陶瓷基体复合材料

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,*,第七章陶瓷基体复合材料,目标与要求,了解陶瓷材料的特点,掌握常见的陶瓷基体及性能,掌握陶瓷基体复合材料增韧机理,掌握陶瓷基体复合材料主要的制备方法,了解陶瓷基复合材料的应用,7.1 陶瓷材料的特点,熔点高，耐高温,硬度大，耐磨性好,化学稳定性好，耐腐蚀,密度较小,韧性低（或脆性）,热膨胀系数较小，,抗热震性能差,化合物,熔点/,化合物,熔点/,化合物,熔点/,Al,2,O,3,2054,ZnO,1975,ZrN,2980,ZrO,2,2677,TiO,2,1857,Ti,2,B,2897,莫来石,1850,SiC,2837,TiC,3070,一些陶瓷材料的熔点/,使用温度,材料的密度,热膨胀系数,断裂韧性,因此，陶瓷材料的,韧性化问题,便成了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，探索出了若干种,韧化陶瓷的途径,。,现代陶瓷材料的研究，最早是从对,硅酸盐材料的研究,开始的，随后又逐步扩大到了其他的,无机非金属材料,。,目前被人们研究最多的是,碳化硅,、,氮化硅,、,氧化铝,等，它们普遍具有,耐高温,、,耐腐蚀,、,高强度,、,重量轻,和,价格低,等优点。,7.2常见的陶瓷基复合材料的基体,陶瓷基复合材料的基体,为,陶瓷,，这是一种包括范围很广的材料，属于,无机化合物,而不是单质，所以它的,结构远比金属合金复杂得多,。,陶瓷材料中的化学键往注是介于离子键与共价键之间的混合键。它们普遍具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量轻和价格低等优点。,常见的陶瓷基体有：1、,氧化物基体,， 2、,非氧化物陶瓷指金属碳化物,，,氮化物,、,硼化物,等 3、,微晶玻璃,1、氧化物陶瓷,主要由离子键结合，也有一定成分的共价键,纯氧化物陶瓷的熔点多超过,2000,。在,800,1000,以前强度降低不大,氧化物陶瓷在高温下不会被氧化，所以常做高温耐火结构材料,常见的基体材料有氧化铝和氧化锆陶瓷,1）,氧化铝陶瓷的主要性能,主要有具有、和三种晶型，其中和型是纯氧化铝，而型是含碱的铝酸盐,基体材料的氧化铝陶瓷主要是,-Al,2,O,3,，纯度为9999.5，密度3.753.85g/cm,3,，熔点2054。刚玉瓷具有很好的机械强度，加热到16001700仍保持很高的机械强度。化学稳定性好，与酸碱都不发生作用，常温下，也不与氢氟酸发生作用。具有很好的介电性，同时还可以作为透光度为80以上的制品。,2）氧化锆陶瓷,单斜变四方时体积收缩,7.7，,晶型转变产生明显的体积收缩或膨胀，可以加入一些的稳定剂，如,CaO,、,MgO,等，保持氧化锆的四方结构。,氧化锆熔点,2667,，热的不良导体，化学性能稳定。可作为耐火材料，熔融铂、铑、钛等金属的坩锅，最高温度可达,2500,。可用作火箭和喷气发动机的耐腐蚀部件。,2、非氧化物陶瓷,在自然界很少，需要人工合成。非氧化物陶瓷主要是共价键结合而成，但也有一定的金属键成分。这类陶瓷材料的熔点高、硬度大和耐磨性好。具有特殊的电磁和化学性质。但这类材料的脆性大，高温抗氧化能力不高，所以在高温氧化气氛中使用寿命有限。常见的基体材料有,碳化硅,和,氮化硅,陶瓷。,1）碳化硅陶瓷,和两种晶型， 为六方型多层链状结构。型为立方结构，在,2100,转变为型。无熔点，在,2830,发生分解。理论密度,3.21g/cm,3,，莫氏硬度9.2，耐磨性好，导热性好，热膨胀系数,4.710,-6,/,。化学稳定性好，除磷酸、硝酸和氢氟酸混合酸外，与所有的酸都不反应。碳化物中抗氧化能力最好。高温下能与金属氧化物发生反应,工业陶瓷中碳化硅有,黑色,和,绿色,两种，黑色是碳过量，绿色是硅过量,2）氮化硅陶瓷,氮和硅的唯一化合物。有、两中晶型，属于低温型，在,14001600,时转变为型（高温稳定型）。两种变体均属于六方晶系，但c方向上型晶格常数型的,2,倍。两种晶型密度很相近，相变时几乎不发生体积变化,。理论密度为,3.184g/cm,3,，布氏硬度99级，分解温度,1900,，型膨胀系数为,3.010,-6,/, ,型热膨胀系数为,3.610,-6,/,。,20,时电阻率为,10,1314,cm,。机械强度高，尤其是高温机械强度。化学稳定性好，抗氧化能力强,氮化硅原子自扩散系数非常小，制备难，近年来人们开始研究添加氧化铝形成的氮化硅固溶体形成,Sialon,陶瓷（赛隆，含有,Si、Al、O、N,四种元素）。,氮化硅是一种出色的耐腐蚀材料，可用作坩锅，热电欧保护管，金属冶炼炉的内衬材料。有极高的热稳定性和中等的机械强度，可以用作火箭喷嘴、导弹发射台和尾气喷管以及燃气轮叶片。,微晶玻璃,玻璃组成中引入晶核剂，通过热处理、光照或化学处理等手段，使玻璃内均匀析出大量微小晶体，形成致密的微晶相和玻璃相的,多相复合体,。控制析出的微晶的种类、数量和尺寸，可以获得透明微晶玻璃、膨胀系数为零的微晶玻璃及可切削的微晶玻璃。按照基础玻璃组成，分为,硅酸盐、铝硅酸盐、硼硅酸盐、硼酸盐和磷酸盐,5大类,7.3 陶瓷复合材料分类,按照用途分类,结构陶瓷复合材料,功能陶瓷复合材料,按照增强材料形态分类,颗粒增强陶瓷复合材料,纤维（晶须）增强复合材料,片材增强陶瓷复合材料,一、颗粒增强陶瓷复合材料,延性颗粒,过渡元素,(,铁、钴、镍、铬、钨、钼等）及其合金。复合材料韧性有明显提高，强度不足,刚性颗粒 主要是陶瓷颗粒,，,如,SiC,、,TiB,2,、,B,4,C,等，脆性问题没有解决,颗粒弥散强化,直径从纳米量级到几十个微米，利用弹性模量和热膨胀系数的差异，在冷却粒子和基体周围产生残余应力场。与扩展裂纹尖端应力交互作用，从而产生裂纹的偏转、绕道、分支和钉扎等效用，从而对基体产生增韧作用,真正的颗粒增强,颗粒尺寸处于微米量级，如混凝土、砂轮磨料,陶瓷基复合材料尤其是先进陶瓷基颗粒复合材料大多数是指,颗粒弥散增强,。成本低，复合材料呈各向同性。除了金属增韧粒子外，颗粒增强在高温下仍然起作用。,刚性颗粒增强,陶瓷复合材料的抗弯强度和断裂韧性都有所增加，但结果不甚理想，尤其是断裂韧性。,金属颗粒增强,陶瓷复合材料韧性可以显著增强，但强度变化不大，尤其是高温强度下降,颗粒增强陶瓷基复合材料增韧机理,热膨胀系数的失配,颗粒增强陶瓷基复合材料增韧机理,裂纹偏转和裂纹桥联,颗粒增强陶瓷基复合材料增韧机理,相变增韧,右图显示了,SiC,p,含量,对,SiC,p,/A1,2,O,3,复合材料性能的影响。,断裂强度,f,(MPa),SiC,p,含量(vol%),从中可以看出，在,5 SiC,p,时,强度出现峰值。,下图为,SiC,p,含量,对,SiC,p,/ Si,3,N,4,复合材料性能的影响。,SiC,p,含量（vol%）,断裂韧性K,IC,(MPa.m,1/2,),SiC,p,含量（vol%）,弯曲强度,f,(MPa),从中可以看出，在,SiC,p,含量为5时,强度及韧性达到了最高值。,二、纤维（晶须）增强陶瓷复合材料,晶须有石墨、碳化硅、氮化硅和氧化铝等,纤维多为多晶或非晶材料，如玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、氧化铝纤维和碳化硅纤维等。,纤维和晶须里面的缺陷和微裂纹很少，所以力学性能要优于块状材料，尤其是晶须的强度，接近理论强度。,纤维（晶须）增强陶瓷基复合材料增韧机理,目前常用的是SiC，Si,3,N,4,，Al,2,O,3,晶须，常用的基体则为Al,2,O,3,，ZrO,2,，SiO,2,，Si,3,N,4,及莫来石等。晶须增韧陶瓷基复合材料的性能与基体和晶须的选择，晶须的含量及分布等因素有关。,SiC,w,含量（vol%）,维氏硬度HV(GPa),弹性模量E,(GPa),SiC,w,含量（vol%）,弯曲强度,f,(MPa),SiC,w,含量（vol%）,断裂韧性K,IC,(MPa.m,1/2,),Al,2,O,3,+ SiC,w,复合材料的力学性能,从上面的讨论知道，由于,晶须具有长径比,，因此，当其含量较高时，因其,桥架效应,而使致密化变得因难，从而引起了密度的下降并导致性能的下降。,设计纤维或晶须增强复合材料选择纤维材料的原则：a，增强体要在基体中均匀分布；,b，弹性模量要匹配，一般纤维的强度、弹性模量要大于基体材料；,c，纤维与基体要有很好的化学相容性，无明显的化学反应或形成固溶体；,d，纤维与基体热膨胀系数要匹配，对热膨胀系数差别大的，可在纤维表面涂层或引入杂质使纤维和基体界面产生新相缓冲应力；,e，适量的纤维体积分数；,f，纤维直径要在临界直径以下。,连续长纤维增强陶瓷复合材料,的韧性、强度和模量都有不同程度增强，而且制备工艺复杂，不容易均匀分布。,短纤维（晶须）增强复合材料,可以明显改善韧性，但强度提高不够显著。晶须具有长径比，当其含量较高时，因其桥架效应而使致密化变得因难，引起了密度的下降并导致性能的下降。,复合材料的性能与基体的,气孔率,、,界面结合,有很大的关系,若将,晶须,与,颗粒,共同使用,，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，如使用,SiCw,与,ZrO2,来,共同增韧,，用,SiCw与SiCp,来,共同增韧,等。,维氏硬度HV(GPa),弹性模量E,(GPa),SiC,w,含量(vol%),(a),弹性模量E,(GPa),维氏硬度HV(GPa),ZrO,2,含量(vol%),(b),SiC,w,与,ZrO,2,复合增韧Al,2,O,3,的硬度与弹性模量,Al,2,O,3,+20mol%,ZrO,2,(Y,2,O,3,)+SiC,w,Al,2,O,3,+20mol%,ZrO,2,(Y,2,O,3,)+SiC,w,弯曲强度,f,(MPa),SiC,w,含量(vol%),断裂韧性K,IC,(MPa.m,1/2,),SiC,w,含量(vol%),SiC,w,与,ZrO,2,复合增韧Al,2,O,3,的强度与断裂韧性,三、片状增强陶瓷,由层片状陶瓷结构单元和界面分隔层两部分组成 ，陶瓷层一般由强度大、耐高温的的陶瓷材料，可以承受较大的应力，如,SiC、Si,3,N,4,、Al,2,O,3,和,ZrO,2,等陶瓷材料，分隔层根据基体材料而不同,7.4 陶瓷基复合材料的制备,陶瓷基复合材料,的制造分为两个步骤：,第一步是将,增强材料,掺入,未固结(或粉末状)的,基体材料,中，排列整齐或混合均勾；,第二步是运用,各种加工条件,在尽量,不破坏,增强材料,和,基体性能,的前提下，制成复合材料制品。,在加工制备复合材料时，应根据使用要求，针对不同的增强材料(纤维、晶须、颗粒)，选择相应的加工条件等因素。,物理因素：熔点、挥发度、密度、弹性模量、热膨胀系数、蠕变性能、强度、断裂韧性等。,化学因素：纤维和基体的化学相容性，尤其是高温的化学相容性,一、冷压和烧结法（粉末冶金法）,二、热压烧结法,三、热等静压烧结成型,四、渗透法,五、CVD、CVI法,六、溶胶-凝胶（Sol-Gel）法,七、热解(Pyrolysis)法,八、其他方法,具体的制备工艺,一、冷压和烧结法,传统的陶瓷生产工艺，是将粉末和纤维冷压，然后烧结。也可以在一定的条件下将陶瓷粉体和有机载体混合后，压制成型，除去有机黏结剂，然后烧结成制品。,在冷压和烧结法的生产过程中，通常会遇到烧结过程中制品收缩，同时最终产品中有许多裂纹的问题。在用纤维和晶须增强陶瓷基材料进行烧结时，除了会遇到陶瓷基收缩的问题外，还会使烧结材料在烧结和冷却时产生缺陷或内应力。,热压是目前制备纤维增强陶瓷基复合材料最常用的方法，是,压力与温度同时作用于粉体，加快了粉体的致密化速度，使得产品的致密度更高，同时晶粒尺寸也更小,。主要包括以下两个步骤：增强相渗入没有固化的基体中；,固化的复合材料被热压成型。,整个操作过程中纤维要特别小心对待，以防损坏纤维表面,二、热压烧结法,纤维,浸渍浆料,纤维缠绕在辊筒上,纤维裁剪铺层,压力,纤维/玻璃陶瓷复合材料,热压，800925,脱黏结剂， 500,热压纤维增强玻璃陶瓷基复合材料的工艺路线,三、热等静压烧结成型,将粉体装入橡胶或塑料等可变性容器中，密封后放入液体中加压而成。然后在气体介质高温和高压作用下，将基体与增强体烧结复合而成。,烧结过程中，第二相的存在，特别是晶须的架桥作用，阻碍陶瓷基体的致密化过程，而且晶须、纤维在高温下有更强烈的分解趋势，要求烧结的温度不能太高。,四、渗透法,在预制的增强材料坯件中使基体材料以固态、液态或气态的形式渗透制成复合材料。比较常用的是液相渗透。,由于熔融的陶瓷具有较高的黏度，通过对增强材料的表面处理，来提高其浸渍性，加压和抽真空这两种物理方法也可以被用来提高渗透性。优点是制造工艺简单，制品均匀。,五、CVD、CVI法,CVD法就是利用化学气相沉积技术，通过一些反应性混合气体在高温状态下反应，分解出陶瓷材料并沉积在各种增强材料上形成陶瓷基复合材料的方法。,CVI法 在CVD技术上发展起来并被广泛应用于各种陶瓷基复合材料。将化学气相沉积技术运用在将大量陶瓷材料渗透进增强材料预制坯件的工艺就称为化学气相渗透工艺。,六、溶胶-凝胶（Sol-Gel）法,运用胶体化学的方法，将含有金属化合物的溶液，与增强材料混合后反应形成溶胶，溶胶在一定的条件下转化成为凝胶，然后烧结成CMC的一种工艺。,反应温度要低于传统工艺中的熔融和烧结温度，,七、热解(Pyrolysis)法,使聚合物先驱体热解形成陶瓷基复合材料的方法。,如由聚碳硅烷生产SiC陶瓷基复合材料，陶瓷产量高、收低率缩、好的机械性能，同时聚合物本身容易制备。可用来生产SiC,f,/SiC和Si,3,N,4f,/SiC等陶瓷基复合材料。,八 其他方法,自蔓燃高温合成法,碳化物基复合材料（,如Al,2,O,3,/SiC、Al,2,O,3,/B,4,C、Al,2,O,3,/TiC),、氮化物基复合材料(,Al,2,O,3,/TiN,）,、,硼化物基复合材料(,Al,2,O,3,/TiN、TiC/TiB,2,）,原位生长工艺,如在氮化硅陶瓷在高压气氛中烧结生成,-Si,3,N,4,晶须,7.5,陶瓷基体复合材料应用,航空与火力发电方面,涡轮机燃烧室覆壁、涡轮盘、导向叶片和螺栓。减小质量，提高燃烧效率，减少有害气体排放，节省冷却系统。,石油化工,如催化剂载体、热交换器。耐高温、抗腐蚀。提高燃烧温度，提高热效率，减少有害气体排放,冶金材料,熔炼炉耐火材料，钢液过滤材料,生物工程,人类骨骼和牙齿的替代材料,机械与汽车工业,机械加工刀具、滑动构件。耐磨轴承、喷嘴。汽车方面火花塞、密封圈、涡轮转子等,航空与火力发电方面,用碳化硅晶须增强的氧化铝陶瓷复合材料刀具,作业,简述常见的陶瓷基体及特性,简述陶瓷基体复合材料的分类,不同增强体的增强机理是什么,常见的陶瓷基体复合材料制备方法有哪些,7.7 C/C,复合材料,由石墨纤维和石墨基体组成，具有高的烧蚀热、低烧蚀率，在抗热冲击和超热环境下具有高强度等优点。主要应用于以航天飞机鼻锥和机翼前缘的抗氧化碳/碳复合材料为代表。,碳/碳复合材料的发展,1958,年美国,chance,Vought,航空公司实验室一次失败的试验，意外发现碳纤维增强碳基体复合材料。,60,年代中期到,70,年代末期迅速发展的阶段。,现代空间技术，高强、高模量碳纤维，多种,CVD,沉积碳基体工艺技术,80,年代后逐步成熟,预成型体的结构设计和多向编织加工技术日趋发展成熟；复合材料的致密化工艺逐渐完善,一、C/C,复合材料的制备,1、预制体的制备,2、预制体与基体的复合,1、碳纤维预制体的制备,碳纤维的选择,碳纤维编织结构的设计,1）,碳纤维的选择,通常使用,加捻,、,有涂层,的连续碳纤维纱。 用作,结构材料,时选择,高强度,和,高模量,的碳纤维。要求,热导率低,时，选择,低模量,的碳纤维。 总之，应该从,价格,、,预制体纺织形态,、,性能,以及,稳定性,等多方面因素选择碳纤维。,2）,碳纤维编制结构设计,按照增强方式可分为单向纤维增强、二维织物或多向织物增强,单向和二维大多是将碳纤维、碳纤维平面编织物或碳毡等预先浸渍高碳化的沥青或树脂，形成预浸片，按设计要求搭层或铺层、再进行二次固化获得预成型体,单向增强可以在一个方向上获得高拉伸强度的碳/碳复合材料,纤维层,基体,多层纤维按不同角度方向层压示意图,纤维层,基体,纤维布层压复合材料示意图,两向编织物有平纹和缎纹两种。编织物的性能决定于相邻两股纱的,间距,、纱的,尺寸,、,每个方向上纱的百分含量,、,纱的填充效率,以及,编制图案的复杂性,。,两向碳/碳复合材料在平行于布层的方向上拉伸强度比石墨纤维高，并且提高了抗热应力性能和断裂韧性，容易制造大尺寸形状复杂的部件。缺点是垂直于布层方向上的拉伸强度较低，层间剪切强度低，易产生分层。,2）,碳纤维编制结构设计,平纹、斜纹、缎纹,多向编织技术能够对载荷进行设计，保证复合材料中纤维的正确排列方向以及每个方向上纤维的含量。,最简单的,多向编制,是,三向正交,结构。纤维按照三维直角坐标轴x、y、z排列，形成直角块状预制体。 三向正交结构的基础上，编制,四、五、七和十一,向增强的预制体,制造多向预制体的方法有：干纱编织、织物缝制、预固化纱的编排、纤维缠绕以及上述方法的组合。,X,Y,Z,三维,C/C,编制结构,多维编织的碳碳复合材料预成型体结构,(b) 5维结构,2、,预制体与基体的复合,液态热浸渍分解法,化学气相沉积法,1）液态热浸渍分解法,将先驱体浸入预制体，然后固化、高温下,（6501100）,碳化或直接碳化，碳化后还要在更高的温度,（26002750）,进行石墨化和抗氧化处理。,常见的前驱体有,热固性树脂,和,沥青,两类，热固性树脂常用,酚醛树脂,和,呋喃树脂,，沥青中常用,煤焦油沥青,和,石油沥青,。,树脂浸渍、固化、碳化体积收缩示意图,选择先驱体时要考虑液体的,粘度,、,碳收获率,、,碳的微观结构,和,晶体结构,。这些都与制备过程中的,压力,、,温度,、,时间,有一定的关系。,热固性树脂,热解转化为碳，其质量转化率为5056。酚醛树脂的收缩率为20，但收缩率对多向预制体的影响要小于两向结构,沥青,是热塑性的，软化点低（400），粘度低，产碳率高。沥青作为先驱体不需要固化，直接热解。常压下沥青的产碳率为50左右,。10MPa氮压和550下产碳率为90,树脂浸渍法,程序,：酚醛树脂,制备溶液 ,（真空）浸渍预成型体,预固化,碳化（树脂体积收缩）,再浸渍 ,固化 ,碳化, ,致密化。,浸渍,温度为50左右。有时也施加一定的压力35Mpa,酚醛树脂的,固化,压力为1Mpa，固化温度140170，保温2h,在氮气或氩气保护下进行,碳化,，温度为6501100,沥青浸渍工艺,先进行真空浸渍，250然后加压浸渍。600700加压碳化,浸渍热处理需要多次循环多次，直到得到一定密度的复合材料。,沥青碳化率随沥青中高分子量化合物的增加而增加；随着碳化时压力的增加，沥青的碳化率有明显的提高。,压力沥青浸渍 碳化工艺（PIC）热等静压浸渍预制体，温度650700，压力7100Mpa。,2)化学气相渗透法,（CVI）,将碳氢化合物，如甲烷、丙烷、天然气等通入预制体，并使其分解，析出碳沉积在预制体中。有以下几种方法：,等温法,温度不能太高，碳的扩散速度低于沉积速度。碳基体性能均匀，可批量生产，但时间长，容易产生裂纹,温度梯度法,接近预制体外表面温度最高，碳的沉积径向发展。沉积速度快，周期短，效率较低,差压法,碳氢化合物在正压下导入预制体，在预制体壁两边产生压差，使气体流过间隙。,扩散与沉积速度对空隙封闭影响,CVI,法缺点,：沉积碳容易阻塞预制体上面的间隙，容易在基体内部形成密封的小孔，随后长大成较大的空隙，降低复合材料的密度。周期长。补救方法是与液体浸渍法联合应用。,3、石墨化处理,对碳/碳复合材料进行24002800的高温热处理，使N、H、O、K、Na 、Ca 等杂质溢出，碳发生晶格结构的转变。,石墨化处理后，碳碳复合材料的强度和热膨胀系数均降低，热导率、热稳定性、抗氧化性以及纯度都有所提高。,石墨化程度主要取决于石墨化温度。石墨化处理使许多闭气孔变为通孔，有利于进一步浸渍致密化。,4、抗氧化处理,抗氧化涂层法,在碳碳复合材料表面进行耐高温氧化材料涂层，阻止与碳碳复合材料的接触,抑制剂法,在碳/碳复合材料的基体材料中加入容易通过氧化而形成玻璃态的物质。高温下生成的氧化物流动并填充复合材料的孔隙，从而隔开碳与氧的接触和防止氧扩散,抑制剂法,比较经济而有效的主要有B,2,O,3,、B,4,C、Zr,2,B等硼化物。硼氧化后形成B,2,O,3,类硼酸盐玻璃，具有低的粘度和熔点，很容易流动并填充复合材料的孔隙，从而隔开碳与氧的接触和防止氧扩散。,大都用于600,C以下的氧化防护，也可用于与高温涂层结合的复合抗氧化保护体系中。,抗氧化涂层法,防氧化涂层特性：,与复合材料适当的粘结性；,与复合材料适当的热膨胀系数匹配，避免热循环造成热应力引起涂层剥落；,低的氧扩散渗透率，即较高的阻止氧扩散能力；,与复合材料的相容稳定性，防止与碳发生氧化还原反应，和碳通过涂层扩散氧化；,低挥发性。,主要有硅基陶瓷涂层，如,SiC,、,Si,3,N,4,等,1500,C,以下的抗氧化防护 SiC和Si,3,N,4,类陶瓷是较好的抗氧化陶瓷涂层,1500 1800C的抗氧化防护 比较成功的是硅基陶瓷复合涂层，即SiO,2,/SiC复合涂层。SiO,2,为复合涂层的外涂层，SiC为与复合材料接触的内涂层。,1800C以上的耐高温氧化材料主要有ZrO,2,、HfO,2,、Y,2,O,3,和ThO,2,。最外层是耐高温氧化物以保持高温稳定性和抗侵蚀；次外层为低氧渗透率的SiO,2,作为氧阻挡层，并可封接最外层的裂纹；第三层为耐高温氧化物层，以保持结合性；最底层为碳化物层,三、C/C,复合材料的性能,属于脆性材料，断裂应变小，,0.12,2.4,。,但适量的界面结合强度，裂纹在界面偏转，材料表现出“假塑性”，,膨胀系数小，高温热应力小，具有良好的尺寸稳定性。热导率高，为,574.6,680.4kW/(m,),；比热高，随温度所上升而升高，可以存储热能,烧蚀热大，烧蚀率小,碳,/,碳复合材料化学稳定性好。耐氧化能力差，可以在表面涂抗氧化层或加入抗氧化物质,。,代表特性,TOKAREC,28S,单位,表现密度,1.48,g/cm,3,抗折强度,170,Mpa,抗拉强度,100,Mpa,电阻率,26,m,导热率,2.8,W/mk,热膨胀系数 （室温至450）,0.08,10,/,TOKAREC,碳_碳复合材料是一种由高强度碳素纤维和碳素基质构成的材料。该材料具有出色的机械特性，适用于各种高温用途。,碳碳复合材料属于脆性材料，其断裂应变较小，在2.4以下。但是，其应力应变曲线呈现出“假塑性效应”。,四、碳/碳复合材料的应用,作为高温结构材料，耐高温，高温力学性能好，烧蚀率低，可以用在航空航天的飞行器头部材料，作为航天发动机材料、刹车材料,在生物医学方面 在人造关节、人造骨骼方面已经有了初步的应用。,碳/碳复合材料制造的刹车零件,对于火箭来说，要求耐烧蚀的部位是发动机燃烧室和喷管系统。由喷管喷出数干度的高温高压气体，把推进剂燃烧产生的热能转换为推进动能。,作业,碳碳复合材料的制备方法都有哪些步骤？,C/C复合材料预制体渗碳都有哪些方法，各有什么优缺点？,C/C复合材料抗氧化处理都有那些方法？各适用的温度是多少,C/C复合材料都要哪些性能特点？,裂纹垂直于纤维方向扩展示意图,实际材料断裂过程中，纤维的断裂,并非发生在同一裂纹平面,，这样主裂纹还将沿纤维断裂位置的不同而发生裂纹转向。这也同样会使裂纹的扩展阻力增加，从而使韧性进一步提高。,单向排布纤维增韧陶瓷只是在纤维排列方向上的纵向性能较为优越，而其横向性能显著低于纵向性能，所以只适用于单轴应力的场合。而许多陶瓷构件则要求在二维及三维方向上均具有优良的性能，这就要进一步研究多向排布纤维增韧陶瓷基复合材料。,7.5 SiC,基体材料,理论密度,3.21g/cm,3,，不同的制备工艺，碳化硅的致密度不同，密度会略有减小,材料,制备温度/,抗弯曲强度（室温，三点）/MPa,密度/(g/cm,3,),弹性模量/ (10,3,MPa),线膨胀系数（201000,）/（10,-6,）,热压SiC,18002000,718760,3.193.20,440,4.8,CVD SiC,涂层,12001800,731993,2.953.21,480,重结晶SiC,16001700,约170,2.60,206,烧结SiC（,掺入,SiCB,4,C）,19502100,约280,3.11,烧结SiC（掺入B）,19502100,约540,3.10,420,4.9,反应烧结SiC,16001700,159424,3.093.12,380420,4.45.2,碳化硅常见制备方法,1、反应烧结 用-SiC粉末与碳混合，成型后放在盛有硅粉的炉子中加热16001700，利用Si和C的反应生成-SiC与原有的-SiC结合在一起。,2、热压烧结，加入B,4,C、Al,2,O,3,烧结剂；,3、常压烧结，在SiC粉体中加入B(B,4,C)-C、Al(AlN)-C、Al,2,O,3,等助结剂；烧结温度2100；,4、浸渍法 在聚碳硅烷作为结合剂加入硅粉中，烧结得到多孔SiC制品，然后再置入聚碳硅烷中，再烧结，反复多次，密度可以达到理论密度的90。,SiC,基体复合材料,颗粒增强复合材料,晶须增强复合材料,连续纤维增强复合材料,颗粒弥散增强,SiC,复合材料,增强机理,：分担载荷、参与应力和裂纹偏转等。增强体主要有碳化物、硼化物颗粒。,最近还有人研究了三元增强剂,Ti,3,SiC,2,复合材料，三元化合物,Ti,3,SiC,2,具有层状结构，同时具有金属和陶瓷的许多优良性能而受到广泛的关注，试验证明,Ti,3,SiC,2,/SiC,复合材料具有优异的高温性能。,晶须增强,SiC,基复合材料,主要为SiC晶须。主要的增韧机理是裂纹扩展遇到高强度的晶须，裂纹会偏转而沿着晶须与基体扩展，增加材料的断裂功。,制备方法：,化学气相渗透法,有机硅聚合物浸渍烧成法,考虑到工艺温度的稳定性，所以仍主要选择,SiC,晶须。,SiC,晶须增强,SiC基体,时，不必考虑,弹性模量,和,膨胀系数,不同的问题，也不存在颗粒弥散增强复合材料中的,残余应力韧化,。,无反应界面,中的增强相与基体直接结合形成原子键合的共格界面或半共格界向，有时也形成非共格界面，对提高复合材料的强度有利。,有反应界面,则是在增韧体与基体之间形成一层中间反应层，将基体与增韧体结合起来。这种界面层一般都是低熔点的非晶相，非晶层的存在有利于复合材料的致密化，但对材料的高温性能不利。,连续纤维增强,SiC,基复合材料,增强剂主要有,C,纤维,和,SiC,纤维,制备方法主要有,热压法,、,反应烧结,、,有机硅聚合物浸渍烧成法,，,CVI,（化学气相渗透）,等,C纤维增强SiC复合材料性能以及裂纹扩展照片,材料,弯曲强度,/MPa,剪切强度,/MPa,拉伸强度,/MPa,室温,1300,1600,C,f,/SiC,460,447,457,45.3,323,SiC,f,/SiC,860,1010,67.5,551,C,f,/SiC和SiC,f,/SiC,复合材料的室温和高温强度,材料,断裂韧性,/MPam,1/2,断裂功,/kJm,-2,C,f,/SiC,20.5,10.0,SiC,f,/SiC,41.5,28.1,C,f,/SiC,和,SiC,f,/SiC,复合材料的断裂韧性和断裂功,材 料,整体陶瓷,颗 粒 增 韧,相 变 增 韧,AlB,2B,0B,3B,SiC,AlB,2B,0B,3B,/TiC,SiB,3B,NB,4B,/TiC,ZrOB,2B,/MgO,ZrOB,2B,/YB,2B,OB,3B,ZrOB,2B,/ AlB,2B,0B,3B,断裂韧性,MPa/mP,1/2P,2.7,4.2,4.5,6.0,4.2,4.5,4. 5,912,6 9,6.5,15,裂纹尺寸,大小,m,1.3,36,41,74,36,41,41,165 292,74,165,86,459,材 料,晶须增韧,纤 维 增 韧,SiC/ AlB,2B,0B,3B,SiC/硼硅玻璃,SiC/锂铝硅玻璃,铝,钢,断裂韧性,MPa/mP,1/2P,8 10,1525,1525,33,44,44,66,裂纹尺寸,大小,m,131204,