文档介绍：第四章复合材料的制备
复合材料的基本概念和性能
树脂基复合材料的制备方法
金属基复合材料的制备方法
陶瓷基复合材料的制备方法
碳/碳复合材料的制备方法
第四章复合材料的制备
陶瓷基复合材料的制备方法
现代陶瓷材料具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀及重量轻等许多优良的性能。但是,陶瓷材料同时也具有致命的缺点,即脆性,这一弱点正是目前陶瓷材料的使用受到很大限制的主要原因。
因此,陶瓷材料的韧性化问题便成了近年来陶瓷工作者们研究的一个重点问题。现在这方面的研究已取得了初步进展,探索出了若干种韧化陶瓷的途径。其中,往陶瓷材料中加入起增韧作用的第二相而制成陶瓷基复合材料即是一种重要方法。
陶瓷基基复合材料的基体与增强体
(1) 基体
陶瓷基复合材料的基体为陶瓷,这是一种包括范围很广的材料,属于无机化合物而不是单质,所以它的结构远比金属合金复杂得多。现代陶瓷材料的研究,最早是从对硅酸盐材料的研究开始的,随后又逐步扩大到了其他的无机非金属材料。
目前被人们研究最多的是碳化硅、氮化硅、氧化铝等,它们普遍具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量轻和价格低等优点。
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。
(2) 增强体
a. 纤维:
在陶瓷基复合材料中使用得较为普遍的是碳纤维、玻璃纤维、硼纤维等;
玻璃球
玻璃球再熔化
连续纤维
上浆
纱线
绕线筒
玻璃纤维生产流程图
将玻璃小球熔化,然后通过1mm左右直径的小孔把它们拉出来。另外,缠绕纤维的心轴的转动速度决定纤维的直径,通常为10m的数量级。
b. 晶须:
晶须为具有一定长径比(~1m,长0~100 m) 的小单晶体。晶须的特点是没有微裂纹、位错、孔洞和表面损伤等一类缺陷,因此其强度接近理论强度。
由于晶须具有最佳的热性能、低密度和高杨氏模量,从而引起了人们对其特别的关注。
在陶瓷基复合材料中使用得较为普遍的是SiC、A12O3及Si3N4晶须。
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。
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。所以,颗粒增韧复合材料同样受到重视并对其进行了一定的研究。
常用的颗粒也是SiC、Si3N4等。
1. 纤维增强陶瓷基复合材料
在陶瓷材料中,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,按纤维排布方式的不同,又可将其分为单向排布长纤维复合材料和多向排布纤维复合材料。
陶瓷基基复合材料的种类
单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料的显著特点是它具有各向异性,即沿纤维长度方向上的纵向性能要大大优于其横向性能。
在实际构件中,主要是使用其纵向性能。在单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料中,当裂纹扩展遇到纤维时会受阻,这时,如果要使裂纹进一步扩展就必须提高外加应力。
这一过程的示意图如下:
单向排布纤维陶瓷基复合材料