《先进复合材料及其应用》(全套课件97P)

铝纤维增强微晶玻璃基复合材料。
14
2 氧化物陶瓷

应用较多的有：Al2O3，MgO，SiO2，ZrO2，莫来石
（3Al2O3-2SiO2）等。具有高强度、高硬度、耐高温
、耐磨损、耐腐蚀等性能，但脆性大。

主要的增强物为：陶瓷颗粒或晶须。
15
3 非氧化物陶瓷
指不含氧的金属碳化物、氮化物、硼化物和硅化物等。
应烧结和热压烧结。前者是将Si3N4粉以适当的
方式成形后，在氮气氛中进行氮化合成(约
1350℃）。后者是将加适当的助烧剂
(MgO,Al2O3,1600~1700℃) 烧结。
17
氮化硼和氮化钛陶瓷
氮化硼陶瓷
BN有两种晶型：六方BN结构，性能与石墨相似，因此
有白石墨之称。HBN硬度不高，是唯一易于机械加工的 陶瓷。高温（1500～2000℃)高压（6~9×103MPa ）下可 转化为立方BN(CBN）。CBN的硬度接近于金刚石，是极 好的耐磨材料。
《先进复合材料及其应用》
1
上海大学材料学院电子信息材料系
目
陶瓷基复合材料 金属基复合材料
录
聚合物基复合材料 水泥基复合材料
混杂纤维复合材料
2
§2. 基体材料—概述
基体的作用:
固结增强相，均衡载荷和传递应力,保持基本性质。
选材原则：
强度、刚度等力学性能，只作一般性考虑。
传统陶瓷是指陶器和瓷器，也包括玻璃、水泥、 搪瓷、砖瓦等人造无机非金属材料。主要由含二 氧化硅的天然硅酸盐矿物质制成。
现代陶瓷：高纯度、高性能的氧化物、碳化物、
硼化物、氮化物等。
5
§2.3 基体材料 — 陶瓷基材料
目的：增韧
基体材料：新型陶瓷
• Al2O3、ZrO2、MgO、SiO2、莫来石 • TiC、SiC • Si3N4 • TiB2、Be2B、Be4B
自然界比较少，需要人工合成，是先进陶瓷特别是金属陶
瓷的主要成分和晶相，主要由共价键结合而成，也有一定 的金属键成分。
共价键结合能比较高—材料有高的耐火度、高的硬度
（有的接近金刚石）、高的耐磨性，但脆性大，抗氧化能 力低。
16
氮化硅陶瓷(SI3N4)
共价键化合物的原子自扩散系数非常高，高
纯的Si3N4 的固相烧结极为困难。因此，常用反
裂纹转向：裂纹尖端受阻钝化而转向，要消耗更多的表面能。

纤维断裂：高强度纤维断裂，要消耗更大的能量。
7
二、各种纤维增强陶瓷基
1．金属纤维
W、Mo、Ta、Nb、Cr、Fe、Ni、Co、不锈钢丝。
如：Mo、Ta /Al2O3 ； W/TiC、TaC、HfC、ZrC W、Mo/ZrO2、ThO2 ； W（涂SiC）/Si3N4 2．陶瓷纤维 C、SiC(W)、B4C(W) 、BN、Al2O3(W)纤维或晶须。 可与Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4陶瓷复合。 (1)性能特点 使用温度范围广，高温强度高，耐热冲击，抗儒变。
3．浸渍法 长纤维编织或缠绕成型，浸渍陶瓷浆，干燥烧结。 工艺简单，烧结密度低。
20
四． 应用领域及发展方向
发展方向：
1． 高性能陶瓷纤维和晶须的制备技术。
2． 纤维和晶须的表面处理技术。 3． 长纤维陶瓷复合材料的制备技术。 4． 界面结合强度与材料强度韧性的关系。 5． 复合比与材料强度韧性的关系。 6． 重视纤维晶须和颗粒共复合的协同效应。 7. 玻璃--陶瓷基体的研究。
两者相容性，环境适应性，工艺性，重点考虑。
3
上海大学材料学院电子信息材料系
相容性：
化学性质稳定，润湿性好，膨胀系数差要 小，以确保两相界面具有足够的结合力。
环境适应性：
耐热、耐蚀、抗老化和适当的硬度。
工艺性：
制备是否方便，成本是否合适、低廉等。
4
上海大学材料学院电子信息材料系
2.3 陶瓷材料
8
(2)、影响增强效果的因素
• 尺寸因素
纤 维过 细反 应活 性高 ，过 粗相 当于 裂纹 。 20～ 30µ m好。长纤维增强效果好，晶须长/径>5为好。 • 排列方向: 与主应力平行。
• 纤维（晶须）含量及均匀性
含量↗：断裂韧性↗，但密度大。
9
• 相容性 纤维热膨胀系数应略大于基体。 纤维弹性模量应高于基体。
两相化学性质要稳定，陶瓷基以共价键 化合物为好。如SiC、Si3N4、BN等。 • 界面性质
界面结合力应适中。
10
单一的陶瓷存在脆性大，韧性差，很容易因
存在的裂纹、空隙、杂质等缺陷而破碎。
在陶瓷基体中添加其他成分，如陶瓷粒子，
纤维或晶须，可提高陶瓷的韧性。
11
常见的陶瓷基体有：
微晶玻璃、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等
作为基体材料使用的陶瓷，应具有：优良的
耐高温性质、与纤维或晶须之间有良好的界 面相容性以及较好的工艺性能等。
12
1 微晶玻璃

微晶玻璃是通过加入晶核剂等方法，经过热处理过程在 玻璃中形成晶核，再使晶核长大而形成的玻璃与晶体共 存的均匀多晶材料，又称为玻璃陶瓷。

微晶玻璃的结构与性能与陶瓷、玻璃均不同，其性质是 由晶相的矿物组成与玻璃相的化学组成以及它们的数量 决定的，集中了玻璃与陶瓷的特点。

微晶玻璃具有热膨胀系数小、导热系数较大等特点，同 时还具有一定的机械强度。

典型代表：Li2O-Al 2O3-SiO2 13
为获得力学性能优良的复合材料，加入的纤 维或晶须应与基体的热膨胀系数及弹性模量匹配
，化学性能相容，并且用于增强的纤维或晶须应
具有良好的惰性不被基体液相腐蚀。
常见的有：碳纤维、碳化硅纤维（晶须）、氧化
• MoSi2
6
上海大学材料学院电子信息材料系
§2-3. 陶瓷基复合材料
一、增韧补强机理

负载转移：高弹纤维承受比基体更大的应力，强度、韧性提高。 预应力效应：纤维热膨胀系数高于基体时，基体受预压应力而强化。 拔出效应：复合材料破断，纤维从基体中拔出要消耗部分能量。


裂纹扩展受阻：纤维阻止裂纹扩展，消耗部分能量。
18
氮化钛陶瓷
TiN是一种新型的结构材料，硬度大、高熔点（ 2950℃）、化学稳定性好，而且金黄色金属光泽。 是一种很好的耐火耐磨材料及受人欢迎的代金装饰 材料。
TiN还有导电性，可用作熔盐电极以及电触头等材 料；TiN具有较高的超导临界温度，还是一种优良的 超导材料。
19
成型工艺
1．瓷浆浇铸法 短纤维混合分散在陶瓷浆体中，浇铸，吸水，干燥，烧结。 工艺简单，成本低，增强效果有限。（致密度不够） 2．热压烧结法 短纤维与陶瓷粉末混合，模压成型，热压烧结。 结合力好，但纤维易受损。