复合材料第六章陶瓷基复合材料-陶瓷基体材料课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章 陶瓷基复合材料,主讲教师：田进涛,中国海洋大学材料科学与工程研究院,1,第六章 陶瓷基复合材料 主讲教师：田进涛1,本章主要内容（6学时）,1 陶瓷基体材料（2学时）,2,陶瓷基复合材料的制备工艺（2学时）,3 基氧化物陶瓷复合材料（2学时）,4 非氧化物陶瓷基复合材料,2,本章主要内容（6学时）2,1.1 陶瓷基体材料及其一般性能特点,1.2 陶瓷基复合材料分类,1 陶瓷基体材料（2学时）,3,1.1 陶瓷基体材料及其一般性能特点1 陶瓷基体材,1.1 陶瓷基体材料及其一般性能特点,1.1.1陶瓷及其结构,陶瓷：,陶器与瓷器的总称,，亦称,无机非金属材料,性能特点：,耐高温、耐腐蚀、硬度高、绝缘,分类：,普通陶瓷,和,特种陶瓷,（原料来源不同）,4,1.1 陶瓷基体材料及其一般性能特点4,普通陶瓷,:是,以天然硅酸盐矿物为原料,（粘土、长石、石英），经过,原料加工、成型、烧结,而成，又叫,硅酸盐陶瓷,。,分 类,：,日用陶瓷,和,工业陶瓷,两大类。日用陶瓷主要是用作各种日用器皿。工业陶瓷包括建筑卫生瓷、化学化工瓷、电工瓷等。,5,普通陶瓷:是以天然硅酸盐矿物为原料（粘土、长石、石英），,特种陶瓷,:,现代陶瓷,、,精细陶瓷,、,先进陶瓷,、,高性能陶瓷,等，包括,特种结构陶瓷,和,特种功能陶瓷,，是,采用纯度较高的人工合成化合物,（如Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN等），经,配料、成型、烧结,而制得。,6,特种陶瓷:现代陶瓷、精细陶瓷、先进陶瓷、高性能陶瓷等，,陶瓷结构：除玻璃以外都具有,晶体结构,，以,离子键和共价键的混合形式形成晶体,，一般都是,正常化合价,的。,（）氧化物及非氧化物结构,：取决于,a）,阴阳离子的电荷,（决定化学式）,b）,阴阳离子的半径,（决定配位数）,7,陶瓷结构：除玻璃以外都具有晶体结构，以离子键和共价键的混合,典型氧化物及非氧化物结构有：,1）NaCl结构：又称,岩盐型结构,，属于立方晶系，,面心立方点阵,，是,典型的离子晶体,，氯离子形成密堆的面心立方晶格，钠离子占据其八面体间隙,（,NaCl、KCl、LiF、KBr、NaI、MgO、CaO、BaO,）,8,典型氧化物及非氧化物结构有：8,2）CsCl结构：属于立方晶系，,简单立方点阵,，铯离子处于氯离子正六面体间隙位置（CsCl、LiHg、LiAl）,3）立方ZnS结构：又称,闪锌矿型结构,，属于立方晶系，,面心立方点阵,，其中硫离子组成面心立方晶格，锌离子相间地占据其一半的四面体间隙（ZnS，-SiC）,9,2）CsCl结构：属于立方晶系，简单立方点阵，铯离子处于氯,4）CaF2结构：又称,萤石型结构,，属于立方晶系，,面心立方点阵,，氟离子形成简单立方点阵，钙离子有规则地相间占据一半的氟离子六面体间隙,（CaF2、ThO2、UO2、CeO2、ZrO2）,5）金红石型结构：属于四方晶系，,简单四方点阵,，可近似地认为氧离子作六方密堆，钛离子占据其一半的八面体间隙位置（TiO2、GeO2、MnO2）,10,4）CaF2结构：又称萤石型结构，属于立方晶系，面心立方点,（）硅酸盐结构,：陶瓷主要结构(基本单元硅氧四面体),按照硅氧四面体在空间连接方式，硅酸盐结构可分为：,1）链状结构：,共有一个氧,，连接,形成链状,（石棉纤维）,2）层状结构：,连接成片状,，并叠合,形成层状,，层之间以分子间作用力结合（,作用力小而易裂开,，如滑石、云母）,3）网状结构：在,三维方向上相互结合,，形成,网状结构,（,结合力强而质地坚硬,，如石英）,11,（）硅酸盐结构：陶瓷主要结构(基本单元硅氧四面体)11,1.1.2玻璃及其结构,玻璃：,非晶态无机非金属材料,。,主要组分及其功能：,SiO2,：硅酸盐玻璃的主要成份，构成,玻璃骨架,；,Na2O,：制造玻璃的助熔剂，可以,大大降低玻璃液粘度,；,CaO,：,加速玻璃熔化,、,提高玻璃稳定性,；,Al2O3,：,提高玻璃机械强度,、,降低玻璃热膨胀系数,等。,12,1.1.2玻璃及其结构12,结构：由,熔融体过冷,而形成的,非晶结构,透明固体材料，结构上具有,长程无序、短程有序,特点，,热力学上具有亚稳性,。,玻璃结构理论：,（1）网络学说,：三维无规则排列形成空间网络结构；,（2）晶子学说,：由晶子构成（晶子尺寸远小于一般晶粒）,13,结构：由熔融体过冷而形成的非晶结构透明固体材料，结构上具有长,1.1.3 水泥,水泥：是一种能,在空气、水中硬化,并将砂子、石头等颗粒黏结成一个整体的,水硬性胶凝性材料,。,硅酸盐水泥是由熟料、石膏和混合材料组成。,14,1.1.3 水泥14,硅酸盐水泥由熟料、石膏和混合材料组成：,）熟料：以硅酸钙为主要成分（,水泥的主要成份,）,）石膏：以天然石膏为主（,调整水泥凝结时间,）,）混合材料：用来,提高抗水性、降低成本、调整标号,。,水泥强度是衡量其质量的主要指标,一般水泥标号越大，水泥强度越高,15,硅酸盐水泥由熟料、石膏和混合材料组成：15,1.1.4 无机非金属材料结构与性能的关系,无机非金属材料由,晶相,、,玻璃相,和,气相,组成的,多晶多相复合体,晶相：,硅酸盐、氧化物、非氧化物,等，,是,材料基本组成部分,，其性质,决定着该材料的性能,。,玻璃相：,非晶低熔点固体,（多为硅酸盐结构），主要作用是：,）,填充气孔和空隙,）,将分散的晶相粘接起来而降低烧结温度,）,抑制晶粒长大,16,1.1.4 无机非金属材料结构与性能的关系16,气孔：一般存在于,晶体内部,或,晶体与玻璃相之间,，是,裂纹的根源,，导致强度降低、脆性增大，应极力避免,轻质隔热、隔音材料要求一定的气孔率！,17,气孔：一般存在于晶体内部或晶体与玻璃相之间，是裂纹的根源，导,当化学组成一定时，无机非金属材料性能取决于：,a）,晶相种类、数量、分布,，,晶粒大小、形态、取向,等；,b）,玻璃相的存在及分布,；,c）,气孔的尺寸、数量、分布,等。,18,当化学组成一定时，无机非金属材料性能取决于：18,1.1.5 陶瓷的性能特点,（1）结构缺陷,点缺陷：,空位,，,存在于表面、晶界、晶体内部,；,线缺陷：,位错,，,多属于固定位错,；,面缺陷：,界面（晶界、亚晶界、相界面）,、,表面,。,陶瓷具有致命的性能缺点脆性？,（陶瓷中的线缺陷无法象金属中的那样在应力作用下运动）,19,1.1.5 陶瓷的性能特点19,（）性能优点,高硬度,、,高弹性模量,、,较低的密度,（较之于常用金属）、,低热膨胀系数,、,耐高温,、,抗腐蚀,、,绝缘,、,高环境耐久性,，以及其它的,特种功能,，如,压电性,、,铁电性,、,透光性,、,磁性,等物理化学特性。,20,（）性能优点20,（）性能缺点,最主要的是,脆性,（较之于金属和聚合物材料），包括,断裂韧性低,、,断裂应变小,、,抗冷热交变和冲击载荷性差,。,21,（）性能缺点21,（）性能改进,1）减小陶瓷内部和表面的裂纹,固体内部及表面含有裂纹是,材料微观结构的本征特性；,可能的裂纹源：,内部微观夹杂、气孔和微裂纹,；,加工使用过程中表面损伤,（如划伤、擦伤等）,减小内部和表面缺陷可在一定程度上有效改善材料性能,22,（）性能改进22,2）提高断裂韧性,断裂韧性低是陶瓷固有缺点，限制了其扩大应用！,提高断裂韧性方法：主要是,复合化途径,，以陶瓷为基体，加进增强相而引入各种,增韧机制,来,加大裂纹扩展阻力,，,增加断裂过程能量消耗,，达到提高断裂韧性的目的。,可能的消耗能量机制：,裂纹偏转或分叉,、,基体裂纹被纤维桥联,、,使结合弱的界面解离,、,纤维拔出,等。,23,2）提高断裂韧性23,图6.1 纤维增强复合材料中裂纹扩展模式,纤维脱胶；纤维拔出；纤维破坏；基体变形；裂纹分层,24,图6.1 纤维增强复合材料中裂纹扩展模式24,1.1.6 陶瓷基复合材料的提出,研究陶瓷强韧化问题是陶瓷材料研究的一个重要课题！,陶瓷强韧化的一个重要方法是复合化途径。,普通陶瓷材料：,是复合材料,（,晶相、玻璃相、气相等,）；,陶瓷基复合材料：,人工制造的两相材料,（,基体相和增强相,）,陶瓷复合材料强韧化途径：,颗粒弥散,、,纤维（晶须）补强增韧,、,层状复合增韧,、,与金属复合增韧,及,相变增韧,等。,25,1.1.6 陶瓷基复合材料的提出25,陶瓷基复合材料韧性大大改善，强度、模量也有提高！,颗粒增韧：弹性模量、强度均较整体陶瓷材料提高,力位移曲线形状不发生变化,纤维增韧：弹性模量、强度大大提高,力位移曲线形状发生变化,纤维增韧断裂前吸收了大量断裂能（韧性大幅提高）,26,陶瓷基复合材料韧性大大改善，强度、模量也有提高！26,图6.2 陶瓷基复合材料的力 位移曲线,27,图6.2 陶瓷基复合材料的力 位移曲线27,表6.1 不同金属、陶瓷基体和陶瓷基复合材料的断裂韧性比较,材 料,整体陶瓷,颗 粒 增 韧,相 变 增 韧,Al,2,O,3,SiC,Al,2,O,3,/TiC,Si,3,N,4,/TiC,ZrO,2,/MgO,ZrO,2,/Y,2,O,3,ZrO,2,/Al,2,0,3,断裂韧性,MPa/m,1/2,2.74.2,4.56.0,4.24.5,4.5,912,6 9,6.515,裂纹尺寸,大小,m,1.336,4174,3641,41,165 292,74165,86459,材 料,晶须增韧,纤 维 增 韧,SiC/Al,2,0,3,SiC/硼硅玻璃,SiC/锂铝硅玻璃,铝,钢,断裂韧性,MPa/m,1/2,8 10,1525,1525,3344,4466,裂纹尺寸,大小,m,131204,28,表6.1 不同金属、陶瓷基体和陶瓷基复合材料的断裂韧性,1.1.7 常用陶瓷基体材料,（1）氧化物基体材料,）氧化铝,（,）,优点：,优异的耐热性,、,电绝缘性,、,高强度,、,高硬度,、,耐磨损,、,耐腐蚀,、,低价格,；,缺点：,脆性大,、,韧性差,。,29,1.1.7 常用陶瓷基体材料29,）氧化锆,性能特点：,高强度,、,高硬度,、,耐化学腐蚀性,、,高韧性,（,是所有陶瓷中最高的,）,晶型结构：,单斜结构,（,m,相，低于1170度，5.65g/cm3）,四方结构,（t相，11702370度，6.10g/cm3）,立方结构,（c相，2370度以上，6.27g/cm3）,30,）氧化锆30,晶型转变：在1170度左右发生晶型转变,升温时单斜向四方,晶型转变，,体积收缩7%,冷却时四方向单斜,晶型转变，,体积膨胀,体积变化导致纯氧化锆很难制作构件？,稳定化处理：稳定剂,氧化钙,（CaO）、,氧化镁,（MgO）、,氧化钇,（Y2O3）、,氧化铈,（CeO2）等。,31,晶型转变：在1170度左右发生晶型转变31,稳定化原理：,a）稳定剂氧化物阳离子能够在氧化锆晶体中,形成单斜、四方、立方晶型的置换型固溶体,（,它们与锆阳离子半径相近，在氧化锆中有很大的溶解度,）；,b）这些固溶体可通过,快冷避免共析分解,而将高温晶型以,亚稳的形式,保持到室温，即,高温稳定的四方相可以部分地以亚稳的形式保存到室温,，形成部分稳定氧化锆（partial stabilized ZrO2，,PSZ,）。,32,稳定化原理：32,相变增韧原理：,a）外加应力作用下，PSZ存在四方相向单斜相转变的过程，即“,应力诱导相变,”；,b）该过程能够,吸收能量,，,使裂纹尖端的应力场松弛,，,增加裂纹扩展阻力,，从而达到增韧的目的（,相变增韧,）。,33,相变增韧原理：33,四方多晶氧化锆,：,即TZP，在四方区烧结，并将四方晶型,全部,保留至室温的氧化锆，一般,以氧化钇为稳定剂,（Y-TZP），该材料,具有很好的力学性能！,用作复合材料基体的氧化锆一般是添加了一定稳定剂而获得的PSZ或TZP！,34,四方多晶氧化锆：34,（2）非氧化物基体材料,1）碳化硅,（SiC）,晶型结构：具有两种晶型结构，,典型的共价键结合,。,制备方法：反应烧结、常压烧结、液相烧结、热等静压烧结等,优点：高熔点、低密度、高硬度、优异的抗氧化性、,优异高温性能、良好耐腐蚀性、低热膨胀系数、,良好力学性能、导电、导热性能、高抗磨损性能,缺点：,任何环境下都表现出致命的脆性,35,（2）非氧化物基体材料35,2）氮化硅,（Si,3,N,4,）,晶型结构：是氮和硅的唯一化合物，有两种晶型。,制备方法：反应烧结、热压烧结,一般加入少量烧结助剂（纯氮化硅很难固相烧结）,优点：强度较高、耐腐蚀、耐高温、抗热振性能好、,密度小、介电性好。,缺点：,致命的脆性,。,36,2）氮化硅（Si3N4）36,表6.2 常用陶瓷基体材料性能,材料,密度，g/cm3,熔点，C,拉伸强度，MPa,杨氏模量，GPa,热膨胀系数，10,-6,/K,氧化铝,3.99,2050,250-300,360-400,8.5,氧化锆,5.5-6.3,2680,-,240(m相),8.8-11.8,碳化硅,3.2,2500,310,400-440,4.8,氮化硅,3.4,1900,410,310,2.25-2.87,37,表6.2 常用陶瓷基体材料性能材料密度，g/cm3熔点，C,1.2 陶瓷基复合材料分类,（1）按材料的用途分类,结构陶瓷复合材料,：用于制造各种承力构件。,功能陶瓷复合材料,：利用各种特殊性能,（声、光、电、磁、热等）,38,1.2 陶瓷基复合材料分类38,（2）按基体材料的种类分类,氧化物基,：Al2O3,SiO2,ZrO2,3Al2O3.2SiO2,MgO,非氧化物,：SiC,TiC,B,4,C,Si,3,N,4,TiN,BN,MoSi,2,TiB,2,微晶玻璃基,：铝锂硅酸盐微晶玻璃（LiO,2,-Al,2,O,3,-SiO,2,）、镁铝硅酸盐微晶玻璃（MgO-Al,2,O,3,-SiO,2,）,碳 /碳,：碳纤维增强碳或者石墨化的树脂碳复合材料。,水 泥 基,：无机胶凝材料，如水泥用作基体材料。,39,（2）按基体材料的种类分类39,（3）按增强体的形态分类,1）颗粒增强,：根据增强相相对于基体弹性模量，有：,a）,延性颗粒复合于强基质中,：利用,塑性变形或沿晶界滑移来缓解应力集中,，主要指,金属颗粒,（如TiN/Ni）。,韧性可显著提高,，,强度变化不大,，,高温性能下降,。,b）,刚性粒子复合于基质中,：利用,弹性模量和热物理参数的不同，形成残余应力,，该应力场,与裂纹尖端相互作用,（裂纹偏转、绕道、分岔、钉扎等），产生增韧的作用。,抗弯强度有很大提高,，,断裂韧性的提高不够理想,。,40,（3）按增强体的形态分类40,当增强颗粒尺寸很小时(纳米级及几个微米)形成弥散强化。,选择颗粒弥散相的原则：,往往是,高熔点、高硬度的非氧化物,必须有最佳尺寸、形状、分布及数量,在基体中溶解度必须很低,，,不得与基体发生反应,与基体须有良好的结合强度,41,当增强颗粒尺寸很小时(纳米级及几个微米)形成弥散强化。41,与纤维增强陶瓷复合材料相比，弥散强化陶瓷有如下优点：,制备成本低,材料性能各向同性,颗粒增强作用在高温下仍然起作用,42,与纤维增强陶瓷复合材料相比，弥散强化陶瓷有如下优点：42,2）纤维(晶须)增强,短纤维或晶须：,可以明显改善陶瓷基体的韧性,，,强度提高不够显著,，,模量与基体几乎相当,；,长纤维：,韧性显著提高,，,强度和模量都有不同程度的增加,。,43,2）纤维(晶须)增强43,选择纤维或晶须的原则：,尽量使纤维或晶须,在基体中均匀分布,（高速搅拌、超声分散、表面活性剂等）,弹性模量要匹配,（纤维的强度和模量要大于基体材料）,与基体有,良好化学相容性,（无明显化学反应或形成固溶体）,热物理参数与基体相匹配,44,选择纤维或晶须的原则：44,3）片材增强,属于,层状复合材料,，有以石墨作为碳化硅的夹层材料、以氮化硼作为氮化硅的夹层材料。,45,3）片材增强45,