《纳米复合材料》PPT课件

6.2 陶瓷基纳米复合材料
陶瓷具有优良的综合机械性能、耐磨性好、硬度高以及耐 热性和耐腐蚀性好等特点。但它的最大缺点是脆性大。
近年来，通过往陶瓷中加入或生成纳米级的颗粒、晶须、 晶片、纤维等，使陶瓷的韧性大大地改善，而且强度及模 量有了提高。
陶瓷基纳米复合材料的基体主要有氧化铝、碳化硅、氮化 硅和玻璃陶瓷等。
纳米复合材料
复合概念
材料科学中复合是指不同相、不同物质组成的体系之间 的组合。
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对于纳米材料领域，复合材料是多相体系，其中相的尺 寸至少有一维在纳米尺度，并对材料性能有重要影响， 这种材料可称为纳米复合材料。 复合材料定义为：由两种或者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。复合材料中， 通常有一相为连续相，称为基体；另一相分散相，称为 增强材料。自组装结构通常为分散相，而作为支撑物的 膜就是连续相。
（1）高强度、高韧性



陶瓷基纳米复合材料，特别是氧化物系陶瓷基纳米复合材料力学 性能的明显改善大致可归结如下： (1)纳米级弥散相抑制了氧化物基体晶粒生长和减轻了晶粒的异常长大， 起到细晶强化作用。 (2)在弥散相内或弥散相周围存在高的局部应力，这种应力是基体和弥 散相之间热膨胀失配而产生的，使冷却期间产生位错。纳米级粒子钉 扎或进入位错区使基体晶粒内形成亚晶界，使基体晶粒再细化而起增 强作用。 (3)纳米级粒子周围的局部拉伸应力引起穿晶断裂，并由于硬粒子对裂 纹尖端的反射作用而产生韧化。破坏模式从穿晶和晶间到单纯晶间断 裂，晶界相(通常约10％体积的无定形相)的改变和对高温力学性能影 响的减小，使高温力学性能获得明显改善。 (4)纳米级粒子在高温牵制位错运动，从而也能使高温力学性能获得明 显改善。
金属基纳米复合材料
• 金属基纳米复合材料以其高比刚度、高比韧性、耐高温、 耐腐蚀、抗疲劳及电、热等功能特性广泛应用在航天航空、 汽车、机械、化工和电子等领域。 • 金属基复合材料的性能可以通过调整增强相的含量来控制.
纳米复合材料的性能
• • • 制备复合材料的目的之一就是增大材料的强度。 复合材料的最大力值依赖于材料中最脆弱的断裂路径。 当基体中加入硬度较大的粒子时，其对材料整体力学性能 有两种不同的影响：
2 高比强度、高比模量
• 颗粒和晶须增强金属基纳米复合材料的金属基体大多采用 密度较低的铝、镁和钛合金，以便提高复合材料的比强度 和比模量。其中较为成熟、应用较多的是铝基纳米复合材 料。这类复合材料所采用的增强体材料大多为碳化硅、氮 化硅、碳化硼、氧化铝等的纳米颗粒、晶须，其中以SiC 为主。 • 聚合物基纳米复合材料，高分子基体密度低。
3 抗蠕变、抗疲劳性好
颗粒增强的纳米复合材料的最小蠕变速率要比基体合金低 2个数量级；在相同蠕变速率下，颗粒增强时可比未增强 基体的蠕变应力增加1倍左右，即纳米复合材料所承受的 应力提高了1倍。 晶须增强时又要比颗粒增强时抗蠕变性能更好。 一般纳米复合材料的应力指数n明显高于基体。基体的n约 为4—5，而纳米复合材料的n约为9—20。这反映了纳米 复合材料的蠕变速率对应力的敏感性大。 颗粒和晶须增强金属基纳米复合材料的疲劳强度和疲劳寿 命一般比基体金属高。纳米复合材料疲劳性能的提高可能 与其强度和刚度的提高有关。
晶须增强铝基纳米复合材料的疲劳性能是与晶须增 强纳米复合材料疲劳裂纹的形成和扩展有关。

在晶须增强纳米复合材料中，疲劳裂纹在晶须的端部或 在与基体的界面处形成，当 SiCw分布不均匀时，在SiCw 密集处或是基体中的一些显微缺陷处也容易萌生疲劳裂纹。
由于SiCw与基体在强度和变形能力上有显著的差别，因 而在疲劳过程中其界面将产生较大的内应力，就可能导致 界面开裂。
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纳米复合材料性能
纳米复合材料的力学性能主要具有如下的特点： 高强度、高韧性； 高比强度、高比模量； 抗蠕变、抗疲劳性好； 高温性能好；断裂安全性高等。
把高强度、高模量、耐热性好的纳米颗粒、纳米晶片、 纳米晶须、纳米纤维等弥散于基体材料中，可提高基体 材料的强度、模量、韧性、抗蠕变和抗疲劳性、高温性 能，有的可增加功能性或智能性。
（1）陶瓷基纳米复合材料
陶瓷基纳米复合材料最早是由化学气相沉积(CVD)法制备 的。 CVD工艺对于把纳米级第二相弥散进基体晶粒或晶界是 一种很好的方法。然而CVD，工艺不适用于大量制造大 尺寸和形状复杂的制品，而且成本高。 采用传统的生产陶瓷的工艺：热压烧结、无压烧结、热 等静压(HIP)工艺成功地制备了陶瓷基纳米复合材料，并 且还发展了一些新工艺：反应烧结、微波烧结、自蔓延 高温合成法、溶胶-凝胶法、原位复合法等。
① 粒子导致应力集中，从而使材料整体性能下降； ② 粒子阻碍了裂纹的生长，而使材料整体力学性能增强。
纳米复合材料的性能
• • 在强度相对较弱的基体中添加硬度很大的微米或纳米级的 无机填充粒子，都可以令复合材料的硬度有较大的提高。 力学性能的提高很大程度依赖于基体与添加粒子之间应力 的转移。
•
基体与粒子之间“结合紧密”（具有化学键等强烈的界面 作用力），那么基体所受到的应力能有效地转移到增强粒 子上，从而表现为复合材料整体的强度增大。 基体与粒子之间结合力很弱，（特别是微米级的粒子经常 出现这种情况），基体所受到的应力不能转移到粒子上， 复合材料整体出现强度减小的情况。
金属基纳米复合材料的力学性能明显改善大致 可以归结如下：
(3)颗粒和晶须增强金属基纳米复合材料的模量基本符合复 合法则。由于颗粒与晶须增强体材料在模量上差别不大， 因而两者对模量的增强效果是接近的。颗粒对复合材料模 量的增强效果低于晶须，这是由于颗粒形状对模量增强效 果有一定的影响。 (4)采用颗粒和晶须增强金属基纳米复合材料时，在高温下 的强度和模量一般要比其基体合金的高。与室温时相同， 复合材料的高温强度及高温模量也随颗粒或晶须的体积含 量的增加而提高。
例如氧化铝基复合材料，无压烧结温度为1800 ℃ ，热 压烧结(20MPa)温度为 1500℃，而HIP烧结(400MPa)在 1000 ℃的较低温度下就已致密化了。
陶瓷基纳米复合材料制备 • (2) 反应烧结 • 反应烧结是将陶瓷基体粉末和增强体纳米粉末混合均
匀，加入粘结剂后压制成所需形状，经高温加热进行氮化 或碳化，反应生成陶瓷基体把纳米级第二相紧密地结合在 一起，从而获得陶瓷基纳米复合材料的方法。用这种方法 可以制备氮化硅或碳化硅基纳米复合材料。 • 反应烧结的优点是： • (1)陶瓷基体几乎无收缩； • (2)纳米晶须或纤维的体积分量可以相当大： • (3)大多数陶瓷的反应烧结温度低于陶瓷的常规烧结温度， 因此可以避免纳米晶须或纤维的损坏。
它们与纳米级第二相的界面粘结形式主要有两种：机械粘 结和化学粘结。
（1）陶瓷基纳米复合材料
强的界面粘结往往导致脆性破坏。在断裂过程中，强的界 面结合不产生额外的能量消耗。 当界面结合较弱时，基体中的裂纹扩展至晶须、纤维等处 时，将导致界面脱粘，其后发生裂纹偏转、裂纹搭桥、晶 须及纤维断裂，以致最后拔出。所有这些过程都要吸收能 量，从而提高陶瓷的断裂韧性。
结构材料通常按基体的不同分为聚合物基复合材料、金属 基复合材料、陶瓷基复合材料、碳基复合材料和水泥基复合 材料等。
功能复合材料是指除力学性能以外还提供其它物理、 化学、生物等性能的复合材料。
包括压电、导电、雷达隐身、永磁、光致变色、吸声、阻 燃、生物自吸收等种类繁多的复合材料，具有广阔的发展前途。 未来的功能复合材料比重将超过结构复合材料，成为复合材料 发展的主流。
复合材料不仅性能优于组成中的任意一个单独的材料， 而且还可具有组分单独不具有的独特性能。 纳米复合材料与常规的复合材料相比增添了许多新的研 究内容。
含有纳米颗粒相的纳米复合材料，是纳米材料工程的重 要组成部分，成为当前纳米材料发的新方向。 纳米复合材料中的高分子基纳米复合材料，是一类值得 研究的新型材料。
基体中的显微缺陷及晶须密集处同样存在较大内应力和孔 穴的积累而形成的疲劳裂纹。 疲劳裂纹的扩展是由于裂纹前沿所形成的微孔的连接而引 起的。当裂纹的扩展遇到SiC微粒或晶须时，裂纹扩展会停 止，而等待附近其他微孔的积累、连接，再引发裂纹形成 及扩展。 含有复合基体的SiCw增强纳米复合材料，其裂纹的形成及 扩展受基体韧化的影响，因而提高了其疲劳性能。
（1）热压烧结 热等静压(HIP)也属于热压烧结的一种。它是用金属箔代 替橡胶模具，用气体代替液体，使金属箔内的陶瓷基体 和纳米增强体混合粉末均匀受压。通常所用气体为氦气、 氩气等惰性气体，金属箔为低碳钢、镍、钼等。一热等静压烧结。 与一般热压烧结法相比，HIP法使混合物料受到各向同 性的压力，使显微结构均匀；另外HIP法施加压力高，在 较低温度下即可烧结。
• 按基体形状分， 0-0复合，0-1复合， 0-2复 合， 0-3复合。
• 按复合方式分，晶内型，晶间型，晶内-晶 间混合型，纳米-纳米型。
结构复合材料主要作为承力结构使用的材料
由能承受载荷的增强体组元（如玻璃、陶瓷、碳素、高聚 物、金属、天然纤维、织物、晶须、片材和颗粒等）与能联 结增强体成为整体材料同时又起传力作用的基体组元（如树 脂、金属、陶瓷、玻璃、碳和水泥等）构成。
SiO2
CdSe，CdTe 石墨 多面齐聚倍半硅氧 烷（POSS）
粘度控制
电荷转移 导电性、阻隔性、电荷转移 热稳定性、阻燃性
涂料、粘结剂
光伏电池 电力、电子行业 传感器、LED
陶瓷基纳米复合材料
• 在陶瓷材料中早已存在纳米结构，比如很多粘土烧结的陶 瓷材料。
电学陶瓷的扫描电镜图片， 大的晶粒是石英，它们之间是包含在玻璃相中的针状 多铝红柱石。
未来复合材料的研究方向主要集中在纳米复合材料、仿生 复合材料和发展多功能、智能、天然复合材料等领域。
1.聚合物基纳米复合材料