纤维增强陶瓷基复合材料的发展

纤维增强陶瓷基复合材料的发展

1国外碳碳材料的研究20世纪70年代初，ja-virt首次提出了纤维增强聚合物材料和纤维增强金属材料的概念（cfc），这为高性能陶瓷材料的研究和开发开辟了一个新领域。后来,SRLeitt以LSA玻璃为基体材料制得了高强碳纤维补强玻璃基复合材料,从而拉开了这一研究的序幕。70年代中期,日本碳公司高性能SiC基连续陶瓷纤维—Nicalon的研制成功,使得制造纯陶瓷质CFCC成了可能。80年代后期,KMPrewo首次将SiC纤维植入玻璃基体中制得了高强度、韧性好的纤维增强玻璃基复合材料.使纤维增强陶瓷基复合材料在世界范围内引起了广泛关注。80年代中期,EFitzer等和PJLamicp等将化学气相沉积法(CVD)工艺引入连续纤维增强陶瓷基复合材料的制备中,制得了高性能的Nicalon纤维补强SiC基陶瓷复合材料,从而全面推动了纤维增强陶瓷基复合材料的研究工作。最近十几年来,世界各国特别是美国、英国、日本、欧共体、中国、南韩等都对CFCC的补强理论及制备工艺进行了大量的研究,取得了许多重要的成果,有的已达到实用化水平。我国对CFCC的研究起步较晚,但是也取得了一些可人的成果。2试验原材料2.1氧化锌粉实验所用氧化铝粉为α—Al2O3粉,纯度为99.8%,平均粒径1.5μm,化学成分见表1,粉体形貌如图1。2.2基本物理化学性能多晶莫来石纤维采用的是由德清县秦兴高温纤维有限公司生产的,基本物理化学性能如下:良好的高温稳定性,低的导热率,低的储热量,极好的耐热震性,优良的耐热性能,优越的吸音性,密度3.1g/cm3。多晶莫来石纤维的物性参数见表2。2.3助熔剂的配制助熔剂是用于降低氧化铝陶瓷的烧结温度,达到在低温下使氧化铝致密烧结的目的。本实验采用的是由TiO2和CaO、MgO、SiO2混合物(本论文中以下简称CMS)组成的助熔剂,CMS混合物中CaO、MgO和SiO2的重量比(wt%)为:CaO:MgO:SiO2=30:9:61本实验中,配制助熔剂的TiO2、CaO、MgO、SiO2等氧化物均采用化学纯粉末。3莫来石复合材料的制备本课题选用氧化铝粉和多晶莫来石纤维为主要原料,添加1wt%的TiO2和3wt%的CMS助熔剂,用电磁振荡搅拌器混料与球磨机混料相结合的方式进行混料,采用单向加压方式成形,使用传统的无压烧结技术(烧结温度为1450℃)制备出了莫来石纤维增强增韧氧化铝陶瓷基复合材料—MFTACC(MulliteFiberToughenAluminaCeramicComposites),并对复合材料的性能进行测试。4纤维含量对mftacc的性能的影响4.1多晶莫来石纤维的制备不同纤维含量(wt%)试样经过1450℃烧结后的三点弯曲强度(MPa)见表3。图2为弯曲强度(MPa)随莫来石纤维含量(wt%)的变化曲线。从图2可以看出,经过1450℃烧结后的复合材料的弯曲强度随纤维含量的增加先增大而后降低,复合材料的最大弯曲强度在纤维含量为15wt%处,其值比α—Al2O3粉末烧结后的弯曲强度大62.39%,复合材料得到明显增强。纤维含量较少时(小于15wt%),多晶莫来石纤维均匀分布在氧化铝陶瓷基体中。当复合材料受到载荷时,基体在载荷的作用下首先开裂,在纤维/基体界面结合较强处,纤维与基体同时在基体的断裂应变下发生断裂,纤维的断裂将吸收一部分能量从而使复合材料的弯曲强度升高;在纤维/基体界面结合较弱处,当裂纹从基体扩展达到界面时,裂纹发生偏转,裂纹受的拉应力往往降低而且裂纹的扩展路径增长,也会使复合材料的弯曲强度增大。另外多晶莫来石纤维在杂质的作用下烧结时会发生少量的分解,产生液相,促进烧结,对弯曲强度的提高作出贡献。随着纤维含量的增多,纤维的补强作用越明显,复合材料的弯曲强度就越高。当多晶莫来石纤维含量较多时(大于20wt%),由于纤维的团聚等原因,多晶莫来石纤维在氧化铝粉中的分布不均,纤维的补强作用不明显,并且随纤维含量的增多也会引入更多的气孔,莫来石的数量逐渐增多,刚玉的数量逐渐减少,由于莫来石的强度本身低于刚玉,就使得复合材料的弯曲强度迅速降低。图3为多晶莫来石纤维含量15(wt%)的试样,在1450℃烧结后的断面SEM图片。从图3可以看出,在1450℃烧结后氧化铝基体致密烧结,氧化铝晶粒排列紧密,纤维也清晰可见,明显看到纤维的拔出现象,这说明莫来石纤维—基体界面结合力适当,所以复合材料的弯曲强度得到显著提高,复合材料的弯曲强度达到最大值504.52MPa,约是普通氧化铝陶瓷的1.7倍。4.2纤维含量对复合材料断裂韧性的影响表4为不同纤维含量下MFTACC在1450℃烧结后的断裂韧性值(MPa·m1/2)。图4为断裂韧性(MPa·m1/2)随纤维含量(wt%)的变化曲线。从图4可以看出,当烧结温度为1450℃时,莫来石纤维增韧氧化铝陶瓷基复合材料的断裂韧性随着纤维含量的增加,先增加后降低,在纤维含量为15wt%时,复合材料的断裂韧性最大,达到4.46MPa·m1/2。当烧结温度为1450℃、莫来石纤维含量较少时,莫来石纤维保持原来的晶态,起到增韧补强作用,所以随纤维含量的增加断裂韧性增大;莫来石纤维含量较多时,纤维分布不均,复合材料易沿纤维集中处断裂。从图4还可以看出当纤维含量达到30wt%时,复合材料的断裂韧性急剧下降,原因是纤维含量过多,纤维在基体中的分散困难,导致复合材料的性能降低。图5为莫来石纤维含量为15wt%时,经过1450℃烧结后,复合材料的断面SEM图片。从图5可以看出当烧结温度为1450℃时,莫来石纤维含量为15wt%时,复合材料内部莫来石纤维和氧化铝陶瓷形成的界面结合强度适中,他们之间的界面形成了纤维的拔出(4.4a、b)和纤维的脱粘,起到增韧作用,因此复合材料的断裂韧性最大达到4.46MPa·m1/2,是普通氧化铝陶瓷的1.6倍。4.3纤维含量对mftacc热震性的影响本试验对1450℃的烧结试样进行抗热震性分析,将试样加热到1100℃,保温30min,然后迅速置于常温流动的水中骤冷,再测试其弯曲强度,得出实验结果如表4所示。图6是利用表4中的数据,以纤维含量(wt%)为横坐标、热震后弯曲强度(MPa)为纵坐标绘制出的。从上表4、图6可以看出,随着纤维含量的增加,热冲击后复合材料的弯曲强度逐渐升高,原因是纤维的存在导致热震后的裂纹发生弯曲和偏转,阻碍了裂纹的扩展,随着纤维含量越多,这种作用越明显,热震后弯曲强度也就相应越大。图7为热震后强度损失率(%)随纤维含量(wt%)变化的曲线。从图7可以看出,随着纤维含量的增加,MFTACC热震后的强度损失率迅速下降,也就是说随纤维含量的增加MFTACC的抗热震性迅速增大。这是因为纤维的各种增韧机理使得MFTACC的抗热冲击能力增强。另外,随着莫来石纤维用量的增加,MFTACC中莫来石含量逐渐增多,刚玉含量逐渐减少,莫来石的热膨胀系数远小于刚玉,MFTACC的热膨胀系数就会逐渐降低,受到热冲击时,MFTACC产生的热冲击力就会减小,纤维含量越多,这种作用越不可忽视。两者共同作用的结果使得MFTACC的抗热震性随纤维含量的增加迅速增大。5实验结论及mftacc的应用前景5.1纤维含量对复合材料力学性能的影响(1)复合材料的弯曲强度随纤维含量的增加先增大后降低。当烧结温度为1450℃、纤维含量为15(wt%)时,复合材料的弯曲强度最高,达504.52MPa,是普通氧化铝陶瓷的1.7倍。(2)当烧结温度在1450℃时,复合材料的断裂韧性随着纤维含量的增加,先增加后降低。莫来石纤维含量为15(wt%)时,复合材料的断裂韧性最大达到4.46MPa.m1/2,是普通氧化铝陶瓷的1.6倍。(3)复合材料的抗热震性能随纤维含量的增加而提高。综上所述,当烧结温度为1450℃,纤维含量为15wt%时,MFTACC的综合性能较好。5.2mftacc的应用前景5.2.1复合陶瓷刀具使用过程中易崩刀的问题与纯氧化铝陶瓷相比,MFTACC材料的强度大、韧性强,用MFTACC材料制造陶瓷刀具,将会解决纯氧化铝陶瓷刀具使用过程中容易崩刀的问题,保持了纯氧化铝陶瓷刀具的成本低,耐磨性好的优点。因为MFTACC材料中全是金属氧化物,用MFTACC材料制造陶瓷刀具,不会存在象