复合材料概论基体材料ppt课件.ppt

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1、2022/11/9,上海大学,1,复合材料及其应用 Composite Materials and their Application,冯鹤Office：材料大楼 361室Tel：021-66138019E-mail: ,上海大学材料学院电子信息材料系,2,二、基体材料,概述 聚合物基 金属基 无机非金属基,上海大学材料学院电子信息材料系,3,2.1 基体材料概述,基体的作用: 固结增强相，均衡载荷和传递应力,保持基本性质。选材原则： 强度、刚度等力学性能，只作一般性考虑。 两者相容性，环境适应性，工艺性，重点考虑。,上海大学材料学院电子信息材料系,4,相容性： 化学性质稳定，润湿性好，膨胀系

2、数差要小，以确保两相界面具有足够的结合力。环境适应性： 耐热、耐蚀、抗老化和适当的硬度。工艺性： 制备是否方便，成本是否合适、低廉等。,上海大学材料学院电子信息材料系,5,2.2 基体材料 聚合物基,1、 前 言特 点： 一般在室温或低温下进行复合成型，工艺性好；可选择的增强材料范围广泛，成本最低。研究与应用： 发展最早，品种最多，应用最广。可选材料： 几乎所有的热固性、热塑性聚合物。包括橡胶、粘结剂等。,上海大学材料学院电子信息材料系,6,(1) 按树脂热行为: 热固性及热塑性。,2聚合物基体材料的分类,(2) 按聚集态结构: 非晶(或无定形)和结晶,(3) 按树脂特性及用途： 一般用途树脂

3、、耐热性树脂、耐候性树脂、 阻燃树脂等。,(4) 按成型工艺： 手糊树脂、喷射树脂、胶衣树脂、 缠绕树脂、拉挤树脂等。,上海大学材料学院电子信息材料系,7,由饱和二元酸、不饱和二元酸与二元醇经缩聚反应合 成的线型预聚体。,热固性聚合物 （-OH、-NH2-、-OCNH-、-CH=CH-）,A、结构特征：,不饱和二元酸结构,+,+,饱和二元酸结构,1、不饱和聚酯树脂,上海大学材料学院电子信息材料系,8,邻苯型不饱和聚酯：,间苯型不饱和聚酯：,双酚型不饱和聚酯：,B、不饱和聚酯树脂种类,上海大学材料学院电子信息材料系,9,物理性质： 耐热性； 力学性能； 耐化学腐蚀性能； 介电性能良好； 固化时体

4、积收缩率较大。化学性质 ： 共聚、交联反应； 水解反应； 耐碱性较差； 增粘特性。,C、不饱和聚酯树脂性质,上海大学材料学院电子信息材料系,10, 引发剂,D、不饱和聚酯的固 化及其特点,- 苯胺类和有机钴。室温固化,促进剂, 固化剂,- 乙烯、苯乙烯、丁二烯等烯类单体。,- 过氧化物（加热固化）,上海大学材料学院电子信息材料系,11,特 点 粘度低，工艺性好。 综合性能好，价廉，用量约占80% 。 苯乙烯等挥发大有毒，体积收缩大，耐热性、 强度和模量较低。 一般不与高强度的碳纤维复合，与玻璃纤维复 合制作次受力件。,上海大学材料学院电子信息材料系,12,双酚型环氧树脂：,酚醛环氧树脂：,2、

5、环氧树脂,上海大学材料学院电子信息材料系,13,CH2 - CH - CH2Cl + n(HO - - R - - OH),环氧氯丙烷,二酚基化合物,a、双酚型,（A）结构与种类,上海大学材料学院电子信息材料系,14,其中R:,CH3- C -CH3A 丙基,- CH2 - F 亚甲基,O- S -OS 砜,双酚型环氧含硬性苯环，链刚性较高，只能用聚合度低的树脂。耐热性好，强度高，韧性差。固化特点： 环氧活性基主要在链两端，固化交联点不高。,上海大学材料学院电子信息材料系,15,b、非双酚型 酚醛环氧树脂,链内含有环氧基，交联密度高，结合强度及耐热性 均提高。 三聚氰酸环氧含三氮杂环，有自熄性

6、，耐电弧性好。,上海大学材料学院电子信息材料系,16,c、有机硅环氧树脂d、 胺基环氧树脂 : 四官能团胺基环氧树脂 对氨基苯酚环氧树脂 e、 脂环族环氧树脂f、 脂肪族环氧树脂,上海大学材料学院电子信息材料系,17,环氧树脂分子中都含有活泼的环氧基团，可与多种固化剂交联，形成网状结构。 常用固化剂： 胺（二元胺）类固化剂、酸酐（二元酸酐）类固化剂、咪唑类固化剂、潜伏性固化剂。 潜伏性固化剂/潜伏剂： 单组份产品可加入潜伏剂，如双氰胺，室温下可存放6个月，145 165下，80min可固化。,（B）环氧树脂固化,上海大学材料学院电子信息材料系,18, 粘附力好，韧性较好，收缩率低。复合材料 强

7、度高，尺寸稳定。 电性能好。介电强度高，耐电弧优良的绝缘 材料。 化学稳定性。 热稳定性良好。 固化方便。,（C）环氧树脂特点,上海大学材料学院电子信息材料系,19,酚类和醛类的缩聚产物通称为酚醛树脂，一般常指由苯酚和甲醛经缩聚反应而得的合成树脂，它是最早合成的一类热固性树脂。 由酚 和醛 缩合而成。酚/醛 0.9，碱催化可得体型热固性树脂。,OR C - H,（1）概 述,3、酚醛树脂,上海大学材料学院电子信息材料系,20,大量用于粉状模压塑料、短纤维增强塑料，少量用于玻璃纤维复合材料、耐烧蚀材料等，很少使用在碳纤维和有机纤维复合材料中。,上海大学材料学院电子信息材料系,21,（2）酚醛树脂

8、种类,(a) 氨酚醛树脂： 2124酚醛树脂、 1184酚醛树脂、 616酚醛树脂。 (b) 镁酚醛树脂： 351酚醛树脂； (c) 钡酚醛树脂；(d) 钠酚醛树脂：2180酚醛树脂。(e) 改性酚醛树脂。,上海大学材料学院电子信息材料系,22,（3）酚醛树脂的改性,改性一般通过下列途径： 封锁酚羟基 在酚醛树脂制造过程中留下的酚羟基易吸水，使固化制品的电性能、耐碱性和力学性能下降。在热或紫外光作用下生成醌或其它结构，造成颜色的不均匀变化。 引进其它组分 引进与酚醛树脂发生化学反应或与它相容性较好的组分，分隔或包围羟基，从而达到改变固化速度，降低吸水性的目的。,上海大学材料学院电子信息材料系,

9、23,改性的酚醛树脂,聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂聚酰胺改性酚醛树脂 环氧改性酚醛树脂 有机硅改性酚醛树脂 硼改性酚醛树脂* 二甲苯改性酚醛树脂 二苯醚甲醛树脂 苯胺改性酚醛树脂,上海大学材料学院电子信息材料系,24,（4）酚醛树脂的固化与固化剂,酚醛树脂固化方法有两种： (1) 加热固化； (2) 通过加入固化剂使树脂发生固化。常用的固化剂有两类： （a）六次甲基四胺，用量1015 （b）有机酸：苯磺酸、甲基苯磺酸、苯磺酰氯、石油磺酸、硫酸硫酸乙酯等。用量810。,上海大学材料学院电子信息材料系,25,特 点： 耐热性高，可达315、价格最低。 粘附性较差，收缩率大,成型压力高、制品气孔 率高，

10、性脆。改 性： 引入柔性链。如：聚乙烯醇缩丁醛 降低树脂中 -OH 基的含量。如：以苯胺或二甲 苯取代部分苯酚。提高电性能。 硼酸改性酚。吸水性、耐热性、脆性和电学性能 均提高。,（5） 酚醛树脂的特点和应用,上海大学材料学院电子信息材料系,26,应 用：,一般酚醛树脂不与碳纤维复合，与玻璃纤维复合后，多用于电器绝缘材料。但是经改性的酚醛树脂可以与碳纤维进行较好的复合使用。 由于酚醛树脂碳含量高78，碳化收率达63，因此可用于制作瞬时耐高温烧蚀材料，用于导弹、航天器载入大气层的防护层。,上海大学材料学院电子信息材料系,27,（6） 其它热固性树脂,三聚氰胺甲醛树脂 呋喃树脂 聚丁二烯树脂有机硅

11、树脂聚氨酯树脂,上海大学材料学院电子信息材料系,28,热塑性树脂,1、何为热塑性树脂？2、热塑性热固性树脂比较： 力学性能、耐热性、抗老化性等都较差。 工艺简单、周期短、成本低、密度小、应用广。3、热塑性树脂种类： 聚烯烃、氟树脂、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚砜、聚甲醛、聚丙烯-十二烯-苯乙烯（ABS树脂）、聚苯乙烯-丙烯腈（SAN或AS树脂）,上海大学材料学院电子信息材料系,29,CO-(CH2)m-CONH-(CH2)n-NH链中含大量酰胺键，链间以氢键连接。结合力强，强度高，耐磨性好。使用温度100，吸水率高。 常用品种：尼龙6、66、1010、610等。,（1） 聚丙烯,（2） 聚酰胺（

12、尼龙）,柔性无极性链。与纤维浸润性、结合力较差。复合增强效果有限。原料来源广泛，价格低，普通民用。,上海大学材料学院电子信息材料系,30,由双酚A的钠盐 与 碳酸双酰氯缩聚而成,（3） 聚碳酸酯,刚性苯环，Tm = 225 250, Tg = 145； 变形小，抗蠕变，尺寸稳定。可与玻璃纤维和碳纤维复合。,上海大学材料学院电子信息材料系,31,以砜和苯环连结成硬性链，可在100150下长期使用，Tg 200； S+6处于最高价，抗氧化，耐辐射；抗蠕变，尺寸稳定。成型温度太高，达300。 可与碳纤维复合。用于宇航和汽车工业。,（4） 聚 砜,上海大学材料学院电子信息材料系,32,此外：耐高温的聚

13、酰亚胺、双马来酰亚胺等杂环结构的聚合物，耐温可达300400，也常作为复合材料的基材。 聚苯硫醚被认为是目前耐热性最佳的聚合物之一 ；聚芳醚酮对碳纤维有较好的粘结性，具有高强度、耐高温、耐化学腐蚀、耐辐射、良好阻燃性和易加工的综合性能等。,(5) 其它的高性能热塑性树脂,.金属基体材料的选择原则（1）根据金属基复合材料的使用要求（2）根据金属基复合材料组成特点（3）基体金属与增强体的相容性,2.3 基体材料 金属基材料,金属基复合材料是以金属为基体，以高强度的第二相为增强体而制得的复合材料。因此，对这种材料的分类既可按基体来进行、也可按增强体来进行。,一、金属基复合材料的种类,1按基体分类(1

14、)铝基复合材料(2)镍基复合树树(3)钛基复合材料,这是在金属基复合材料中应用得最广的一种。由于铝的基体为面心立方结构，因此具有良好的塑性和韧性，再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及价格低廉等优点，为其在工程上应用创造了有利的条件。,(1)铝基复合材料,在制造铝基复合材料时，通常并不是使用纯铝而是用各种铝合金。这主要是由于与纯铝相比，铝合金具有更好的综合性能。至于选择何种铝合金做基体，则根据实际中对复合材料的性能需要来决定。,这种复合材料是以镍及镍合金为基体制造的。由于镍的高温性能优良，因此这种复合材料主要是用于制造高温下工作的零部件。,(2)镍基复合材料,人们研制镍基复合材料的一个重要目的

15、，即是希望用它来制造燃汽轮机的叶片，从而进一步提高燃汽轮机的工作温度。但目前由于制造工艺及可靠性等问题尚未解决，所以还未能取得满意的结果。,钛比任何其它的结构材料具有更高的比强度。此外，钛在中温时比铝合金能更好地保持其强度。 因此，对飞机结构来说，当速度从亚音速提高到超音速时，钛比铝合金显示出了更大的优越性。,(3)钛基复合材料,随着速度的进一步加快，还需要改变飞机的结构设计，采用更细长的机冀和其它冀型，为此需要高刚度的材料，而纤维增强钛恰可满足这种对材料刚度的要求。,基体和增强体的热膨胀系数,钛基复合材料中最常用的增强体是硼纤维，这是由于钛与硼的热膨胀系数比较接近，如下表所示。,2. 按增强

16、体分类(1)颗粒增强复合材料(2)层状复合材料(3)纤维增强复合材料,(1)颗粒增强复合材料这里的颗粒增强复合材料是指弥散的硬质增强相的体积超过20的复合材料，而不包括那种弥散质点体积比很低的弥散强化金属。,此外，颗粒增强复合材料的颗粒直径和颗粒间距很大，一般大于1um。在这种复合材料中，增强相是主要的承载相，而基体的作用则在于传递载荷和便于加工。,(2)层状复合材料这种复合材料是指在韧性和成型性较好的金属基体材料中，含有重复排列的高强度、高模量片层状增强物的复合材料。,层状复合材料的强度和大尺寸增强物的性能比较接近。因为增强薄片在二维方向上的尺寸相当于结构件的大小。,(3)纤维增强复合材料,

17、金属基复合材料中的纤维根据其长度的不同可分为长纤维、短纤维和晶须，它们均属于一维增强体。因此，由纤维增强的复合材料均表现出明显的各向异性特征。,当韧性金属基体用高强度脆性纤维增强时，基体的屈服和塑性流动是复合材料性能的主要特征，但纤维对复合材料弹性模量的增强具有相当大的作用。,根据金属基复合材料的使用要求根据金属基复合材料组成特点基体金属与增强体的相容性,二.金属基体材料的选择原则,1. 根据金属基复合材料的使用要求金属基复合材料构件的使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据。如在航天、航空技术中，高比强度和比模量以及尺寸稳定性是最重要的性能要求；作为飞行器和卫星的构件宜选用密度小的轻金属合

18、金（如镁合金和铝合金）作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、硼纤维等组成石墨/镁、石墨/铝、硼/铝复合材料。,高性能发动机则要求复合材料不仅有高比强度和比模量，还要具有优良的耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中正常工作。此时不宜选用一般的铝、镁合金，而应选择钛合金、镍合金以及金属间化合物作为基体材料。如碳化硅/钛、钨丝/镍基超合金（高温合金）复合材料可用于喷气发动机叶片、转轴等重要零件。,在汽车发动机中要求其零件耐热、耐磨、导热、一定的高温强度等，同时又要求成本低廉，适合于批量生产，因此选用铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤维组成颗粒（短纤维）/铝基复合材料。如碳化硅/铝复合材料、碳纤维或氧化铝纤

19、维/铝复合材料可制作发动机活塞、缸套等零件。,工业集成电路需要高导热、低膨胀的金属基复合材料作为散热元件和基板。因此，可以选用具有高导热率的银、铜、铝等金属为基体与高导热性、低热膨胀的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒复合成具有低热膨胀系数和高导热率、高比强度、高比模量等性能的金属基复合材料。,2. 根据金属基复合材料组成特点选用不同类型的增强材料如连续纤维、短纤维或晶须，对基体材料的选择有较大影响。,例如在连续纤维增强的复合材料中，基体的主要作用应是以充分发挥增强纤维的性能为主，基体本身应与纤维有良好的相容性和塑性，而并不要求基体本身有很高的强度。因此，考虑到要充分发挥纤维的作用，希望

20、选用塑性较好的基体。实验证明，此时如果采用较高强度的合金材料，复合材料的性能将有所降低。如碳纤维增强铝基复合材料中，纯铝或含有少量合金元素的铝合金作为基体比高强度铝合金要好得多，使用后者制成的复合材料的性能反而低。在研究碳铝复合材料基体合金的优化过程中发现，铝合金的强度越高，复合材料的性能越低。这可能与基体和纤维的界面状态、脆性相的存在、基体本身的塑性等有关。,相反。对于非连续增强（颗粒、晶须、短纤维）金属基复合材料，基体的强度对复合材料具有决定性的影响，因此，要选用较高强度的合金来作为基体。所以，要获得高性能金属基复合材料必须选用高强度铝合金作为基体，这与连续纤维增强金属基复合材料基体的选择

21、完全不同。如颗粒增强铝基复合材料一般选用高强度铝合金（如A365，6061，7075）为基体。,3. 基体金属与增强物的相容性首先，由于金属基复合材料需要在高温下成型，制备过程中，处于高温热力学非平衡状态下的纤维与金属之间很容易发生化学反应，在界面形成反应层。界面反应层大多是脆性的，当反应层达到一定厚度后，材料受力时将会因界面层的断裂伸长小而产生裂纹，并向周围纤维扩展，容易引起纤维断裂，导致复合材料整体破坏。,其次，由于基体金属中往往含有不同类型的合金元素，这些合金元素与增强物的反应程度不同，反应后生成的反应产物也不同，需在选用基体合金成分时充分考虑，尽可能选择既有利于金属与增强物浸润复合，又

22、有利于形成合适稳定的界面合金元素。,如碳纤维增强铝基复合材料中，在纯铝中加入少量的Ti，Zr等合金元素可明显改善复合材料的界面结构和性质，大大提高复合材料的性能。用铁、镍作为基体，碳纤维作为增强物是不可取的。因为Ni，Fe元素在高温时能有效地促使碳纤维石墨化，破坏了碳纤维的结构，使其丧失了原有的强度，使复合材料性能恶化。,结构用金属基复合材料的基体 用于各种航天、航空、汽车、先进武器等结构件的复合材料一般均要求有高的比强度和比刚度，因此大多选用铝及铝合金、镁及镁合金作为基体金属。目前研究发展较成熟的金属基复合材料主要是铝基、镁基复合材料，用它们制成各种高比强度、高比模量的轻型结构件，广泛的用于

23、宇航、航空、汽车等领域。,铝、镁复合材料一般只能用在450 左右、而钛合金基体复合材料可用到650 、而镍、钴基复合材料可在1200使用。另外，还有最近正在研究的金属间化合物为热结构复合材料的基体。,下表列出了一些基体金属和合金的主要特性,、用于450 以下的轻金属基体在这个温度范围内使用的金属基体主要是铝、镁和它们的合金，而且主要是以合金的形式被广泛的应用。例如，用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等，并已形成工业规模生产。,(1) 铝和铝合金铝是一种低密度、较高强度和具有耐腐蚀性能的金属。在实际使用中，纯铝中常加入锌、铜、镁、锰等元素形成合金，由于加入的这些元素在铝中的溶

24、解度极为有限，因此，这类合金通常称为沉淀硬化合金，如A1-Cu-Mg和A1-Zn-Mg-Cu等沉淀硬化合金。,(2)镁和镁合金镁是一种比铝更轻的金属，但镁的机械性能较差，因此，通常是在镁中加入铝、锌、锰、锆及稀土元素而形成镁合金。目前常用的镁合金主要包括Mg-Mn，Mg-Al-Zn，Mg-Cr等耐热合金，可作为连续或不连续纤维复合材料的基体。,对于不同类型的复合材料应选用合适的铝、镁合金基体。例如，连续纤维增强金属基复合材料一般选用纯铝或含合金元素少的单相铝合金；而颗粒、晶须增强金属基复合材料则选择具有高强度的铝合金。,、用于450-700 的复合材料的金属基体通过各种研究表明，在这个温度范围

25、内可以作为金属基复合材料基体使用的，目前主要是钛及其合金。,钛有两种晶形，-钛具有六方密堆积排列结构，低于885时稳定； -钛是体心立方结构，高于885时稳定。,金属铝能提高钛由向相转变的温度，所以铝是相钛的稳定剂。而大多数其他合金元素(Fe、Mn、Cr、Mo、V、Nb、Ta)能降低钛由向相转变的温度，所以是相钛的稳定剂。,钛在较高的温度中能保持高强度，优良的抗氧化和抗腐蚀性能。它具有较高的强度质量比和模量质量比，是一种理想的航空、宇航应用材料。,钛合金具有比重轻、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，是一种可在450700 温度下使用的合金，主要用于航空发动机等零件上。,钛合金的成分和性能,现在已用

26、于钛基复合材料的钛合金的成分和性能如下,C、用于600-900 的复合材料的金属基体铁和铁合金是在此温度范围内使用的金属基体。,在金属基复合材料中使用的铁，主要是铁合金，按加工工艺分为变形高温合金和铸造高温合金。 其中，铁基变形高温合金是奥氏体可塑性变形高温合金，主要组成为1560铁，2555镍和1123铬。 此外，根据不同的使用温度，分别加入钨、钼、铌、钒、钛等合金元素进行强化。,铁基铸造高温合金是以铁为基体，用铸造工艺成型的高温合金，基体为面心立方体结构的奥氏体。铁基变形高温合金、铸造高温合金分别用于制造燃气涡轮发动机的燃烧室和涡轮轮盘、涡轮导向叶片等。,D、用于1000 以上的金属基体用

27、于1000 以上的高温金属基复合材料的基体材料主要是镍基耐热合金和金属间化合物。其中，研究较为成熟的是镍基高温合金，金属间化合物基复合材料尚处于研究阶段。,() 镍和镍合金在金属基复合材料中使用的镍与铁相同，按照加工工艺不同，可形成镍基变形高温合金和镍基铸造高温合金。,镍基变形高温合金以镍为基体(含量一般大于50)，加入钨、钼、钴、铬、铌等合金元素，使用温度在6501000，具有较高的强度、良好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力，用于制造燃气涡轮发动机的燃烧室等。,镍基铸造高温合金是以镍为基体，用铸造工艺成型的高温合金，能在6001100的氧化和燃气腐蚀气氛中承受复杂压力，并能长期可靠地工作，主要用于制

28、造涡轮转子叶片和导向叶片及其他在高温条件下工作的零件。,()金属间化合物金属间化合物种类繁多，而用于金属基复合材料的金属间化合物通常是一些高温合金，如铝化镍，铝化铁、铝化钛等，使用温度可达1600。,金属间化合物的缺点是它们的韧性非常低，主要原因有两个：（）结构组织中低的对称性导致滑移系不足（）晶体界面结合较弱。,另外，金属铜也可以作为基体材料。铜是优良的导体，其导电率为银的94。铜的塑性好，强度和弹性模量不高，热膨胀系数大，容易铸造和加工。铜在复合材料中的主要用途是作为铌基超导体的基体材料。,3 功能用金属基复合材料的基体功能用金属基复合材料随着电子、信息、能源、汽车等工业技术的不断发展，越

29、来越受到各方面的重视，面临广阔的发展前景。,高技术领域的发展要求材料和器件具有优良的综合物理性能，如同时具有高力学性能、高导热、低热膨胀、高导电率、高抗电弧烧蚀性、高摩擦系数和耐磨性等。,目前功能金属基复合材料主要用于微电子技术的电子封装、用于高导热、耐电弧烧蚀的集电材料和触头材料、耐高温摩擦的耐磨材料、耐腐蚀的电池极板材料等。,功能金属基复合材料主要选用的金属基体是纯铝及铝合金、纯铜及铜合金、银、铅、锌等金属。,用于电子封装的金属基复合材料的基体主要是纯铝和纯铜。 例如，高碳化硅颗粒含量的铝基(SiCpAl)、铜基(SiCpCu)复合材料；高模、超高模石墨纤维增强铝基(Cr/Al)、铜基(C

30、r/Cu)复合材料；金刚石颗粒或多晶金刚石纤维增强铝、铜复合材料；硼铝复合材料等。,用于耐磨零部件的金属基复合材料的基体主要是常用的铝、镁、锌、铜、铅等金属及合金。例如：碳化硅、氧化铝、石墨颗粒、晶须、纤维等增强铝、镁、铜、锌、铅等金属基复合材料。,传统的陶瓷是指陶器和瓷器，也包括玻璃、水泥、搪瓷、砖瓦等人造无机非金属材料。由于这些材料都是含二氧化硅的天然硅酸盐矿物质，如粘土、石灰石、砂子等为原料制成的，所以陶瓷材料也是硅酸盐材料。,2.4 基体材料 陶瓷基材料,随着现代科学技术的发展，出现了许多性能优异的新型陶瓷，它们不仅含有氧化物，还有碳化物、硼化物和氮化物等。,陶瓷是金属和非金属元素的固

31、体化合物，其键合为共价键或离子键，与金属不同，它们不含有大量电子。一般而言，陶瓷具有比金属更高的熔点和硬度，化学性质非常稳定，耐热性、抗老化性皆好。通常的陶瓷是绝缘体，在高温下也可以导电，但比金属导电性差得多。,虽然陶瓷的许多性能优于金属，但它也存在致命的弱点，即脆性强，韧性差，很容易因存在裂纹、空隙、杂质等细微缺陷而破碎，引起不可预测的灾难性后果，因而大大限制了陶瓷作为承载结构材料的应用。,陶瓷基体材料主要以结晶和非结晶两种形态的化合物存在，它们一般应具有优异的耐高温性能，与纤维或晶须之间有良好的界面相容性以及较好的工艺性能等。常用的陶瓷基体主要包括：玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷

32、等。,一些陶瓷材料的物理和机械性能, 玻 璃玻璃是通过无机材料高温烧结而成的一种材料。与其它陶瓷材料不同，玻璃在熔体后不经结晶而冷却成为坚硬的无机材料，即具有非晶态结构是玻璃的特征之一。,2 玻璃陶瓷许多无机玻璃可以通过适当的热处理使其由非晶态转变为晶态，这一过程称为反玻璃化。由于反玻璃化使玻璃成为多晶体，透光性变差，而且因体积变化还会产生内应力，影响材料强度。所以，通常应当避免发生反玻璃化过程。,但对于某些玻璃，反玻璃化过程可以控制，最后能够得到无残余应力的微晶玻璃，这种材料称为玻璃陶瓷。为了实现反玻璃化，需要加入成核剂(如TiO2)。玻璃陶瓷具有热膨胀系数小、力学性能好和导热系数较大等特点

33、，玻璃陶瓷基复合材料的研究在国内外都受到重视。,3氧化物陶瓷基体作为基体材料使用的氧化物陶瓷主要有A12O3，MgO，SiO2，ZrO2，莫来石(即富铝红柱石，化学式为3A12O3SiO2)等，它们的溶点在2000 以上。,氧化物陶瓷的强度随环境温度升高而降低，但在1000 以下降低较小。因此，氧化物陶瓷基复合材料应避免在高应力和高温环境下使用。这是由于A12O3和ZrO2的抗热震性较差，SiO2在高温下容易发生蠕变和相变。虽然莫来石具有较好的抗蠕变性能和较低的热膨胀系数，但使用温度也不宜超过1200 。,(1)氧化铝陶瓷基体以氧化铝(Al2O3)为主要成分的陶瓷称为氧化铝陶瓷，氧化铝仅有一种

34、热动力学稳定的相态，即-Al2O3 ，属六方晶系。,氧化铝陶瓷包括高纯氧化铝瓷，99氧化铝瓷，95氧化铝瓷和85氧化铝瓷等品种，其氧化铝含量(质量分数)依此为999、99、95和85，烧结温度依次为1800、1700、1650和1500。,(2)氧化锆陶瓷基体以氧化锆(ZrO2)为主要成分的陶瓷称为氧化锆陶瓷。氧化锆密度5.65.9 g / cm3，熔点2175 。 氧化锆在1100时，从单斜相迅速转变为四方相，此可逆转变伴随有79的体积变化。,由于氧化锆具有可逆相变，故在氧化锆陶瓷的烧结过程中加入适量CaO、MgO等与ZrO2结构近似的氧化物作为稳定剂，形成稳定的立方相结构。稳定的氧化锆陶瓷

35、的比热容和导热系数小，韧性好，化学稳定性良好，高温时具有抗酸性和抗碱性。,4 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷是指不含氧的氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。它们的特点是耐火性和耐磨性好，硬度高，脆性也很强。,碳化物和硼化物的抗热氧化温度约9001000 。氮化物略低些，硅化物的表面能形成氧化硅膜，所以抗热氧化温度达13001700 。氮化硼具有类似石墨的六方结构，在高温(1360 )和高压作用下可转变成立方结构的氮化硼，耐热温度高达2000 ，硬度极高，可作为金刚石的代用品。,(1) 氮化硅陶瓷基体以氮化硅(Si3N4)为主要成分的陶瓷称氮化硅陶瓷。氮化硅陶瓷有两种形态，即和 两种六方晶型，由于氮化硅中

36、Si-N键结合强度高，属难烧结物质。,不同制备方法的氮化硅的一些物理性能,(2)氮化硼陶瓷基体以氮化硼(BN)为主要成分的陶瓷称为氮化硼陶瓷。氮化硼是共价键化合物，有立方和六方两种晶型结构。,氮化硼可以分为下面的三种：-BN，这是一种六方晶型，层状结构类似于石墨，理论密度为227gcm3。 -BN，它一种立方晶型，结构和硬度都类似于钻石，理论密度为348gcm3。 -BN，它也是一种六方晶型，理论密度为3.48g/cm3。,由于六方晶型BN具有类似于石墨的结构，具有润滑性好和硬度低等特点，故称“白石墨”，在热压陶瓷过程中主要被当作脱模剂使用。BN与石墨不同，是绝缘体，六方晶型BN的莫氏硬度为2

37、，无明显熔点，升华分解温度为3000，理论密度2.27g/cm3。,BN的抗氧化性能优异，可在900以下的氧化气氛中和2800以下的氮气和惰性气氛中使用。如果把BN粉末加入到氮化硅和氧化铝中，则混合物热导率(20)为15.0728.89W(mK)，且随温度变化不大；热膨胀系数约为(57)*106K，热稳定性好。,高纯BN电阻率为1011.m（1000高温下为102104 .m)，介电常数为3.05.3，介电损耗因子为(28)*l04，击穿电压为950kVcm，高温下也能保持绝缘性，耐碱、酸、金属、砷化镓和玻璃熔渣侵蚀，对大多数金属和玻璃熔体不润湿，也不反应。,(3)碳化硅陶瓷基体以碳化硅(Si

38、C)为主要成分的陶瓷称为碳化硅陶瓷。SiC是一种非常硬和抗磨蚀的材料，以热压法制造的SiC可以用来作为切割钻石的刀具。SiC还具有优异的抗腐蚀性能，抗氧化性能。,SiC并不在自然界中存在，主要通过热压、烧结、反应烧结和化学气相沉积等制备技术获得。SiC一般有两种晶型，即-SiC(六方晶型)和-SiC(立方晶型) ，Si-C键属于典型的共价键。,不同方法制备的碳化硅的一些性能,()碳化硼陶瓷基体以碳化硼(B4C)为主要成分的陶瓷称为碳化硼陶瓷。B4C是一种低密度、高熔点、高硬度陶瓷。碳化硼粉体是由B2O3和C在电弧炉中发生下列反应所得：,游离碳含量可以用近似计量w游离碳（128w总碳-27.7) /100,B4C粉末可以通过无压烧结、热压等制备技术形成致密的材料，其主要性能如下表所示：,