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,#,第七章 陶瓷基复合材料,（,Ceramic Matrix Composites,）,本章主要内容：,一、基本概念和分类,二、原材料及其特性,三、设计理论和强韧化机理,一、基本概念和分类,陶瓷基复合材料,（,Ceramic Matrix Composites,，简称,CMCs,）,以陶瓷材料为基体，以高强度纤维、晶须、晶片和颗粒为增强体，通过适当的复合工艺所制成的复合材料。,通常也称为复相陶瓷材料（,Multiphase ceramics,）或多相复合陶瓷材料（,Multiphase composite ceramics),1,、定义,结构陶瓷基复合材料,主要利用其力学性能和耐高温性能,，,主要用作承力和次承力构件，主要特性是轻质、高强、高刚度、高比模、耐高温、低膨胀、绝热和耐腐蚀等。,功能陶瓷基复合材料,主要利用其光、声、电、磁、热等物理性能的功能材料，指除力学性能以外而具有某些物理性能（如导电、半导、磁性、压电、阻尼、吸声、吸波、屏蔽、阻燃、防热等）的陶瓷基复合材料。主要由功能体（单功能或多功能）和基体组成，基体不仅起到粘结和赋形的作用，同时也会对复合陶瓷整体性能有影响。多功能体可以使复合陶瓷具有多种功能，同时还有可能由于产生复合效应而出现新的功能。,2,、分类,(1),、按使用性能特性分类,氧化物陶瓷基复合材料,非氧化物陶瓷基复合材料,玻璃基或玻璃陶瓷基复合材料,水泥基多相复合（陶瓷）材料,2,、分类,(2),、按基体材料分类,颗粒弥散强化陶瓷基复合材料,包括硬质颗粒和延性颗粒,晶须补强增韧陶瓷基复合材料,包括短纤维补强增韧陶瓷基复合材料,晶片补强增韧陶瓷基复合材料,包括人工晶片和天然片状材料,长纤维补强增韧陶瓷基复合材料,叠层式陶瓷基复合材料,包括层状复合材料和梯度陶瓷基复合材料。,2,、分类,(3),、按增强体的形态分类,可分为零维（颗粒）、一维（纤维状）、二维（片状和平面织物）、三维（三向编织体）等陶瓷基复合材料。具体可分为：,陶瓷基复合材料类型汇总表,增强体形态,（材料名称）,基体材料种类,（材料名称）,最高使用温度,（,K,）,颗粒,（陶瓷、金属）,晶须,（陶瓷）,纤维,（连续、短纤维）,（陶瓷、高熔点金属）,结构复合式,（叠层、梯度）,（按设计要求选择材料）,玻璃：,SiO,2,等,玻璃陶瓷：,LAS,、,MAS,、,CAS,氧化物陶瓷,：,Al,2,O,3, MgO, ZrO2, Mullite,非氧化物陶瓷,碳化物：,B,4,C, SiC, TiC, ZrC, Mo,2,C, WC,氮化物：,BN, AlN, Si,3,N,4,TiN,ZrN,硼化物：,AlB,2, TiB,2, ZrB,2,水泥,硅酸盐化合物、铝酸盐化合物等,叠层式（,叠层、梯度）,（按设计要求选择材料）,860,1100,1300,1650,二、原材料及其特性,陶瓷基复合材料是由基体材料和增强体材料组成。,基体材料有氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、水泥、玻璃等。,增强体材料主要以不同形态来区分，有颗粒状、纤维状、晶须、晶板等。,1,、陶瓷基体材料,氧化物陶瓷 性 能,氧化铝,耐热、耐腐蚀、耐磨,二氧化锆,高断裂韧性、绝热,堇青石,(Mg,2,Al,4,Si,5,O,18,),低膨胀系数、极好的抗热震性,钛酸铝,低膨胀系数、绝热、极好抗热震性,莫来石,耐热、耐腐蚀,氧化物复合材料,高断裂韧性、高强度,非氧化物陶瓷 性 能,氮化硅,高断裂韧性、高强度、极好抗热震性、耐磨损,六方氮化硼,耐磨蚀、极好抗热震性、极好润滑性,立方氮化硼,非常高的硬度、极好的热传导体,氮化铝,耐热、高热传导体,碳化硅,耐热、耐腐蚀、耐磨损、高热导体,复合陶瓷,高断裂韧性、高强度,几种常用的陶瓷基体材料简介：,氧化铝（,Al,2,O,3,）,二氧化锆（,ZrO,2,）,莫来石（,3Al,2,O,3,2SiO,2,）,氮化硅（,Si,3,N,4,，,Sialon,）,碳化硅（,SiC,）,玻璃陶瓷（,LAS,、,MAS,、,CAS,）,1,、氧化铝陶瓷（,Al,2,O,3, alumina,）,以氧化铝为主成分的陶瓷材料。氧化铝含量越高，性能越好。按氧化铝含量可分为,75,瓷、,85,瓷、,95,瓷、,99,瓷和高纯氧化铝瓷等。,主晶相为,-Al,2,O,3,，属六方晶系，体积密度为,3.9 g/cm,3,左右，熔点达,2050,。,氧化铝有多种变体，其中主要有、型。除,-Al,2,O,3,外，其它均为不稳定晶型。,-Al,2,O,3,为低温型，具有,FCC,结构，在,9501200,范围内可转化为,-Al,2,O,3,，体积收缩约,13%,。在氧化铝陶瓷制备过程中，一般先将原料预烧， 使,-Al,2,O,3,转化为,-Al,2,O,3,。,氧化铝陶瓷制备时常用的助烧剂有,TiO,2,、,MgO,等。,氧化铝瓷的主要性能,名称,刚玉莫来石瓷,刚玉瓷,刚玉瓷,牌号,75,瓷,95,瓷,99,瓷,Al,2,O,3,含量，,wt,75,95,99,主晶相,-Al,2,O,3,3Al,2,O,3,2SiO,2,-Al,2,O,3,-Al,2,O,3,密度, g/cm,3,3.2-3.4,3.5,3.9,抗拉强度, MPa,140,180,250,抗弯强度, MPa,250-300,280-350,370-450,抗压强度, MPa,1200,2000,2500,膨胀系数,10,-6,/,5-5.5,5.5-7.5,6.7,介电强度, KV/mm,25-30,15-18,25-30,氧化铝的硬度约为,20GPa,，仅次于金刚石、立方氮化硼和碳化硅，有很好的耐磨性。,耐高温性能好，高氧化铝含量的刚玉瓷可在,1600,高温下长期使用，而且蠕变小。,氧化铝还具有很好的耐腐蚀性和电绝缘性。,但氧化铝脆性较大，抗热震性差，不能承受环境温度的突然变化。,氧化铝瓷的其它性能 ：,2,、氧化锆陶瓷（,ZrO,2, zirconia,）,以氧化锆为主成分的陶瓷材料。,ZrO,2,有三种晶型：单斜相,(m),、四方相,(t),及立方相,(c),。在,1170,时单斜相转变为四方相，此可逆转变同时伴随着,79%,的体积变化，使陶瓷烧成时容易开裂，故须加入适量的,CaO,、,MgO,、,CeO,2,或,Y,2,O,3,等氧化物作为稳定剂。,加入适量的稳定剂后，,t,相可以部分或全部以亚稳定状态存在于室温，分别称为部分稳定氧化锆（,PSZ,）或四方相氧化锆多晶体（,TZP,）。,利用,t-ZrO,2,m,-ZrO,2,的马氏体相变，可以用来增韧陶瓷材料，即氧化锆增韧陶瓷材料（,ZTC,）。,ZrO,2,陶瓷的特点是呈弱酸性或惰性，导热系数小（在,1001000,范围内，导热,系数,=1.72.0W/(mK),，其推荐使用温度为,20002200,，主要用于耐火坩埚、炉子和反应堆的绝热材料、金属表面的热障涂层等。,含锆的矿石：斜锆石（,ZrO,2,),，锆英石,(ZrO,2,SiO,2,),；,颜色：白色（高纯,ZrO,2,）； 黄色或灰色（含少量杂质的,ZrO,2,），常含二氧化铪杂质；,密度：,5.656.27g/cm,3,；,熔点：,2715,。,氧化锆晶型转变,单斜m-ZrO,2,四方t-,ZrO,2,立方c-ZrO,2,1,17,0,2370,950,2370,单斜相和四方相之间相互转化,在低温下锆离子趋向于形成配位数小于8的结构，即单斜相。,纯,ZrO,2,烧结冷却时,相变为无扩散相变，伴随产生约的体积膨胀和相当大的剪切应变（约）；相反，在加热时，由,相变，体积收缩。,常见的,ZrO,2,稳定剂是稀土或碱土氧化物，比如,Y,2,O,3,MgO CeO,2,CaO,。,机理：,稳定剂的阳离子在,ZrO,2,中具有一定的溶解度，可以置换其中的锆离子。而形成置换型固溶体，阻碍四方晶型,(t),向单斜晶型,(m),的转变，从而降低氧化锆陶瓷,t-m,相变的温度，使,t-ZrO,2,亚稳至室温。,部分稳定氧化锆陶瓷,(partially stabilized zirconia,，,PSZ),四方氧化锆多晶体陶瓷,(tetragonal zirconia polycrystal,，,TZP),氧化锆增韧陶瓷,(Zirconia Toughened Ceramics,，,ZTC),根据稳定程度不同，氧化锆相变增韧陶瓷有三种类型，分别为：,含有部分t-,ZrO,2,陶瓷在受到外力作用时微裂纹尖端产生张应力，松弛了四方相所受的压应力，微裂纹表面有一层四方相转变为单斜相。由于单斜相产生7%左右的体积膨胀和剪切应变导致压应力，不仅抵消了外力造成的张应力而且阻止进一步的相变。,应力诱导相变增韧,相变诱发微裂纹增韧,四方相转变为单斜相时体积膨胀导致的微裂纹,能在裂纹扩展过程中吸收能量，减少主裂纹的应力集中，起到提高断裂韧性的作用。,表面强化增韧,陶瓷材料的断裂往往是从表面拉应力超过断裂应力开始的。由于,ZrO,2,陶瓷烧结体表面存在基体的约束较少，,t,-ZrO,2,容易转变为,m,-ZrO,2,，而内部,t,-ZrO,2,由于受基体各方向的压力保持亚稳定状态。因此表面的,m,-ZrO,2,比内部的多，而转变产生的体积膨胀使材料表面产生残余的,压应力,，可以抵消一部分外加的拉应力，从而造成表面强化增韧。,颗粒弥散增韧,弥散增韧主要是在陶瓷基质中加入第二相,ZrO,2,粒子，这种颗粒在基质材料受拉伸时阻止横向截面收缩。而要达到和基体相同的横向收缩，就必须增加纵向拉应力，这样就使材料消耗了更多的能量，起到增韧作用,。,只有,ZrO,2,弥散粒子的直径小于室温相变临界颗粒直径（一般,1m,）时，才能使陶瓷基体内储存着相变弹性应变能，导致其韧性和强度均有不同程度提高。,(1),、,PSZ,（,Partially Stabilized Zirconia,）,当,ZrO,2,中加入适量的稳定剂时，形成的由,c-ZrO,2,和一部分,t-ZrO,2,组成的双相,ZrO,2,陶瓷，其中,c-ZrO,2,相是稳定的，而,t-ZrO,2,相是亚稳定的，在外力作用下有可能诱发,t,m,的转变，从而起到增韧作用。,Mg-PSZ,是最重要的部分稳定氧化锆陶瓷。一般是将含摩尔分数,6%10%MgO,的,ZrO,2,粉体成型后于,17001850,（立方相区）烧结，控制冷却速度快速冷却至,c + t,双相区后等温时效；或直接冷却至室温后在进行时效处理，使,t,相在过饱和,c,相中析出。,Mg-,PSZ,陶瓷分为两类：一类是在,14001500,处理后得到的高强型，抗弯强度为,800MPa,，断裂韧性为,10MPa,m,1/2,；另一类使在,1100,处理得到的抗热震型，抗弯强度为,600MPa,，断裂韧性为,815MPa,m,1/2,。,(2),、,TZP,（,Tetragonal Zirconia Polycrystals,）,由细晶粒的四方相组成的致密的氧化锆陶瓷。,TZP,可以看成是,PSZ,的一个分支，它在,t,相区烧结，冷却过程中不发生相变，室温下保持全部或大部分,t,相,。,按稳定剂区分可以分为,Y-TZP,、,Ce-TZP,等。,TZP,具有高强高韧的特性，抗弯强度可达,10002500MPa,，断裂韧性可达,1020,MPa,m,1/2,；耐磨性好、硬度高、导热系数低、热膨胀系数（,1210,-6,K,-1,）与铁及铁合金相匹配等优点。,主要问题：,存在着低温老化（在,300500,长期时效性能恶化）和高温失效（在接近相转变温度时性能迅速下降）的问题。,3,、莫来石陶瓷（,3Al,2,O,3,2Si,O,2, Mullite,）,以莫来石为主晶相的陶瓷材料。莫来石是,Al,2,O,3,Si,O,2,系中唯一稳定的二元化合物，其组成在,3Al,2,O,3,2,Si,O,2,到,2Al,2,O,3,Si,O,2,之间变化，,3Al,2,O,3,2,Si,O,2,为化学计量莫来石。,莫来石属于斜方晶系，由硅氧四面体有规则、交替连接成双链式的硅铝氧结构团，由六配位的铝离子把一条条双链连接起来，构成莫来石整体结构。,因莫来石是一种不饱和的具有有序分布氧空位的网络结构，其结构空隙大、比较疏松，因而具有许多独特的性能，如较低的热膨胀系数、低热导率和热容、低弹性模量等，因而具有良好的绝热和抗热震性及耐腐蚀性。高纯莫来石还表现出低的蠕变特性。因此是制备莫来石质窑具的极佳材料。,3,、莫来石陶瓷（,3Al,2,O,3,2Si,O,2, mullite,）,莫来石一般是由人工合成的。工业上多用天然高铝矾土、粘土或工业氧化铝等为原料，常用烧结或电熔法合成莫来石熔块，然后破碎成各种粒度的莫来石粉料。一般合成温度高于,1700,。,实验室一般用化学法（如,Sol-gel,法）合成高纯、超细的莫来石粉体。,莫来石质陶瓷通常是在,15501600,下常压烧结而成，纯莫来石陶瓷通常要在,1750,左右才能烧结。,莫来石陶瓷的主要性能,特性,数据,密度, g/cm,3,3.163.23,熔点, ,1890,10,杨氏模量, GPa,200220,硬度,67,介电常数,7,热导率, J/m,K,5.0,热膨胀系数, K,-1,(251500),5.5,10,-6,泊松比,0.2380.276,4,、氮化硅陶瓷（,Si,3,N,4, silicon nitride,）,以,Si,3,N,4,为主晶相的陶瓷材料。,Si,3,N,4,有两种晶型，,-,Si,3,N,4,和,-,Si,3,N,4,，均属于六方晶系，两者都是由,SiO,4,四面体共顶连接而成的三维空间网状结构。 ,-,相在高温下（,1650,）可转变为,-,相。 ,-,Si,3,N,4,多为等轴状晶粒，有利于材料的硬度和耐磨性； ,-,Si,3,N,4,多为长柱状晶粒，有利于材料的强度和韧性。,Si,3,N,4,是共价键很强的化合物，原子自扩散系数非常小，很难烧结。因此常常用两种方法达到其烧结致密化：一是加入烧结助剂（如,MgO,、,Al,2,O,3,、,Y,2,O,3,、,La,2,O,3,、,AlN,等），在高温下发生低共熔反应，形成液相，促进烧结；另一种是常用压力辅助烧结，如热压烧结,(HP),、气压烧结,(GPS),、热等静压烧结,(HIP),等。,赛隆陶瓷（,Sialon,）,在,Si,3,N,4,结构中固溶一定数量的,Al,和,O,形成的以,Si-Al-O-N,为主要元素的,Si,3,N,4,固溶体。,根据结构和组分的不同，可分为,-Sialon,、,-Sialon,和,O-Sialon,等。,-Sialon,是,-,Si,3,N,4,固溶体，其化学通,式为,Si,6-z,Al,z,O,z,N,8-z,（,0 z E,m,（,E,w,、,E,m,分别为晶须、基体的弹性模量），则晶须既可起到补强效果，又可起到增韧效果；,如果,E,w, E,m,，则晶须的主要作用是增韧。,热膨胀系数的匹配,晶须与基体之间热膨胀系数的匹配，主要影响了晶须基体之间的残余应力状态，从而影响了复合材料的力学性能。,Selsing,残余应力模型 ：,式中，,r,和,L,分别是晶须径向和轴向所受的残余热应力,m,、,E,m,和,m,分别为基体的热膨胀系数、弹性模量和泊松比，,w,、,E,w,和,w,分别为晶须的热膨胀系数、弹性模量和泊松比，,T,为温差,对于不同的晶须和基体，热膨胀系数的匹配问题可能存在着以下几种情况：,(1),、,沿晶须长度方向的,为正,。在这种情况下，基体的收缩大，晶须通过界面沿晶须方向在基体一侧产生张应力。此张应力如超过基体的抗拉强度时，在垂直于轴向发生微细裂纹，直至形成网状裂纹结构。,(2),、,沿晶须长度方向,为负,。在这种情况下，根据晶须与基体的结合状态，存在着两种情况：一种是若晶须与基体界面结合十分紧密，则沿晶须轴向方向基体受压应力作用，晶须受拉应力作用，这可导致材料的强度增加。此时，复合材料的最大强度则依赖于晶须的断裂强度。但是在另一种情况下，如果晶须基体的界面的结合强度不够大，则在界面上就会产生剪切滑动。,(3),、,沿晶须直径方向,为正,。在这种情况下，晶须与基体的界面承受压应力。这种情况一般与,(1),同时进行。,(4),、,沿晶须直径方向,为负,。在这种情况下，界面承受张应力，在界面处易产生剥离而形成空隙。,良好的晶须与基体的热匹配应该是：,二者的热膨胀系数应尽可能接近或晶须稍大于基体。,晶须和基体材料的化学相容性,晶须和基体之间的化学作用主要是指晶须和基体之间在界面上的化学反应。,如果晶须和基体之间存在着化学反应，则形成的界面层将是和晶须、基体都不同的新相。这种界面结合一般都是比较强的，不利于晶须基体界面的解离和晶须的增韧作用；,如果形成的新界面相与反应物的体积、热膨胀系数不同，则在界面上就会存在残余应力，影响界面的剪切强度。,晶须和基体之间的化学反应还可能使晶须的性能下降。因而在大多数情况下，晶须和基体之间界面的化学反应都是不利的，应该设法避免。,界面的化学相容性可以通过热力学方法进行分析判断。,几种常见的晶须补强的多相复合陶瓷材料界面可能发生的化学反应的热力学计算结果,晶须和基体之间界面的设计和调控,晶须和基体之间界面的结合状态直接影响了晶须的增韧补强作用，因此对复合材料的性能起了一个重要的决定作用。,界面结合太强，晶须对补强有贡献但无增韧效果，呈脆性断裂特性。界面结合力太弱，晶须不能有效地承担外界负载，既无补强又无增韧效果。只有当界面结合力适当时，界面才能有效地将载荷由基体传递给晶须，晶须,/,基体界面发生适当的解离，进而晶须才能起到明显的增韧补强作用。,界面的结合状态与基体和晶须本身的特性、二者之间的物理和化学相容性、以及晶须表面特性等因素有关。另外，晶界和界面的组成也严重地影响了界面的结合状态和晶须的增韧补强效果。,界面调控一般包括以下三方面内容：,(1).,助烧剂的选择和优化；,(2).,晶须的表面状态和处理；,(3).,界面的结晶化处理。,陶瓷材料的脆性本质,由于陶瓷材料的分子排列和化学键性质，决定了陶瓷材料中的晶粒位错密度低、滑移系统少、裂纹的成核和生长的能量小，从而决定了陶瓷材料的脆性本质。,2,、脆性本质和强韧化机理,(1),、陶瓷材料的脆性本质及其克服办法,克服陶瓷材料的脆性的办法,在临界应力下，陶瓷材料的裂纹失稳扩展的断裂条件为：,式中，,Y,裂纹形状因子，,E,弹性模量，,C,裂纹源尺寸，,i,断裂能，,K,IC,断裂韧性。,在低于临界应力以下时，裂纹仍能缓慢地扩展（慢裂纹扩展，,Slow Crack Growth,，简称,SCG,过程）。慢裂纹扩展的速率可表示为：,式中，,A,、,n,均为与环境有关的常数，,K,I,为应力场强度因子。,(2),、陶瓷材料的强韧化机理,纤维（或晶须）桥联（,bridging,）,纤维（或晶须）拔出（,pull-out),裂纹偏转（,crack deflection,）,颗粒钉扎（,pinning,）,延性颗粒的塑性变形（,plastic deformation,）,微裂纹增韧（,microcracking,）,相变增韧（,phase transformation,）,协同增韧（,synergistic toughening,）,