陶瓷基复合材料PPT课件

1具个具个、及及等许多优良的性能。等许多优良的性能。但是，陶瓷材料同时也具有但是，陶瓷材料同时也具有，即，即，这一弱点正是目前淘瓷材料，这一弱点正是目前淘瓷材料的使用受到很大限制的主要原因。的使用受到很大限制的主要原因。第1页/共150页2因此，陶瓷材料的因此，陶瓷材料的便成了便成了近年来陶瓷工作者们研究的一个重点问题。近年来陶瓷工作者们研究的一个重点问题。现在这方面的研究巳取得了初步进展，现在这方面的研究巳取得了初步进展，探索出了若干种探索出了若干种。第2页/共150页3其中，往陶陶瓷材料中加入其中，往陶陶瓷材料中加入而制成而制成陶瓷基复陶瓷基复合材料即合材料即是一种重要方法。是一种重要方法。第3页/共150页41陶瓷基复合材料的基体陶瓷基复合材料的基体陶瓷基复合材料的基体陶瓷基复合材料的基体为为，这是，这是一种包括范围很广的材料，属于一种包括范围很广的材料，属于而不是单质，所以它的而不是单质，所以它的结构远比金属合结构远比金属合金复杂得多金复杂得多。第4页/共150页5现代陶瓷材料的研究，最早是从对现代陶瓷材料的研究，最早是从对开始的，随后又逐步扩大开始的，随后又逐步扩大到了其他的到了其他的。目前被人们研究最多的是目前被人们研究最多的是、等，它们普遍具有等，它们普遍具有耐高温耐高温、耐腐蚀耐腐蚀、高强度高强度、重量轻重量轻和和价格低价格低等优点。等优点。第5页/共150页6陶瓷基复合材料中的陶瓷基复合材料中的，通常，通常也称为也称为。从几何尺寸上增强体可分为从几何尺寸上增强体可分为(长、短纤维长、短纤维)、和和三类。三类。第6页/共150页7是用来制造是用来制造最常用的纤维之一。最常用的纤维之一。碳纤维可用多种方法进行生产。碳纤维可用多种方法进行生产。工业上主要采用工业上主要采用和和。第7页/共150页8主要包括三个阶段。主要包括三个阶段。第一阶段第一阶段在空气中于在空气中于200400进行进行；第二阶段第二阶段是在惰性气体中在是在惰性气体中在1000左左右进行右进行；第三阶段第三阶段则是在惰性气体中于则是在惰性气体中于2000以上的温度作以上的温度作。第8页/共150页9目前，碳纤维常规生产的品种主要有两种，目前，碳纤维常规生产的品种主要有两种，即即和和。其中，高模量型的其中，高模量型的约为约为400 GPa，约为约为1.7 GPa；低模量型的低模量型的约为约为240 GPa，约为约为2.5 GPa。第9页/共150页10主要用在把主要用在把、和和作为设计参数的作为设计参数的构构件件，在，在1500的温度下，碳纤维仍的温度下，碳纤维仍能保持其性能不变。能保持其性能不变。第10页/共150页11但是，必须对碳纤维进行但是，必须对碳纤维进行以防止它以防止它在空气中或氧化性在空气中或氧化性气氛中被腐蚀气氛中被腐蚀，只有这样，才能充，只有这样，才能充分发挥它的优良性能。分发挥它的优良性能。第11页/共150页12陶瓷基复合材料中的陶瓷基复合材料中的中，中，另一种常用纤维是另一种常用纤维是。制造玻璃纤维的制造玻璃纤维的如下如下图所示：图所示：第12页/共150页13玻璃球玻璃球玻璃球再熔化玻璃球再熔化连续纤维连续纤维上浆上浆纱线纱线绕线筒绕线筒将玻璃小球将玻璃小球熔化，然后通过熔化，然后通过1mm左右直径的左右直径的小孔把它们拉出小孔把它们拉出来。来。另外，缠绕另外，缠绕纤维的纤维的心轴的转心轴的转动速度动速度决定纤维决定纤维的直径，通常为的直径，通常为10um的数量级。的数量级。第13页/共150页14为了为了和和，在刚凝固成纤维时，表面，在刚凝固成纤维时，表面就就涂覆薄薄一层保护膜涂覆薄薄一层保护膜，这层保护膜，这层保护膜还有利于还有利于。 第14页/共150页15可在一个可在一个很宽的范围内很宽的范围内调调整，因而可生产出具有整，因而可生产出具有较高杨氏模量较高杨氏模量的品的品种，这些特殊品种的纤维通常需要种，这些特殊品种的纤维通常需要在较高在较高的温度下的温度下，因而，因而成本较高成本较高，但，但可满足制造一些可满足制造一些复合材料。复合材料。第15页/共150页16还有一种还有一种常用的纤维常用的纤维是是。它属于它属于多相的多相的，又是，又是无定形的无定形的，因，因为它是用为它是用将将无定形硼无定形硼或者或者形成的。形成的。第16页/共150页17在实际结构的在实际结构的硼纤维硼纤维中，由于中，由于，使其，使其到只有晶体硼纤维一半左右。到只有晶体硼纤维一半左右。第17页/共150页18由由所获得的所获得的硼纤维的平均性能硼纤维的平均性能为，杨氏模量为，杨氏模量420GPa，拉伸强度拉伸强度2.8GPa。对任何可能的对任何可能的都非常都非常，甚至比玻璃纤维更敏感，甚至比玻璃纤维更敏感，对硼纤维都有影响，高于对硼纤维都有影响，高于500 时强度会急时强度会急剧下降。剧下降。第18页/共150页19为了阻止为了阻止，已采用了已采用了作试验。作试验。例如，例如，商业上使用的硼纤维商业上使用的硼纤维通常是在通常是在表面涂了一层表面涂了一层，它可使纤维，它可使纤维长期暴长期暴露在高温后露在高温后仍有保持仍有保持的优点。的优点。第19页/共150页20陶瓷材料中另一种增强体为陶瓷材料中另一种增强体为。晶须为具有晶须为具有(直径直径0.31um,长长30100um)的的。1952年，年，Herring和和Galt验证了验证了比比高得多，这促使人们去对高得多，这促使人们去对纤纤维状的单晶维状的单晶进行详细的研究。进行详细的研究。第20页/共150页21从结构上看，从结构上看，是没有是没有、和和等一类缺等一类缺陷，而这些缺陷正是陷，而这些缺陷正是大块晶体中大量存大块晶体中大量存在在且促使且促使强度下降强度下降的主要原因。的主要原因。第21页/共150页22在某些情况下，在某些情况下，可达可达0.1E(E为杨氏模量为杨氏模量)，这已非常接，这已非常接近于近于0.2E。相比之下，相比之下，多晶的金属纤维多晶的金属纤维和和块块状金属状金属的的只有只有0.02E和和0.001E。第22页/共150页23由于晶须具有由于晶须具有、和和，从而引起了人们对其特别，从而引起了人们对其特别的关注。的关注。在在陶瓷基复合材料中陶瓷基复合材料中使用得较为普遍使用得较为普遍的是的是、及及晶须。晶须。第23页/共150页24陶瓷材料中的另一种增强体为陶瓷材料中的另一种增强体为。从从几何尺寸几何尺寸上看，颗粒在各个方向上上看，颗粒在各个方向上的长度是大致相同的，一般为的长度是大致相同的，一般为几个微米几个微米。常用得的颗粒也是常用得的颗粒也是、等。等。第24页/共150页25虽不如虽不如，但，但是，如果颗粒种类、是，如果颗粒种类、粒径粒径、含量含量及及基体材料基体材料仍会仍会有一定的韧化效果有一定的韧化效果，同时还会，同时还会带来带来，的改善。的改善。所以，所以，同样受到重视同样受到重视并对其进行了一定的研究。并对其进行了一定的研究。第25页/共150页26在陶瓷材料中，加入在陶瓷材料中，加入是是改善陶瓷材料韧性改善陶瓷材料韧性的重要手段，的重要手段，按按的不同，又可将其分为的不同，又可将其分为复合材料和复合材料和复复合材料。合材料。第26页/共150页27增韧陶瓷基复合材料增韧陶瓷基复合材料的显的显著特点是它具有著特点是它具有，即，即沿纤维长度方沿纤维长度方向上的纵向性能向上的纵向性能要大大要大大高于其横向性能高于其横向性能。在实际构件中，主要是使用其在实际构件中，主要是使用其纵向性能。纵向性能。第27页/共150页28在在增韧陶瓷基复合材增韧陶瓷基复合材料料中，当中，当遇到纤维时遇到纤维时，这时，如果要使这时，如果要使就必须就必须提高外加应力提高外加应力。这一过程的示意图如下：这一过程的示意图如下：第28页/共150页29第29页/共150页30当当时，由于时，由于基基体与纤维间的体与纤维间的，同时又由于，同时又由于纤纤维的强度高于基体的强度维的强度高于基体的强度，从而，从而。当当达到某一临界值达到某一临界值时，时，会使会使。第30页/共150页31因此，因此，必须克服必须克服由于由于纤维的加入而产生纤维的加入而产生的的和和，这样，使得，这样，使得材料的断裂更为困材料的断裂更为困难难，从而起到了，从而起到了增韧的作用增韧的作用。第31页/共150页32实际实际材料断裂过程材料断裂过程中，中，并并非发生在非发生在同一裂纹平面同一裂纹平面，这样，这样还将还将沿纤维断裂位置的不同沿纤维断裂位置的不同而发生而发生。这也同样会这也同样会，从而，从而使使韧性进一步提高韧性进一步提高。第32页/共150页33单向排布纤维单向排布纤维增韧陶瓷只是增韧陶瓷只是在纤维排在纤维排列方向上的列方向上的较为优越，而其较为优越，而其显著低于显著低于，所以只适用于，所以只适用于的场合。的场合。第33页/共150页34而许多而许多则要求则要求在二维及在二维及三维方向上三维方向上均具有均具有，这就，这就要进一步研究要进一步研究增韧陶瓷增韧陶瓷基复合材料。基复合材料。第34页/共150页35这种复合材料中，这种复合材料中，。一种是一种是，浸渍浸渍浆料后浆料后，根据需要的厚度根据需要的厚度将将进行进行，如下图所示：，如下图所示：第35页/共150页36纤维层纤维层基体基体第36页/共150页37这种材料在这种材料在性能优越性能优越，而在，而在的性能较差。的性能较差。一般应用在对一般应用在对的构件上。的构件上。第37页/共150页38另一种是另一种是，层层间纤维成一定角度间纤维成一定角度，如下图所示。，如下图所示。第38页/共150页39第39页/共150页40后一种复合材料可以根据后一种复合材料可以根据用用纤维浸浆缠绕的方法纤维浸浆缠绕的方法做成所需要形做成所需要形状的状的。而前一种材料而前一种材料曲率不曲率不宜太大宜太大。第40页/共150页41这种这种增韧陶瓷基复合材增韧陶瓷基复合材料料的的韧化机理韧化机理与与复合材料是复合材料是一样的，主要也是靠一样的，主要也是靠与与，使其，使其比基体材料大幅比基体材料大幅度提高。度提高。第41页/共150页42增韧陶瓷是为了增韧陶瓷是为了满足满足某些情况的性能要求某些情况的性能要求而设计的。而设计的。这种材料最初是从宇航用这种材料最初是从宇航用开始的，现已发展到开始的，现已发展到等陶等陶瓷复合材料。瓷复合材料。第42页/共150页43下图为下图为示意图。它是按直角坐标示意图。它是按直角坐标而成。而成。第43页/共150页44 由于由于每束每束纤维呈直线伸纤维呈直线伸展展，不存在，不存在，因而使纤维可因而使纤维可以充分发挥以充分发挥最最大的结构强度大的结构强度。第44页/共150页45这种这种编织结构编织结构还可以通过还可以通过，以及以及纤维的总体纤维的总体积分数积分数等参数进行设计以满足性能要求。等参数进行设计以满足性能要求。第45页/共150页46长纤维增韧陶瓷基复合材料长纤维增韧陶瓷基复合材料虽然虽然，但它的，但它的，而且，而且纤维在纤维在基体中不易分布均匀基体中不易分布均匀。因此，近年来又发展了因此，近年来又发展了、及及增韧陶瓷基复合材料。由于短纤维增韧陶瓷基复合材料。由于短纤维与晶须相似，故只讨论后两种情形。与晶须相似，故只讨论后两种情形。第46页/共150页47由于由于很小，从客观上看与很小，从客观上看与一样，因此一样，因此在制备复合材料在制备复合材料时，只需时，只需将将与与混合均匀，然后混合均匀，然后对对混好的粉末混好的粉末进行进行，即可制得致，即可制得致密的晶须增韧陶瓷基复合材料。密的晶须增韧陶瓷基复合材料。第47页/共150页48目前常用的是目前常用的是，晶须，常用的基体则为晶须，常用的基体则为，及及等。等。第48页/共150页49陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料与与，等因等因素有关。素有关。下面两个图分别给出了下面两个图分别给出了及及陶瓷复合材料陶瓷复合材料的性能与的性能与之间的关系。之间的关系。第49页/共150页50 )SiCw含量（含量（vol%） )SiCw含量（含量（vol%）第50页/共150页51第51页/共150页52从上面两个图中可以看出，两从上面两个图中可以看出，两种材料的种材料的、及及均均随着随着SiCw含量的增加含量的增加而提高。而提高。第52页/共150页53而而的变化规律则是，对的变化规律则是，对，随随SiCw含量的增加单调上升含量的增加单调上升，而对而对，在，在10 vol SiCw时时，随后又有所下降，但却，随后又有所下降，但却始终高于基体始终高于基体。第53页/共150页54这可解释为由于这可解释为由于，同时，同时而而，从而使，从而使，。第54页/共150页55由图中可知，对由图中可知，对最佳最佳的韧性和强度的配合的韧性和强度的配合可使可使KIC=7MPa.M1/2， f=600MPa；的的KIC=16MPa.M1/2 ， f=1400MPa。由此可见，由此可见，SiCw对陶瓷材料对陶瓷材料。第55页/共150页56从上面的讨论知道，由于从上面的讨论知道，由于，因此，因此，当其含量较高时，当其含量较高时，因其因其而而使致密化变得因难使致密化变得因难，从而引起了从而引起了密度的下降并导致性能的密度的下降并导致性能的下降下降。第56页/共150页57为了克服这一弱点，可采用为了克服这一弱点，可采用来来制成复合材料，这种复合制成复合材料，这种复合材料在材料在及及均比晶均比晶须增强陶瓷基复合材料须增强陶瓷基复合材料要容易。要容易。第57页/共150页58当所用的颗粒为当所用的颗粒为，时，时，基体材料采用最多的是基体材料采用最多的是，。目前，这些复合材料已广泛用目前，这些复合材料已广泛用来来制造刀具制造刀具。第58页/共150页59右图显示了右图显示了对对复合材料复合材料性能的影响性能的影响。从中可以看出，在从中可以看出，在强度出现峰值。强度出现峰值。第59页/共150页60下图为下图为对对复合材料性能的复合材料性能的影响。影响。 从中可以看出，在从中可以看出，在强度及强度及韧性达到了最高值。韧性达到了最高值。第60页/共150页61从上面的讨论可知，从上面的讨论可知，对陶瓷对陶瓷材料的增韧材料的增韧均有一定作用，且各有利弊。均有一定作用，且各有利弊。的的，但，但；可克服晶须的这一弱点，但其可克服晶须的这一弱点，但其。第61页/共150页62由此很容易想到，若将由此很容易想到，若将与与共共同使用同使用，则可取长补短，达到更好的效果。，则可取长补短，达到更好的效果。目前，已有了这方面的研究工作，如目前，已有了这方面的研究工作，如使用使用与与来来共同增韧共同增韧，用，用来来共同增韧共同增韧等。等。第62页/共150页63下面两个图分别给出了下面两个图分别给出了Al2O3+复合材料的复合材料的性能随性能随的变的变化情况。化情况。第63页/共150页64与与第64页/共150页65与与第65页/共150页66第66页/共150页67可以看出，随着可以看出，随着，其，其与与均呈上升趋势均呈上升趋势，在，在20SiCw及及30 ZrO2(Y2O3)时时，复合材抖的，复合材抖的 f达达1200MPa。KIC达达10 MPa.M1/2 以上。以上。这比这比单独晶须韧化单独晶须韧化的的Al2O3+SiCw复合材复合材料的料的 f =634MPa，KIC=7.5 MPa.M1/2有明显有明显的提高，这充分体现了这种的提高，这充分体现了这种。第67页/共150页68下表则给出了下表则给出了莫来石及其制得的复合材料的莫来石及其制得的复合材料的强度与韧性强度与韧性。材料材料 f (Mpa)KIC (MPa.M1/2)莫来石莫来石2442.8Si3N4+SiCw10001112很明显，由很明显，由与莫来石制得的复合材料要比与莫来石制得的复合材料要比单独用单独用制得的复合材料的性能好得多。制得的复合材料的性能好得多。第68页/共150页69第69页/共150页70第70页/共150页71由于由于陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料往往是在往往是在下制备，而且往往下制备，而且往往在高温环境中工作在高温环境中工作，因此因此容易容易发生化学反应发生化学反应形成化学粘结的形成化学粘结的或或。第71页/共150页72若若基体与增强体之间基体与增强体之间不发生反应或控不发生反应或控制它们之间发生反应，那么当制它们之间发生反应，那么当从高温冷却从高温冷却下来时下来时，大于大于，由于收，由于收缩而产生的缩而产生的 r 与与 有关：有关：第72页/共150页73式中，式中， 是摩擦系数，一般为是摩擦系数，一般为0.10.6。此外，基此外，基体在高温时呈现为液体体在高温时呈现为液体(或或粘性体粘性体)，它也可，它也可等缺陷处，冷却后形成等缺陷处，冷却后形成机械结合机械结合。第73页/共150页74实际上，高温下实际上，高温下原子的活性增大原子的活性增大，原子的扩散速度较室温大的多，由原子的扩散速度较室温大的多，由于于，在界面上更易在界面上更易形成固溶体和化合物形成固溶体和化合物。第74页/共150页75此时，此时，增强体与基体之间的界面增强体与基体之间的界面是是具有一定厚度的具有一定厚度的，它，它与与基体和增强体都能较好的结合基体和增强体都能较好的结合，但通，但通常是常是的。例如的。例如Al2O3f/SiO2系中会系中会发生反应形成发生反应形成强的化学键结合强的化学键结合。第75页/共150页76对于对于陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料来讲，来讲，影响影响陶瓷基体和复合材料的陶瓷基体和复合材料的。对于陶瓷基复合材料的对于陶瓷基复合材料的来说，一来说，一方面应强到方面应强到并具有并具有；第76页/共150页77另一方面，陶瓷基复合材料的另一方面，陶瓷基复合材料的要要弱到弱到及及。因此，陶瓷基复合材料界面要有一个因此，陶瓷基复合材料界面要有一个。第77页/共150页78往往导致往往导致，如下图如下图 (a)所示，裂所示，裂纹可以在复合材料纹可以在复合材料的的并并迅速扩展迅速扩展至复合至复合材料的横截面，导材料的横截面，导致致。第78页/共150页79主要是由于主要是由于纤维的弹纤维的弹性模量不是大大高于基体性模量不是大大高于基体，因此在，因此在断裂过程中，断裂过程中，强的界面结合强的界面结合。第79页/共150页80若若，当基体中的裂当基体中的裂纹扩展至纤维时纹扩展至纤维时，将导致将导致，其后其后、以致最后以致最后(图图 b)。第80页/共150页81、以致最后以致最后等，这些过程都要等，这些过程都要，从而，从而提高复合材料的断裂韧性提高复合材料的断裂韧性，避免了，避免了突然的突然的脆性失效脆性失效。第81页/共150页82为获得为获得最佳的界面结合强度最佳的界面结合强度，我们，我们常常希望常常希望或或。第82页/共150页83在实际应用中，除选择在实际应用中，除选择在在加工和使用期间加工和使用期间能能外，外，最常用的方法最常用的方法就是在与基体复合之前，就是在与基体复合之前，往增强材料表面上往增强材料表面上。第83页/共150页84C和和BN是最常用的涂层，此外还有是最常用的涂层，此外还有SiC、ZrO2和和SnO2涂层。涂层。通常在通常在0.11um，涂层的涂层的选择取决于选择取决于纤维纤维、基体基体、加工加工和和服役要求服役要求。第84页/共150页85纤维上的涂层除了可以改变复合材料纤维上的涂层除了可以改变复合材料外，对纤维还可起到外，对纤维还可起到，避免，避免在加工和处理过程中在加工和处理过程中造成纤维的造成纤维的机械损坏。机械损坏。第85页/共150页86下图为下图为增强增强复合材料的复合材料的断裂行为差异断裂行为差异。第86页/共150页87莫来石纤维上未涂莫来石纤维上未涂BN涂层涂层莫来石纤维上涂有莫来石纤维上涂有BN涂层涂层从图中可看出，若纤维从图中可看出，若纤维涂层，则复合材涂层，则复合材料的断面呈现为料的断面呈现为：而经：而经CVD沉积沉积0.2um的的后，断面上可见到大量的后，断面上可见到大量的。第87页/共150页88 还直接影响了陶瓷基复合还直接影响了陶瓷基复合材料的材料的。以以复合材料为例，来复合材料为例，来对其对其强韧化机理强韧化机理进行探讨。进行探讨。第88页/共150页89增强陶瓷基复合材料的强韧增强陶瓷基复合材料的强韧化机理与化机理与增强陶瓷基复合材料大增强陶瓷基复合材料大致相同，主要是靠致相同，主要是靠与与对对强度和韧性的提高强度和韧性的提高产产生作用。生作用。第89页/共150页90研究结果表明，研究结果表明，存在一个存在一个，当当晶须的某一端晶须的某一端距主裂纹距离距主裂纹距离时，则时，则晶须从此端拔出晶须从此端拔出，此时的，此时的拔出长度小拔出长度小于临界拔出长度于临界拔出长度lpo ；第90页/共150页91如果如果均均时，时，晶须在拔出晶须在拔出过程中产生断裂过程中产生断裂，lpo ；第91页/共150页92直接影响了复合材料直接影响了复合材料的的与与。界面强度界面强度，晶须将与基体一晶须将与基体一起断裂起断裂，限制了晶须的拔出限制了晶须的拔出，因而也，因而也就就。第92页/共150页93但另一方面，但另一方面，有有利于利于，因而，因而提高了强化效果提高了强化效果。界面强度界面强度、则使、则使，这，这对韧化和强化都不利对韧化和强化都不利，因，因此此。第93页/共150页94下图为下图为SiCw/ ZrO2材料的材料的曲线。曲线。从图中可以看出，有明显的从图中可以看出，有明显的，这是这是作用的结果。作用的结果。第94页/共150页958.3 第95页/共150页96纤维增强陶瓷基复合材料纤维增强陶瓷基复合材料的性的性能能，如，如、及及等。等。第96页/共150页97从从看，与看，与，以及一些以及一些有关；有关；从从来看，则与来看，则与、及其他及其他有关；有关；第97页/共150页98从从情况上看，则与情况上看，则与及及、，以及以及有关。有关。第98页/共150页99正因为有正因为有如此多的影响因素如此多的影响因素，所以在，所以在实际中实际中也会不也会不同，同，的不断研究与改进，正是为的不断研究与改进，正是为了能了能获得性能更为优良的材料获得性能更为优良的材料。目前采用的目前采用的主要有以下几种：主要有以下几种：第99页/共150页100这种方法是这种方法是在陶瓷泥浆中在陶瓷泥浆中。然。然后后在在石膏模型石膏模型中。中。这种方法比较古老，这种方法比较古老，不受制品形状的限不受制品形状的限制制。但对。但对提高产品性能的效果提高产品性能的效果不显著，不显著，成本成本低低，工艺简单工艺简单，增强陶瓷基复增强陶瓷基复合材料的制作。合材料的制作。第100页/共150页101将将特长纤维特长纤维(3mm)，然后然后并并与基体粉末与基体粉末，再用，再用热压烧结的方法热压烧结的方法即即可制得高性能的复合材料。可制得高性能的复合材料。这种方法中，这种方法中，是目前采用较多的方法。，是目前采用较多的方法。第101页/共150页102这种这种在与基体粉末混合时在与基体粉末混合时，但，但在冷压成型及热压烧结的过程在冷压成型及热压烧结的过程中中，短纤维由于，短纤维由于与与过程中过程中沿沿压力方向转动压力方向转动，所以导致了在最终制得的复合，所以导致了在最终制得的复合材料中，材料中，这也就，这也就产生了产生了材料性能上一定程度的各向异性。材料性能上一定程度的各向异性。第102页/共150页103这种方法这种方法。首先。首先把纤把纤维维成所需形状成所需形状，然后，然后用陶瓷泥浆用陶瓷泥浆，干燥后进行干燥后进行。第103页/共150页104的优点是的优点是，如，如单向排布单向排布及及多向排布多向排布等。等。的缺点则是的缺点则是，而且所得，而且所得。第104页/共150页105晶须与颗粒晶须与颗粒的的，只是，只是几何几何形状上形状上有些区别，用它们进行增韧的陶瓷有些区别，用它们进行增韧的陶瓷基复合材料的基复合材料的制造工艺制造工艺是基本相同的。是基本相同的。第105页/共150页106这种复合材料的制备工艺这种复合材料的制备工艺比长纤维复合比长纤维复合材料材料得多，只需将得多，只需将晶须或颗粒晶须或颗粒并并与基体粉末与基体粉末，再用，再用即可制得即可制得高性能的复台材料高性能的复台材料。第106页/共150页107与与陶瓷材料陶瓷材料相似，相似，的的也可大致分为以也可大致分为以下几个步骤：下几个步骤：这一过程看似简单，实则包含着这一过程看似简单，实则包含着相当相当复杂的内容复杂的内容。配料配料成型成型烧结烧结精加工精加工第107页/共150页108即使坯体由即使坯体由超细粉超细粉(微米级微米级)原料原料组成，组成，其其产品质量产品质量也不易控制，所以也不易控制，所以随着现代科技随着现代科技对材料提出的要求的不断提高对材料提出的要求的不断提高，这方面的研，这方面的研究还必持进一步深入。究还必持进一步深入。第108页/共150页109高性能的陶瓷基复合材料高性能的陶瓷基复合材料应具有应具有、的微观组织。的微观组织。为了得到这样品质的材料，必须首先为了得到这样品质的材料，必须首先。第109页/共150页110把几种把几种混合混合的方法可的方法可分为分为和和两种。两种。现今新型陶瓷领域现今新型陶瓷领域的的微米微米级级、由于由于效率和可靠性效率和可靠性的的原因原因。第110页/共150页111主要采用主要采用水作溶剂水作溶剂，但在，但在氮化氮化硅硅、碳化尼碳化尼等等混合时，混合时，为为防止原料的氧化防止原料的氧化则使用则使用。第111页/共150页112原料混合时的装置一般为专用原料混合时的装置一般为专用。为了防止球磨机为了防止球磨机运行过程中运行过程中因因磨损下来而作为杂质混入原料中，最好采磨损下来而作为杂质混入原料中，最好采用用与加工原料与加工原料陶瓷球和内衬。陶瓷球和内衬。第112页/共150页113混好后的料浆混好后的料浆在成型时在成型时有三种不同的情况：有三种不同的情况：(1)经一次干燥经一次干燥供给成型工序；供给成型工序；(2)把把结合剂添加于料浆结合剂添加于料浆中、不干燥坯料，中、不干燥坯料，供给成型工序；供给成型工序；(3)用压滤机用压滤机将料浆状的粉将料浆状的粉供给供给成型工序。成型工序。第113页/共150页114把上述的把上述的充入模型内充入模型内，。通常有。通常有和和。具有具有装置简单装置简单，成型成本成型成本低廉低廉的优点，仍它的的优点，仍它的的。的。，。故易造成。故易造成或或、只能适用于、只能适用于形状比较简单的制件形状比较简单的制件。第114页/共150页115采用采用是是用静水压用静水压从各从各个方向个方向于橡皮模来成型，故不于橡皮模来成型，故不会发生会发生和和之之类的问题。类的问题。第115页/共150页116此方法虽此方法虽不能做到不能做到，但仍但仍适合于批量生产适合于批量生产。由于由于在成型过程中在成型过程中而而压成生坯压成生坯，故，故难以制成精密形状难以制成精密形状，通常，通常还要用刚玉还要用刚玉对细节部分对细节部分进行修整。进行修整。第116页/共150页117另一种成型法为另一种成型法为。从成型从成型过程上过程上看，看，与塑料的注射成型过程相类似与塑料的注射成型过程相类似，但是但是在陶瓷中在陶瓷中必须必须并并，这些，这些工艺均较为复杂工艺均较为复杂，因此也，因此也使这种方法具有很大的局限性。使这种方法具有很大的局限性。第117页/共150页118具有十分悠久历史的具有十分悠久历史的陶瓷陶瓷成型方法成型方法。它是。它是将料浆将料浆石膏模内石膏模内，静置，静置片刻，片刻，料浆中的水分被石膏模吸收料浆中的水分被石膏模吸收。然后。然后，将生坯和石膏模一起干燥将生坯和石膏模一起干燥，并并从石膏中从石膏中取取出。这种方法可成型出。这种方法可成型且且的制品。的制品。第118页/共150页119还有一种成型法为还有一种成型法为。这种。这种方法是方法是把料浆放入把料浆放入内内挤出水分，形挤出水分，形成成后，从后，从安装各种挤形口安装各种挤形口的的的方法，它适用于的方法，它适用于断面形断面形状简单的状简单的的成型。的成型。 第119页/共150页120 从生坯中从生坯中除去粘合剂组分后的除去粘合剂组分后的烧固成烧固成致密制品致密制品的过程叫的过程叫。为了烧结，必需有为了烧结，必需有专门的窑炉专门的窑炉。窑炉的。窑炉的种类繁多，按其功能进行划分可分为种类繁多，按其功能进行划分可分为和和。第120页/共150页121是放入窑炉内是放入窑炉内、及及等工序等工序是间歇地进是间歇地进行的行的。不适合于不适合于大规模生产大规模生产，但适，但适合处理合处理或或的优点，的优点，且且烧结条件灵活烧结条件灵活，筑炉价格筑炉价格也比较便宜。也比较便宜。第121页/共150页122适合于适合于大批量制品的大批量制品的烧结烧结，由，由、和和三个部三个部分组成。分组成。第122页/共150页123把把装生坯的窑车装生坯的窑车从窑的一端从窑的一端间歇推进，间歇推进，窑车沿导轨前进窑车沿导轨前进，沿着窑内，沿着窑内经经、过程过程后，后，从窑的另一端从窑的另一端取出成品。取出成品。第123页/共150页124由于由于高精度制品的需求高精度制品的需求不断增多，因此不断增多，因此在在烧结后的许多制品烧结后的许多制品还需还需。精加工的目的是精加工的目的是，前者主要用，前者主要用进行进行磨削加工磨削加工，后者则用，后者则用进行进行研磨加工研磨加工。第124页/共150页125依依埋在金刚石磨粒之间的结埋在金刚石磨粒之间的结合剂的种类不同合剂的种类不同有着其各自的特征。大致分有着其各自的特征。大致分为为，、等。等。第125页/共150页126的的切削性能好切削性能好但但加工性加工性能欠佳能欠佳。对加工面稍差的制对加工面稍差的制品也较易加工。品也较易加工。则由于其则由于其强度低强度低，耐热性差耐热性差，适合于，适合于表面的精加工表面的精加工。第126页/共150页127因此，在实际因此，在实际操作时，除操作时，除外，还需外，还需、等各种磨削条件，才能等各种磨削条件，才能获得好的结果。获得好的结果。第127页/共150页128 以上是以上是的的几个几个主要步骤主要步骤，但，但则是则是相当复杂的相当复杂的。陶瓷与金属的一个重要区别也在于它对陶瓷与金属的一个重要区别也在于它对制造工艺中的微小变化特别敏感而这些微小制造工艺中的微小变化特别敏感而这些微小的变化在最终烧成产品前是很难察觉的。的变化在最终烧成产品前是很难察觉的。第128页/共150页129陶瓷制品一旦陶瓷制品一旦，发现产品的质发现产品的质量有问题时量有问题时则为时已晚。则为时已晚。而且，由于而且，由于，要，要查找原因查找原因十分困难十分困难。这就使得。这就使得变得越变得越发重要。发重要。第129页/共150页130陶瓷的陶瓷的与其与其有很大有很大的关系。的关系。在实验室规模下在实验室规模下能够稳定重复制造的能够稳定重复制造的材料，材料，在扩大的生产规模下在扩大的生产规模下常常难于重现。常常难于重现。第130页/共150页131在生产规模下在生产规模下可能重复再现的陶瓷材可能重复再现的陶瓷材料料，常常在，常常在和和有所变有所变化的条件下化的条件下难于实现难于实现。这是陶瓷制备中的。这是陶瓷制备中的关键问题之一。关键问题之一。第131页/共150页132先进淘瓷制品的先进淘瓷制品的则是它则是它能否能否大规摸推广应用大规摸推广应用的最关键问题之一。的最关键问题之一。现今的现今的先进陶瓷制备技术先进陶瓷制备技术可以做到可以做到，但却，但却不容易不容易保证所有制品的品质一致保证所有制品的品质一致。第132页/共150页1338.3 陶瓷材料具有陶瓷材料具有耐高温耐高温、高强度高强度、高硬度高硬度及及耐腐蚀性好耐腐蚀性好等特点，但其等特点，但其的弱点限的弱点限制了它的广泛应用。制了它的广泛应用。第133页/共150页134随着现代高科技的迅猛发展，要求材料随着现代高科技的迅猛发展，要求材料能在能在保持优良的综合性能。保持优良的综合性能。可较好地满足这一要求。可较好地满足这一要求。它的它的主要取决于主要取决于，其工作温度按下列基体材料依次提高：其工作温度按下列基体材料依次提高：、，其最高工作温度可达，其最高工作温度可达1900 。第134页/共150页135陶瓷基复合材料已陶瓷基复合材料已或即将实用或即将实用化的领域包括：化的领域包括：刀具刀具、滑动构件滑动构件、航空航航空航天构件天构件、发动机制件发动机制件、能源构件能源构件等。等。第135页/共150页136在在方面，方面， 已成功用于工业生产已成功用于工业生产制制造切削刀具造切削刀具。下图为用热压法制备的。下图为用热压法制备的SiCw/ Al2O3复合材料钻头。复合材料钻头。第136页/共150页137第137页/共150页138由美国格林利夫公司研制、一家生产切由美国格林利夫公司研制、一家生产切削工具和陶瓷材料的厂家和美国大西洋富田削工具和陶瓷材料的厂家和美国大西洋富田化工公司合作生产的化工公司合作生产的具有具有耐高温、稳定性好、强度高和优异的抗耐高温、稳定性好、强度高和优异的抗热展性能热展性能，熔点为，熔点为2040，切削速度可达，切削速度可达200尺尺/分，甚至更高。分，甚至更高。第138页/共150页139作为对比，常用的作为对比，常用的的切削速度限制在的切削速度限制在100尺分以内，因尺分以内，因为钴在为钴在1350 时会发生熔化，甚至在切削时会发生熔化，甚至在切削表面温度达到约表面温度达到约1000 左右就开始软化。左右就开始软化。第139页/共150页140某燃汽轮机厂采用这种新型某燃汽轮机厂采用这种新型刀具后，机加工时间从原来的刀具后，机加工时间从原来的5小时小时缩短到缩短到20分钟，仅此一项，每年就可节约分钟，仅此一项，每年就可节约25万美元。万美元。第140页/共150页141山东工业大学研制生产的山东工业大学研制生产的镍基合金时，不但刀具使用寿命镍基合金时，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。除增加，而且进刀量和切削速度也大大提高。除SiCw/Al2O3外，外，SiCf/Al2O3 、TiO2p/ Al2O3复合复合材料也用于制造机加工刀具。材料也用于制造机加工刀具。第141页/共150页142另外，另外，还可用于制还可用于制造耐磨件，如拔丝模具、密封阀、耐蚀轴造耐磨件，如拔丝模具、密封阀、耐蚀轴承、化工泵的活塞等。承、化工泵的活塞等。第142页/共150页143在在领域，用陶瓷基复合材料领域，用陶瓷基复合材料制作的制作的导弹的头锥导弹的头锥、火箭的喷管、航天飞火箭的喷管、航天飞机的结构件机的结构件等也收到了良好的效果。等也收到了良好的效果。第143页/共150页144法国已将法国已将应应用于制作用于制作超高速列车的制动件超高速列车的制动件，而且取得了，而且取得了传统的制动件所无法比拟的优异的磨擦磨损传统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。特性，取得了满意的应用效果。第144页/共150页145热机的循环压力和循环气体的温度越高，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。现在普通使用的燃气轮其热效率也就越高。现在普通使用的燃气轮机高温部件还是镍基台金或钴基合金，它可机高温部件还是镍基台金或钴基合金，它可使汽轮机的进口温度高达使汽轮机的进口温度高达1400 ，但这些但这些合金的耐高温极限受到了其熔点的限制，因合金的耐高温极限受到了其熔点的限制，因此采用此采用来代替来代替已成了目前已成了目前研究的一个重点内容。研究的一个重点内容。第145页/共150页146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(先进的燃气轮机先进的燃气轮机)100、101、CATE(陶陶瓷在涡轮发动机中的应用瓷在涡轮发动机中的应用)等计划。德国、等计划。德国、瑞典等国也进行了研究开发。这个瑞典等国也进行了研究开发。这个是难度最高的陶瓷是难度最高的陶瓷应用技术，也可以说是这方面的最终目标。应用技术，也可以说是这方面的最终目标。目前看来，要实现这一目标还有相当大的目前看来，要实现这一目标还有相当大的难度难度。 第146页/共150页147现在看来，人们已开始对陶瓷基复合材现在看来，人们已开始对陶瓷基复合材料的料的等问题进行科学等问题进行科学系统的研究，但这其中还有许多尚未研究情系统的研究，但这其中还有许多尚未研究情楚的问题。楚的问题。第147页/共150页148因此，从这一方面来说，还需要陶瓷专因此，从这一方面来说，还需要陶瓷专家们对理论问题进一步研究。家们对理论问题进一步研究。另一方面，另一方面，是一个十分是一个十分复杂的工艺过程，其品质影响因素众多。复杂的工艺过程，其品质影响因素众多。所以，如何所以，如何，则是进一步扩，则是进一步扩大陶瓷应用范围所面临的问题。大陶瓷应用范围所面临的问题。第148页/共150页149已成为当今科已成为当今科技进步的一个重要标志，技进步的一个重要标志，引起人们的重视，可以引起人们的重视，可以预见，随着对其理论问题的不断深入研究预见，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，它的应用和制备技术的不断开发与完善，它的应用范围将不断扩大，它的应用前景是十分光范围将不断扩大，它的应用前景是十分光明的。明的。第149页/共150页150感谢您的观看！第150页/共150页