(精品)第七章 陶瓷基复合材料.ppt
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1、第七章第七章 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料7.1 陶瓷基复合材料的陶瓷基复合材料的种类及基本性能种类及基本性能7.2 陶瓷基复合材料的陶瓷基复合材料的成型加工技术成型加工技术7.3 陶瓷基复合材料的陶瓷基复合材料的应用应用17.1 陶瓷基复合材料的种类及基本性能陶瓷基复合材料的种类及基本性能现代陶瓷材料现代陶瓷材料具有具有耐高温耐高温、耐磨损耐磨损、耐腐蚀耐腐蚀及及重量轻重量轻等许多优良的性能。等许多优良的性能。但是,陶瓷材料同时也具有但是,陶瓷材料同时也具有致命的缺致命的缺点点,即,即脆性脆性,这一弱点正是目前淘瓷材料,这一弱点正是目前淘瓷材料的使用受到很大限制的主要原因。的使用受到很大限制
2、的主要原因。2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。3其中,往陶陶瓷材料中加入其中,往陶陶瓷材料中加入起起增韧作用的第二相增韧作用的第二相而制成而制成陶瓷基复陶瓷基复合材料即合材料即是一种重要方法。是一种重要方法。47.1.1 陶瓷基复合材料的基体与增强体陶瓷基复合材料的基体与增强体(1)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陶瓷基复合材料的基体为
3、为陶瓷陶瓷,这是,这是一种包括范围很广的材料,属于一种包括范围很广的材料,属于无机化合无机化合物物而不是单质,所以它的而不是单质,所以它的结构远比金属合结构远比金属合金复杂得多金复杂得多。5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。6(2)陶瓷复合材料的
4、增强体陶瓷复合材料的增强体陶瓷基复合材料中的陶瓷基复合材料中的增强体增强体,通常,通常也称为也称为增韧体增韧体。从几何尺寸上增强体可分为从几何尺寸上增强体可分为纤维纤维(长、短纤维长、短纤维)、晶须晶须和和颗粒颗粒三类。三类。77.1.2 纤维增强陶瓷基复合材料纤维增强陶瓷基复合材料在陶瓷材料中,加入在陶瓷材料中,加入第二相纤维制成第二相纤维制成复合材料复合材料是是改善陶瓷材料韧性改善陶瓷材料韧性的重要手段,的重要手段,按按纤维排布方式纤维排布方式的不同,又可将其分为的不同,又可将其分为单单向排布长纤维向排布长纤维复合材料和复合材料和多向排布纤维多向排布纤维复复合材料。合材料。8(1)、单向排
5、布长纤维复合材料、单向排布长纤维复合材料单向排布纤维单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料增韧陶瓷基复合材料的显的显著特点是它具有著特点是它具有各向异性各向异性,即,即沿纤维长度方沿纤维长度方向上的纵向性能向上的纵向性能要大大要大大高于其横向性能高于其横向性能。在实际构件中,主要是使用其在实际构件中,主要是使用其纵向性能。纵向性能。9在在单向排布纤维单向排布纤维增韧陶瓷基复合材增韧陶瓷基复合材料料中,当中,当裂纹扩展裂纹扩展遇到纤维时遇到纤维时会受阻会受阻,这时,如果要使这时,如果要使裂纹进一步扩展裂纹进一步扩展就必须就必须提高外加应力提高外加应力。这一过程的示意图如下:这一过程的示意图如下:10裂纹
6、垂直于纤维方向扩展示意图裂纹垂直于纤维方向扩展示意图11当当外加应力进一步提高外加应力进一步提高时,由于时,由于基基体与纤维间的体与纤维间的界面离解界面离解,同时又由于,同时又由于纤纤维的强度高于基体的强度维的强度高于基体的强度,从而,从而使纤维使纤维从基体中拔出从基体中拔出。当当拔出的长度拔出的长度达到某一临界值达到某一临界值时,时,会使会使纤维发生断裂纤维发生断裂。12因此,因此,裂纹的扩展裂纹的扩展必须克服必须克服由于由于纤维的加入而产生纤维的加入而产生的的拔出功拔出功和和纤维断纤维断裂功裂功,这样,使得,这样,使得材料的断裂更为困材料的断裂更为困难难,从而起到了,从而起到了增韧的作用增
7、韧的作用。13实际实际材料断裂过程材料断裂过程中,中,纤维的断裂纤维的断裂并并非发生在非发生在同一裂纹平面同一裂纹平面,这样,这样主裂纹主裂纹还将还将沿纤维断裂位置的不同沿纤维断裂位置的不同而发生而发生裂纹转向裂纹转向。这也同样会这也同样会使裂纹的扩展阻力增加使裂纹的扩展阻力增加,从而,从而使使韧性进一步提高韧性进一步提高。14(2)多向排布纤维增韧复合材多向排布纤维增韧复合材料料单向排布纤维单向排布纤维增韧陶瓷只是增韧陶瓷只是在纤维排在纤维排列方向上的列方向上的纵向性能纵向性能较为优越,而其较为优越,而其横向横向性能性能显著低于显著低于纵向性能纵向性能,所以只适用于,所以只适用于单单轴应力轴
8、应力的场合。的场合。15而许多而许多陶瓷构件陶瓷构件则要求则要求在二维及在二维及三维方向上三维方向上均具有均具有优良的性能优良的性能,这就,这就要进一步研究要进一步研究多向排布纤维多向排布纤维增韧陶瓷增韧陶瓷基复合材料。基复合材料。16(1)二维多向排布纤维增韧复合材料二维多向排布纤维增韧复合材料这种复合材料中,这种复合材料中,纤维的排布方式纤维的排布方式有两种有两种。一种是一种是将纤维编织成纤维布将纤维编织成纤维布,浸渍浸渍浆料后浆料后,根据需要的厚度根据需要的厚度将将单层或若干单层或若干层层进行进行热压烧结成型热压烧结成型,如下图所示:,如下图所示:17纤维层纤维层基体基体纤维布层压复合材
9、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18这种材料在这种材料在纤维排布平面的二维方向纤维排布平面的二维方向上上性能优越性能优越,而在,而在垂直于纤维排布面方向垂直于纤维排布面方向上上的性能较差。的性能较差。一般应用在对一般应用在对二维方向上有较高性能二维方向上有较高性能要求要求的构件上。的构件上。19另一种是另一种是纤维分层单向排布纤维分层单向排布,层层间纤维成一定角度间纤维成一定角度,如下图所示。,如下图所示。20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
10、层纤维按不同角度方向层压示意图21后一种复合材料可以根据后一种复合材料可以根据构件的形构件的形状状用用纤维浸浆缠绕的方法纤维浸浆缠绕的方法做成所需要形做成所需要形状的状的壳层状构件壳层状构件。而前一种材料而前一种材料成型板状构件成型板状构件曲率不曲率不宜太大宜太大。22这种这种二维多向纤维二维多向纤维增韧陶瓷基复合材增韧陶瓷基复合材料料的的韧化机理韧化机理与与单向排布纤维单向排布纤维复合材料是复合材料是一样的,主要也是靠一样的,主要也是靠纤维的拔出纤维的拔出与与裂纹转裂纹转向机制向机制,使其,使其韧性及强度韧性及强度比基体材料大幅比基体材料大幅度提高。度提高。23(3)三维多向排布纤维增韧陶瓷
11、基复合材料三维多向排布纤维增韧陶瓷基复合材料三维多向编织纤维三维多向编织纤维增韧陶瓷是为了增韧陶瓷是为了满足满足某些情况的性能要求某些情况的性能要求而设计的。而设计的。这种材料最初是从宇航用这种材料最初是从宇航用三向三向C/C复合复合材料材料开始的,现已发展到开始的,现已发展到三向石英三向石英/石英石英等等陶瓷复合材料。陶瓷复合材料。24下图为下图为三向正交三向正交C/C纤维编织纤维编织结构结构示意图。它是按直角坐标示意图。它是按直角坐标将多将多束纤维分层交替编织束纤维分层交替编织而成。而成。25X XY YZ Z三向三向C/C编织结构示意图编织结构示意图 由于由于每束每束纤维呈直线伸纤维呈直
12、线伸展展,不存在,不存在相相互交缠和绕曲互交缠和绕曲,因而使纤维可因而使纤维可以充分发挥以充分发挥最最大的结构强度大的结构强度。26这种这种三维多向三维多向编织结构编织结构还可以通过还可以通过调节纤维束的根数和股数调节纤维束的根数和股数,相邻束间的相邻束间的间距间距,织物的体积密度织物的体积密度以及以及纤维的总体纤维的总体积分数积分数等参数进行设计以满足性能要求。等参数进行设计以满足性能要求。277.1.3 晶须和颗粒增强陶瓷基复合材料晶须和颗粒增强陶瓷基复合材料长纤维增韧陶瓷基复合材料长纤维增韧陶瓷基复合材料虽然虽然性能性能优越优越,但它的,但它的制备工艺复杂制备工艺复杂,而且,而且纤维在纤
13、维在基体中不易分布均匀基体中不易分布均匀。因此,近年来又发展了因此,近年来又发展了短纤维短纤维、晶须晶须及及颗粒颗粒增韧陶瓷基复合材料。增韧陶瓷基复合材料。28由于由于晶须的尺寸晶须的尺寸很小,从客观上看与很小,从客观上看与粉末粉末一样,因此一样,因此在制备复合材料在制备复合材料时,只需时,只需将将晶须分散后晶须分散后与与基体粉末基体粉末混合均匀,然后混合均匀,然后对对混好的粉末混好的粉末进行进行热压烧结热压烧结,即可制得致,即可制得致密的晶须增韧陶瓷基复合材料。密的晶须增韧陶瓷基复合材料。29目前常用的是目前常用的是SiC,Si3N4,Al2O3晶须,常用的基体则为晶须,常用的基体则为Al2
14、O3,ZrO2,SiO2,Si3N4及及莫来石莫来石等。等。30晶须增韧晶须增韧陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料的性能的性能与与基基体和晶须的选择体和晶须的选择,晶须的含量及分布晶须的含量及分布等因等因素有关。素有关。下面两个图分别给出了下面两个图分别给出了ZrO2(2mol%Y2O3)+SiCw及及A12O3+SiCw陶瓷复合材料陶瓷复合材料的性能与的性能与SiCw含量含量之间的关系。之间的关系。31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(volvol%)弯弯弯弯曲曲曲曲强强强强度度度度 f f(MMP P
15、a a)SiCw含量(含量(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)SiCw含量(含量(vol%)Z Zr rOO2 2(Y Y2 2OO3 3)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32SiCSiCw w含量(含量(含量(含量(volvol%)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(volvol%)弯弯弯弯曲曲曲曲强强强强度度度度 f f(MMP P
16、a a)SiCSiCw w含量(含量(含量(含量(volvol%)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33从上面两个图中可以看出,两从上面两个图中可以看出,两种材料的种材料的弹性模量弹性模量、硬度硬度及及断裂韧断裂韧性性均均随着随着SiCw含量的增加含量的增加而提高。而提高。34而而弯曲强度弯曲强度的变化规律则是,对的变化规律则是,对Al2O3基复合材料基复合材料,随随SiCw含量的增加单调上升含量的增加单调上升,而对
17、而对ZrO2基体基体,在,在10 vol SiCw时时出现峰值出现峰值,随后又有所下降,但却随后又有所下降,但却始终高于基体始终高于基体。35这可解释为由于这可解释为由于SiCw含量高时含量高时造成热造成热失配过大失配过大,同时,同时使致密化困难使致密化困难而而引起密度引起密度下降下降,从而使,从而使界面强度降低界面强度降低,导致了复合导致了复合材料强度的下降材料强度的下降。36由图中可知,对由图中可知,对A12O3基复合材料基复合材料最佳最佳的韧性和强度的配合的韧性和强度的配合可使可使断裂韧性断裂韧性KIC=7MPa.M1/2,弯曲强度弯曲强度 f=600MPa;ZrO2基复合材料基复合材料
18、的的断裂韧性断裂韧性KIC=16MPa.M1/2,弯曲强度弯曲强度 f=1400MPa。由此可见,由此可见,SiCw对陶瓷材料对陶瓷材料同时具有增同时具有增强和增韧的效果强和增韧的效果。37从上面的讨论知道,由于从上面的讨论知道,由于晶须具晶须具有长径比有长径比,因此,因此,当其含量较高时,当其含量较高时,因其因其桥架效应桥架效应而而使致密化变得因难使致密化变得因难,从而引起了从而引起了密度的下降并导致性能的密度的下降并导致性能的下降下降。38为了克服这一弱点,可采用为了克服这一弱点,可采用颗粒颗粒来来代替晶须代替晶须制成复合材料,这种复合制成复合材料,这种复合材料在材料在原料的混合均匀化原料
19、的混合均匀化及及烧结致密烧结致密化方面化方面均比晶均比晶须增强陶瓷基复合材料须增强陶瓷基复合材料要容易。要容易。39当所用的颗粒为当所用的颗粒为SiC,TiC时,时,基体材料采用最多的是基体材料采用最多的是Al2O3,Si3N4。目前,这些复合材料已广泛用目前,这些复合材料已广泛用来来制造刀具制造刀具。40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(volvol%)从中可以看出,在从中可以看出,在5 SiCp时时强度出现峰值。强度出现峰值。41下
20、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(volvol%)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(volvol%)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。42从上面的讨论可知,从上面的讨论可知,晶须与颗粒晶须与颗粒对陶
21、瓷对陶瓷材料的增韧材料的增韧均有一定作用,且各有利弊。均有一定作用,且各有利弊。晶须晶须的的增强增韧效果好增强增韧效果好,但,但含量高时会含量高时会使致密度下降使致密度下降;颗粒颗粒可克服晶须的这一弱点,但其可克服晶须的这一弱点,但其增强增强增韧效果却不如晶须增韧效果却不如晶须。43由此很容易想到,若将由此很容易想到,若将晶须晶须与与颗粒颗粒共共同使用同使用,则可取长补短,达到更好的效果。,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,如目前,已有了这方面的研究工作,如使用使用SiCw与与ZrO2来来共同增韧共同增韧,用,用SiCw与与SiCp来来共同增韧共同增韧等。等。44下面
22、两个图分别给出了下面两个图分别给出了Al2O3+ZrO2(Y2O3)+SiCw复合材料的复合材料的性能随性能随SiCw及及ZrO2(Y2O3)含量含量的变的变化情况。化情况。45 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(volvol%)(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(volvol%)(b)(b)SiCw与与ZrO2复合增韧复合增韧Al2O3的硬度
23、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 w46AlAl2 2OO3 3+20mol%+20mol%ZrOZrO2 2(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(volvol%)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(volvol%)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
24、性47SiCw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AlAl2 2OO3 3+20mol%+20mol%SiCSiCw w+ZrO+ZrO2 2(Y(Y2 2OO3 3)ZrOZrO2 2含量含量含量含量(volvol%)弯弯弯弯曲曲曲曲强强强强度度度度 f f(MMP Pa a)ZrOZrO2 2含量含量含量含量(volvol%)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)48可以看出,随着可以看出,随着SiCw及及ZrO2(Y2O3)含量含量的增加的增加,其,其强度强度与与韧性韧性均呈上升趋势均呈上升趋势,在,在2
25、0SiCw及及30 ZrO2(Y2O3)时时,复合材抖的,复合材抖的 f达达1200MPa。KIC达达10 MPa.M1/2 以上。以上。这比这比单独晶须韧化单独晶须韧化的的Al2O3+SiCw复合材复合材料的料的 f=634MPa,KIC=7.5 MPa.M1/2有明显有明显的提高,这充分体现了这种的提高,这充分体现了这种复合强化的效果复合强化的效果。49下表则给出了下表则给出了莫来石及其制得的复合材料的莫来石及其制得的复合材料的强度与韧性强度与韧性。材料材料 f(Mpa)KIC(MPa.M1/2)莫来石莫来石2442.8莫来石莫来石莫来石莫来石+SiCSiCw w4524524.44.4莫
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