陶瓷基体复合材料.pptx

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1、7.1 陶瓷材料的特点陶瓷材料的特点l熔点高，耐高温熔点高，耐高温l硬度大，耐磨性好硬度大，耐磨性好l化学稳定性好，耐腐蚀化学稳定性好，耐腐蚀l密度较小密度较小l韧性低（或脆性）韧性低（或脆性）l热膨胀系数较小，热膨胀系数较小，抗热震性能差抗热震性能差第1页/共114页化合物化合物熔点熔点/化合物化合物熔点熔点/化合物化合物熔点熔点/Al2O32054ZnO1975ZrN2980ZrO22677TiO21857Ti2B2897莫来石莫来石1850SiC2837TiC3070一些陶瓷材料的熔点一些陶瓷材料的熔点/第2页/共114页使用温度使用温度第3页/共114页材料的密度材料的密度第4页/共1

2、14页热膨胀系数热膨胀系数第5页/共114页断裂韧性断裂韧性第6页/共114页因此，陶瓷材料的因此，陶瓷材料的韧性化问题韧性化问题便成了便成了近年来陶瓷工作者们研究的一个重点问题。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，现在这方面的研究巳取得了初步进展，探索出了若干种探索出了若干种韧化陶瓷的途径韧化陶瓷的途径。第7页/共114页现代陶瓷材料的研究，最早是从对现代陶瓷材料的研究，最早是从对硅硅酸盐材料的研究酸盐材料的研究开始的，随后又逐步扩大开始的，随后又逐步扩大到了其他的到了其他的无机非金属材料无机非金属材料。目前被人们研究最多的是目前被人们研究最多的是碳化硅碳

3、化硅、氮氮化硅化硅、氧化铝氧化铝等，它们普遍具有等，它们普遍具有耐高温耐高温、耐腐蚀耐腐蚀、高强度高强度、重量轻重量轻和和价格低价格低等优点。等优点。第8页/共114页7.2常见的陶瓷基复合材料的基体常见的陶瓷基复合材料的基体陶瓷基复合材料的基体陶瓷基复合材料的基体为为陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷，这是一种包，这是一种包括范围很广的材料，属于括范围很广的材料，属于无机化合物无机化合物无机化合物无机化合物而不是单质，而不是单质，所以它的所以它的结构远比金属合金复杂得多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

4、腐价键之间的混合键。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。蚀、高强度、重量轻和价格低等优点。常见的陶瓷基体有：常见的陶瓷基体有：1 1、氧化物基体氧化物基体，2 2、非氧非氧化物陶瓷指金属碳化物化物陶瓷指金属碳化物，氮化物氮化物、硼化物硼化物等等 3 3、微晶玻璃微晶玻璃 第9页/共114页1 1、氧化物陶瓷、氧化物陶瓷 l主要由离子键结合，也有一定成分的共价键主要由离子键结合，也有一定成分的共价键l纯氧化物陶瓷的熔点多超过纯氧化物陶瓷的熔点多超过2000。在。在8001000以前强度降低不大以前强度降低不大l氧化物陶瓷在高温下不会被氧化，所以常做氧化物陶瓷在高温下不会被氧

5、化，所以常做高温耐火结构材料高温耐火结构材料l常见的基体材料有氧化铝和氧化锆陶瓷常见的基体材料有氧化铝和氧化锆陶瓷第10页/共114页1）氧化铝陶瓷的主要性能氧化铝陶瓷的主要性能主要有具有主要有具有、和和三种晶型，其中三种晶型，其中和和型是纯氧化型是纯氧化铝，而铝，而型是含碱的铝酸盐型是含碱的铝酸盐基体材料的氧化铝陶瓷主要是基体材料的氧化铝陶瓷主要是-Al2O3，纯度为，纯度为9999.5，密度，密度3.753.85g/cm3，熔点，熔点2054。刚玉瓷具。刚玉瓷具有很好的机械强度，加热到有很好的机械强度，加热到16001700仍保持很高的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

6、，常温机械强度。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还可以作为透光度为80以上的制品。以上的制品。第11页/共114页第12页/共114页2）氧化锆陶瓷）氧化锆陶瓷 单斜变四方时体积收缩单斜变四方时体积收缩7.7，晶型转变产生明显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。等，保持氧化锆的四方结构。氧化锆熔点氧化锆熔点2667，热的不良导体，化学性能稳定。，热的不良导体，化学性能稳定。

7、可作为耐火材料，熔融铂、铑、钛等金属的坩锅，可作为耐火材料，熔融铂、铑、钛等金属的坩锅，最高温度可达最高温度可达2500。可用作火箭和喷气发动机的。可用作火箭和喷气发动机的耐腐蚀部件。耐腐蚀部件。第13页/共114页2、非氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷 在自然界很少，需要人工合成。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，

8、所以在高料的脆性大，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。常见的基体材料温氧化气氛中使用寿命有限。常见的基体材料有有碳化硅碳化硅和和氮化硅氮化硅陶瓷。陶瓷。第14页/共114页1）碳化硅陶瓷）碳化硅陶瓷 和和两种晶型，两种晶型，为六方型多层链状结构。为六方型多层链状结构。型为立方结构，在型为立方结构，在2100转变为转变为型。无熔点，型。无熔点，在在2830发生分解。理论密度发生分解。理论密度3.21g/cm3，莫氏，莫氏硬度硬度9.29.2，耐磨性好，导热性好，热膨胀系数，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。化学稳定性好，除磷酸、硝

9、酸和氢氟酸混合酸外，与所有的酸都不反应。碳化物中氟酸混合酸外，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抗氧化能力最好。高温下能与金属氧化物发生反应应 工业陶瓷中碳化硅有工业陶瓷中碳化硅有黑色黑色和和绿色绿色两种，黑色是碳过两种，黑色是碳过量，绿色是硅过量量，绿色是硅过量 第15页/共114页2）氮化硅陶瓷）氮化硅陶瓷 氮和硅的唯一化合物。有氮和硅的唯一化合物。有、两中晶型，两中晶型，属于属于低温型，在低温型，在14001600时转变为时转变为型（高温稳定型（高温稳定型）。两种变体均属于六方晶系，但型）。两种变体均属于六方晶系，但c c方向上方向上型晶型晶格常数格常

10、数型的型的2倍。两种晶型密度很相近，相变时几倍。两种晶型密度很相近，相变时几乎不发生体积变化乎不发生体积变化。理论密度为。理论密度为3.184g/cm3，布氏，布氏硬度硬度9999级，分解温度级，分解温度1900，型膨胀系数为型膨胀系数为3.010-6/,型热膨胀系数为型热膨胀系数为3.610-6/。20时电时电阻率为阻率为101314cm。机械强度高，尤其是高温机械。机械强度高，尤其是高温机械强度。化学稳定性好，抗氧化能力强强度。化学稳定性好，抗氧化能力强 第16页/共114页 氮化硅原子自扩散系数非常小，制备难，近年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

11、硅固溶来人们开始研究添加氧化铝形成的氮化硅固溶体形成体形成Sialon陶瓷（赛隆，含有陶瓷（赛隆，含有Si、Al、O、N四种元素）。四种元素）。氮化硅是一种出色的耐腐蚀材料，可用作坩锅，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。嘴、导弹发射台和尾气喷管以及燃气轮叶片。第17页/共114页微晶玻璃微晶玻璃 玻璃组成中引入晶核剂，通过热处理、光照或化学玻璃组成中引入晶核剂，通过热处理、光照或化

12、学处理等手段，使玻璃内均匀析出大量微小晶体，形处理等手段，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成致密的微晶相和玻璃相的多相复合体多相复合体。控制析出。控制析出的微晶的种类、数量和尺寸，可以获得透明微晶玻的微晶的种类、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。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，分为按照基础玻璃组成，分为硅酸盐、铝硅酸盐、硼硅硅酸盐、铝硅酸盐、硼硅酸盐、硼酸盐和磷酸盐酸盐、硼酸盐和磷酸盐5 5大类大类 第18页/共114页7.3 陶瓷复合材料分类陶瓷复合材料分类 按照用途分类按照用途分类l结构陶瓷复

13、合材料结构陶瓷复合材料l功能陶瓷复合材料功能陶瓷复合材料 按照增强材料形态分类按照增强材料形态分类l颗粒增强陶瓷复合材料颗粒增强陶瓷复合材料l纤维（晶须）增强复合材料纤维（晶须）增强复合材料l片材增强陶瓷复合材料片材增强陶瓷复合材料 第19页/共114页一、颗粒增强陶瓷复合材料一、颗粒增强陶瓷复合材料延性颗粒延性颗粒 过渡元素过渡元素(铁、钴、镍、铬、钨、铁、钴、镍、铬、钨、钼等）及其合金。复合材料韧性有明显提高，强钼等）及其合金。复合材料韧性有明显提高，强度不足度不足 刚性颗粒刚性颗粒 主要是陶瓷颗粒主要是陶瓷颗粒，如如SiC、TiB2、B4C等，脆性问题没有解决等，脆性问题没有解决 颗粒弥

14、散强化颗粒弥散强化 直径从纳米量级到几十个微米，利用弹性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 真正的颗粒增强真正的颗粒增强 颗粒尺寸处于微米量级，如混凝土、砂颗粒尺寸处于微米量级，如混凝土、砂轮磨料轮磨料 第20页/共114页陶瓷基复合材料尤其是先进陶瓷基颗粒复合材料大陶瓷基复合材料尤其是先

15、进陶瓷基颗粒复合材料大多数是指多数是指颗粒弥散增强颗粒弥散增强。成本低，复合材料呈各向。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同性。除了金属增韧粒子外，颗粒增强在高温下仍然起作用。然起作用。刚性颗粒增强刚性颗粒增强陶瓷复合材料的抗弯强度和断裂韧性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。都有所增加，但结果不甚理想，尤其是断裂韧性。金属颗粒增强金属颗粒增强陶瓷复合材料韧性可以显著增强，但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强度变化不大，尤其是高温强度下降第21页/共114页颗粒增强陶瓷基复合材料增韧机理颗粒

16、增强陶瓷基复合材料增韧机理 热膨胀系数的失配热膨胀系数的失配 第22页/共114页颗粒增强陶瓷基复合材料增韧机理颗粒增强陶瓷基复合材料增韧机理 裂纹偏转和裂纹桥联裂纹偏转和裂纹桥联 第23页/共114页颗粒增强陶瓷基复合材料增韧机理颗粒增强陶瓷基复合材料增韧机理 相变增韧相变增韧 第24页/共114页右图显示了右图显示了SiCp含量含量对对SiCp/A12O3复合材料复合材料性能的影响。性能的影响。断断断断裂裂裂裂强强强强度度度度 f f(MMP Pa a)SiCSiCp p含量含量含量含量(vol%)(vol%)从中可以看出，在从中可以看出，在5SiCp时时强度出现峰值。强度出现峰值。第25

17、页/共114页下图为下图为SiCSiCp p含量含量含量含量对对SiCSiCp p/Si/Si3 3N N4 4复合材料性能的复合材料性能的影响。影响。SiCSiCp p含量（含量（含量（含量（vol%vol%）断断断断裂裂裂裂韧韧韧韧性性性性KKI IC C(MMP Pa a.mm1 1/2 2)SiCSiCp p含量（含量（含量（含量（vol%vol%）弯弯弯弯曲曲曲曲强强强强度度度度 f f(MMP Pa a)从中可以看出，在从中可以看出，在SiCSiCp p含量为含量为含量为含量为5 5时时时时强度及强度及韧性达到了最高值。韧性达到了最高值。第26页/共114页二、纤维（晶须）增强陶瓷

18、复合材料二、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。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，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。接近理论强度。第27页/共114页纤维（晶须）增强陶瓷基复合材料增韧机理纤维（晶须）增强陶瓷基复合材料增韧机理第28页/共114页第29页/共114页目前常

19、用的是目前常用的是SiC，Si3N4，Al2O3晶须，常用的晶须，常用的基体则为基体则为Al2O3，ZrO2，SiO2，Si3N4及莫来石等。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。的选择，晶须的含量及分布等因素有关。第30页/共114页SiCSiCw w含量（含量（含量（含量（vol%vol%）维维维维氏氏氏氏硬硬硬硬度度度度HHV V(GGP Pa a)弹弹弹弹性性性性模模模模量量量量E E(GGP Pa a)SiCSiCw w含量（含量（含量（含量（vol%vol%）弯弯弯弯曲曲曲曲强强强强度度度度

20、f f(MMP Pa a)SiCSiCw w含量（含量（含量（含量（vol%vol%）断断断断裂裂裂裂韧韧韧韧性性性性KKI IC C(MMP Pa a.mm1 1/2 2)A Al l2 2OO3 3+S Si iC Cw w复复复复合合合合材材材材料料料料的的的的力力力力学学学学性性性性能能能能第31页/共114页从上面的讨论知道，由于从上面的讨论知道，由于晶须具有长晶须具有长径比径比，因此，当其含量较高时，因其，因此，当其含量较高时，因其桥架桥架效应效应而使致密化变得因难，从而引起了密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。度的下降并导致性能的下降。第32页/共114页

21、设计纤维或晶须增强复合材料选择纤维材料的原则：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；，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，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；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，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；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，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；基

22、体界面产生新相缓冲应力；e，适量的纤维体积分数；，适量的纤维体积分数；f，纤维直径要在临界直径以下。，纤维直径要在临界直径以下。第33页/共114页连续长纤维增强陶瓷复合材料连续长纤维增强陶瓷复合材料的韧性、强度和模量都的韧性、强度和模量都有不同程度增强，而且制备工艺复杂，不容易均匀分有不同程度增强，而且制备工艺复杂，不容易均匀分布。布。短纤维（晶须）增强复合材料短纤维（晶须）增强复合材料可以明显改善韧性，但可以明显改善韧性，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，引起了密度时，因其桥架效应而使致密化变得

23、因难，引起了密度的下降并导致性能的下降。的下降并导致性能的下降。复合材料的性能与基体的复合材料的性能与基体的气孔率气孔率、界面结合界面结合有很大的有很大的关系关系第34页/共114页若将若将晶须晶须晶须晶须与与颗粒颗粒颗粒颗粒共同使用共同使用，则可取长补短，则可取长补短，达到更好的效果。达到更好的效果。目前，已有了这方面的研究工作，如使目前，已有了这方面的研究工作，如使用用SiCwSiCw与与ZrO2ZrO2来来共同增韧共同增韧，用，用SiCwSiCw与与与与SiCpSiCp来来共同增韧共同增韧等。等。第35页/共114页 维维维维氏氏氏氏硬硬硬硬度度度度HHV V(GGP Pa a)弹弹弹弹

24、性性性性模模模模量量量量E E(GGP Pa a)SiCSiCw w含量含量含量含量(vol%)(vol%)(a)(a)弹弹弹弹性性性性模模模模量量量量E E(GGP Pa a)维维维维氏氏氏氏硬硬硬硬度度度度HHV V(GGP Pa a)ZrOZrO2 2含量含量含量含量(vol%)(vol%)(b)(b)SiCw与与ZrO2复合增韧复合增韧Al2O3的硬度与弹性模量的硬度与弹性模量AlAl2 2OO3 3+20mol%+20mol%ZrOZrO2 2(Y(Y2 2OO3 3)+SiC)+SiCw w第36页/共114页AlAl2 2OO3 3+20mol%+20mol%ZrOZrO2 2(

25、Y(Y2 2OO3 3)+SiC)+SiCw w 弯弯弯弯曲曲曲曲强强强强度度度度 f f(MMP Pa a)SiCSiCw w含量含量含量含量(vol%)(vol%)断断断断裂裂裂裂韧韧韧韧性性性性KKI IC C(MMP Pa a.mm1 1/2 2)SiCSiCw w含量含量含量含量(vol%)(vol%)SiCw与与ZrO2复合增韧复合增韧Al2O3的强度与断裂韧性的强度与断裂韧性第37页/共114页三、片状增强陶瓷三、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由层片状陶瓷结构单元和界面分隔层两部分组成组成 ，陶瓷层一般由强度大、耐高温的的，陶瓷层一般由强度大、耐高温的的陶瓷

26、材料，可以承受较大的应力，如陶瓷材料，可以承受较大的应力，如SiC、Si3N4、Al2O3和和ZrO2等陶瓷材料，分隔层根等陶瓷材料，分隔层根据基体材料而不同据基体材料而不同 第38页/共114页7.4 陶瓷基复合材料的制备陶瓷基复合材料的制备陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料的制造分为两个步骤：的制造分为两个步骤：第一步是将第一步是将增强材料增强材料增强材料增强材料掺入掺入未固结未固结(或粉末状或粉末状)的的基体材料基体材料基体材料基体材料中，排列整齐或混合均勾；中，排列整齐或混合均勾；第二步是运用第二步是运用各种加工条件各种加工条件在尽量在尽量不破坏不破坏不破坏不破坏

27、增增增增强材料强材料强材料强材料和和基体性能基体性能基体性能基体性能的前提下，制成复合材料制品。的前提下，制成复合材料制品。第39页/共114页在加工制备复合材料时，应根据使用要求，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针对不同的增强材料(纤维、晶须、颗粒纤维、晶须、颗粒)，选择，选择相应的加工条件等因素。相应的加工条件等因素。物理因素：熔点、挥发度、密度、弹性模物理因素：熔点、挥发度、密度、弹性模量、热膨胀系数、蠕变性能、强度、断裂韧性量、热膨胀系数、蠕变性能、强度、断裂韧性等。等。化学因素：纤维和基体的化学相容性，尤化学因素：纤维和基体的化学相容性，尤其是高温的化学相容性

28、其是高温的化学相容性第40页/共114页一、冷压和烧结法（粉末冶金法）一、冷压和烧结法（粉末冶金法）二、热压烧结法二、热压烧结法三、热等静压烧结成型三、热等静压烧结成型四、渗透法四、渗透法五、五、CVD、CVI法法六、溶胶六、溶胶-凝胶（凝胶（Sol-Gel）法）法七、热解七、热解(Pyrolysis)法法八、其他方法八、其他方法具体的制备工艺具体的制备工艺第41页/共114页一、冷压和烧结法一、冷压和烧结法 传统的陶瓷生产工艺，是将粉末和纤维冷压，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

29、型，除去有机黏结剂，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。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。烧结材料在烧结和冷却时产生缺陷或内应力。第42页/共114页热压是目前制备纤维增强陶瓷基复合材料最常热压是目前制备纤维增强陶瓷基复合材

30、料最常用的方法，是用的方法，是压力与温度同时作用于粉体，加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高，同时晶粒尺寸也更小。主要包括以下两个。主要包括以下两个步骤：步骤：增强相渗入没有固化的基体中；增强相渗入没有固化的基体中；固固化的复合材料被热压成型。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，以防损整个操作过程中纤维要特别小心对待，以防损坏纤维表面坏纤维表面二、热压烧结法二、热压烧结法 第43页/共114页纤维纤维纤维纤维浸渍浆料浸渍浆料浸渍浆料浸渍浆料纤维缠绕在辊筒上纤维缠绕在辊筒上纤维

31、缠绕在辊筒上纤维缠绕在辊筒上纤维裁剪铺层纤维裁剪铺层纤维裁剪铺层纤维裁剪铺层压力压力压力压力纤维纤维纤维纤维/玻璃陶瓷复合材料玻璃陶瓷复合材料玻璃陶瓷复合材料玻璃陶瓷复合材料热压，热压，热压，热压，800925800925脱黏结剂，脱黏结剂，脱黏结剂，脱黏结剂，500500热压纤维增强玻璃陶瓷基复合材料的工艺路线热压纤维增强玻璃陶瓷基复合材料的工艺路线热压纤维增强玻璃陶瓷基复合材料的工艺路线热压纤维增强玻璃陶瓷基复合材料的工艺路线第44页/共114页第45页/共114页三、热等静压烧结成型三、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，密封后放将粉体装入橡胶或塑料等可变性容器中，密封

32、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，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。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。温下有更强烈的分解趋势，要求烧结的温度不能太高。第46页/共114页四、渗透法四、渗透法 在预制的增强材料坯件中使基体材料以固态、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

33、常用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。的是液相渗透。由于熔融的陶瓷具有较高的黏度，通过对增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。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。优点是制造工艺简单，制品均匀。第47页/共114页五、五、CVD、CVI法法CVD法就是利用化学气相沉积技术，通过一些反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

34、各种增强材料上形成陶瓷基复合材料料并沉积在各种增强材料上形成陶瓷基复合材料的方法。的方法。CVI法法在在CVD技术上发展起来并被广泛应用于各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。就称为化学气相渗透工艺。第48页/共114页六、溶胶六、溶胶-凝胶（凝胶（Sol-Gel）法）法运用胶体化学的方法，将含有金属化合物的溶液，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，溶胶在一定的与增强材料混

35、合后反应形成溶胶，溶胶在一定的条件下转化成为凝胶，然后烧结成条件下转化成为凝胶，然后烧结成CMC的一种工的一种工艺。艺。反应温度要低于传统工艺中的熔融和烧结温度，反应温度要低于传统工艺中的熔融和烧结温度，第49页/共114页第50页/共114页七、热解七、热解(Pyrolysis)法法使聚合物先驱体热解形成陶瓷基复合材料的使聚合物先驱体热解形成陶瓷基复合材料的方法。方法。如由聚碳硅烷生产如由聚碳硅烷生产SiC陶瓷基复合材料，陶陶瓷基复合材料，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。可用来生产合物本身容易制备。可用来生产SiCf/SiC

36、和和Si3N4f/SiC等陶瓷基复合材料。等陶瓷基复合材料。第51页/共114页八八 其他方法其他方法 自蔓燃高温合成法自蔓燃高温合成法碳化物基复合材料（碳化物基复合材料（如如Al2O3/SiC、Al2O3/B4C、Al2O3/TiC)、氮化物基、氮化物基复合材料复合材料(Al2O3/TiN）、硼化物基复合材料硼化物基复合材料(Al2O3/TiN、TiC/TiB2）原位生长工艺原位生长工艺 如在氮化硅陶瓷在高压气氛如在氮化硅陶瓷在高压气氛中烧结生成中烧结生成-Si3N4晶须晶须 第52页/共114页7.5 陶瓷基体复合材料应用陶瓷基体复合材料应用l航空与火力发电方面航空与火力发电方面 涡轮机燃

37、烧室覆壁、涡涡轮机燃烧室覆壁、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。效率，减少有害气体排放，节省冷却系统。l石油化工石油化工 如催化剂载体、热交换器。耐高温、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，减少有抗腐蚀。提高燃烧温度，提高热效率，减少有害气体排放害气体排放l冶金材料冶金材料 熔炼炉耐火材料，钢液过滤材料熔炼炉耐火材料，钢液过滤材料l生物工程生物工程 人类骨骼和牙齿的替代材料人类骨骼和牙齿的替代材料l机械与汽车工业机械与汽车工业 机械加工刀具、滑动构件。机械加工刀具、滑动构件。耐磨

38、轴承、喷嘴。汽车方面火花塞、密封圈、耐磨轴承、喷嘴。汽车方面火花塞、密封圈、涡轮转子等涡轮转子等第53页/共114页航空与火力发电方面航空与火力发电方面第54页/共114页用碳化硅晶须用碳化硅晶须增强的氧化铝增强的氧化铝陶瓷复合材料陶瓷复合材料刀具刀具第55页/共114页作业作业简述常见的陶瓷基体及特性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常见的陶瓷基体复合材料制备方法有哪些第56页/共114页7.7C/C复合材料复合材料 由石墨纤维和石墨基体组成，具有高由石墨纤维和石

39、墨基体组成，具有高的烧蚀热、低烧蚀率，在抗热冲击和超热的烧蚀热、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航天飞机鼻锥和机翼前缘的抗氧化碳/碳碳复合材料为代表。复合材料为代表。第57页/共114页碳碳/碳复合材料的发展碳复合材料的发展l19581958年美国年美国chance Voughtchance Vought航空公司实验室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一次失败的试验，意外发现碳纤维增强碳基体复合材料。体复合材料。l6060年代中期到年代中期到7070年代末期迅速发展的阶段。年代末

40、期迅速发展的阶段。现代空间技术，高强、高模量碳纤维，多种现代空间技术，高强、高模量碳纤维，多种CVDCVD沉积碳基体工艺技术沉积碳基体工艺技术 l 8080年代后逐步成熟年代后逐步成熟 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展成熟；复合材料的致密化工艺逐渐完善 第58页/共114页一、一、C/C复合材料的制复合材料的制备备 1 1、预制体的制备、预制体的制备 2 2、预制体与基体的复合、预制体与基体的复合 第59页/共114页1、碳纤维预制体的制备、碳纤维预制体的制备l碳纤维的选择碳纤维的选择l碳纤维编织结构的设

41、计碳纤维编织结构的设计第60页/共114页 1）碳纤维的选择碳纤维的选择 通常使用通常使用加捻加捻、有涂层有涂层的连续碳纤维纱。的连续碳纤维纱。用作用作结构材料结构材料时选择时选择高强度高强度和和高模量高模量的碳纤的碳纤维。要求维。要求热导率低热导率低时，选择时，选择低模量低模量的碳纤维。的碳纤维。总之，应该从总之，应该从价格价格、预制体纺织形态预制体纺织形态、性能性能以及以及稳定性稳定性等多方面因素选择碳纤维。等多方面因素选择碳纤维。第61页/共114页2）碳纤维编制结构设计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向

42、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，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按设计要求搭层或铺层、再进行二次固化获得预成型体型体 单向增强可以在一个方向上获得高拉伸强度的碳单向增强可以在一个方向上获得高拉伸强度的碳/碳碳复合材料复合材料 第62页/共114页纤维层纤维层纤维层纤维层基体基体基体基体多层纤维按不同角度方向层压示意图多层纤维按不同角度方向层压示意图多层纤维按不同角度方向层压示意图多层纤维按不同角度方向层压示意图第63页/共114

43、页纤维层纤维层基体基体纤维布层压复合材料示意图纤维布层压复合材料示意图纤维布层压复合材料示意图纤维布层压复合材料示意图第64页/共114页 两向编织物有平纹和缎纹两种。编织物的性能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决定于相邻两股纱的间距间距、纱的、纱的尺寸尺寸、每个方向上每个方向上纱的百分含量纱的百分含量、纱的填充效率纱的填充效率以及以及编制图案的复杂编制图案的复杂性性。两向碳两向碳/碳复合材料在平行于布层的方向上拉伸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

44、部件。缺点是裂韧性，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。低，易产生分层。2）碳纤维编制结构设计碳纤维编制结构设计第65页/共114页平纹、斜纹、缎纹平纹、斜纹、缎纹第66页/共114页 多向编织技术能够对载荷进行设计，保证复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。维的含量。最简单的最简单的多向编制多向编制是是三向正交三向正交结构。纤维按结构。纤维按照三维直角坐标轴照三维直角坐标轴x x、y y、z z

45、排列，形成直角块状排列，形成直角块状预制体。预制体。三向正交结构的基础上，编制三向正交结构的基础上，编制四、五、四、五、七和十一七和十一向增强的预制体向增强的预制体 制造多向预制体的方法有：干纱编织、织物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缝制、预固化纱的编排、纤维缠绕以及上述方法的组合。的组合。第67页/共114页X XY YZ Z三维三维C/C编制结构编制结构第68页/共114页多维编织的碳碳复合材料预成型体结构多维编织的碳碳复合材料预成型体结构(b)5维结构维结构第69页/共114页2、预制体与基体的复合预制体与基体的复合l液态热浸渍分解法液态

46、热浸渍分解法 l化学气相沉积法化学气相沉积法 第70页/共114页1 1）液态热浸渍分解法）液态热浸渍分解法将先驱体浸入预制体，然后固化、高温下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碳化或直接碳化，碳化后还要在更高的温度度（26002750）进行石墨化和抗氧化处理。进行石墨化和抗氧化处理。常见的前驱体有常见的前驱体有热固性树脂热固性树脂和和沥青沥青两类，热固性两类，热固性树脂常用树脂常用酚醛树脂酚醛树脂和和呋喃树脂呋喃树脂，沥青中常用，沥青中常用煤焦煤焦油沥青油沥青和和石油沥青石油沥青。第71页/共114页树脂浸渍、固化、碳化体积收缩示意图树

47、脂浸渍、固化、碳化体积收缩示意图 第72页/共114页 选择先驱体时要考虑液体的选择先驱体时要考虑液体的粘度粘度、碳收获率碳收获率、碳的微观结构碳的微观结构和和晶体结构晶体结构。这些都与制备过程中的。这些都与制备过程中的压力压力、温度温度、时间时间有一定的关系。有一定的关系。热固性树脂热固性树脂热解转化为碳，其质量转化率为热解转化为碳，其质量转化率为5056。酚醛树脂的收缩率为。酚醛树脂的收缩率为20，但收缩率对多，但收缩率对多向预制体的影响要小于两向结构向预制体的影响要小于两向结构沥青沥青是热塑性的，软化点低（是热塑性的，软化点低（400），粘度低，），粘度低，产碳率高。沥青作为先驱体不需要

48、固化，直接热解。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常压下沥青的产碳率为50左右左右。10MPa氮压和氮压和550下产碳率为下产碳率为90第73页/共114页树脂浸渍法树脂浸渍法程序程序：酚醛树脂：酚醛树脂制备溶液制备溶液（真空）（真空）浸渍预成型体浸渍预成型体预固化预固化碳化（树脂体积收缩）碳化（树脂体积收缩）再浸渍再浸渍固化固化碳化碳化致密化。致密化。浸渍浸渍温度为温度为50左右。有时也施加一定的压力左右。有时也施加一定的压力35Mpa酚醛树脂的酚醛树脂的固化固化压力为压力为1Mpa，固化温度，固化温度140170，保温，保温2h在氮气或氩气保护下进行在氮气或

49、氩气保护下进行碳化碳化，温度为，温度为6501100第74页/共114页沥青浸渍工艺沥青浸渍工艺先进行真空浸渍，先进行真空浸渍，250然后加压浸渍。然后加压浸渍。600700加压碳化加压碳化浸渍热处理需要多次循环多次，直到得到一定密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。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；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随着碳化时压力的增加，沥青的碳化率有明显的提高。高。压力沥青浸渍压力沥青浸渍碳化工艺（碳化工艺（PIC）热等静压浸渍预制）热等静压浸渍预制体，温度体，温度6507

50、00，压力，压力7100Mpa。第75页/共114页2)2)化学气相渗透法化学气相渗透法（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。有以下体，并使其分解，析出碳沉积在预制体中。有以下几种方法：几种方法：等温法等温法 温度不能太高，碳的扩散速度低于沉积速度。碳温度不能太高，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，容易产生裂纹基体性能均匀，可批量生产，但时间长，容易产生裂纹 l温度梯度法温度梯度法 接近预制体外表面温度最高，碳的沉积径接近预制体外表面温度最高，碳的沉积径向发展。沉积速