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1、陶瓷基復(fù)合材料2011級材料化學(xué)周小芳20110513414摘要:陶瓷基復(fù)合材料主要以高性能陶瓷為基體.通過加入顆粒、晶須、連續(xù)纖維和層狀材料等增強(qiáng)體而形成的復(fù)合材料。如碳化硅、氮化硅、氧化鋁等,具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、重量輕和價格低等優(yōu)點(diǎn)。陶瓷基復(fù)合材料的研究還處于較初級階段,我國對陶瓷基復(fù)合材料的研究則剛剛起步不久。關(guān)鍵詞:陶瓷基復(fù)合材料基體增強(qiáng)體強(qiáng)韌化機(jī)理制備技術(shù)前言:陶瓷基復(fù)合材料是以陶瓷為基體與各種纖維復(fù)合的一類復(fù)合材料。陶瓷基體可為氮化硅、碳化硅等高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。這些先進(jìn)陶瓷具有耐高溫、高強(qiáng)度和剛度、相對重量
2、較輕、抗腐蝕等優(yōu)異性能,而其致命的弱點(diǎn)是具有脆性,處于應(yīng)力狀態(tài)時,會產(chǎn)生裂紋,甚至斷裂導(dǎo)致材料失效。而采用高強(qiáng)度、高彈性的纖維與基體復(fù)合,則是提高陶瓷韌性和可靠性的一個有效的方法。纖維能阻止裂紋的擴(kuò)展,從而得到有優(yōu)良韌性的纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。陶瓷基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐高溫性能,主要用作高溫及耐磨制品。其最高使用溫度主要取決于基體特征。正文一、陶瓷基復(fù)合材料基本概述陶瓷基復(fù)合材料的基體為陶瓷。如碳化硅、氮化硅、氧化鋁等,具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、重量輕和價格低等優(yōu)點(diǎn)。化學(xué)鍵往往是介于離子鍵與共價鍵之間的混合鍵。陶瓷基復(fù)
3、合材料中的增強(qiáng)體通常也稱為增韌體。從幾何尺寸上可分為纖維(長、短纖維)、晶須和顆粒三類。碳纖維主要用在把強(qiáng)度、剛度、重量和抗化學(xué)性作為設(shè)計(jì)參數(shù)的構(gòu)件;其它常用纖維是玻璃纖維和硼纖維。纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料是改善陶瓷材料韌性的重要手段。目前常用的晶須是SiC和A12O3,常用的基體則為A12O3,ZrO2,SiO2,Si3N4以及莫來石等。晶須具有長徑比,含量較高時,橋架效應(yīng)使致密化困難,引起了密度的下降導(dǎo)致性能下降。顆粒代替晶須在原料的混合均勻化及燒結(jié)致密化方面均比晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料要容易。常用的顆粒也是SiC、Si3
4、N4和A12O3等。陶瓷基復(fù)合材料發(fā)展遲滯,發(fā)展過程中也遇到了比其它復(fù)合材料更大的困難。陶瓷基復(fù)合材料的研究還處于較初級階段,我國對陶瓷基復(fù)合材料的研究則剛剛起步不久。二、陶瓷基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)性能近年來人們開始對陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行研究。以期獲得一種有強(qiáng)度、韌性、耐高溫的陶瓷基材料。在這種復(fù)合材料陶瓷應(yīng)該具有以下一些性能:(1)陶瓷能夠很好地滲透進(jìn)纖維點(diǎn)須和顆粒增強(qiáng)材料;(2)同增強(qiáng)材料之間形成較強(qiáng)的結(jié)合力;(3)在制造和使用過程中同增強(qiáng)纖維間沒有化學(xué)反應(yīng);(4)對纖維的物理性能沒有損傷;(5)很好的抗蠕變、抗沖擊、抗疲勞性
5、能;(6)高韌性;(7)化學(xué)穩(wěn)定性,具有耐腐蝕、耐氧化、耐潮濕等化學(xué)性能1.陶瓷基復(fù)合材料的基體陶瓷基復(fù)合材料的基體為陶瓷,這是一種包括范圍很廣的材料,屬于無機(jī)化合物?,F(xiàn)代陶瓷材料的研究,最早是從對硅酸鹽材料的研究開始的,隨后又逐步擴(kuò)大到了其他的無機(jī)非金屬材料。目前被人們研究最多的是碳化硅、氮化硅、氧化鋁等,它們普遍具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、重量輕和價格低等優(yōu)點(diǎn)。2.瓷基體的種類陶瓷基體材料主要以結(jié)晶和非結(jié)晶兩種形態(tài)的化合物存在,按照組成化合物的元素不同,又可以分為氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷等。此外,還有一些會以
6、混合氧化物的形態(tài)存在。1)氧化物陶瓷基體(1)氧化鋁陶瓷基體以氧化鋁為主要成分的陶瓷稱為氧化鋁陶瓷,氧化鋁僅有一種熱動力學(xué)穩(wěn)定的相態(tài)。氧化鋁陶瓷包括高純氧化鋁瓷,99氧化鋁陶瓷,95氧化鋁陶瓷,85氧化鋁陶瓷等。(2)氧化鋯陶瓷基體以氧化鋯為主要成分的陶瓷稱為氧化鋯陶瓷。氧化鋯密度5.6-5.9g/cm3,熔點(diǎn)2175℃。穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)小,韌性好,化學(xué)穩(wěn)定性良好,高溫時具有抗酸性和抗堿性。2)氮化物陶瓷基體(1)氮化硅陶瓷基體以氮化硅為主要成分的陶瓷稱氮化硅陶瓷,氮化硅陶瓷有兩種形態(tài)。此外氮化硅還具有熱
7、膨脹系數(shù)低,優(yōu)異的抗冷熱聚變能力,能耐除氫氟酸外的各種無機(jī)酸和堿溶液,還可耐熔融的鉛、錫、鎳、黃鋼、鋁等有色金屬及合金的侵蝕且不粘留這些金屬液。(2)氮化硼陶瓷基體以氮化硼為主要成分的陶瓷稱為氯化硼陶瓷。氮化硼是共價鍵化合物3)碳化物陶瓷基體以碳化硅為主要成分的陶瓷稱為碳化硅陶瓷。碳化硅是一種非常硬和抗磨蝕的材料,以熱壓法制造的碳化硅用來作為切割鉆石的刀具。碳化硅還具有優(yōu)異的抗腐蝕性能,抗氧化性能(1)碳化硼陶瓷基體以碳化硼為主要成分的陶瓷稱為碳化硼陶瓷。碳化硼是一種低密度、高熔點(diǎn)、高硬度陶瓷。碳化硼粉末可以通過無壓燒結(jié)、
8、熱壓等制備技術(shù)形成致密的材料。3.陶瓷復(fù)合材料的增強(qiáng)體陶瓷基復(fù)合材料中的增強(qiáng)體,通常也稱為增韌體。從幾何尺寸上增強(qiáng)體可分為纖維(長、短纖維)、晶須和顆粒三類。1)纖維纖維類增強(qiáng)體有連續(xù)長纖維和短纖維。連續(xù)長纖維的連續(xù)長度均超過數(shù)百。纖維性能有方向性,一般沿軸向均有很高的強(qiáng)度和彈性模量。2)顆粒顆粒類增強(qiáng)