复合材料第六章陶瓷基复合材料-陶瓷基复合材料的制备工艺课件

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 氧化物陶瓷基复合材料（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）2,2.1 陶瓷基体材料的制备工艺,2.2 陶瓷基复合材料的制备方法,2 陶瓷基复合材料的制备工艺（2学时）,3,2.1 陶瓷基体材料的制备工艺2 陶瓷基复合材料,2.1 陶瓷基体材料的制备工艺,2.1.1 粉体制备,目的,：,高纯、超细、组分均匀分布、无团聚的粉体,（1）化学制粉,分 类：,固相法,、,气相法,、,液相法,（,共沉淀法、溶胶-凝胶法、喷雾热解法等,）,优 点：,可得到性能优良粉体,缺 点：,设备复杂、工艺要求严格、成本高,4,2.1 陶瓷基体材料的制备工艺4,（2）机械制粉,分类：,球磨,（,最常用）、,搅拌振动磨,优点：,工艺简单、产量大、设备简单，成本低,。,缺点：,组分分布不均匀、容易引入杂质,（磨损物进入粉料）,5,（2）机械制粉5,2.1.2 成型,成型关键：,坯体密度越高，烧结收缩越小，制品尺寸精度越高,（1）模压成型,工艺：将粉料填充到模具中，通过加压压成所需形状。,优点：,操作简便、生产效率高、易于自动化,，是常用的方法。,缺点：,粉料易团聚、内部密度不均匀、难于制造复杂形状部件,6,2.1.2 成型6,（2）等静压成型,工艺：将粉料装入橡胶或塑料等,可变形容器,中，密封后放,入液压油或水等,流体介质,中，加压获得所需坯体。,优点：,不需胶粘剂、坯体密度均匀性好、有良好烧结性能,缺点：,坯体形状和尺寸可控性太差、生产效率低、,难于自动化批量生产,。,7,（2）等静压成型7,（3）热压铸成型,工艺：粉料和蜡混合并加热,使蜡熔化,（,使具有流动性,），,混合料加压注入模具并冷却（坯体致密且较硬实）,优点：,可制备形状复杂的构件、易于大规模生产,。,缺点：,烧结前需高温排蜡（900-1100度）,薄壁且大而长的制品容易弯曲变形,8,（3）热压铸成型8,（4）挤压成型,工艺：利用压力将具有,塑性粉料,通过模具挤出而获得制品,优点：,适合制备管状、棒状坯体,缺点：,要求粉料具有一定的塑性,（加入有机粘接剂，但存在粘接剂排出）,9,（4）挤压成型9,（5）轧膜成型,工艺：将,混入粘接剂,的坯料放入相向滚动的轧辊之间，,使物料在加压的状态下获得,薄膜状坯体,的方法。,优点：,工艺简单、生产效率高、设备简单，可获得很薄膜片,缺点：,只适用于轧制膜片、存在有机粘接剂的排出,10,（5）轧膜成型10,（6）注浆成型,工艺：将具有,一定浓度的浆料,注入石膏模中，,通过脱水硬化而获得坯体。,优点：,可制备形状复杂的坯体,缺点：,容易在坯体中产生空心,11,（6）注浆成型11,（7）流延成型,工艺：将陶瓷粉料混入适当的粘结剂制成,流延浆料,，,通过流延嘴,刮成薄片状,流延在平移转动环形钢带上，,烘干而获得,薄膜坯体,。,优点：,较之轧膜成型，生产效率高，易于自动化生产，,薄膜坯体的厚度可很好地控制,。,缺点：,只适用于制备薄膜坯体、存在有机粘接剂的排出,。,12,（7）流延成型12,（8）注射成型,工艺：将,粉料和热塑性树脂混合,后在注射机上以,一定的,温度和压力,高速注入模具，迅速冷却后脱模获得坯体,优点：,可获得致密坯体,（高压所致）。,缺点：,设备较复杂、要排出有机树脂,。,13,（8）注射成型13,2.1.3 烧结,烧结概念：是一个,复杂的物理、化学过程,，,陶瓷坯料在,表面能减少的推动力,的作用下，通过,扩散、晶粒长大、气孔和晶界逐渐减少而致密化,烧结机制：,粘性流动,、,蒸发与凝聚,、,体积扩散,、,表面扩散,、,晶界扩散,、,塑性流动,。,实际烧结过程往往是这些机制的综合作用的结果！,14,2.1.3 烧结14,（1）普通烧结,烧结设备：各种隧道窑、电炉等。,烧结气氛：按要求可在,空气中,、,真空中,、,保护性气氛中,进行,添加助剂：适于,难烧结坯体,（氧化铝、氮化硅、碳化硅），,烧结助剂可降低烧结温度,（较低温度形成液相）,15,（1）普通烧结15,（2）热致密化方法,工艺：,热压,、,热等静压,等。,优点：,可在更低的温度和更短的时间内实现致密化,（高温下加压有利于黏性和塑性流动）。,缺点：,设备昂贵、生产效率低,。,16,（2）热致密化方法16,（3）反应烧结,工艺：通过,化学反应直接获得陶瓷材料,的方法。,优点：,烧结过程坯体尺寸基本不变，可获得尺寸精确构件；,工艺简单、适于大批量生产,。,缺点：,制品相对密度低（反应不完全造成的）、残留其它相,举例：多孔Si坯体在1400度和烧结气氛N,2,反应形成Si,3,N,4,SiCC多孔体在1600度浸渍液态Si反应形成SiC,17,（3）反应烧结17,（4）微波烧结,工艺：采用,微波加热原理,对陶瓷材料进行快速烧结。,优点：,升温速度快、烧结温度低、烧结时间短、制品致密,缺点：,设备要求高、只有电介质材料才可进行烧结,。,（5）,放电等离子烧结(,spark plasma sintering system，SPS),一种新型的烧结方法（参阅教材90页）。,18,（4）微波烧结18,2.2 陶瓷基复合材料的制备方法,2.2.1 粉末冶金法,原料（陶瓷粉末、增强剂、粘结剂和助烧剂）,均匀混合（球磨、超声等）,冷压成形,（热压）烧结。,关键：,均匀混合,、,烧结过程防止体积收缩而产生裂纹,。,19,2.2 陶瓷基复合材料的制备方法19,2.2.2 浆体法（湿态法）,工艺特点：各组元保持散凝状，在浆体中呈,弥散分布,，,克服粉末冶金法中各组元混合不均的问题,控制手段：调整pH值、对浆体进行超声波震动搅拌,适用对象：,颗粒,、,晶须,、,短纤维,增韧陶瓷基复合材料,浆体浸渍法,：可制备,连续纤维,增韧陶瓷基复合材料,（纤维分布均匀，气孔率低）,20,2.2.2 浆体法（湿态法）20,图6.3 浆体法制备陶瓷基复合材料示意图,21,图6.3 浆体法制备陶瓷基复合材料示意图21,2.2.3 反应烧结法,工艺优点：,基体材料几乎无收缩，增强剂体积比可相当大,可用多种连续纤维预制体；可避免纤维的损伤,。,工艺缺点：,高气孔率,图6.4 反应烧结法制备SiC/Si3N4基复合材料工艺流程,22,2.2.3 反应烧结法图6.4 反应烧结法制备SiC/Si3,2.2.4 液态浸渍法,工艺原理,：,陶瓷熔体通过,毛细管道,渗入增强剂预制体孔隙,施加压力或抽真空,有利于浸渍,关键因素,：,化学反应,、,熔体粘度,、,熔体对增强体浸润性,图6.5 液态浸渍法制备陶瓷基复合材料示意图,23,2.2.4 液态浸渍法图6.5 液态浸渍法制备陶瓷基复合材料,2.2.5 直接氧化法,工艺流程,：,制备增强预制体（隔板阻止基体生长），熔融金属直接氧化形成所需反应产物。,图6.6 直接氧化法制备陶瓷基复合材料示意图,氧化产物空隙管道的液吸作用使得熔融金属不断供到生长前沿,Al+空气,Al,2,O,3,Al+氮气,AlN,24,2.2.5 直接氧化法图6.6 直接氧化法制备陶瓷基复合材料,2.2.6 溶胶凝胶法（SolGel）,溶胶：Sol，,微小颗粒,（,直径,100nm,）的,悬浮液,凝胶：Gel，,水分减少的溶胶,（比溶胶粘度大的胶体）,SolGel法：金属有机或无机化合物经,溶液,、,溶胶,、,凝胶,、,干燥,、,热处理,生成氧化物或其它化合物固体。,SolGel法制备SiO,2,陶瓷原理：,Si(OR),4,+4 H,2,O,Si(OH),4,+4 ROH（水解）,Si(OH),4,SiO,2,+2 H,2,O,25,2.2.6 溶胶凝胶法（SolGel）25,SolGel法制备复合材料：将各种增强剂加入基体溶胶中搅拌形成凝胶，,增强组元稳定、均匀分布在基体中,，再经干燥或一定温度热处理、压制烧结形成复合材料。,工艺优点：,基体成分容易控制、复合材料的均匀性好、,加工温度较低,工艺缺点：,收缩率大,（常导致基体发生开裂）,26,SolGel法制备复合材料：将各种增强剂加入基体溶胶中搅,图6.7 溶胶 凝胶法制备陶瓷基复合材料示意图,27,图6.7 溶胶 凝胶法制备陶瓷基复合材料示意图27,2.2.7 化学气相浸渍法（CVI）,优 点：,材料内部残余应力小,（制备温度比较低，不需外加压力）,缺 点：,生产周期长、效率低、成本高、材料致密度低,适用对象：可制备,碳化物,、,氮化物,、,氧化物,等陶瓷基复合材料,28,2.2.7 化学气相浸渍法（CVI）28,ICVI法,：又称静态法，是将被浸渍部件放在,等温的空间,，反应物气体,通过扩散渗入到多孔预制件内,，发生化学反应并沉积，,副产物气体再通过扩散向外散逸,。,传质过程主要通过气体扩散来进行，因此,十分缓慢,，,仅限于一些薄壁部件,。,29,ICVI法：又称静态法，是将被浸渍部件放在等温的空间，反应,图6.9 ICVI法制备纤维陶瓷基复合材料示意图,30,图6.9 ICVI法制备纤维陶瓷基复合材料示意图30,FCVI法,：在纤维预制件内施加,温度梯度,、,反向气体压力梯度,，使反应气体强行通过预制件。在,低温区,，由于低温而,不发生反应,；当反应气体到达,高温区,后,发生分解并沉积,，在纤维上和纤维之间,形成基体材料,。在此过程中，沉积界面不断由预制件的顶部高温区向低温区推移。,31,FCVI法：在纤维预制件内施加温度梯度、反向气体压力梯度，,工艺优点：,温度梯度、压力梯度提高了沉积速率,（,避免了沉积物将空隙过早的封闭,）,可用来制备厚壁部件,工艺缺点：,不适于制作形状复杂部件,、,材料有内应力,（沉积有温度范围）,32,工艺优点：温度梯度、压力梯度提高了沉积速率32,图6.10 FCVI法制备纤维陶瓷基复合材料示意图,33,图6.10 FCVI法制备纤维陶瓷基复合材料示意图33,2.2.8 其它方法,（1）聚合物先驱体热解法,工艺原理：以,高分子聚合物,为先驱体，成型后使发生,热解反应,转化为无机物，再经,高温烧结,制备成陶瓷基复合材料,工艺优点：,精确控制产品化学组成、纯度以及形状,。,最常用的高分子聚合物是,有机硅,（聚碳硅烷等）。,1）制备增强剂预制体,浸渍先驱体,热解,浸渍,热解,2）陶瓷粉+聚合物先驱体,均匀混合,模压成型,热解,34,2.2.8 其它方法34,（2）原位复合法,工艺原理：利用化学反应,原位生成增强组元,-晶须或高长径比晶体来增强陶瓷基体的方法。,工艺关键：陶瓷基体中均匀加入可生成晶须的元素或化合物，控制生长条件使在,基体致密化过程中同时原位生长增强体,；或控制烧结工艺，在,陶瓷液相烧结时生长高长径比的晶相,，最终形成陶瓷基复合材料。,35,（2）原位复合法35,