_第六章_陶瓷基复合材料

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,现代陶瓷：,具有耐高温、硬度高、耐磨损、耐腐蚀及其相对密度低等优异的性能。但它有致命的缺点即脆性。,陶瓷强韧化途径,：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。,陶瓷中加入适量的纤维（晶须）可明显改善韧性，与高温合金相比密度低。,6.1 CMC,的分类,按材料作用分类,按增强材料形态分类,按基体材料分类,6.1.1,按材料作用分类,结构,CMC,：,用于制造各种受力构件；,功能,CMC,：具有各种特殊功能*如光、电、磁、热、生物、阻尼、屏蔽等）。,6.1.2,按增强材料形态分类,颗粒增强,CMC,：延性（金属）颗粒增强、刚性（陶瓷）颗粒增强；,纤维（晶须）增强,CMC,：碳纤维、硼纤维，石墨晶须、,SiC,晶须、,Si3N4,晶须；,片材增强,CMC,：层片状陶瓷结构单元和界面分隔层组成。陶瓷结构单元一般选用高强的结构陶瓷，如,SiC,、,Si,3,N,4,、,Al,2,O,3,、,ZrO,2,，分隔层选用耐高温且与陶瓷基体匹配性良好的材料，如石墨、,BN,等,增强材料的基体,由于基体材料不同，选择的界面材料差别也很大。目前研究较多的是：以石墨作,SiC,的夹层材料；以氮化硼作为,Si,3,N,4,的夹层材料；此外还对,Al2O3/Ni,等材料体系也有一定的研究。,6.1.3,按基体材料分类,氧化物基,CMC,：,Al,2,O,3,、,SiO,2,、,ZrO,2,、,MgO,基,CMC,等；,非氧化物基,CMC,：,SiC,、,WC,、,B,4,C,、,TiC,、,Si,3,N,4,、,TiN,、,BN,、,AlN,基,CMC,；,微晶玻璃基,CMC,：向玻璃组成中引入晶核剂，通过热处理、光照射或化学处理等手段，使玻璃内均匀地析出大量微小晶体，形成致密的微晶相和玻璃相的多相复合体。,碳,/,碳复合材料,6.2 CMC,的性能特点,影响,CMC,性能的主要因素如下：,增强材料品种的影响,纤维与基体的结合强度的影响,纤维排布的影响,其他影响因素,纤维的影响,在实际应用中，除选择,纤维和基体,在加工和使用期间,能,形成稳定的热力学界面,外，,最常用的方法,就是在与基体复合之前，,往增强材料表面上,沉积一层薄的涂层,。纤维上的涂层除了可以改变复合材料,界面结合强度,外，对纤维还可起到,保护作用,，避免,在加工和处理过程中,造成纤维的机械损坏。,6.2.1,增强材料品种的影响,颗粒,(,晶须）增强,：陶瓷颗粒,(,晶须）,强化,CMC,的抗弯强度和断裂韧性都有所提高，但增韧效果不明显。,表,6-1,SiC,w,增韧氧化铝陶瓷的,性能,延性（金属）颗粒,：延性颗粒强化,CMC,的韧性显著提高，但强度变化不明显，且高温性能下降。,高性能连续纤维,：加入数量较多的高性能连续纤维（如,CF,、,SiC,纤维）除韧性显著提高外，强度和模量均有不同程度的提高。,表,6-2 C,纤维增韧,Si,3,N,4,复合材料的性能,表,6-1,SiCw,增韧氧化铝陶瓷性能,晶须含量,/,vol,%,弯曲强度,/,MPa,维氏硬度,HV,/,GPa,断裂韧性,K,IC,/,MPam,0,10,20,30,250,500,550,600,14.5,16.5,17.5,18.2,4.5,6,6.5,7,1/2,表,6-2 C,纤维增韧,Si,3,N,4,复合材料的性能,材料,性能,Si3N4,C/Si3N4,密度,纤维含量,(,vol,%),抗弯强度,(,MPa,),弹性模量,(,GPa,),断裂功,(J/),断裂韧性,(KIC/ ),热膨胀系数,( ),3.44,0,473,247,19.3,3.7,4.62,2.7,30,454,188,4770,15.6,2.51,6.2.2,纤维与基体的结合强度的影响,纤维与基体的结合强度过大将使,CMC,的韧性降低，若其结合强度过低，将使材料的强度降低。,6.2.3,纤维排布的影响,无规则排列,短纤维增强,CMC,的拉伸和弯曲性能有时低于基体材料，这是因为无规则排列纤维的应力集中的影响和热膨胀不匹配造成的，将短纤维定向可以提高该方向的性能；,定向的连续纤维,可以明显提高强度，因为提高了增强效果、降低了应力集中。,6.2.4,其他影响因素,气孔率,：气孔率越大，韧性越差；,增强材料的强度、刚度及含量,：增强物的强度和刚度、含量越高，,CMC,的性能越好；,增强材料与基体的热膨胀系数的匹配,：匹配性越好，,CMC,的性能好；,纤维的损伤程度,：成型时纤维损伤程度越低，,CMC,的性能越好。,6.3 CMC,的制备工艺,CMC,的制备过程通常分为两个步骤：,首先将增强材料掺入未固结的（或粉末状的）基体材料中；,使基体固结。,6.3.1,连续纤维增强,CMC,成型工艺,连续纤维增强,CMC,制备方法有,料浆浸渍及热压烧结法,、化学气相沉积（,CVD,）法、直接氧化沉积法、先驱体热解法等,1,）,料浆浸渍及热压烧结法,：,优点,：比常压烧结的烧结温度低，时间短，致密度高；,缺点,：生产效率低、工艺成本较高，纤维与基体的比例难控制，只能制备单向纤维增强制品。,料浆浸渍及热压烧结法,料浆浸渍及热压烧结法,制备纤维增韧,CMC,的工艺流程,料浆浸渍工艺过程,2,）化学气相沉积（,CVD,）法,具有贯通间隙的增强体坯件或纤维编织骨架中沉积陶瓷基体制备,CMC,。,化学气相沉积工艺过程原理图,。,优点,：纤维受到的机械、化学损伤小，可以制备多向排布和编织和复杂形状的,CMC,；,缺点,：生产周期长、效率低、成本高，难以制备高致密性的,CMC,。,化学气相沉积工艺过程原理图,3,）直接氧化沉积法,方法,：将纤维预制体置于熔融金属上面，添加有镁、硅添加剂的熔融金属铝，在氧化气氛中，不断地浸渍预制体，在浸渍过程中，熔融金属或其蒸汽与气相氧化剂反应生成氧化物。随着时间的延长，边浸渍边氧化，最终可制得纤维增强,CMC,。,优点,：纤维几乎无损伤、纤维分布均匀、,CMC,性能优异，工艺简单、效率高成本低；,4,）先驱体热解法,方法：,将单独合成的先驱体，通过加温调节其粘度，在高压,-,真空联合作用下使其浸渗进入并充满多向纤维编织坯件的空隙，在高温下使先驱体热解。热解时低分子产物从坯件中逸出，留在空隙间的产物即形成陶瓷基体。,优点,：热解温度,热压烧结温度，可减少界面的有害化学反应；热解在常压下进行，可以避免对纤维的机械损伤，可制备形状复杂和尺寸准确的制品。,缺点,：生产周期长，密度,270GPa,、弹性模量,69GPa,先进,C/C,：强度,349MPa,，其中单向高强度,C/C,可达,700MPa,。（通用钢材强度,500,600MPa,）,高温力学性能：室温强度可以保持到,2500,，在,1000,以上时，强度最低的,C/C,的比强度也较耐热合金和陶瓷材料的高，是当今在太空环境下使用的高温力学性能最好的材料。,对热应力不敏感：一旦产生裂纹，不会像石墨和陶瓷那样严重的力学性能损失。,6.4.4,物理性能,热膨胀性能低：常温下为-0.41.8,10-6/K，仅为金属材料的1/51/10；,导热系数高：室温时约为0.380.45 cal/cms（铁：0.13），当温度为1650时，降为0.103 cal/cms。,比热高：其值随温度上升而增大，因而能储存大量的热能，室温比能约为0.3 kcal/kg（铁：0.11）,1930时为0.5 kcal/kg。,密度：1.71.9；,熔点：4100。,耐磨性：摩擦系数小，具有优异的耐磨擦磨损性能，是各种耐磨和摩擦部件的最佳候选材料。,6.4.5,烧蚀性能,烧蚀性能：在高温高压气流冲刷下，通过材料发生的热解、气化、融化、升华、辐射等物理和化学过程，将材料表面的质量迁移带走大量的热量，达到耐高温的目的。,C/C,的升华温度高达,3600,，在这样的高温度下，通过表面,升华、,辐射除去大量热量，使传递到材料内部的热量相应地减少。,6.4.6,化学稳定性,C/C,除含有少量的氢、氮和微量金属元素外，几乎,99%,以上都是元素,C,，因此它具有和,C,一样的化学稳定性。,耐腐蚀性：,C/C,像石墨一样具有耐酸、碱和盐的化学稳定性；,氧化性能：,C/C,在常温下不与氧作用，开始氧化温度为,400,，高于,600,会严重氧化,。提高其耐氧化性方法,成型时加入抗氧化物质或表面加碳化硅涂层。,6.4.7,其他性能,生物相容性好：是人体骨骼、关节、颅盖骨补块和牙床的优良替代材料；,安全性和可靠性高：若用于飞机，其可靠性为传统材料的数十倍。飞机用铝合金构件从产生裂纹至破断的时间是,1mim,，而,C/C,是,51mim,。,6.4.8,C/C,复合材料的成型技术,C/C,复合材料制备：液体浸渍分解法和气相沉积法,6.4 C/C复合材料的成型技术,C/C复合材料制备：液体浸渍分解法和气相沉积法,碳纤维预制体,浸渍热固性树脂,碳化、石墨化,C/C复合材料,化学气相沉积法,通入C、H化合物气体,加热分解、沉积,液体浸渍分解法,6.4,陶瓷基复合材料的应用,CMC,的使用温度：主要取决于基体特性，其工作温度按下列基体材料依次提高：,玻璃 玻璃陶瓷 氧化物陶瓷 非氧化物陶瓷,其最高使用温度可达,1900,。,主要应用领域：刀具、滑动器件、航空航天构件、发动机构件、能源构件等。,应用例,制动件：法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于 制作 超高速列车的制动件，取得了传统 制动件所 无法比拟的优异的磨擦磨损特性；,航空航天领域：,CMC,制作的导弹的头锥、火箭的喷管、航天飞机的结构件等也都收到了满意的效果；,燃气轮机高温部件：汽轮机的进口温度高达,1400,，美国、德国、瑞典等国都在开展用,CMC,取代高温合金的研究,本章小结,了解,CMC,的类型；,掌握,CMC,性能特点和影响的因素；,了解,CMC,成型工艺方法；,了解,CMC,的应用领域。,