陶瓷基复合材料.ppt

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1、第二章 陶瓷基复合材料,2.1陶瓷材料的特点陶瓷材料也称为无机非金属材料。陶瓷材料与金属材料的区分：根据两种材料的电阻 温度系数来区别。陶瓷材料与有机高分子材料的区分：可以从分子结构上来区别。高分子材料含有不连续的大分子，在分子内的碳原子是由共价键相联，分子与分子间则通过较弱的van-der-Waal 或氢键结合。陶瓷材料没有不连续的分子，是一种或多种原子的空间排列，有序为晶体，否则为非晶材料。,2.1陶瓷材料的特点陶瓷材料可分为：普通陶瓷(Conventional Ceramics）：砖、陶器、瓷器等 精细陶瓷(Advanced Ceramics)：硅、铝、钛、锆等的氧化物、氮化物和碳化物等

2、。陶瓷材料以高的抗压性能、很高的化学稳定性和高的熔点著称。,2.1陶瓷材料的特点,陶瓷材料的特点：很好的耐热性 很好的化学稳定性 高的耐磨性能 低的密度 低的韧性K1C,2.1陶瓷材料的特点,2.1陶瓷材料的特点,断裂韧性K1C 反映含裂纹材料或构件的抗裂纹扩展的能力，又称为强度因子。陶瓷材料不象金属材料有塑性变形，因此在受机械拉伸或热冲击载荷时可能出现灾难性的失效。所以提高其韧性是陶瓷基复合材料最重要的目标。,2.1陶瓷材料的特点,使用温度,2.1陶瓷材料的特点,材料的密度,2.1陶瓷材料的特点,热膨胀系数,2.1陶瓷材料的特点,断裂韧性,2.2陶瓷基复合材料的特点,增强相与基体的模量之比相

3、当低，为 0.1-1 陶瓷基复合材料中，提高强度不是其目的，最主要的是提高其韧性。,2.2.1陶瓷基体材料的基本要求,2.2.1陶瓷基体材料的基本要求,2.2.1陶瓷基体材料的基本要求,具有良好的抗蠕变、疲劳和冲击性能 具有很好的化学稳定性，不易受到环境中温度、氧化或还原气氛的影响，不易挥发 具有较高的韧性 能够渗入、浸润纤维束、晶须束或颗粒预成型件中 与增强相能形成良好的界面联接 在制造和使用过程中，与增强纤维不发生化学反应 不会物理损坏增强纤维,2.2.2陶瓷材料的化学键及晶体结构,1 陶瓷材料的化学键原子结合键：三种强结合力的化学键:共价键（Covalent bond)、离子键(Ioni

4、c bond)、金属键(metallic bond)二种弱结合键：范德华键(van der Waals bond)、氢键(hydrogen bond)陶瓷材料：离子键或共价键,2.2.2陶瓷材料的化学键及晶体结构,2.2.2陶瓷材料的化学键及晶体结构,2 陶瓷材料的晶体结构通常金属阳离子尺寸较非金属的阴离子要小，因此在陶瓷晶体中的金属阳离子经常占据的是由非金属阴离子构成的晶格中的间隙位置。简单立方：CsCl,CsBr,CsI 面心立方：NaCl,CaO,MgO,MnO,NiO,FeO,BaO 密排六方：ZnS,Al2O3,2.2.2陶瓷材料的化学键及晶体结构,陶瓷材料的晶体结构,2.2.2陶瓷

5、材料的化学键及晶体结构,陶瓷材料的晶体结构,2.2.2陶瓷材料的化学键及晶体结构,陶瓷材料的晶体结构陶瓷材料可能是非晶吗？,2.2.2陶瓷材料的化学键及晶体结构,几种陶瓷晶体结构介绍MX型结构（M为金属阳离子，X为阴离子）闪锌矿结构,2.2.2陶瓷材料的化学键及晶体结构,几种陶瓷晶体结构介绍MX型结构（M为金属阳离子，X为阴离子）NaCl型结构MgO,NiO,TiC,VC,VN等都是这种结构，具有这种结构的化合物多数有熔点高、稳定性好的特点。,2.2.2陶瓷材料的化学键及晶体结构,几种陶瓷晶体结构介绍MX2型结构 这种结构的典型代表是金红石结构。单位晶胞中的8个顶角和中心为阳离子，阴离子的位置

6、则正好处于由阳离子构成的稍有变形的八面体中心。,2.2.2陶瓷材料的化学键及晶体结构,几种典型陶瓷晶体结构介绍M2X型结构 这种结构以赤铜矿为代表。阴离子构成体心立方结构，阳离子处于间隙中。,2.3陶瓷材料的制备方法,2.3.1 陶瓷普通制备工艺在普通工艺中都包括以下几个步骤：原材料制成粉状 粉末压制成一定的形状的坯料 坯料在高温下的烧结，也可能在高温和压力下进行 加工至最终形状和尺寸,2.3陶瓷材料的制备方法,2.3.1 陶瓷普通制备工艺一、热等静压工艺（Hot Isostatic Pressing,HIP)压力为 100-300 MPa，温度可达 2000，时间在1-8 hr。,2.3陶瓷

7、材料的制备方法,2.3.1 陶瓷普通制备工艺一、热等静压工艺,2.3陶瓷材料的制备方法,2.3.1 陶瓷普通制备工艺一、化学气相沉积工艺（Chemical Vapor Deposition,CVD),2.3陶瓷材料的制备方法,2.3.2 新型陶瓷制备工艺一、溶胶-凝胶工艺（Sol-gel）,2.3陶瓷材料的制备方法,2.3.2 新型陶瓷制备工艺一、溶胶-凝胶工艺（Sol-gel）,2.3陶瓷材料的制备方法,2.3.2 新型陶瓷制备工艺一、溶胶-凝胶工艺（Sol-gel）,2.3陶瓷材料的制备方法,2.3.2 新型陶瓷制备工艺一、溶胶-凝胶工艺（Sol-gel）,2.3陶瓷材料的制备方法,2.3

8、.2 新型陶瓷制备工艺二、自延高温合成工艺（Self-propagating high temperature synthesis,SHS）该类工艺的又一名称为铝热燃烧反应。铝与氧化铁的放热反应释放出的热量很多，可使温度达到 2500。SHS 的突出特点：极高的燃烧温度（接近 4000）简单、低成本的设备 能精确控制其化学成分 能制备不同的形状的零件,2.3陶瓷材料的制备方法,2.3.2 新型陶瓷制备工艺二、自延高温合成工艺（Self-propagating high temperature synthesis,SHS）,2.4一些常用陶瓷材料的介绍,2.4.1 碳化硅碳化硅（SiC）是一种非

9、常硬而脆的材料。在还原气氛中，碳化硅具有很好的耐烧蚀与化学腐蚀能力。在氧化气氛中，碳化硅中的自由 Si 可能被氧化，在极高温度下，碳化硅也可能被氧化。碳化硅主要有两种晶体结构，一种为-SiC，属于六方晶系，另一种为-SiC，属立方晶系。多数碳化硅以-SiC为主晶相。碳化硅并不是一种天然存在的矿物，虽然硅和碳都是地球上存在着的最丰富的元素之一。,2.4一些常用陶瓷材料的介绍,2.4.1 碳化硅主要的制备工艺有：热压烧结法 反应烧结法 化学气相沉积法一、热压烧结法需要添加剂：MgO,B,C,Al 需要的热压温度非常高：1900-2200 压力：35 Mpa 热压后的碳化硅制品必须用金刚石来打磨、修

10、整，很贵,2.4一些常用陶瓷材料的介绍,2.4.1 碳化硅二、反应烧结法原材料为碳化硅粉、石墨和增塑剂混合料。粉状的原材料被压制、拉挤或注射到模具中，得到坯料。分解增塑剂。渗入硅的固体、液体或气体到坯料中与其中的碳反应原位形成碳化硅。在这一工艺中，额外的 2-12%硅被渗入进去，以填充形成的空隙，因而可得到致密的制件。,2.4一些常用陶瓷材料的介绍,2.4.1 碳化硅表 2-3 用不同工艺制备的碳化硅的典型性能,2.4一些常用陶瓷材料的介绍,2.4.2 氮化硅氮化硅（Si3N4)是键合能很高的共价化合物。有两种晶体结构，型与型，两者均为密排六方结构，但-Si3N4的C-轴长度是-Si3N4的两

11、倍。主要的制备工艺有：冷压烧结法 热压烧结法 反应烧结法 热等静压法 化学气相沉积法,2.4一些常用陶瓷材料的介绍,2.4.2 氮化硅 一、反应烧结法将硅粉压成需要的形状，然后在 1100-1400 的高温下通入纯氮气或氮气与氢气的混合气，这时就有下列反应发生：3Si(s)+2 N2(g)Si3N4(s)3Si(g)+2 N2(g)Si3N4(s)Si(s)+SiO2 2SiO(g)第三个反应说明了在反应过程中硅的减少。反应烧结法制备的氮化硅孔隙率较热压制品高（10%），因此其中温下的抗氧化能力也较低，通常其强度 400MPa,一般为250 MPa左右。,2.4一些常用陶瓷材料的介绍,2.4.

12、2 氮化硅 二、化学气相沉积化学气相沉积法用来制备氮化硅的纯缘（热）或防扩散膜。将硅烷或氯化硅在800-1100 的温度下与氨气反应，就可制备得到氮化硅，具体的化学反应如下：3SiH4(g)+4NH3(g)Si3N4(s)+12 H2(g)3SiCl4(g)+4NH3(g)Si3N4(s)+12 HCl(g)3SiHCl3(g)+4NH3(g)Si3N4(s)+9HCl(g)+3 H2(g)用该方法制备的氮化硅致密，但不能制备复杂的形状。,2.4一些常用陶瓷材料的介绍,2.4.2 氮化硅 表 2-4 不同工艺制备氮化硅的性能,2.4一些常用陶瓷材料的介绍,2.4.3 氧化铝氧化铝陶瓷也称为高铝

13、陶瓷，主要成分为Al2O3和SiO2。Al2O3含量越高，性能越好。Al2O3只有一种稳定的晶体结构，即-Al2O3，呈密排六方结构。氧化铝的制备原料是工业氧化铝，加入少量的添加剂后，经压制坯料烧结而成。氧化铝的硬度很高，有很好的耐磨性，很好的耐高温性能，在1600下仍能长期 工作。,2.4一些常用陶瓷材料的介绍,2.4.3 氧化铝表 2-5 氧化铝陶瓷的主要性能,2.4一些常用陶瓷材料的介绍,2.4.5 金属间化合物（Intermetallics)金属间化合物是指所有两种或两种以上金属组成的化合物（有序的或无序的）。最有可能应用于飞机涡轮叶片上的金属间化合物是铝镍和铁钛化合物，但其使用温度一般低于1600（0.8 Tm)，只有一些含硅的金属间化合物的结构与耐氧化性能可能达到 1600以上。,2.4一些常用陶瓷材料的介绍,2.4.5 金属间化合物（Intermetallics),2.4一些常用陶瓷材料的介绍,2.4.5 金属间化合物（Intermetallics)表2-6 一些金属间化合物的性能,问题：碳元素有不同的形态，下列形态有何区别：金刚石石墨 碳黑非晶碳,