第14章陶瓷基复合材料.ppt

第十四章 陶瓷基复合材料 第一节 陶瓷基复合材料的探索 * 陶瓷材料特点：耐高温、抗氧化、耐磨、耐腐蚀等，很脆； 纤维／陶瓷复合材料与陶瓷材料相比具有较好韧性和力学性能，具有基体的优异性能，密度较低，比较理想的高温结构材料。 纤维增强玻璃和玻璃／陶瓷具有远比树脂基复合材料高的力学性能，耐辐射，对湿热不敏感，耐腐蚀，用于核和空间环境，也可用于飞机、船舶及装甲等方面。 陶瓷基复合材料在高温下制造时，考虑纤维和基体材料之间的相容性以及与环境的相容性，两者的膨胀系数必须基本匹配，否则产生的残余应力将导致在基体中产生裂纹。表1和表2中列出了可作陶瓷基复合材料的纤维和基体，以及它们的性能。 表1 可作陶瓷基复合材料的纤维及它们的性能 表2 陶瓷基体材料及其性能 第二节 陶瓷基复合材料的成型工艺及基本性能 结晶陶瓷用高温粉末治金法制造； 玻璃用熔融法制造； 玻璃-陶瓷先在玻璃态以较低温度处理，然后进行反玻璃化热处理，得到细晶粒的多晶陶瓷。 以上方法可以延用来制造相应基体的陶瓷基复合材料。 纤维增强陶瓷基复合材料的制造包括将纤维加入基体和复合及基体的固结两个过程，有时两个过程可以同时进行。高性能陶瓷复合材料最广泛的方法是热压法。 1 纤维的加入和定向 在制造复合材料时必须控制纤维的体积含量、方向和分布。 将纤维定向不但能在需要的方向上发挥它们的增强效果，而且能达到比较高的充填密度。 随机排列的短纤维复合材料只要将纤维和基体粉末混合即可，纤维越长、含量超高，在基体中的均匀分布越困难，纤维的最高含量约为30％，否则纤维容易成团并产生空洞。 在热压过程中，混合物中随机排列的纤维趋向于在垂直热压方向的各平面内定向，但在平面内仍是随机排列。 短纤维的定向可由下列方法达到： ①液力切变定向。将短纤维或晶须与基体粉末一起加入液态载体，使其定向流动并通过一喷嘴，纤维或晶须与基体共同沉积得到毡，纤维定向排列。 ②电泳法。悬浮在液体中的固体颗粒表面都带电，在液体中施加一直流电场，悬浮在液体中的纤维与基体粉末将向阳极或阴极移动，共同沉积在导电的基片上，取下进行热压使得纤维定向排列的复合材料。 连续纤维复合材料最常用的方法是泥浆浸渍。将基体粉末悬浮在含有有机粘结剂的有机溶媒中制成泥浆，纤维单丝或束通过泥浆，挂上基体．然后缠绕在圆筒上并除去溶媒，取下后热压便得复合材料。 以碳纤维增强陶瓷基复合材料为例对此过程作简要解释。 碳纤维束先去捻，然后在滚筒上用压缩空气吹成滚筒宽度并使其铺成无纬带。无纬带通过装有基体粉末、溶媒和粘结剂的泥浆槽，槽内自下向上通入压缩空气搅拌，使基体保持悬浮状态。浸渍好的无纬带缠绕在圆筒上，干燥除去溶剂后裁成需要的尺寸，进行热压复合和固结。调节泥浆中粉末和粘结剂的量可以控制复合材料中纤维的含量，一般在20％～60％之间。 2 热压 粉末的粒度分布、温度和压力等工艺参数对用热压法材料的性能起着关键作用。 粉末中如含有高百分比的尺寸小于纤维直径的粒级，则有利于纤维在基体中均匀分布，尖角的颗粒容易损伤纤维表面。表3为不同方法制得的粉末对碳-玻璃／陶瓷复合材料性能 的影响。由表3可见，用球磨粉末制得的复合材料的性能优于用电动液压粉碎法粉末制得的复合材料。同时使用两种粉末时性能介于两者之间。 表 3 粉末的制造方法对碳-玻璃／陶瓷复合材料性能的影响 注：(1)两种粉末通过目筛的粒度都为53μm (2) ， 为开放和封闭孔的体积含量。 3 陶瓷基复合材料的基本性能 陶瓷基复合材料的性能因素：拉伸和弯曲性能与纤维的长度、取向和含量、纤维与基体的强度和弹性模量、热膨胀系数的匹配程度、基体的孔隙率和纤维的损伤程度密切相关。 无规排列短纤维-陶瓷复合材料的拉伸和弯曲性能经常低于基体材料，因无规排列纤维的应力集中的影响以及热膨胀系数不匹配造成的。 短纤维定向提高方向上的性能。 用定向的连续纤维可以明显提高强度，降低了应力集中，提高纤维的体积含量。 单向增强陶瓷复合材料的剪切强度受纤维与基体间的结合强度及基体中孔隙率的影响，结合强度大、孔隙率低，则层间剪切强度高。 表4～9中列出了连续纤维单向增强、多向增强和晶须增强陶瓷复合材料的性能。 表4 碳纤维增强硼硅酸玻璃的性能与 的关系 表5 连续纤维单向增强陶瓷的实测强度( )，与理论强度( , )的比较 表6 两类碳纤维增强硼硅酸玻璃和铝硅酸锂玻璃-陶瓷的性能 表7 连续纤维多向增强陶瓷-陶瓷复合材料的性能