复合材料概论第7章陶瓷基复合材料.ppt

几何参数的优化 仿生结构陶瓷主要由结构单元和界面层组成，二者的几何尺寸也明显地影响了力学性能。几何参数主要包括结构单元尺寸(纤维直径、层片厚度等)、结构单元排列方式（如纤维排布角）、层数、层厚比等。 （1）仿竹木纤维结构的纤维独石结构陶瓷复合材料 4、仿生结构陶瓷复合材料的制备工艺 制备工艺主要包括几个环节： 基体纤维的成型（纺丝法、挤出成型等方法） 界面层的涂覆（浸涂和喷涂） 纤维的排布 烧结（热压烧结）等 原料、添加剂 球磨混合 干燥过筛 轧膜练泥 陈 腐 粘合剂+润滑剂+增塑剂 基体纤维成型 配制界面层悬浮液 涂层、干燥 排布装模 干压预成型 热压烧结 纤维独石结构陶瓷 排胶 （2）仿贝壳珍珠层结构的层状结构陶瓷复合材料 制备工艺主要包括几个环节： 基体片层的成型（轧膜成型、流延法成型、注浆成型等） 界面层的涂覆（采用流延、涂层或丝网印刷等） 片层的排布 烧结 原料、添加剂 球磨混合 干燥过筛 轧膜练泥 陈 腐 粘合剂+润滑剂+增塑剂 轧膜或流延成型薄片 配制界面层悬浮液 涂层、干燥 排布装模 干压预成型 热压烧结 层状结构陶瓷材料 排胶 （1）显微结构 5、纤维独石结构陶瓷复合材料的结构和性能 (a) (b) (c) （2）力学性能 600 400 100 200 0 200 300 1.0mm 0.5mm 0.3mm HP Load-displacement curve 0 （3）载荷-位移曲线 （1）显微结构 6、层状结构陶瓷复合材料的结构和性能 （2）力学性能 （3）载荷-位移曲线 monolith laminated composite 0 100 200 300 400 0 200 400 600 Load (N) Deflection (?m) Load-displacement curve 7、仿生结构陶瓷复合材料的高韧性的原因 Crack deflection Crack bifurcation Crack bridging 一级增韧机制——弱界面层对裂纹的偏折作用是主要的增韧机制，其作用区的尺寸较大； 二级增韧机制——当裂纹扩展到陶瓷基体时，晶须的增韧作用，其作用区与裂纹尖端后方尾流区的尺寸相当； 三级增韧机制——在裂纹尖端，长柱状晶粒与裂纹相互作用，进一步阻碍了裂纹的扩展，其作用区比晶须更小。 不同尺度多级增韧机制的协同增韧作用： 2、制备工艺 晶须处理及分散 陶瓷原料 助烧剂 球磨混料 球磨混料 抽滤干燥 成型 烧结 机加工 几个重要环节： 晶须处理及分散 成型工艺 烧结工艺 3、晶须的处理和分散 酸洗处理 分散剂在晶须分散中的作用 机械分散 晶须过筛与分选 晶须的分散工艺： SiC晶须由于生长过程中表面残留的SiO2、C和催化剂等杂质的粘附作用以及表面能的作用，很容易聚集成团，从而影响了复合材料的烧结致密化和性能。 4、晶界和界面的设计和调控 在晶须增韧陶瓷基复合材料中，存在着两种界面：一种是晶须与基体之间的界面(w/m)，另一种是陶瓷基体晶粒与晶粒之间的晶界(g/g)。 既要达到增韧效果，又要保持陶瓷的高温高强度特性，就必须对这两种不同的界面的组成和结构进行设计和调控。 助烧剂的选择和优化； 晶须的表面状态和处理； 界面的结晶化处理。 晶界和界面的设计和调控方法： 助烧剂的选择和优化： 助烧剂的选择和优化包括助烧剂的种类和含量这两方面的内容，因为助烧剂的种类和含量直接影响着晶须补强陶瓷基复合材料的性能，助烧剂种类决定了玻璃相的强度和软化点温度，助烧剂的含量决定了玻璃相的体积分数。 在SiCw/Si3N4复合材料的研究中，主要采用以下几种助烧剂体系： (1)、含Mg元素的一类助烧剂体系： 如MgO、MgO－Al2O3、MgAl2O4、Mg2Al4Si5O18（堇青石）、MgO－Y2O3等。这类助烧剂体系的特点是：烧结时液相形成温度低，液相粘度小，复合材料容易致密化，室温性能好，晶须的增韧和补强作用较明显。但是，玻璃相的熔点低，使得复合材料的高温性能急剧下降。 (2)、含La、Y等稀土氧化物的体系： 如Y2O3－Al2O3、La2O3－Y2O3－Al2O3、La2O3－Y2O3及Ln2O3－Y2O3－Al2O3（Ln = Sm，Nd等）。这类助烧剂体系的特点是：形成的玻璃相耐火度较高，在晶界上还可能析出高熔点的结晶相，大大地提高了复合材料的高温性能。 (3)、Y2O3－Al2O3－AlN和Y2O3－Al2O3－SiO2等Sialon系助烧剂体系 这类助烧剂体系的特点是：助烧剂在烧结过程中形成液相，促进烧结；