复合材料原理09第10讲讲课稿

Na和P在SiC/LAS玻璃陶瓷界面上富集
基体活性掺杂组元可以在界面处富集，形成隔断弱界面。典型 的阻断弱界面:掺杂氧化锶或者氧化钙的氧化铝基体。
2.氧化物界面层材料
2.3 致密界面层
无反应氧化物界面
SnO2
不与氧化物纤维和氧化物基体发生热化学反应， 氧化锡、氧化锆、氧化钛、钛酸锆、钛锡酸锆等 主要问题是界面层容易分解和界面的脱粘强度过高
复合材料原理
课程学科分类：材料学 课程授课人：成来飞 殷小玮 超高温结构复合材料国防科技重点实验室
2009.4.9
第十讲 陶瓷基复合材料界面控制
1 非氧化物界面材料 2 氧化物界面材料 3 界面对性能的影响
1 非氧化物界面材料
1.1 裂纹界面偏转的三种途径
Frank W. Zok, J. Am. Ceram. Soc., 89 [11] 3309–3324 (2006)
具有自愈合功能，抗氧化性能好
2.氧化物界面层材料
2.1 氧化物界面层材料体系
氧化物界面层材料体系：
非致密界面层
氧化物 界面层
致密界面层
多孔高熔点氧化物 无界面多孔基体 逸出型滑移界面
隔断弱界面 无反应氧化物界面 层状氧化物界面层 非层状弱结合氧化物
2.氧化物界面层材料
2.2 非致密界面层
无界面多孔基体
3.界面层对性能的影响
3.1 非氧化物基复合材料
界面对不同纤维复合材料性能的影响(有无界面层)
2DSiC/PyC/SiC(0 /30/60)的拉伸强度
3.界面层对性能的影响
3.1 非氧化物基复合材料
界面层结构对性能的影响(界面层/纤维（基体）界面结
合强弱)
基体裂纹密度高
Stronger FM-bonding
2.氧化物界面层材料
2.3 致密界面层
非层状弱结合氧化物界面层
Alumina/alumina continuous-fiber ceramic composite after 5h of exposure at 1200C: (a) uncoated fibers, (b) monazite coated fibers.
Weak FM-bonding 基体裂纹密度低
不同界面结合强度2DSiC/PyC/SiC应力应变曲线
Roger R. Naslain, Int. J. Appl. Ceram. Technol., 2 [2] 75–84 (2005)
Low hardness of monazite (5 GPa)
Frank W. Zok, J. Am. Ceram. Soc., 89 [11] 3309–3324 (2006)
3.界面层对性能的影响
3.1 非氧化物基复合材料
界面层对界面剪切强度的影响 (有无界面层)
2D SiC/PyC/SiC(0/30/60)的Push-out
热解碳 PyC界面层
C/SiC
SiC/SiC
PyC石墨化程度很低，不是层状晶型结构，但呈层状分布 主要问题是不抗氧化
1.非氧化物界面层材料
1.2 非氧化物界面层材料体系(层状结构)
氮化硼 BN界面层
主要问题是抗氧化性能不高等
1.非氧化物界面层材料
1.2 非氧化物界面层材料体系(层状结构)
氮化硼 BN界面层
2.氧化物界面层材料
2.3 致密界面层
主要有云母、尖晶石和钙钛矿三类。云母 类层状氧化物包括硅酸钾云母 (KMg2.5(Si4O10)F2) 和 氟 石 金 云 母 (KMg3(AlSi3O10)F2)等 ，存 在 的主 要问 题 是与当前可用的纤维和基体是化学不相容 的。尖晶石类层状氧化物与氧化铝是相容 的，包括β－氧化铝(Me1+Al11O17)和磁铁 铅矿(Me2+Al12O19)。其中β-氧化铝的主要 问题是热处理过程中碱离子的损失，而磁 铁铅矿的主要问题是层状结构形成温度高 于工业用多晶氧化物纤维强度降低的温度， 而且钙有从界面扩散到基体的倾向。钙钛 矿类层状氧化物作为界面层的研究起步较 晚，主要包括铌酸钙钾(KCa2Nb3O10)和钛 酸钕钡(BaNd2Ti3O10)。
1.非氧化物界面层材料
1.2 非氧化物界面层材料体系(层状结构)
Ti3SiC2界面层
主要问题是制备困难，损伤容限低等
1.非氧化物界面层材料
1.2 非氧化物界面层材料体系（多层复合）
(PyC-SiC)n界面层
Fiber
Matrix
Matrix
carbon (Fiber surface)
500 nm
100 nm
Fiber
复合界面层不仅能提高抗氧化性，也能提高裂纹扩展阻力 主要有 BN/C/BN、BN/C/Si3N4、SiC/C/SiC 、BN/SiC等
1.非氧化物界面层材料
1.2 非氧化物界面层材料体系（多层复合）
1.非氧化物界面层材料
1.2 非氧化物界面层材料体系（多层复合）
(PyC-BCx)n界面层
无界面多孔基体
2.氧化物界面层材料
2.2 非致密界面层

多孔高熔点氧化物
(c)
典型涂层材料：Al2O3和ZrO2 问题：颗粒直径越小，高温烧结趋势越大
Hao Li, J. Am. Ceram. Soc., 87 [9] 1726–1733 (2004)
2.氧化物界面层材料
2.3 致密界面层
隔断弱界面
典型的有Nextel610或Nextel720／氧化铝－莫来石 主要问题是抗压和层间性能较差，反应或烧结损伤增强体
Int. J. Appl. Ceram. Technol., 2 [2] 141–149 (2005)
2.氧化物界面层材料
2.2 非致密界面层
无界面多孔基体
2.氧化物界面层材料
2.2 非致密界面层
1.非氧化物界面层材料
1.2 非氧化物界面层材料体系
非氧化物 界面层
层状结构界面层 多层复合界面层
热解碳(PyC) 氮化硼(BN)
Ti3SiC2 (PyC-SiC)n (PyC-BCx)n
一般避免在非氧化物纤维上使用氧化物涂层而产生强界面结合
1.非氧化物界面层材料
1.2 非氧化物界面层材料体系(层状结构)
层状氧化物界面层
KCa2Nb3O10
2.氧化物界面层材料
2.3 致密界面层
非层状弱结合氧化物界面层
典型的氧化物是镧系稀土磷酸盐(Me+PO4)和难熔金属盐(ABO4)， 前者包括独居石和钪、钇和少量的镧系磷钇矿家族，后者包括
钨酸盐(Me2+WO4)、钼酸盐、钽酸盐和铌酸盐，存在的主要问 题是如何获得化学计量比。