陶瓷基复合材料

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陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。

陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。

这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能,而其致命的弱点是具有脆性,处于应力状态时,会产生裂纹,甚至断裂导致材料失效。

而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合,则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。

纤维能阻止裂纹的扩展,从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。

陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能,主要用作高温及耐磨制品。

其最高使用温度主要取决于基体特征。

陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。

法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制造高速列车的制动件,显示出优异的摩擦磨损特性,取得满意的使用效果。

工制备艺浆体浸渍-热压法适用于长纤维。

首先把纤维编织成所需形状,然后用陶瓷泥浆浸渍,干燥后进行烧结。

优点是加热温度较晶体陶瓷低,层板的堆垛次序可任意排列,纤维分布均匀,气孔率低,获得的强度较高。

缺点则是不能制造大尺寸的制品,所得制品的致密度较低,此外零件的形状不宜太复杂,基体材料必须是低熔点或低软化点陶瓷。

晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工与制备晶须与颗粒的尺寸均很小,只是几何形状上有些区别,用它们进行增韧的陶瓷基复合材料的制造工艺是基本相同的。

基本上是采用粉末冶金方法。

制备工艺比长纤维复合材料简便很多。

所用设备也不复杂设备。

过程简单。

混合均匀,热压烧结即可制得高性能的复合材料制造工艺也可大致分为配料-成型-烧结-精加工等步骤。

直接氧化沉积法方法:将纤维预制体置于熔融金属上面,添加有镁、硅添加剂的熔融金属铝,在氧化气氛中,不断地浸渍预制体,在浸渍过程中,熔融金属或其蒸汽与气相氧化剂反应生成氧化物。

随着时间的延长,边浸渍边氧化,最终可制得纤维增强CMC。

优点:纤维几乎无损伤、纤维分布均匀、CMC性能优异,工艺简单、效率高成本低先驱体热解法方法:将单独合成的先驱体,通过加温调节其粘度,在高压-真空联合作用下使其浸入并充满多向纤维编织坯件的空隙,在高温下使先驱体热解。

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图10-7 纤维陶瓷基复合材 料应力-应变曲线示意图 料应力 应变曲线示意图
2)断裂韧性 纤维拔出与裂纹偏转 是复合材料韧性提高的主 要机制。纤维含量增加, 要机制。纤维含量增加, 阻止裂纹扩展的势垒增加, 阻止裂纹扩展的势垒增加, 断裂韧性增加。 断裂韧性增加。但当纤维 含量超过一定量时, 含量超过一定量时,纤维 局部分布不均, 局部分布不均,相对密度 降低,气孔率增加, 降低,气孔率增加,其抗 弯强度反而降低( 10弯强度反而降低(图108)。
图10-8 CF/ LAS的断裂韧性和弯 的断裂韧性和弯 曲强度随纤维含量的变化
2、高温力学性能 强度、 1)强度、韧性
两图分别为不同温度下SiC 两图分别为不同温度下SiCF/ MAS(MgO.AL2O3.SiO2 )复合材料的力学 性能变化。室温下,复合材料的抗弯强度比基体材料高约10 10倍 性能变化。室温下,复合材料的抗弯强度比基体材料高约10倍,弹性模量 提高约2 复合材料的抗弯强度至700℃保持不变, 700℃保持不变 提高约2倍。复合材料的抗弯强度至700℃保持不变,然后强度随温度升高 而急剧增加;但弹性模量却随着温度升高从室温的137GPa降到850℃ 137GPa降到850℃的 而急剧增加;但弹性模量却随着温度升高从室温的137GPa降到850℃的80 GPa。这一变化与材料中残余玻璃相随温度升高的变化相关。 GPa。这一变化与材料中残余玻璃相随温度升高的变化相关。
图10-6 FCVI法制备纤维 法制备纤维 陶瓷基复合材料示意图
FCVI的传质过程是通过对流来实现。 FCVI的传质过程是通过对流来实现。可用来制备厚壁部 的传质过程是通过对流来实现 件。但不适于制作形状复杂的部件。 但不适于制作形状复杂的部件。 此外,在FCVI过程中,基体沉积是在一个温度范围内, 此外, FCVI过程中,基体沉积是在一个温度范围内, 过程中 必然会导致基体中不同晶体结构的物质共存, 必然会导致基体中不同晶体结构的物质共存,从而产生内应 力并影响材料的热稳定性。 力并影响材料的热稳定性。

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3、莫来石陶瓷(3Al2O3· 2SiO2, mullite)
莫来石一般是由人工合成的。工业上多用天然高铝矾土、粘土或工 业氧化铝等为原料,常用烧结或电熔法合成莫来石熔块,然后破碎成各 种粒度的莫来石粉料。一般合成温度高于1700℃。
实验室一般用化学法(如Sol-gel法)合成高纯、超细的莫来石粉体。
晶须
(陶瓷)
纤维
(连续、短纤维) (陶瓷、高熔点金属)
1650
结构复合式
(叠层、梯度) (按设计要求选择材料)
水泥
硅酸盐化合物、铝酸盐化合物等
叠层式(叠层、梯度)
(按设计要求选择材料)
二、原材料及其特性
陶瓷基复合材料是由基体材料和增强体材料组成。
基体材料有氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、水泥、玻璃等。 增强体材料主要以不同形态来区分,有颗粒状、纤维状、 晶须、晶板等。
表面强化增韧
陶瓷材料的断裂往往是从表面拉应力超过断裂 应力开始的。由于ZrO2陶瓷烧结体表面存在基 体的约束较少,t-ZrO2容易转变为m-ZrO2,而 内部t-ZrO2由于受基体各方向的压力保持亚稳 定状态。因此表面的m-ZrO2比内部的多,而转 变产生的体积膨胀使材料表面产生残余的压应 力,可以抵消一部分外加的拉应力,从而造成 表面强化增韧。
莫来石质陶瓷通常是在1550~1600℃下常压烧结而成,纯莫来石陶 瓷通常要在1750℃左右才能烧结。
加入适量的稳定剂后,t相可以部分或全部以亚稳定状态存在于室 温,分别称为部分稳定氧化锆(PSZ)或四方相氧化锆多晶体(TZP)。
利用t-ZrO2m-ZrO2的马氏体相变,可以用来增韧陶瓷材料,即 氧化锆增韧陶瓷材料(ZTC)。 ZrO2陶瓷的特点是呈弱酸性或惰性,导热系数小(在100~1000℃ 范围内,导热系数=1.7~2.0W/(mK),其推荐使用温度为2000~2200℃, 主要用于耐火坩埚、炉子和反应堆的绝热材料、金属表面的热障涂层等。

陶瓷基复合材料介绍

陶瓷基复合材料介绍

陶瓷基复合材料介绍一、材料定义与特性陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites,简称CMC)是一种以陶瓷为基体,复合增强体材料的高性能复合材料。

它具有高强度、高硬度、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等优异性能,被广泛应用于航空航天、汽车、能源、化工等领域。

二、基体与增强体材料陶瓷基体的主要类型包括氧化铝、氮化硅、碳化硅、氮化硼等,它们具有高熔点、高硬度、耐腐蚀等特性。

增强体材料主要包括纤维、晶须、颗粒等,它们可以显著提高陶瓷基体的强度和韧性。

三、制备工艺与技术陶瓷基复合材料的制备工艺主要包括:热压烧结法、液相浸渍法、化学气相沉积法、粉末冶金法等。

其中,热压烧结法和液相浸渍法是最常用的制备工艺。

四、增强纤维与基体的界面增强纤维与基体的界面是影响陶瓷基复合材料性能的关键因素之一。

为了提高材料的性能,需要优化纤维与基体的界面特性,包括润湿性、粘结性、化学稳定性等。

五、材料的应用领域陶瓷基复合材料具有广泛的应用领域,主要包括:航空航天领域的发动机部件、机载设备;能源领域的燃气轮机叶片、核反应堆部件;汽车领域的刹车片、发动机部件;化工领域的耐腐蚀设备、管道等。

六、发展现状与趋势随着科技的不断进步,陶瓷基复合材料的研究和应用不断深入。

目前,国内外研究者正在致力于开发低成本、高性能的陶瓷基复合材料,并探索其在更多领域的应用。

同时,研究者还在研究如何更好地控制材料的微观结构和性能,以提高材料的综合性能。

七、挑战与机遇尽管陶瓷基复合材料具有许多优异的性能,但它们的制备工艺复杂、成本高,且存在易脆性等挑战。

然而,随着科技的不断进步和新材料的发展,陶瓷基复合材料的成本逐渐降低,应用领域也在不断扩大。

同时,随着环保意识的提高和能源需求的增加,陶瓷基复合材料在能源和环保领域的应用前景广阔。

因此,陶瓷基复合材料在未来仍具有巨大的发展潜力。

陶瓷基复合材料

陶瓷基复合材料

陶瓷基复合材料引言。

陶瓷基复合材料是一种由陶瓷基体和其他增强材料组成的复合材料。

它具有优异的耐磨、耐腐蚀、高强度和高温稳定性等特点,因此被广泛应用于航空航天、汽车制造、化工等领域。

本文将介绍陶瓷基复合材料的组成、性能和应用,并对其未来发展进行展望。

一、陶瓷基复合材料的组成。

陶瓷基复合材料通常由陶瓷基体和增强材料组成。

陶瓷基体可以是氧化铝、碳化硅、氮化硅等陶瓷材料,而增强材料则可以是碳纤维、玻璃纤维、陶瓷颗粒等。

这些材料通过复合加工技术,如热压、注射成型等,将陶瓷基体与增强材料紧密结合,形成具有优异性能的复合材料。

二、陶瓷基复合材料的性能。

1. 耐磨性,陶瓷基复合材料具有优异的耐磨性,可以在高速、高负荷条件下保持较长的使用寿命,因此被广泛应用于机械设备的零部件制造。

2. 耐腐蚀性,由于陶瓷基复合材料具有优异的化学稳定性,可以在酸、碱等腐蚀性介质中长期稳定运行,因此在化工领域得到广泛应用。

3. 高强度,陶瓷基复合材料在高温、高压条件下依然保持优异的强度和刚性,因此被广泛应用于航空航天领域。

4. 高温稳定性,陶瓷基复合材料在高温条件下依然保持稳定的性能,因此被广泛应用于发动机、燃气轮机等高温设备的制造。

三、陶瓷基复合材料的应用。

1. 航空航天领域,陶瓷基复合材料被广泛应用于航空发动机、航天器外壳等高温、高压零部件的制造。

2. 汽车制造领域,陶瓷基复合材料被应用于汽车刹车片、离合器片等零部件的制造,以提高其耐磨性和耐高温性能。

3. 化工领域,陶瓷基复合材料被应用于化工设备的制造,以提高其耐腐蚀性和耐高温性能。

四、陶瓷基复合材料的发展展望。

随着科学技术的不断进步,陶瓷基复合材料将会在性能和应用范围上得到进一步提升。

未来,我们可以期待陶瓷基复合材料在新能源领域、生物医药领域等新兴领域的广泛应用,为人类社会的发展做出更大的贡献。

结论。

陶瓷基复合材料具有优异的耐磨、耐腐蚀、高强度和高温稳定性等特点,因此在航空航天、汽车制造、化工等领域得到广泛应用。

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陶瓷基复合材料是一种由陶瓷基体和增强相组成的新型材料。

陶瓷基复合材料具有优异的耐高温、耐磨损、耐腐蚀性能,因此在航空航天、汽车制造、机械制造等领域有着广泛的应用。

本文将从材料特性、制备工艺、应用领域等方面对陶瓷基复合材料进行介绍。

首先,陶瓷基复合材料的材料特性是其具有的重要特点之一。

陶瓷基复合材料具有高温强度高、热震稳定性好、耐磨损、耐腐蚀等优异性能。

这些特性使得陶瓷基复合材料在高温、高压、腐蚀等恶劣环境下能够发挥出色的性能,因此在航空航天领域得到了广泛的应用。

其次,陶瓷基复合材料的制备工艺是影响其性能的重要因素之一。

陶瓷基复合材料的制备工艺包括原料的选择、配比、成型、烧结等多个环节。

其中,原料的选择和配比直接影响着复合材料的成分和性能,而成型和烧结工艺则决定了复合材料的内部结构和组织。

因此,制备工艺的优化对于提高陶瓷基复合材料的性能具有重要意义。

最后,陶瓷基复合材料在航空航天、汽车制造、机械制造等领域有着广泛的应用。

在航空航天领域,陶瓷基复合材料被用于制造发动机涡轮叶片、导向器、复合材料轴承等部件,以提高其耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能。

在汽车制造领域,陶瓷基复合材料被用于制造发动机零部件、刹车盘、离合器等,以提高汽车的性能和安全性。

在机械制造领域,陶瓷基复合材料被用于制造轴承、密封件、刀具等,以提高机械设备的使用寿命和性能。

总之,陶瓷基复合材料具有优异的性能和广泛的应用前景。

随着科学技术的不断进步,陶瓷基复合材料将在更多领域得到应用,并为人类社会的发展做出更大的贡献。

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是一种由陶瓷基体和其他添加剂组成的复合材料。

其综合性能优异,因此在航空航天、电子器件、能源领域等多个领域得到广泛应用。

本文将介绍陶瓷基复合材料的制备方法、性能及应用,并对其未来发展进行展望。

一、制备方法陶瓷基复合材料的制备方法多种多样,主要包括烧结法、溶胶-凝胶法、机械合金化法等。

首先,烧结法是最常用的制备陶瓷基复合材料的方法之一。

该方法将陶瓷粉末与其他添加剂混合,并通过高温下的烧结过程将其烧结成坚固的材料。

这种方法制备的复合材料具有较高的结晶度和致密性。

其次,溶胶-凝胶法是一种制备陶瓷基复合材料的新方法。

该方法通过将金属盐、有机物等混合,形成胶体溶胶,然后通过热处理使其成为凝胶,并进一步高温热处理得到致密材料。

这种方法制备的复合材料具有较高的纯度和均匀性。

最后,机械合金化法是一种通过粉末冶金技术制备陶瓷基复合材料的方法。

该方法将陶瓷颗粒与添加剂一起经过球磨、混合等机械处理,使其均匀分散,并通过热处理得到复合材料。

这种方法制备的复合材料具有较高的强度和断裂韧性。

二、性能陶瓷基复合材料具有一系列优异的性能,主要包括高温稳定性、硬度高、抗腐蚀性好等。

首先,陶瓷基复合材料具有较好的高温稳定性。

由于陶瓷基复合材料的陶瓷基体具有较高的熔点和热稳定性,因此能够在高温环境下保持较好的性能,不易发生烧结变形等问题。

其次,陶瓷基复合材料具有较高的硬度。

陶瓷基体的硬度往往比金属基体或聚合物基体要高,因此陶瓷基复合材料在硬度方面具有优势。

这使得该材料在需要高硬度的应用中表现出色,如切割工具、磨料等领域。

再次,陶瓷基复合材料具有良好的抗腐蚀性。

由于陶瓷基体的本身特性,该材料在酸碱等腐蚀性环境中有很好的稳定性,不易受到腐蚀侵蚀。

这使得陶瓷基复合材料在化工、生物医药等领域得到广泛应用。

三、应用陶瓷基复合材料在很多领域都有广泛的应用。

下面将介绍几个典型的应用领域。

首先,陶瓷基复合材料在航空航天领域具有重要应用。

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注。连续纤维增强陶瓷基复合材料已经开始在航天航空、国防等领域得到广泛应用[1~3]。20世纪70
年代初,J Aveston[2]在连续纤维增强聚合物基复合材料和纤维增强金属基复合材料研究基础上,首次
提出纤维增强陶瓷基复合材料的概念,为高性能陶瓷材料的研究与开发开辟了一个方向。随着纤维制备
技术和其它相关技术的进步,人们逐步开发出制备这类材料的有效方法,使得纤维增强陶瓷基复合材料
科技名词定义
中文名称:陶瓷基复合材料 英文名称:ceramic matrix composite 定义:以陶瓷材料为基体,
纤维、晶须、颗粒等为增强体(增韧材料)组成的复合物。 应用学科:航空科技(一级学科);航
空材料(二级学科) 以上内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布 名称: 陶瓷基复合材料
个有效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展,从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。 陶
瓷基复合材料具有优异的耐高温性能,主要用作高温及耐磨制品。其最高使用温度主要取决于基体特
征。陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。法
国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制造高速列车的Hale Waihona Puke 动件,显示出优异的摩擦磨损特性,取得
纤维增强陶瓷基复合材料有着优异的高温性能、高韧性、高比强、高比模以及热稳定性好等优点,能
有效地克服对裂纹和热震的敏感性[6~7],因此,在代写论文重复使用的热防护领域有着重要的应用和
广泛的市场
的制备技术日渐成熟。20多年来,世界各国特别是欧美以及日本等对纤维增强陶瓷基复合材料的制备
工艺和增强理论进行了大量的研究,取得了许多重要的成果,有的已经达到实用化水平。如法国生产的
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班级: 材料081班学号: 0706100307 学生姓名: 莫国健陶瓷基复合材料摘要:材料是科学技术发展的基础,材料的发展可以推动科学技术的发展,材料主要有金属材料、聚合物材料、无机非金属材料和复合材料四大类。

其中复合材料是是最新发展地来的一大类,发展非常迅速。

最早出现的是宏观复合材料,它复合的组元是肉眼可以看见的,比如混凝土。

随后发展起来的是微观复合材料,它的组元肉眼看不见。

由于复合材料各方面优异的性能,因此得到了广泛的应用。

复合材料对航空、航天事业的影响尤为显著,可以说如果没有复合材料的诞生,就没有今天的飞机、火箭和宇宙飞船等高科技产品。

本文从纤维增强陶瓷基复合材料入手,综述了陶瓷基复合材料的特殊使用性能、界面增韧机理、制备工艺作了较全面的介绍,并对CMC的的研究现状、未来发展进行了展望。

关键词:陶瓷基复合材料、增强纤维、基体正文前言陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。

陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。

这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能,而其致命的弱点是具有脆性,处于应力状态时,会产生裂纹,甚至断裂导致材料失效。

而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合,则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。

纤维能阻止裂纹的扩展,从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。

陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能,主要用作高温及耐磨制品。

其最高使用温度主要取决于基体特征。

一、陶瓷基复合材料增强体用于复合材料的增强体品种很多,根据复合材料的性能要求,主要分为以下几种1.1纤维类增强体纤维类增强体有连续长纤维和短纤维。

连续长纤维的连续长度均超过数百。

纤维性能有方向性,一般沿轴向均有很高的强度和弹性模量。

1.2颗粒类增强体颗粒类增强体主要是一些具有高强度、高模量。

耐热、耐磨。

耐高温的陶瓷等无机非金属颗粒,主要有碳化硅、氧化铝、碳化钛、石墨。

细金刚石、高岭土、滑石、碳酸钙等。

主要还有一些金属和聚合物颗粒类增强体,后者主要有热塑性树脂粉末1.3晶须类增强体晶须是在人工条件下制造出的细小单晶,一般呈棒状,其直径为0.2~1微米,长度为几十微米,由于其具有细小组织结构,缺陷少,具有很高的强度和模量。

1.4金属丝用于复合材料的高强福、高模量金属丝增强物主要有铍丝、钢丝、不锈钢丝和钨丝等,金属丝一般用于金属基复合材料和水泥基复合材料的增强,但前者比较多见。

1.5片状物增强体用于复合材料的片状增强物主要是陶瓷薄片。

将陶瓷薄片叠压起来形成的陶瓷复合材料具有很高的韧性。

二、陶瓷基的界面及强韧化理论陶瓷基复合材料(CMC)具有高强度、高硬度、高弹性模量、热化学稳定性等优异性能,被认为是推重比10以上航空发动机的理想耐高温结构材料。

界面作为陶瓷基复合材料重要的组成相,其细观结构、力学性能和失效规律直接影响到复合材料的整体力学性能,因此研究界面特性对陶瓷基复合材料力学性能的影响具有重要的意义。

2.1界面的粘结形式(1)机械结合(2)化学结合陶瓷基复合材料往往在高温下制备,由于增强体与基体的原子扩散,在界面上更易形成固溶体和化合物。

此时其界面是具有一定厚度的反应区,它与基体和增强体都能较好的结合,但通常是脆性的。

2.2界面的作用陶瓷基复合材料的界面一方面应强到足以传递轴向载荷并具有高的横向强度;另一方面要弱到足以沿界面发生横向裂纹及裂纹偏转直到纤维的拔出。

2.3强韧化技术2.3.1纤维增韧为了提高复合材料的韧性,必须尽可能提高材料断裂时消耗的能量。

任何固体材料在载荷作用下(静态或冲击),吸收能量的方式无非是两种:材料变形和形成新的表面。

对于脆性基体和纤维来说,允许的变形很小,因此变形吸收的断裂能也很少。

为了提高这类材料的吸能,只能是增加断裂表面,即增加裂纹的扩展路径。

2.3.2晶须增韧陶瓷晶须是具有一定长径比且缺陷很少的陶瓷小单晶,因而具有很高的强度,是一种非常理想的陶瓷基复合材料的增韧增强体。

2.3.3相变增韧相变增韧ZrO2陶瓷是一种极有发展前途的新型结构陶瓷,其主要是利用ZrO2相变特性来提高陶瓷材料的断裂韧性和抗弯强度,使其具有优良的力学性能,低的导热系数和良好的抗热震性。

它还可以用来显著提高脆性材料的韧性和强度,是复合材料和复合陶瓷中重要的增韧剂2.3.4颗粒增韧用颗粒作为增韧剂,制备颗粒增韧陶瓷基复合材料,其原料的均匀分散及烧结致密化都比短纤维及晶须复合材料简便易行。

因此,尽管颗粒的增韧效果不如晶须与纤维,但如颗粒种类、粒径、含量及基体材料选择得当,仍有一定的韧化效果,同时会带来高温强度、高温蠕变性能的改善。

所以,颗粒增韧陶瓷基复合材料同样受到重视,并开展了有效的研究工作。

2.3.5纳米复合陶瓷增韧纳米技术一出现,便在改善传统材料性能方面显示出极大的优势,该方面的研究有可能使陶瓷增韧技术获得革命性突破。

纳米陶瓷由于晶粒的细化,晶界数量会极大增加,同时纳米陶瓷的气孔和缺陷尺寸减小到一定尺寸就不会影响到材料的宏观强度,结果可使材料的强度、韧性显著增加。

2.3.5自增韧陶瓷如果在陶瓷基体中引入第二相材料,该相不是事先单独制备的,而是在原料中加入可以生成第二相的原料,控制生成条件和反应过程,直接通过高温化学反应或者相变过程,在主晶相基体中生长出均匀分布的晶须、高长径比的晶粒或晶片的增强体,形成陶瓷复合材料,则称为自增韧。

这样可以避免两相不相容、分布不均匀问题,强度和韧性都比外来第二相增韧的同种材料高。

三、陶瓷基复合材料的界面对材料整体性能的影响界面直接影响复合材料的整体力学性能。

纤维与基体间界面的主要作用有:(1)传递作用:由于纤维是主要的载荷承担者,因此界面必须有足够的结合强度来传递载荷,使纤维承受大部分载荷,在基体与纤维之间起到桥梁作用; (2)阻断作用:当基体裂纹扩展到纤维与基体间界面时,结合适当的界面能够阻止裂纹扩展或使裂纹发生偏转,从而达到调整界面应力,阻止裂纹向纤维内部扩展的效果。

当一垂直于纤维方向的裂纹穿入包埋单根纤维的基体时,随后的破坏机制界面对陶瓷基复合材料力学性能的影响分析可能为:基体断裂、纤维—基体界面脱粘、脱粘后摩擦、纤维断裂、应力重新分布、纤维拔出等。

对陶瓷基复合材料来说,纤维与基体的界面是控制材料性能的关键因素。

因此,研究界面对陶瓷基复合材料的力学性能的影响具有重要意义。

在纤维与基/SiC 体之间的界面反应将改变材料的界面强度,从而改变材料的性能。

例如:Cf复合材料的界面反应主要是Si原子向纤维内部的扩散。

戴永耀(音)等研究了Si原子通过C/SiC的界面进入碳纤维内部的过程,发现Si的扩散系数为8.2×f10-17m2/s到6×10-16m2/s,扩散自由能为76.9 kJ/mol,温度为900℃~1 300℃时,Si原子为自由态或与C原子形成SiC。

Kikuchi Shigeru研究结果表明:Si原子在沥青基纤维中的扩散速度远小于在PAN基纤维中的速度。

这个结果也表明沥青基碳纤维更适于制备Cf/SiC复合材料。

为改善陶瓷基复合材料的界面,最简单最有效的方法是通过纤维的表面涂层来实现,其工艺方法同抗氧化涂层。

Hojima Akira发现有B4C涂层的Cf/SiC复合材料在与不加涂层的Cf/SiC复合材料在同样的温度热处理时,Si几乎不扩散入碳纤维内部。

国外对陶瓷基复合材料及其界面的失效模式和失效机理已经作了不少的研究。

按界面模型的几何假设,可以将界面模型分为连续模型和离散模型。

连续模型又分为唯像学模型、半经验失效模型、剪切滞后模型断裂力学模型和连续损伤力学模型等;离散模型可以分为有限元模型、弹簧元模型和统计模型等。

四、陶瓷基复合材料的分类按增强材料形态分类,陶瓷基复合材料可分为颗粒增强陶瓷复合材料、纤维增强陶瓷复合材料、片材增强陶瓷复合材料。

按基体材料分类,陶瓷基复合材料可分为氧化物基陶瓷复合材料、非氧化物基陶瓷复合材料、碳/碳复合材料、微晶玻璃基复合材料。

五、陶瓷基复合材料的制备工艺陶瓷基复合材料的制备工艺主要有以下几部分组成:粉体制备、增强体(纤维、晶须)制备和预处理,成型和烧结。

5.1粉体制备粉体的性能直接影响到陶瓷的性能,为了获得性能优良的陶瓷基复合材料,制备出高纯、超细、组分均匀分布和无团聚的粉体是很关键的。

陶瓷粉体的制备主要可分为机械制粉和化学制粉两种。

化学制粉可获得性能优良的高纯、超细、组分均匀的粉体,是一类很有前途的粉体制备方法。

但是这类方法或需要较复杂的设备,或制备工艺要求严格,因而成本也较高。

机械法制备多组分粉体工艺简单、产量大,但得到的粉体组分分布不均匀,特别是当某种组分很少的时候,而且这种方法长会给粉体引入杂质。

除此外,还可用物理法,即用蒸发-凝聚法。

该方法是将金属原料加热到高温,使之汽化,然后急冷,凝聚成分体,该法可制备出超细的金属粉体。

5.2成型有了良好的粉体,成型就成了获得高性能陶瓷复合材料的关键。

坯体在成型中形成的缺陷会在烧成后显著的表现出来。

一般成型后坯体的密度越高则烧成的收缩就越小,制品的尺寸精度越容易控制。

陶瓷材料常用的成型方法有:5.2.1模压成型模压成型是将粉体填充到模具内部,通过单向或者双向加压,将粉料压成所需形状。

5.2.2等静压成型一般等静压成型是指将粉料装入橡胶或塑料等可变形的容器中,密封后放入液压油或者水等流体介质中,加压获得所需坯体。

5.2.3热压铸成型热压铸成型是将粉料与蜡(或其他有机高分子粘合剂)混合后,加热使蜡(或其他有机高分子粘合剂)熔化,是混合料具有一定流动性,然后将混合料加压注入模具,冷却后即可得到致密较结实的坯体。

5.2.4挤压成型挤压成型就是利用压力把具有塑性的粉料通过模具挤出,模具的形状就是成型坯体的形状。

5.2.5轧模成型轧模成型是将加入粘合剂的坯料放入相向滚动的压辊之间,使物料不断受到挤压得到薄膜状坯体的一种成型方法。

5.2.6注浆成型注浆成型是基于多孔石膏模具能够吸收水分的物理特性,将陶瓷粉料配成具有流动性的泥浆,然后注入多孔模具内(主要为石膏模),水分在被模具(石膏)吸入后便形成了具有一定厚度的均匀泥层,脱水干燥过程中同时形成具有一定强度的坯体。

5.2.7流延法成型一种陶瓷制品的成型方法,首先把粉碎好的粉料与有机塑化剂溶液按适当配比混合制成具有一定黏度的料浆,料浆从容器同流下,被刮刀以一定厚度刮压涂敷在专用基带上,经干燥、固化后从上剥下成为生坯带的薄膜,然后根据成品的尺寸和形状需要对生坯带作冲切、层合等加工处理,制成待烧结的毛坯成品。

5.2.8注射成型陶瓷料粉与热塑性树脂等有机溶剂在注塑机加热料筒中塑化后,由柱塞或往复螺杆注射到闭合模具的模腔中形成制品的加工方法。

5.2.9泥浆渗透法泥浆渗透法是先将陶瓷基体坯料制成泥浆,然后在室温使其渗入增强预制体,再干燥就得到所需的陶瓷基复合材料坯体。

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