陶瓷基复合材料.ppt

第七章陶瓷基复合材料（CeramicMatrixComposites）本章主要内容：一、基本概念和分类结构陶瓷基复合材料主要利用其力学性能和耐高温性能，主要用作承力和次承力构件，主要特性是轻质、高强、高刚度、高比模、耐高温、低膨胀、绝热和耐腐蚀等。功能陶瓷基复合材料主要利用其光、声、电、磁、热等物理性能的功能材料，指除力学性能以外而具有某些物理性能（如导电、半导、磁性、压电、阻尼、吸声、吸波、屏蔽、阻燃、防热等）的陶瓷基复合材料。主要由功能体（单功能或多功能）和基体组成，基体不仅起到粘结和赋形的作用，同时也会对复合陶瓷整体性能有影响。多功能体可以使复合陶瓷具有多种功能，同时还有可能由于产生复合效应而出现新的功能。氧化物陶瓷基复合材料非氧化物陶瓷基复合材料玻璃基或玻璃陶瓷基复合材料水泥基多相复合（陶瓷）材料颗粒弥散强化陶瓷基复合材料——包括硬质颗粒和延性颗粒晶须补强增韧陶瓷基复合材料——包括短纤维补强增韧陶瓷基复合材料晶片补强增韧陶瓷基复合材料——包括人工晶片和天然片状材料长纤维补强增韧陶瓷基复合材料叠层式陶瓷基复合材料——包括层状复合材料和梯度陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料类型汇总表二、原材料及其特性1、陶瓷基体材料几种常用的陶瓷基体材料简介：1、氧化铝陶瓷（Al2O3,alumina）氧化铝瓷的主要性能氧化铝的硬度约为20GPa，仅次于金刚石、立方氮化硼和碳化硅，有很好的耐磨性。耐高温性能好，高氧化铝含量的刚玉瓷可在1600℃高温下长期使用，而且蠕变小。氧化铝还具有很好的耐腐蚀性和电绝缘性。但氧化铝脆性较大，抗热震性差，不能承受环境温度的突然变化。2、氧化锆陶瓷（ZrO2,zirconia）含锆的矿石：斜锆石（ZrO2)，锆英石(ZrO2·SiO2)；颜色：白色（高纯ZrO2）；黄色或灰色（含少量杂质的ZrO2），常含二氧化铪杂质；密度：5.65~6.27g/cm3；熔点：2715℃。单斜相和四方相之间相互转化常见的ZrO2稳定剂是稀土或碱土氧化物，比如Y2O3MgOCeO2CaO。机理：稳定剂的阳离子在ZrO2中具有一定的溶解度，可以置换其中的锆离子。而形成置换型固溶体，阻碍四方晶型(t)向单斜晶型(m)的转变，从而降低氧化锆陶瓷t-m相变的温度，使t-ZrO2亚稳至室温。部分稳定氧化锆陶瓷(partiallystabilizedzirconia，PSZ)四方氧化锆多晶体陶瓷(tetragonalzirconiapolycrystal，TZP)氧化锆增韧陶瓷(ZirconiaToughenedCeramics，ZTC)含有部分t-ZrO2陶瓷在受到外力作用时微裂纹尖端产生张应力，松弛了四方相所受的压应力，微裂纹表面有一层四方相转变为单斜相。由于单斜相产生7%左右的体积膨胀和剪切应变导致压应力，不仅抵消了外力造成的张应力而且阻止进一步的相变。相变诱发微裂纹增韧表面强化增韧颗粒弥散增韧(1)、PSZ（PartiallyStabilizedZirconia）(2)、TZP（TetragonalZirconiaPolycrystals）3、莫来石陶瓷（3Al2O3·2SiO2,Mullite）3、莫来石陶瓷（3Al2O3·2SiO2,mullite）莫来石陶瓷的主要性能4、氮化硅陶瓷（Si3N4,siliconnitride）赛隆陶瓷（Sialon）氮化硅陶瓷和赛隆陶瓷的性能5、碳化硅陶瓷（SiC,SiliconCarbide）不同制备工艺的碳化硅陶瓷及其制品性能6、玻璃陶瓷（glass-ceramics）三、设计理论和强韧化机理晶须和基体材料的选择晶须和基体材料的物理相容性弹性模量的匹配热膨胀系数的匹配对于不同的晶须和基体，热膨胀系数的匹配问题可能存在着以下几种情况：良好的晶须与基体的热匹配应该是：二者的热膨胀系数应尽可能接近或晶须稍大于基体。晶须和基体材料的化学相容性界面的化学相容性可以通过热力学方法进行分析判断。晶须和基体之间界面的设计和调控界面调控一般包括以下三方面内容：(1).助烧剂的选择和优化；(2).晶须的表面状态和处理；(3).界面的结晶化处理。陶瓷材料的脆性本质由于陶瓷材料的分子排列和化学键性质，决定了陶瓷材料中的晶粒位错密度低、滑移系统少、裂纹的成核和生长的能量小，从而决定了陶瓷材料的脆性本质。克服陶瓷材料的脆性的办法(2)、陶瓷材料的强韧化机理