第五章-陶瓷基复合材料.ppt

陶瓷基复合材料
易守军
一、陶瓷基复合材料概述
特种陶瓷具有优秀的力学性能、耐磨性好、硬度高及耐腐蚀性好等特点,但其脆性大,耐热震性能差,而且陶瓷材料对裂纹、气孔和夹杂等细微的缺陷很敏感。
陶瓷基复合材料使材料的韧性大大改善,同时其强度、模量有了提高。
颗粒增韧陶瓷基复合材料的弹性模量和强度均较整体陶瓷材料提高,但力–位移曲线形状不发生变化;
而纤维陶瓷基复合材料不仅使其弹性模量和强度大大提高,而且还改变了力–位移曲线的形状(图10-1)。纤维陶瓷基复合材料在断裂前吸收了大量的断裂能量,使韧性得以大幅度提高。
图 10 – 1 陶瓷基复合材料的
力–位移曲线
表10–1 不同金属、陶瓷基体和陶瓷基复合材料的断裂韧性比较
材料
整体陶瓷
颗粒增韧
相变增韧
AlB2BOB3B
SiC
AlB2BOB3B/TiC
SiB3BNB4B/TiC
ZrOB2B/MgO
ZrOB2B/YB2BOB3B
ZrOB2B/ AlB2BO3B
断裂韧性
MPa/mP1/2P
~
~

~
4. 5
9~12
6 ~ 9
~15
裂纹尺寸
大小, m
~36
41~74
36~41
41
165~ 292
74~165
86~459
表10–1 不同金属、陶瓷基体和陶瓷基复合材料的断裂韧性比较
材料
晶须增韧
纤维增韧
SiC/Al2O3
SiC/硼硅玻璃
SiC/锂铝硅玻璃
铝
钢
断裂韧性
MPa/mP1/2P
8 ~10
15~25
15~25
33~44
44~66
裂纹尺寸大小, m
131~204
二、陶瓷基复合材料的制备工艺
1、粉末冶金法
原料(陶瓷粉末、增强剂、粘结剂和助烧剂)均匀混合(球磨、超声等)冷压成形(热压)烧结。
关键是均匀混合和烧结过程防止体积收缩而产生裂纹。
二、陶瓷基复合材料的制备工艺
2、浆体法(湿态法)
为了克服粉末冶金法中各组元混合不均的问题,采用了浆体(湿态)法制备陶瓷基复合材料。
其混合体为浆体形式。混合体中各组元保持散凝状,即在浆体中呈弥散分布。这可通过调整水溶液的pH值来实现。
对浆体进行超声波震动搅拌则可进一步改善弥散性。弥散的浆体可直接浇铸成型或热(冷)压后烧结成型。适用于颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料(图10-2)。
采用浆体浸渍法可制备连续纤维增韧陶瓷基复合材料。纤维分布均匀,气孔率低。
图 10 – 2 浆体法制备
陶瓷基复合材料示意图
3、反应烧结法(图10-3)
用此方法制备陶瓷基复合材料,除基体材料几乎无收缩外,还具有以下优点:
增强剂的体积比可以相当大;
可用多种连续纤维预制体;
大多数陶瓷基复合材料的反应烧结温度低于陶瓷的烧结温度,因此可避免纤维的损伤。
此方法最大的缺点是高气孔率难以避免。
图10 –3 反应烧结法制备SiC/Si3N4
基复合材料工艺流程
4、液态浸渍法(图10- 4)
用此方法制备陶瓷基复合材料,化学反应、熔体粘度、熔体对增强材料的浸润性是首要考虑的问题,这些因素直接影响着材料的性能。
陶瓷熔体可通过毛细作用渗入增强剂预制体的孔隙。施加压力或抽真空将有利于浸渍过程。假如预制体中的孔隙呈一束束有规则间隔的平行通道,则可用Poisseuiue方程计算出浸渍高度h: h = ( r t cos )/ 2
式中r 是圆柱型孔隙管道半径;t 是时间;是浸渍剂的表面能;是接触角;是粘度。
图10-4 液态浸渍法制备陶瓷基复合材料示意图