陶瓷基復(fù)合材料論文

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1、新型復(fù)合材料及其應(yīng)用-----陶瓷基復(fù)合材料摘要: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、高強度和剛度、相對重量較輕、抗腐蝕等優(yōu)異性能,而其致命的弱點是具有脆性,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)良韌性的纖維增強陶瓷基復(fù)合材料?! √沾苫鶑?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

2、特征。一、陶瓷基復(fù)合材料增強體用于復(fù)合材料的增強體品種很多,根據(jù)復(fù)合材料的性能要求,主要分為以下幾種1.1纖維類增強體纖維類增強體有連續(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度和彈性模量。1.2顆粒類增強體顆粒類增強體主要是一些具有高強度、高模量。耐熱、耐磨。耐高溫的陶瓷等無機非金屬顆粒,主要有碳化硅、氧化鋁、碳化鈦、石墨。細(xì)金剛石、高嶺土、滑石、碳酸鈣等。主要還有一些金屬和聚合物顆粒類增強體,后者主要有熱塑性樹脂粉末1.3晶須類增強體晶須是在人工條件下制造出的細(xì)小單晶,一般呈棒

3、狀,其直徑為0.2~1微米,長度為幾十微米,由于其具有細(xì)小組織結(jié)構(gòu),缺陷少,具有很高的強度和模量。1.4金屬絲用于復(fù)合材料的高強福、高模量金屬絲增強物主要有鈹絲、鋼絲、不銹鋼絲和鎢絲等,金屬絲一般用于金屬基復(fù)合材料和水泥基復(fù)合材料的增強,但前者比較多見。1.5片狀物增強體6用于復(fù)合材料的片狀增強物主要是陶瓷薄片。將陶瓷薄片疊壓起來形成的陶瓷復(fù)合材料具有很高的韌性。二、陶瓷基的界面及強韌化理論陶瓷基復(fù)合材料(CMC)具有高強度、高硬度、高彈性模量、熱化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異性能,被認(rèn)為是推重比10以上航空發(fā)動機的理想耐高溫結(jié)構(gòu)材料。界面作

4、為陶瓷基復(fù)合材料重要的組成相,其細(xì)觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和失效規(guī)律直接影響到復(fù)合材料的整體力學(xué)性能,因此研究界面特性對陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響具有重要的意義。2.1界面的粘結(jié)形式(1)機械結(jié)合(2)化學(xué)結(jié)合陶瓷基復(fù)合材料往往在高溫下制備,由于增強體與基體的原子擴(kuò)散,在界面上更易形成固溶體和化合物。此時其界面是具有一定厚度的反應(yīng)區(qū),它與基體和增強體都能較好的結(jié)合,但通常是脆性的。2.2界面的作用陶瓷基復(fù)合材料的界面一方面應(yīng)強到足以傳遞軸向載荷并具有高的橫向強度;另一方面要弱到足以沿界面發(fā)生橫向裂紋及裂紋偏轉(zhuǎn)直到纖維的拔出。2.3強韌

5、化技術(shù)2.1.1 纖維增韌為了提高復(fù)合材料的韌性,必須盡可能提高材料斷裂時消耗的能量。任何固體材料在載荷作用下(靜態(tài)或沖擊),吸收能量的方式無非是兩種:材料變形和形成新的表面。對于脆性基體和纖維來說,允許的變形很小,因此變形吸收的斷裂能也很少。為了提高這類材料的吸能,只能是增加斷裂表面,即增加裂紋的擴(kuò)展路徑。2.1.2 晶須增韌陶瓷晶須是具有一定長徑比且缺陷很少的陶瓷小單晶,因而具有很高的強度,是一種非常理想的陶瓷基復(fù)合材料的增韌增強體。62.1.3 相變增韌相變增韌ZrO2陶瓷是一種極有發(fā)展前途的新型結(jié)構(gòu)陶瓷,其主要是利用Zr

6、O2相變特性來提高陶瓷材料的斷裂韌性和抗彎強度,使其具有優(yōu)良的力學(xué)性能,低的導(dǎo)熱系數(shù)和良好的抗熱震性。它還可以用來顯著提高脆性材料的韌性和強度,是復(fù)合材料和復(fù)合陶瓷中重要的增韌劑2.1.4 顆粒增韌用顆粒作為增韌劑,制備顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料,其原料的均勻分散及燒結(jié)致密化都比短纖維及晶須復(fù)合材料簡便易行。因此,盡管顆粒的增韌效果不如晶須與纖維,但如顆粒種類、粒徑、含量及基體材料選擇得當(dāng),仍有一定的韌化效果,同時會帶來高溫強度、高溫蠕變性能的改善。所以,顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料同樣受到重視,并開展了有效的研究工作。2.1.5納米復(fù)合

7、陶瓷增韌納米技術(shù)一出現(xiàn),便在改善傳統(tǒng)材料性能方面顯示出極大的優(yōu)勢,該方面的研究有可能使陶瓷增韌技術(shù)獲得革命性突破。納米陶瓷由于晶粒的細(xì)化,晶界數(shù)量會極大增加,同時納米陶瓷的氣孔和缺陷尺寸減小到一定尺寸就不會影響到材料的宏觀強度,結(jié)果可使材料的強度、韌性顯著增加。2.1.5 自增韌陶瓷如果在陶瓷基體中引入第二相材料,該相不是事先單獨制備的,而是在原料中加入可以生成第二相的原料,控制生成條件和反應(yīng)過程,直接通過高溫化學(xué)反應(yīng)或者相變過程,在主晶相基體中生長出均勻分布的晶須、高長徑比的晶粒或晶片的增強體,形成陶瓷復(fù)合材料,則稱為自增韌。

8、這樣可以避免兩相不相容、分布不均勻問題,強度和韌性都比外來第二相增韌的同種材料高。一·粉末冶金法:原料(陶瓷粉末、增強劑、粘結(jié)劑、助燒劑)——均勻混合(球磨、超聲等)——冷壓成型——(熱壓)燒結(jié)。關(guān)鍵是均勻混合和燒結(jié)過程防止體積收縮而產(chǎn)生裂紋。二、漿體法(濕態(tài)法

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