第八章陶瓷基复合材料

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

5 CVI工艺的优点和缺点
CVI工艺的优点和缺点
优点: 对纤维损伤小。可以获得比较理想的力学性能 易于大批量生产 易于制造异形件
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
NPU
CVI工艺的优点和缺点 缺点: 致密化难以均匀,难以获得高密度的均匀制品,工 艺周期较长,成本高。
adsorbed species
Chemically
Physically (and diffusion)
Chemically (with dissociation)
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
NPU
连续纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法
化学气相渗透(CVI)
(1) 表面微氧化技术
对Si3N4/SiC等非氧化物陶瓷,通过控制表面氧化技术,可消除表面缺 陷,达到强化目的。
(2) 表面退火处理
陶瓷材料在低于烧结温度下长时间退火,一方面可消除因烧结快冷产生的 内应力,另一方面可以消除加工引起的表面应力,同时可以弥合表面和次 表面的裂纹。
(3) 离子注入表面改性
压差CVI工艺
气体强制通过预 制体,在预制体内存 在气体压力差。传质 效率大大提高。
发热体
v k[SiCH3Cl3 ] Ae
ΔE RT
[SiCH 3Cl3 ]
NPU
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
4 CVI工艺的种类
压差CVI工艺
等温CVI工艺中的影响因素在压差CVI工艺中都存在
m压应力
NPU
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
2、显微结构增韧 显微结构增韧
超细化和纳米化是减小陶瓷饶结 体中气孔、裂纹和尺寸、数量和 不均匀性的最有效的途径。
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
NPU
3、显微结构增韧
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
NPU
4 CVI工艺的种类
等温CVI工艺
缺点:
v k[SiCH3Cl3 ] Ae
ΔE RT
[SiCH 3Cl3 ]
易出现结壳现象,导致密度不均匀 反应速率大于传质速率
气体传质方向
气体分压较低
气体分压较高
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
NPU
4 CVI工艺的种类
强制流动热梯度CVI工艺(FCVI)
等温CVI工艺中的影响因素在FCVI工艺中都存在
存在特殊的空间因素
微观因素:

存在压力的变化和温度的变化
ΔE RT
v k[SiCH3Cl3 ] Ae
[SiCH 3Cl3 ]
NPU
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
离子注入使表面引入压应力,从而使强度明显增加。
(4) 其它方法
激光表面处理、机械化学抛光等也是消除表面缺陷、改善表面状态、提 高韧性的重要手段。 NPU NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
1 CVD原理简介
CHEMICAL VAPOR DEPOSITION PROCESS (hot wall reactor)
MFC
Reactor
Exhaust
Ar
Specimen
MFC H2 MFC
MFC
MFC
: Mass Flow Controller : Heating element
CVI 原理 (CHEMICAL VAPOR INFILTRATION PROCESS)
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
NPU
相变增韧 相当于材料内存在大量可以消耗裂纹能 量的能量体。
缺点:不能用于高温
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
NPU
拔出效应 拔出效应是指纤维在外界负载作用下从基质中拔出,因界 面摩擦消耗外界负载的能量而达到增韧的目的。
增韧效果与界面粘合强度强烈相关。界面粘合要适中。 太弱:纤维拔出时消耗能量太少
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
NPU
陶瓷基复合材料的增韧机理
微裂纹增韧
相变增韧 拔出效应 裂纹偏转增韧 桥连增韧
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
NPU

陶瓷材料的其它增韧机理(力学性能中的一节)
1、异相弥散强化增韧
存在特殊的空间因素
微观因素:

存在压力的变化
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
NPU
4 CVI工艺的种类
强制流动热梯度CVI工艺(FCVI)
气体强制通过预 制体,从低温端流向 高温端,在预制体内 存在气体压力梯度和 温度梯度,其变化趋 势相反。
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
NPU
4 CVI工艺的种类
脉冲CVI工艺
气体流量周期性变化 炉内压力周期性变化
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
NPU
4 CVI工艺的种类
脉冲CVI工艺
影响工艺效率的因素
等温CVI工艺中的影响因素在脉冲CVI工艺中都存在
存在特殊的时间因素
微观因素:

存在流量压力的微观变化
NPU
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
NPU
6 CVI工艺的应用
CVI工艺的应用
制备高性能陶瓷基和炭基复合材料。主要用于航空航天领域。 例如: C/SiC复合材料制备 SiCH3Cl3 →SiC+3HCl
C/C复合材料制备
CH4→C+2H2
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
4
CVI工艺的种类
等温CVI工艺
最早用于陶瓷基复合材料制备的CVI工艺
应用最广泛的CVI工艺
工艺装置最简单的CVI工艺
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
NPU
4 CVI工艺的种类
等温CVI工艺
工艺原理
反应容器内的温度及气体分压均 匀分布
SiCH3Cl3→SiC+3HCl
利用控制工艺因素,使陶瓷晶粒在 原位形成有较大长径比的形貌,起到类 似于晶须补强的作用,如控制Si3N4制 备过程中的氮气压,就可得到长径比不 同的条状、针状晶粒,这种晶粒形状对 断裂韧性有较大影响。
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
NPU
4、表面强化和增韧
流量或压力
时间
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
NPU
4 CVI工艺的种类
热梯度CVI工艺
发热体
v k[SiCH3Cl3 ] Ae
ΔE RT
[SiCH 3Cl3 ]
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
NPU
4 CVI工艺的种类
热梯度CVI工艺
等温CVI工艺中的影响因素在热梯度CVI工艺中都存在
存在特殊的空间因素
微观因素:

存在温度场的微观变化
ΔE RT
v k[SiCH3Cl3 ] Ae
[SiCH 3Cl3 ]
浓度梯度
NPU 温度梯度
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
4 CVI工艺的种类

陶瓷基复合材料的增韧机理
微裂纹增韧
相变增韧 拔出效应
裂纹偏转增韧 桥连增韧
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
NPU
有形的裂纹
破坏材料 的原因
无形的能量 阻止裂纹产生 或者使已产生 的裂纹愈合
损耗其能量使 裂纹不能继续 扩展
裂纹扩展所携 带的能量
塑性材料 脆性材料
陶瓷基复合材料增韧机理
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
NPU
微裂纹增韧 损耗裂纹扩展能量使裂纹不能继续扩展 用多条微裂纹的扩展分散化解一条裂纹扩展的能量
控制微裂纹的尺寸使之不能超过材料允许的临界裂纹尺寸
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
NPU
2 CVI工艺原理
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
NPU
3 CVI与CVD的异同点
CVD 相同点 不 同 宏观 在表面沉积 基本原理相同
CVI
在多孔固体的孔隙内壁沉积
微观

气体传质比较充分, 气体传质速率受到限制,成为影 响反应沉积的主要因素 一般不会影响反应 沉积速率
Precursor species Molecular Nuclei
Regimes
(rate limiting steps) Homogeneous nucleation
V
Gas flow (laminar)
Mass transport Surface kinetics
Stagnant boundary layer Coating Substrate
基体中引入第二相颗粒,利用基体和第二相之间热膨胀系数和弹性模量的差 异,在试祥制备的冷却过程中,在颗粒和基体周围产生残余压应力。
mr
( p m )T h 1 m 1 2 p 2 Em Ep
裂纹走向
mr张应力
当p>m,颗粒和基体之间的应 力使裂纹在前进过程中偏转,如图 所示。
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
NPUBiblioteka Baidu
4 CVI工艺的种类
等温CVI工艺 脉冲等温CVI工艺 热梯度CVI工艺 压力梯度CVI工艺 强制流动热梯度CVI工艺
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
NPU
太强:纤维不发生拔出。
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
NPU
裂纹偏转增韧
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
NPU
桥连增韧
在基质断裂后,纤维承受外界载荷并在断开的裂纹面之间架桥。 桥接的纤维对基质产生使裂纹闭合的力,消耗外界载荷所做的 功,从而提高了陶瓷的韧性。
相关文档
最新文档