材料化学导论第6章-新型结构材料

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1.2 高温结构陶瓷
传统陶瓷 原料 工艺 耐热温度 特征 研究领域 粘土，石粉 工业陶瓷 碳化硅，氮化硅
用水拌和,成型干燥后 磨成均匀细粉,与烧结助剂混合或 烧制 直接高压成型,烧制 1300℃ 易碎 1500～2000℃ 坚硬,热致伸缩小,轻,耐高温,耐腐 蚀,耐蠕变,耐机械性,耐热冲击性 高温燃气轮机
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氧化铝纤维（Aluminia Fibre,AF或（Al2O3）f） 氧化铝纤维是多晶连续纤维，除Al2O3外常 含有约15%的SiO2。 优点：具有优良的耐热性（1200～1300 ℃ ）和 抗氧化性，直到370℃强度仍下降不大。 缺点：在所有纤维中密度最大。 用途：主要用于金属基复合材料。
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特性：与一般碳素材料相比 •相同点：耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀 •不同点：外形有显著的各向异性、柔软、可加工 成各种织物，沿纤维轴方向强度很，力 学性能突出。 碳纤维比重小，比强度很高。 用途：与树脂、金属、陶瓷等基体复 合做结构材料。
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工业化生产碳纤维方法，按原料路线分类 聚丙烯腈(PAN)基碳纤维 沥青基碳纤维：由沥青制取碳纤维，原料来源 丰富，碳化收率高，但因原料调制复杂、产品 性能较低，亦未得到大规模发展； 粘胶基碳纤维：从粘胶纤维制取高力学性能的 碳纤维必须经高温拉伸石墨化，碳化收率低， 技术难度大、设备复杂，成本较高，产品主要 为耐烧蚀材料及隔热材料所用。
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（3）钴基合金：钴含量为40~60% 的奥氏体，可 在730~1100℃ 条件下使用。 耐热温度高。 一般钴基合金含10~22%Ni和20~30%Cr，以及 Mo,W,Ta,Nb等固溶强化元素和碳化物形成元素， 含碳量高，是以碳化物为主要强化相的超耐热合金。 应用：制作航空发动机、工业燃汽轮机、舰船燃汽 轮机的导向叶片和喷嘴导向叶片以及柴油机 喷嘴。 7
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（4）Kevlar有机纤维（芳纶、聚芳酰胺纤维） 特点：比强度、比模量高；其强度可达2800～ 3700MPa；密度小，只有1.45 g/㎝3；耐 热性比玻璃纤维好。它还具有优良的抗 疲劳性、耐蚀性、绝缘性和加工性。
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Kevlar纤维树脂复合材料 由Kevlar纤维与环氧、聚乙烯、聚碳酸酯、 聚酯等树脂组成。 性能特点:抗拉强度大于玻璃钢，而与碳纤维― 环氧树脂复合材料相似； 延性好，与金属相当； 其耐冲击性超过碳纤维增强塑料； 其疲劳抗力高于玻璃钢和铝合金； 减振能力为钢的8倍。
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实例2：氧化锆ZrO2 结构：室温稳定态 高温亚稳态 1170 ℃ 有体积收缩 单斜晶型 四方晶型 作用：韧化氮化硅陶瓷材料 用途：制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、 永久性模具等机械构件。用于制造柴油 机中发动机部件的受热面等 类型：氮化硼陶瓷、碳化硼陶瓷、氧化锆陶瓷、 碳化硅陶瓷等。 15
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（5）金属和钢纤维 类型：钨、钼、不锈钢、铝等 特点：导电性和导热性好，塑性和抗冲击性好。 制备方法：拉丝加工。 熔融纺丝法、挤压法、析出法、冷 却法等制造金属纤维的新途径也在 积极探索着。 用途：常用于混凝土基复合材料。
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2. 轻型结构材料 2.1 铝锂合金 定义：以铝为基添加锂（一般为3wt％左右） 及其它元素组成的合金称作铝锂合金。 特点：密度低、高强度、高模量以及高比强 度和比刚度等。 原因：锂的密度为0.534gcm-3，是铝的1／5， 钢的1／15。在铝合金中增加少量锂可 使密度显著降低。
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铝锂合金的生产工艺 铸造法(IM)，应用最早。 各国生产的几种比较成熟的铸造铝锂合金： 美国的2090、2091和8090、8091, 英国的8090和8091, 法国的CP271(8090)和CP274(2091)， 前苏联的BAД23、01420、1421等。
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粉末冶金法(PM) 优点：合金成分选择范围大，可获得微细的组织 和更好的性能，现处于研究开发阶段。 目前，美国联合信号公司采用这种方法研制 的644B合金的力学性能与现用航空航天铝合金相 当，但密度更低、比刚度更高，特别是具有优异 的低温性能。 预计粉末铝锂合金可能成为航空、航天器的 重要结构材料。
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2.2 纤维材料 （1）玻璃纤维 性能：质轻、高强、绝缘、防腐、耐高温 用途：制造纤维增强材料，可纺织、缝编，易 于与各类材料复合。 因为玻纤增强材料的比强度、比模量、 耐疲劳性、阻尼减震性和破损安全性都超过 高强金属性能，是跨越传统的新型材料。
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（2）碳纤维 由碳基物质或纤维在惰性气体气氛中经高 温碳化即可制成碳纤维和石墨纤维。在 800~ 1600℃烧成碳纤维，在 2500~3000℃烧成为石 墨纤维。 碳纤维的含碳量为95%，石墨纤维的含碳 量99%，均可制成短纤维，也可制成连续不断 的长纤维，还可以织成布、带及毡等制品。
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主要系列：Al-Cu-Li-Zr系、Al-Cu-Mg-Li系、 Al-Mg-Li系。 用途：轻合金中用途最广泛。民航机上改用铝锂 合金，飞机重量可以减轻8％～16％。 如：B737将可减重2178kg B747SP可减重4200kg B747—200可减重5200kg A310可减重2600kg A340可减重3900kg
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硼纤维（Boron Fibre，BF或Bf） 1958年C.P.Talley首先用CVD方法研制成功高模 量的硼纤维。 制备方法：在加热的钨丝表面通过化学反应沉积硼层。 规格：硼纤维直径有100μm、140μm、200μm几种。 特点：具有很高的弹性模量和强度，性能受沉积条件 和纤维直径的影响，硼纤维的密度为2.4~2.65 g/cm3，拉伸强度为3.2~5.2GPa，弹性模量为 350~400GPa。耐高温，耐中子辐射。
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(2)镍基合金：耐高温，使用时间长，质轻。 镍基超耐热合金基体：镍，镍含量＞50% 使用范围：700~1000℃ 镍基可溶解较多的合金元素，可保持其较 好的组织稳定性。含Cr的镍基合金比铁基的抗 氧化性和抗腐蚀性更好。 实例：现代喷气发动机中，涡轮叶片几乎全部 采用镍基合金制造
航天飞机发动机的高 压氧涡轮泵和高压氢涡轮 泵上的叶片，都是高CrCo-W基耐高温合金，通 过定向凝固精密铸造制成。
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高温材料需满足的条件 （1）高温下要有优良的抗腐蚀性 （2）在高温下要有较高的强度和韧性 形成金属: 第ⅤB族（V，Nb，Ta） 第ⅥB族（Cr，Mo，W） 高熔点金属 第ⅦB族（Mn，Tc，Re） 第 Ⅷ 族（Fe，Co，Ni） 耐热合金：以ⅤB～ⅦB副族元素和第Ⅷ族元素形 成的合金。
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缺点 ：工艺复杂，不易大量生产，价格昂贵。 由于钨丝的密度大，硼纤维的密度也大。 目前已研究用碳纤维代替钨丝，以降低成本 和密度，结果表明，碳心硼纤维比钨丝硼纤维强 度下降5%，但成本降低25%。 常温为较惰性物质，但在高温下易与金属反 应，因此需在表面沉积SiC层，称之为Bosic纤维。 用途：主要用于聚合物基和金属基复合材料。
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氮化硅(Si3N4)陶瓷，多晶材料 晶体结构：六方晶系， 有α和β 两相 α相——动力学上易生成，在1400~ 1800℃，高温下转化为β相 β相——结构对称性高，摩尔体积小， 是热力学稳定相
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性能 高硬度，弹性模量大，高强度，耐高温， 热膨胀系数小， 导热系数大耐热冲击性能好， 密度低，耐腐蚀，抗氧化， 机械自润滑，表面摩擦系数小， 电绝缘性好
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F-18大黄蜂战斗机
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铝锂合金的一个发展方向：超塑成型。 目前超塑成型的主要方法是板材吹胀法，90 年代采用的超塑成型/扩散连接技术，能够使形状 复杂的铝锂合金构件一次成型,并可大幅度提高结 构强度,降低结构重量。英国Alcon公司报导的铝 锂合金扩散连接工艺采用锌做夹层。 目前铝锂合金应用存在的主要问题是成本高、 韧性和塑性较差、缺少足够的设计和使用经验。
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（1）铁基合金：高温下，铁氧化；构型转化。 铁基合金中各元素的作用 镍——形成稳定奥氏体的主要元素 铬——提高抗氧化性和抗燃气腐蚀性 钼和钨——强化固溶体的晶界 铝、钛、铌——沉淀硬化作用 基体：奥氏体，主要强化相为 ， 以及其他微量碳化物、硼化物。 铁基高温合金：适用于低于800℃的条件
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结构陶瓷材料主要包括氧化物、非氧化物及 氧化物与非金属氧化物的复合系统。 1.2.1氧化物陶瓷 (1)氧化铝陶瓷 一种以α-Al2O3为主晶相的陶瓷材料， Al2O3 含量 一般在75%~99%。 (2)ZrO2陶瓷 密度大、硬度高、耐火度高、化学稳定性好， 抗弯强度和断裂韧性等性能更为突出。
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AN)基碳纤维
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按力学性能分类 高强度碳纤维、高模量碳纤维和普通碳纤维。
普通型 高强度型 高弹性模量型
碳纤维的结构模型 Polymer Matrix Composites，PMC
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