陶瓷复合材料

氮化硅轴承
氮化硅齿轮
氮化硅刀具 叶片气阀等零件
汽轮机转子
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氮化硼陶瓷
•主晶相是BN，属于共价晶体
•六方BN-----白石墨
•硬度较其它陶瓷低，可进行切削加工 •良好的耐热性和导热性，导热率与不锈钢相当 •热膨胀系数小，故其抗热震性和热稳定均好 •绝缘性好，在2000℃的高温下仍是绝缘体 •化学稳定性高，能抵抗铁、铝、镍等熔融金属的侵蚀； 有自润滑性。
SiCW/Si3N4结构陶瓷材料
定向直孔及发汗陶瓷材料
BN陶瓷刀片
TBC发动机 涡轮叶片
耐酸陶瓷
2．增强体
• 陶瓷基复合材料中的增强体，通常也称为增韧体。 • 从几何尺寸上增强体可分为纤维(长、短纤维)、晶 须和颗粒三类。
•碳纤维-------最常用的纤维之一 •玻璃纤维 •硼纤维
•另一种增强体为晶须
• 晶须为具有一定长径比(直径0.3~1um,长30~100um) 的小单晶体。 • 1952年，Herring和Galt验证了锡的晶须的强度比 块状锡高得多; •具有最佳的热性能、低密度和高杨氏模量; •SiC、A12O3及Si3N4晶须
SiC晶须微观形貌
•另一种增强体为颗粒
• 从几何尺寸上看，颗粒在各个方向上的长度是大致相 同的，一般为几个微米。 • 常用得的颗粒也是SiC、Si3N4等。 • 颗粒的增韧效果虽不如纤维和晶须，但是，如果颗粒 种类、粒径、含量及基体材料选择适当仍会有一定的韧 化效果，同时还会带来高温强度，高温蠕变性能的改善。
8.1.3 晶须和颗粒增强陶瓷基复合材料
•目前常用的是SiC，Si3N4，Al2O3晶须
晶须的选择，晶须 的含量及分布
韧
性
陶
瓷
脆性陶瓷硬度压痕周围的裂纹
硬
度
压
痕
f(MPa)
KIC(MPa.m1/2)
ZrO2(Y2O3)
断 裂 韧 性
弯 曲 强 度复合材SiCw含量（vol%）
碳化硅陶瓷
❖ 高温强度高，有很好的 耐磨损、耐腐蚀、抗蠕 变性能，其热传导能力 很强，仅次于氧化铍陶 瓷。
❖ 用于制造火箭喷嘴、浇 注金属的喉管、热电偶 套管、炉管、燃气轮机 叶片及轴承，泵的密封 圈、拉丝成型模具等。
常压烧结碳化硅
SiC密封件
SiC陶瓷轴承
SiC陶瓷工件
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SiCw/ Al2O3复合材料钻头
结果
高温强度和韧性 大幅度的提高
8.1 概述
8.1 陶瓷基复合材料的基体
氧化物陶瓷
SiO2(二氧化硅） Al2O3(刚玉)陶瓷 ZrO2陶瓷 其它氧化陶瓷
非氧化物陶瓷 （特种陶瓷）
氮化物陶瓷 碳化物陶瓷 硼化物陶瓷
部分陶瓷化合物化学键混合特征
陶瓷化合物 结合原子 电负性差
MgO
Mg-O
2.13
所以纤维拔出的增韧效果 要比脱粘更强，
是更为重要的增韧机制。
❖ 纤维拔出过程的摩擦耗能,使复合材料的断裂功增大.
❖ 纤维拔出过程的耗能取决于纤维拔出长度和脱粘面的 滑移阻力,滑移阻力过大,纤维拔出长度较短,增韧效 果不好;如果滑移阻力过小,尽管纤维拔出较长,但摩 擦做功较小,增韧效果也不好,反而强度较低。
❖ 8.1概述
主要内容
❖ 8.2成型加工技术
❖ 8.3陶瓷基复合材料的应用
陶瓷材料
耐高温 高温强度高 抗氧化 抗高温蠕变 高硬度
高耐磨性 耐化学腐蚀
抗机械机械冲击 和热冲击差
因此，需要复合
航空航天技术 领域 对结构 材料的要求
产生
陶瓷缺点
陶瓷基复合材料
高温韧性差 陶瓷脆性
增强
高强度、高 模量的纤维 或晶须
六方氮化硼的应用
❖ 制作热电偶套管、熔炼半导体及金属的坩锅、冶金用高 温容器和管道、玻璃制品成型模、高温绝缘材料等
❖ 由于BN有很大的吸收中子截面，可作核反应堆中吸收 热中子的控制棒。
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氮化钛TiN陶瓷
• 是一种新型结构陶瓷，硬度大、熔点高（2950ºC）、 化学稳定性好，且具有动人的金黄色金属光泽，是一种 很好的耐火耐磨材料和受人欢迎的代金装饰材料。 • 还有导电性，可用作熔盐电解的电极材料以及电触 头等； • 具有较高的超导临界温度，是一种优良的超导材料。
SiC颗粒
8.2 纤维增强陶瓷基复合材料
• 加入第二相纤维制成复合材料是改善陶 瓷材料韧性的重要手段; •单向排布长纤维复合材料; •多向排布纤维复合材料。
•连续纤维增韧机理
• 界面离解
• 使纤维从基体中拔出
• 当拔出的长度达到某一临界值时，会使纤维发 生断裂。
• 纤维的断裂并非发生在同一裂纹平面，这样主
裂纹还将沿纤维断裂位置的不同而发生裂纹转向。
裂纹垂直于纤维方向扩展示意图
纤维的脱粘
由于纤维脱粘产生了新的表面，因此需要能量。
纤维的拔出
纤维的拔出是指 靠近裂纹尖端的 纤维在外力的作 用下沿着它和基 体的界面滑出的 现象。 先脱粘才能拔出。
SiC/玻璃陶瓷复合材料的断面
脱粘能，远小于 纤维拔出的能量
在熔点2050 ℃之前 不发生晶型转变。
尖晶石透明陶瓷
氧化锆陶瓷的晶体结构
m-ZrO2：单斜晶系（＜1170℃） t- ZrO2：四方晶系（1170～2370 ℃） c-ZrO2：立方晶系（2370～2715 ℃）
四方相
膨胀
单斜相
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氧化锆陶瓷
切削刀具
高温绝缘材料
密封器件
坩埚
氮化硅陶瓷
• 以Si3N4为主要成分的陶瓷 ✓ 热压烧结氮化硅（β- Si3N4） ✓ 反应烧结氮化硅（α- Si3N4）陶瓷。 • 应用：反应烧结氮化硅陶瓷主要用于抗蚀、耐磨、 绝缘制品。热压烧结氮化硅陶瓷只用于耐高温零件。
❖ 纤维拔出长度取决于纤维强度分布、界面滑移阻力。
❖ 因此,在构组纤维增韧陶瓷基复合材料时,应该考虑:
❖ 纤维的强度和模量高于基体,同时要求纤维强度具有 一定的Weibull分布;
❖ 纤维与基体之间具有良好的化学相容性和物理性能匹 配;
❖ 界面结合强度适中,既能保证载荷传递,又能在裂纹扩 展中适当解离,又能有较长的纤维拔出,达到理想的增 韧效果。
离子键比例 (%)
68
共价键比例 (%)
32
Al2O3
Al-O
1.83
57
43
SiO2
Si-O
1.54
45
55
Si3N4
Si-N
1.14
28
72
SiC
Si-C
0.65
10
90
7
（2）Al2O3(刚玉)陶瓷
•以氧化铝(Al2O3)为主要成分的陶瓷称为氧化铝陶瓷，氧 化铝仅有一种热动力学稳定的相态，即--Al2O3 ，属六 方晶系。