陶瓷基复合材料的增强体

2、陶瓷纤维
（1）硼纤维（Boron Fiber）
硼纤维是一种将硼通过高温化学气相沉积在钨丝或
碳芯表面制成的高性能增强纤维
中心是碳纤维或钨纤维
典型性能：
直径：100140m；抗张强度：3500MPa
弹性模量：390GPa；密度：2.68g/cm3
状态：连续单丝。 硼纤维抗氧化和高温性能较差，在400C 时可保持室温强度的80% ；在高于500C的 氧化气氛中几分钟其强度就迅速下降；在 650C时将失去所有的性能。 同时其成本也较高，成本下降的潜力也不 大。
MCl4（g）+ CH2 = MC（s） + 4HCl（g）
2MCl4（g）+ 4H2 +N2 = 2MN（s）+ 8HCl（g）
四、颗粒（Particle）
具有高强度、高模量、耐热、 耐磨、耐高温的陶瓷和石墨 等非金属颗粒，加入到基体 材料中起提高耐磨、耐热、 强度、模量和韧性的作用。 其成本低，易于批量生产。
2.复合材料的特点
• 1）由两种或多种不同性能的组分通过宏观或微观 ： 复合在一起的新型材料，组分之间存在着明显的 界面。 • 2）各组分保持各自固有特性的同时可最大限度地 发挥各种组分的优点，赋予单一材料所不具备的 优良特殊性能。 • 3）复合材料具有可设计性。
复合材料的基本结构
复合材料由基体和增强剂两个组分构成：
含碳量99%左右的称为石墨纤维。碳 纤维比重小，比强度、比模量大见 下表，耐热性和耐腐蚀性好，成本 低，批生产量大，是一类极为重要 的高性能增强剂
不同品种碳纤维的力学性能
制备碳纤维的主要原材料有人造丝（粘胶纤维），聚丙 烯腈（PAN）纤维和沥青（Pitch）等。
经过分为五个阶段：
1）拉丝：湿法、干法或熔融纺丝法。
1、无机纤维
（1）玻璃纤维（Glass Fiber） 玻璃纤维是由各种金属氧化物的硅酸盐经 熔融后以快的速度抽丝而成。质地柔软，可织成 各种玻璃布、带等。伸长率和热膨胀系数小，耐 腐蚀，耐高温性能较好，价格便宜，品种多。 缺点是不耐磨、易折 断，易受机械损伤。
（2）碳纤维
碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的纤 维状聚合物碳。含碳量95%左右的称为碳纤维；
此阶段称为脱碳过程，形成由小的乱层石墨
晶体组成的碳纤维。
石墨化过程：
当温度升到2000 3000C时，非碳 原子进一步排除，反应形成的芳环平面 逐步增加，排列也较规则，取向度显著 提程。形
成的石墨纤维弹性模量大大提高。
碳纤维热处理温度与强度及弹性模量的关系
2）牵伸：通常在100 300 C范围内进行，
控制着最终纤维的模量。 3）稳定：在400C加热氧化。显著地降低热 失重，保证高度石墨和取得更好的性能。 4）碳化：在10002000 C 范围内进行。 5）石墨化：在2000 3000C范围内进行。
碳纤维制备工艺流程
PAN基碳纤维制备工艺流程：
空气中预氧化， 施张力使纤维 伸长约10% 。 (200300C)
PAN原丝
1150惰气中碳化1h， 施张力约0.5N/束。 碳纤维(低模高强) 2100C石墨化惰气 中1分钟，施张力约 12N/ 束。
石墨纤维 (高模高强)
碳化过程：
有机化合物在惰性气氛中加热到10001500C时，非碳原子（氮、氢、氧等）将逐 步被驱除，碳含量逐步增加，固相间发生一 系列脱氢、环化、交链和缩聚等化学反应，
复合材料，特别是先进复合材料就是为了满足以上高
技术发展的需求而开发的高性能的先进材料。复合
材料是应现代科学技术而发展出来的具有极大生命
力的材料。
复合材料的发展历史
6000年前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑复合 材料。
水泥复合材料已广泛地应用于高楼大厦 和河堤大坝等的建筑，发挥着极为重要 的作用；20世纪40年代，美国用碎布酚 醛树脂制备枪托、代替木材，发展成为 玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）这种种广 泛应用的较现代化复合材料。
复合材料无所不在！
史上最牛的 钉子户
我们住在复合材料里
树木也是一种复合材料
木质素 纤维素
海胆：家在喜马拉雅山上
海胆最大的特征是那带有刺的硬壳。 那些硬刺用作保护，可能含有毒液， 引致火烧一般的疼痛。
燕子窝：泥土-草复合材料
材料的发展与人类社会的进步
材料是人类社会进步的物质基础和先导，是人类进 步的里程碑。
复合材料分类
复合材料按用途可分为： 结构复合材料 功能复合材料
结构复合材料基本上由 增强体和基体组成
按增强体分类
• • • • • • 颗粒增强复合材料 晶须增强复合材料 短纤维增强复合材料 连续纤维增强复合材料 混杂纤维增强复合材料 三向编织复合材料
按基体材料分类：
• • • • • 聚合物复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 碳碳复合材料 水泥基复合材料
美国F-22猛禽战机
1997年服役，目前世界性 能最佳的制空战机之一
55%机身采用高強度、低重量 的复合材料，估计单价超过 2 亿美元
复合材料的定义和特点：
复合材料的定义
两种或两种以上物 理和化学性质不同的 物质组合而成的一种 多相固体材料。
• 复合材料应满足下面 三个条件 • 1）组元含量大于 5 %； • 2）复合材料的性能显 著 不同于各组元的性 能； • 3）通过各种方法混合 而成。
震、热膨胀系数小、热传导系数大等优点同时还具有良
好的抗氧化和高温性能，其室温性能可保持到1200C。
其成本下降的潜力很大。适合于制备树脂、金属及陶瓷
基复合材料。
碳化硅纤维的制备方法 有先驱体转化法和CVD法 两种。
CVD法制备SiC纤维 直径：100 140 m； 抗张强度：3500MPa 弹性模量：400GPa； 密度：3.03.4g/cm3 状态：连续单丝。
晶须是指具有一定长径比和截面积小于 5210-5cm2 的单晶纤维材料。其直径为0.1到几个微米, 长度为 数十到数千微米。但具有实用价值的晶须的直径为 1-10微米,长径比在5–100之间。 晶须是含缺陷很少的单晶纤维，其拉伸强度接近其纯 晶体的理论强度
ZnO晶须微观形貌
SiC晶须微观形貌
晶须的制备方法
氧化铝纤维是多晶纤维，具有很好的机械性能以 及耐热性和抗氧化性。制备氧化铝纤维的方法较多， 有 -、 -、-Al2O3 连续纤维和-Al2O3 短纤维。 -Al2O3 与树脂及熔融金属的相容性好.
氧化铝纤维主要用于金 属基复合材料。缺点是 密度较大
（3）碳化硅纤维
碳化硅纤维具有很高的比强度、比刚度，耐腐蚀、抗热
• 基体：构成复合材料的连续相； • 增强剂（增强相、增强体）：复合材料中独立的 形态分布在整个基体中的分散相，这种分散相的 性能优越， 会使材料的性能显著改善和增强。 • 增强剂（相）一般较基体硬，强度、模量较基体 大，或具有其它特性。可以是纤维状、颗粒状或 弥散状。 • 增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。
室温下硼纤维的化学稳定性好，但表面活性，不 需要处理就可与树脂复合，其复合材料具有较高的层
间剪切强度。对于含氮化合物亲和力大于含氧化合物。
但在高温下易与大多数金属反应，需要在纤维表面沉
积保护涂层，如SiC和B4C等。
硼纤维主要用于聚合基
和铝基复合材料。
（2）氧化铝纤维 (Alumina Fiber )
另外，还有一种颗粒增强体称为延性颗粒增强体
（Ductile Particle Reinforcement），主要为金属颗粒，
一般是加入到陶瓷基体和玻璃陶瓷基体中起到增韧作用。
如Al2O3中加入Al、Ni，WC中加入Co等。金属颗粒的加入
使材料的韧性显著提高，但高温力学性能有所下降。
当前材料、能源、信息和生物
技术是现代科技的四大支柱，
它会将人类物质文明推向新的
阶段。 二十一世纪将是一个
新材料时代。
复合材料的提出
现代高科技的发展更紧密地依赖于新材料的发展； 同时也对材料提出了更高、更苛刻的要求。 很明显，传统的单一材料无法满足 以上综合要求，当前作为单一的金 属、陶瓷、聚合物等材料虽然仍在 不断日新月异地发展，但是以上这 些材料由于其各自固有的局限性而 不能满足现代科学技术发展的需要。
制备方法：
将基体丝连续通过玻璃管状反应器，并在加热 到1200 ~ 1300C的同时通入适量的氯硅烷与氢气的 混合反应气体反应气体在热丝上发生热解反应生成
SiC
CH3 SiCl3 + H2 SiC + HCl + ••• 并沉积在热丝上形成带有芯（丝）材 的连续SiC纤维
三、晶须（Whisker）
化学气相沉积（CVD）法、溶胶-凝胶法、气液固法、液相
生长法、固相生长法和原位生长法等。
制备陶瓷晶须经常采用CVD法。
即通过气体原料在高温下反应， 并沉积在衬底上 而长成晶须。
例如 CVD 法制备 SiC 晶须的基本反应式为：
CH3 SiCl3（g） + H2 SiC + HCl（g）
CVD 法制备难溶金属氮化物和碳化物的基本 反应式为：
复合材料的基本性能：
• 1.高比强度和高比模量 • 2.良好的高温性能 • 3良好的尺寸稳定性 • 4良好的化学稳定性 • 5良好的抗疲劳，蠕 变，冲击和断裂韧性 • 6良好的功能性能
增强材料共分为三类：
• 纤维及其织物 • 晶须 • 颗粒
增强体纤维包括：有机纤维 无机纤维 纤维在复合材料中起增强作用，是主要承力组分。