陶瓷复合材料

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1、第十五章陶瓷复合材料第一节概述1陶瓷的脆性本质键合类型主要是离子键和共价键，具有高熔点、硬度、强度，但脆性大。陶瓷结构中原子排列的性状决定其缺乏像金属那样的塑性变形能力，在断裂过程中除了产生新的断裂表面所需要的表面能外，几乎没有其它的吸收能量的机制。2复合的目的对于结构陶瓷主要是为了提高材料的强度、韧性等力学性能，或耐热、耐蚀性能；对于功能陶瓷主要是为了获得某些新的功能。3复合材料及陶瓷基复合材料的定义复合材料：采用物理或化学的方法，使两种或两种以上的材料在相态与性能相互独立的形式下共存于一体之中，以达到提高材料的某些性能，或互补其缺点，或获得新

2、的性能（功能）的目的。陶瓷基复合材料：连续相（基体）为陶瓷的复合材料。4基体和增强剂基体：氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硼化物、玻璃等增强剂：纤维（陶瓷或金属）、晶须、颗粒（陶瓷或金属）5一般制备方法第二节陶瓷基复合材料用增强体的制备1纤维1.1金属纤维金属纤维一般由拉丝制成，直径在10～600m。目前认为仅有难熔金属Ta、Mo、W、Ni、Nb、Ti、Be等具有研究和应用前景。1.2陶瓷纤维主要有碳化硅纤维、氮化硅纤维、氧化铝纤维及碳纤维等。一般有两种制备方法：化学气相沉积法和聚合物热解法。（1）SiC纤维是陶瓷基复合材料最重要的增强体之一。

3、最突出的优点是高温抗氧化性能优异。①CVD法：CH3SiCl3SiC＋3HCl②聚合物热解法：将有机前驱体熔融纺丝，然后通过交联处理，最后经高温热解形成SiC陶瓷纤维。（2）氧化物纤维将助熔剂与主要原料混合均匀后，在高温炉内加热至2000℃以上，达到熔融状态，使熔体流出，用压缩空气或高压水蒸气喷射，在高速旋转的圆板上，靠离心力形成纤维。1.3碳纤维碳纤维分为有机高分子系和沥青系。特点：高强度、高韧性、高弹性、抗氧化性差。2晶须2.1概述高纯度细长的单晶体（直径在0.1～2m、长径比在10以上的单晶体短纤维），其晶体结构近乎完整，不含有晶界、位

4、错、空洞等晶体结构缺陷，具有异乎寻常的力学性能及物理性能。2.2合成方法主要是陶瓷晶须。合成方法主要有金属与非金属元素的直接反应化合法、高温熔融体结晶法、高压液相生长法、气相沉积法等。2.3SiC晶须（1）晶型：有和两种，区别在于原子的排列方式稍有不同。为六方晶系，为高温稳定型，根据重复的层数不同分为2H、4H、6H型等。为立方晶系，为低温稳定型，又叫3C-SiC。生长成晶须的，多数是3C，少数是2H型。（2）制备：有氧化硅热碳还原法、升华法、热分解法、气相反应法、氮化硅分解碳化法。3陶瓷片状晶体与硬质颗粒（1）片状晶体片状陶瓷晶体，又称

5、晶片，合成方法与晶须基本相同。（2）颗粒基本上各种陶瓷颗粒都可以用作增韧增强的颗粒，其制造方法基本上与陶瓷粉体的制造方法相同。第三节颗粒弥散陶瓷基复合材料1概述1.1颗粒的分类及特点按相对于基体弹性模量大小，颗粒分为刚性和延性两类。延性颗粒在外力作用下可产生一定的塑性变形或沿晶界滑移产生蠕变来缓解应力集中，达到增强增韧的效果。刚性颗粒主要利用第二相颗粒与基体晶粒之间的弹性模量和热膨胀系数差异，在材料中形成残余应力场，使裂纹产生偏转、绕道、分支和钉扎效应，对基体起增韧作用。1.2第二相颗粒的增韧机制主要包括：相变增韧、微裂纹增韧、裂纹偏转、弥散增韧

6、、颗粒桥联以及钉扎效应等。1.3影响因素陶瓷基体材料和第二相颗粒界面的物理相容、化学相容、第二相颗粒本身的粒度和强度、在陶瓷基体中的均匀分散程度、在陶瓷基体中的分布方式均对强化效果有重大影响。2硬质颗粒弥散强化陶瓷基复合材料（1）制备方法与典型的陶瓷单体材料的制造方法相同。（2）工艺上的注意事项①如何使密度不同的物相能够均匀的混合在一起；②不同物相之间可能形成的热胀系数失配。（3）复合的效果3相变增韧陶瓷材料3.1ZrO2的晶型转变立方相：2370～2710℃，a=b=c=0.509nm，===90°；四方相：1207～2370℃，a=b=

7、0.5078nm，c=0.5169nm，===90°；单斜相：＜1207℃，a=0.515nm，b=0.52nm，c=0.532nm，==90°，=99.19°。3.2增韧原理稳定剂：Y2O3、Sc2O3、CaO、MgO、CeO2、等，可使氧化锆的高温相（立方相和四方相）在室温稳定存在。tm转变时产生的～5％的体积膨胀。4金属-陶瓷复合材料金属相往往是过渡金属元素或其合金，而陶瓷相指高熔点的氧化物或非氧化物。两者的结合应满足：（1）互相浸润；（2）不发生激烈反应；（3）热膨胀系数匹配。烧结是在金属熔点之上、陶瓷熔点之下进行的，属于液

8、相烧结。常见的金属陶瓷有：Al2O3-Cr、Al2O3-Fe、ZrO2-Ti等。第四节晶须强韧化陶瓷基复合材料1制备与陶瓷单体材料相近。