam1/2WorkoffracturekJm-2Dynamicfracturetoughness/kJm-2Cf/SiC20.010.061.5SiCf/SiC41.528.136.0（a）纤维的拔出（b）纤维簇的拔出（c）纤维束的拔出C/SiC复合材料的断口形貌氮化硅陶瓷（Si3N4

）

导热性好且膨胀系数小，可经受低温高温、骤冷骤热反复上千次的变化而不破坏，因此是十分理想的高温结构材料。….碳/碳复合材料碳/碳复合材料是以碳或石墨做基体，用碳纤维或石墨纤维增强的新型特种工程材料。它能承受极高的温度和加热速度，用作烧蚀防热材料。增强的碳/碳复合材料的制备分为2步：①制备碳纤维预制体②在预制体中渗入碳基体①制备碳纤维预制体

碳纤维编织结构的设计常见的两向纺织物有平纹和缎纹。最简单的多向结构是三向正交结构。XYZ

为了得到更接近各向同性的编织结构，可将三向正交设计成四、五向增强的预制体。②在预制体中渗入碳基体

典型的基体碳有热解碳（CVD碳）和浸渍碳。前者是由烃类气体的气相沉积而成；后者是合成树脂或沥青浸渍经碳化和石墨化而得。酚醛树脂制备溶液（真空）浸渍预制体预固化碳化（树脂体积收缩）再浸渍固化碳化

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致密化化学气相沉积

主要原料有甲烷、丙烷、丙烯、乙炔、天然气等碳氢化合物。

CH4（g）

C

（s）+2H2（g）沉积根据不同的沉积温度可获得不同形态的碳，在950~1100℃为热解碳；1750~2700℃

为热解石墨。CVD过程受反应温度及压力影响较大。一般低温低压下受反应动力学控制；而在高温高压下则是扩散为主。工艺参量温度、压力、反应气体流量及载气的流量、分压都会影响到CVD过程的扩散/沉积平衡，从而影响碳/碳复合材料的致密度和性能。玻璃陶瓷（glass-ceramics）-微晶玻璃玻璃经热处理后可以晶化形成大量的微晶体。这种含有大量微晶体的玻璃称为微晶玻璃或玻璃陶瓷。玻璃陶瓷中的微晶体一般取向杂乱，微晶尺寸在0.01-0.1m，体积结晶率达50-98％，其余部分为残余玻璃相。具有高硬耐磨的特性。玻璃陶瓷的性能受晶相的数量、晶粒大小、界面强度以及玻璃相和晶相之间机械和物理相容性的影响。玻璃陶瓷的密度为2.0~2.8g/cm3，弯曲强度为70~350MPa，弹性模量为140GPa，远远高于玻璃的弯曲强度（55~70MPa）和弹性模量。建筑用材透明微晶玻璃

50年代初，美国康宁玻璃公司化学家斯托凯受命开发新型含微量银的感光玻璃。斯托凯用自动控制温度的电炉中热处理试验。斯托凯出去回来后炉内温度早已升到900℃，斯托凯非常懊恼。意外的事情发生了：

玻璃没有熔融，还是直挺挺地躺在炉内，但已面目全非，样子有点像不透明的瓷砖，用钳子夹起来不是软绵绵的而是硬邦邦的，敲打起来还会发出像金属那样的声音。在显微镜下观察到：这块玻璃中析出了大量的微小晶体，这就是后来大名鼎鼎的微晶玻璃。发现美学优点：丰富的色泽和良好的质感

通过工艺控制可以生产出各种色彩、色调和图案的微晶玻璃蚀面材料；色调均匀

天然花岗石难以避免明显的色差。而微晶玻璃易于实现颜色均匀，尤其是高雅的纯白色微晶玻璃；永不浸湿、抗污染

凡由天然石材一定的吸水性，导致其渗水、渗碱，甚至渗泥浆，从而影响其原有色泽。而微晶玻璃则具有玻璃不吸水的天生特性，反而还借此“天雨自涤”的机会自清洁。原料和环保优势：一般的废渣土中都含有制作微晶玻璃的大多数成分，通过电脑检测，确定现有原料的化学组成，添加所缺部分即可。微晶玻璃利用废渣、废土做原材料，包括：矿石、工业尾矿、冶金矿渣、粉煤灰、煤矸石等，有利于环境治理，可以变废为宝，与各地环保工作同步进行，是环保产品，绿色材料。用途：可用於建筑幕墙及室内高档装饰；还可做