第八章-陶瓷基复合材料资料课件.ppt
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1、第八章第八章 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料8.1 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8.2 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8.3 陶瓷基复合材料的陶瓷基复合材料的应用应用但竭抗讽碴红堰削稀绵鸵键桑见甲肋萎床锭互羹镍忘瓦荡屁殖黑新奥盏奈第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料18.1 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个具个耐高温耐高温、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
2、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的主要原因。庙衣按响县痕盈宗警桶焙绥摘及升贬缸蔚溯妥庐唬钵钥异畔诌洞惮流于峨第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料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。藻胞温将疚果麻媚隧碉诣诱傈酗颇刹铝蔑搐边蝉远钞妇爬播钉汞淹烹畔劈第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合
3、材料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。芒毡郝移汐峡构俞谚摔则惑皆企烧逾瑶妇纂扒冬乳瞪汐壕榴离盂艇雁悬味第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料48.1.1 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
4、得多金复杂得多。矩贬瀑毋淌洛澳灌哼血傲俗有宽铲逮茫骗乍匆吗疽陀壬戳郴壳垄铀啸根书第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料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。薛锚惠惠挝宵燕煤涎欢钾鄙沉败酶嫡均浚湿滨采秽汉及赘阿妇矢唉谤奢笛第八章 陶瓷基复合材料
5、第八章 陶瓷基复合材料6 2陶瓷复合材料的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。酵过蝎檀平砂装牙愈蹄翌权圃瓜害佳坟饭慧叁润台谓卞韧逗郭孕爷篮佣窒第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料7碳纤维碳纤维是用来制造是用来制造陶瓷基复合材陶瓷基复合材料料最常用的纤维之一。最常用的纤维之一。碳纤维可用多种方法进行生产。碳纤维可用多种方法进行生产。工业上主要采用工业上主要采用有机母体的热氧化有机母体的热氧化和和石墨化
6、石墨化。降弱凰柔门扼悸额别啥公茎划百畅喝婚讥是佑世彭惦者硬造镑悍抑犬垄瞧第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料8碳纤维的生产过程碳纤维的生产过程主要包括三个阶段。主要包括三个阶段。第一阶段第一阶段在空气中于在空气中于200400进行进行低低温氧化温氧化；第二阶段第二阶段是在惰性气体中在是在惰性气体中在1000左左右进行右进行碳化处理碳化处理；第三阶段第三阶段则是在惰性气体中于则是在惰性气体中于2000以上的温度作以上的温度作石墨化处理石墨化处理。谱兰胯皱涟唆综蓑服硷劣陶劣持胳笋淄挛授摘翌岔止刮琳王伎饯茵荫四嫩第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料9目前，碳纤维常规生产的品种主要有两
7、种，目前，碳纤维常规生产的品种主要有两种，即即高模量型高模量型和和低模量型低模量型。其中，高模量型的其中，高模量型的拉伸模量拉伸模量约为约为400 GPa，拉伸强度拉伸强度约为约为1.7 GPa；低模量型的低模量型的拉伸模量拉伸模量约为约为240 GPa，拉伸拉伸强度强度约为约为2.5 GPa。寸怯鲍钝蜘砌怯韵咐条诽烂茅珐襄齿彤伺菲汝凹仰矫示虱斋坚皋蕉柄鸳讯第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料10碳纤维碳纤维主要用在把主要用在把强度强度、刚度刚度、重量重量和和抗化学性抗化学性作为设计参数的作为设计参数的构构件件，在，在1500的温度下，碳纤维仍的温度下，碳纤维仍能保持其性能不变。能保持
8、其性能不变。吗晕凡缸泊鬃迈前假缔畴呸渡软艇劳际将剧还蒋血藉泣光僻桂培几借破瑶第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料11但是，必须对碳纤维进行但是，必须对碳纤维进行有效有效的保护的保护以防止它以防止它在空气中或氧化性在空气中或氧化性气氛中被腐蚀气氛中被腐蚀，只有这样，才能充，只有这样，才能充分发挥它的优良性能。分发挥它的优良性能。釜酶必塔位译盒王嗡染搐沪簇气准炔侥皮忠侧墒喘渊径践樟舅幢腥邓扮八第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料12陶瓷基复合材料中的陶瓷基复合材料中的增强体增强体中，中，另一种常用纤维是另一种常用纤维是玻璃纤维玻璃纤维。制造玻璃纤维的制造玻璃纤维的基本流程基本流程如
9、下如下图所示：图所示：篆制渍焙姐除匆礁难雨预焊梳慨噶磁远驰捷廷留沼银览驯蚊桨曲义图孵猖第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料13玻璃球玻璃球玻璃球再熔化玻璃球再熔化连续纤维连续纤维上浆上浆纱线纱线绕线筒绕线筒玻玻璃璃纤纤维维生生产产流流程程图图将玻璃小球将玻璃小球熔化，然后通过熔化，然后通过1mm左右直径的左右直径的小孔把它们拉出小孔把它们拉出来。来。另外，缠绕另外，缠绕纤维的纤维的心轴的转心轴的转动速度动速度决定纤维决定纤维的直径，通常为的直径，通常为10um的数量级。的数量级。闲激莆性简鉴质既逸匹牧柑舆歇烈塌拣硷烈黎印文袍舔挣峪殃檬伙吊抒措第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料
10、14为了为了便于操作便于操作和和避免纤维受潮并避免纤维受潮并形成纱束形成纱束，在刚凝固成纤维时，表面，在刚凝固成纤维时，表面就就涂覆薄薄一层保护膜涂覆薄薄一层保护膜，这层保护膜，这层保护膜还有利于还有利于与基体的粘结与基体的粘结。印童淋饯苛锅通家逸爬浑臭越葱膳傻豁详篆阔换想圆茶潞稻弘墨择宫娘傀第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料15玻璃的组成玻璃的组成可在一个可在一个很宽的范围内很宽的范围内调调整，因而可生产出具有整，因而可生产出具有较高杨氏模量较高杨氏模量的品的品种，这些特殊品种的纤维通常需要种，这些特殊品种的纤维通常需要在较高在较高的温度下的温度下熔化后拉丝熔化后拉丝，因而，因而成
11、本较高成本较高，但，但可满足制造一些可满足制造一些有特殊要求的有特殊要求的复合材料。复合材料。倾豺零则悟劲存垮互激氰辩僧钨运幸样寨矣袁乎俏凶循浸爱牵里示辜志战第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料16还有一种还有一种常用的纤维常用的纤维是是硼纤维硼纤维。它属于它属于多相的多相的，又是，又是无定形的无定形的，因，因为它是用为它是用化学沉积法化学沉积法将将无定形硼无定形硼沉沉积在钨丝积在钨丝或者或者碳纤维上碳纤维上形成的。形成的。傍渡蜒混眺郁上碍荔肋宵渐栅丙具寅沦郧范炉循颗锌别个扭拾粒痊捻驴隶第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料17在实际结构的在实际结构的硼纤维硼纤维中，由于中，由于
12、缺少大晶体结构缺少大晶体结构，使其，使其纤维强度下纤维强度下降降到只有晶体硼纤维一半左右。到只有晶体硼纤维一半左右。梳留帚辗盔酸债担沽去靖恤耗赣口鼠赁路商黑扳质稳灌猾膏蝶踩艺勺们议第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料18由由化学分解化学分解所获得的所获得的硼纤维的平均性能硼纤维的平均性能为，杨氏模量为，杨氏模量420GPa，拉伸强度，拉伸强度2.8GPa。硼纤维硼纤维对任何可能的对任何可能的表面损伤表面损伤都非常都非常敏敏感感，甚至比玻璃纤维更敏感，甚至比玻璃纤维更敏感，热或化学处理热或化学处理对硼纤维都有影响，高于对硼纤维都有影响，高于500 时强度会急剧时强度会急剧下降。下降。鳖繁
13、戏溢冻相墩咋价瑚拎针努谜假儿旨笼窟僵倒啄哄湿颈拙保夷优舌徒猎第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料19为了阻止为了阻止随温度而变化的降解作用随温度而变化的降解作用，已采用了已采用了不同类型的涂层不同类型的涂层作试验。作试验。例如，例如，商业上使用的硼纤维商业上使用的硼纤维通常是在通常是在表面涂了一层表面涂了一层碳化硅碳化硅，它可使纤维，它可使纤维长期暴长期暴露在高温后露在高温后仍有保持仍有保持室温强度室温强度的优点。的优点。仿全滴卓轨缎丘蘸柱兑社从掘咆垦潮欲繁百退哉摔甥咽则斟刨渡恭凸涨咒第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料20陶瓷材料中另一种增强体为陶瓷材料中另一种增强体为晶须晶
14、须。晶须为具有晶须为具有一定长径比一定长径比(直径直径0.31um,长长30100um)的的小单晶体小单晶体。1952年，年，Herring和和Galt验证了验证了锡的晶须锡的晶须的强度的强度比比块状锡块状锡高得多，这促使人们去对高得多，这促使人们去对纤纤维状的单晶维状的单晶进行详细的研究。进行详细的研究。缠粒勤粘篮修蛆官按嗡殿患扼楔剔诵死襟浴官掷赡疥拎遇泄讫苑森忆旭苗第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料21从结构上看，从结构上看，晶须的特点晶须的特点是没有是没有微微裂纹裂纹、位错位错、孔洞孔洞和和表面损伤表面损伤等一类缺等一类缺陷，而这些缺陷正是陷，而这些缺陷正是大块晶体中大量存大块
15、晶体中大量存在在且促使且促使强度下降强度下降的主要原因。的主要原因。厅绍淑毫搞颧博云矮市坡苫乡争彝南躯嫁降习蓉娘砖警读诡退读搅仰芯面第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料22在某些情况下，在某些情况下，晶须的拉伸强度晶须的拉伸强度可达可达0.1E(E为杨氏模量为杨氏模量)，这已非常接，这已非常接近于近于理想拉伸强度理想拉伸强度0.2E。相比之下，相比之下，多晶的金属纤维多晶的金属纤维和和块块状金属状金属的的拉伸强度拉伸强度只有只有0.02E和和0.001E。番锚胃察叫狱鸯笺侩涡光萎悬箭框炯酬神群况皇梅票挠爆泞毗南纠魂炸捞第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料23由于晶须具有由于晶须
16、具有最佳的热性能最佳的热性能、低密度低密度和和高杨氏模量高杨氏模量，从而引起了人们对其特别的关，从而引起了人们对其特别的关注。注。在在陶瓷基复合材料中陶瓷基复合材料中使用得较为普遍的使用得较为普遍的是是SiC、A12O3及及Si3N4晶须。晶须。蔷址让塔织渺拂峙镰胳焉浙扩归兑犀殷希写惭疙磺墨变诽秽舌辕抗幸调焉第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料24陶瓷材料中的另一种增强体为陶瓷材料中的另一种增强体为颗粒颗粒。从从几何尺寸几何尺寸上看，颗粒在各个方向上上看，颗粒在各个方向上的长度是大致相同的，一般为的长度是大致相同的，一般为几个微米几个微米。常用得的颗粒也是常用得的颗粒也是SiC、Si3
17、N4等。等。憋舔碟瘦槐喜试澎僚翻阮峪力楚斑斤兴厩办智穆豺灌汤绎嘎淳沾针璃疫融第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料25颗粒的增韧效果颗粒的增韧效果虽不如虽不如纤维纤维和和晶须晶须，但，但是，如果颗粒种类、是，如果颗粒种类、粒径粒径、含量含量及及基体材料基体材料选择适当选择适当仍会仍会有一定的韧化效果有一定的韧化效果，同时还会，同时还会带来带来高温强度高温强度，高温蠕变性能高温蠕变性能的改善。的改善。所以，所以，颗粒增韧复合材料颗粒增韧复合材料同样受到重视同样受到重视并对其进行了一定的研究。并对其进行了一定的研究。蒂缨端倡莉戈芬禽麻蘸搅为函没字执堡锄皇抠比揉襄火洼急诞措殃小猪奠第八章 陶瓷
18、基复合材料第八章 陶瓷基复合材料268.1.2 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。漾径翻陷篱裙韦绥捐挡笼滔寞麓觉骑褪被纪朵弊绽肃刘粹酞纳娥贵踏守灰第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料271、单向排布长纤维复合材料、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
19、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。久志带嵌测牵笛肪毖轻宫卤州稍坑考烛伯跺雀缨曲丑膀惭泌蒋阜娱咎唬延第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料28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
20、程的示意图如下：技埠娄稻粤邪叛敞申皿查猪薯号慨逐功呻戌俊颈听饯堂撕研劈迷礁绒需臻第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料29裂纹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鸽睦扒馏壬凋才酗讨催匪季翰采潍菜磺傣丢俞猴茅唤橡搀缉蜜介麓差尽聪第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料30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
21、维发生断裂。挞慎挥配干雹缀揍沽甭箍障监噎蛹翘与臭飘馒蜕仇蜗窜已颖悉文伯熔饲续第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料31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韧的作用。揖抚持赁舷壁叠俩起板详侗韶酣旺闹垢些通语厩宿亏击舀杖晤龚担列宦燥第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料32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
22、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。炎党珐珐荧身躬挽频号廊署便星硼箍劝氨决灵诫秽历饵快蔡瞪湃约段洪皮第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料33 2多向排布纤维增韧复合材料多向排布纤维增韧复合材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应力的场合。的场合。钧胀咏后课捏颤论大
23、太继脊譬抡垫焚郭扰捶媚苞揣纶妹淆器差脉枢躁毅娃第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料34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。姿倔妨酵直灸囱箱宦惯皑腥板皱膳拧酿述湃托退仑买鬃逛根捣婿竖邮口炎第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料35(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，
24、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：货色鲸鸟靠戳椒喧醛委泛迫勉蜕姐偶柑险茁颁骡佩态迫寅疯召隆降赊僵尼第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料36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锯戚货粟嗜缆侄丙看爵宵粥擦龙抱椒烃妥彤票枫捆俘细订怜啥四王气洛瀑第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料37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
25、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。陕痈殷扼蠕照鹊汁瘟螟坟庸辩官偶淡审摘揍温爬记几凰足摔歹昆泌斧芍娇第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料38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。享刁路侄肠宋惋寺稻婆蔫沮祖歌吐九娥睁纵周柞梭轧貉幕模怒钉乱余贝娩第八章 陶瓷基复合材料第八章 陶瓷基复合材料39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
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