先驱体的陶瓷转化率.PPT

Ceramic-matrix Ceramic-matrix Materials consisting of a ceramic or carbon fiber surrounded by a ceramic matrix, usually SiC (silicon carbide). Filter Candles 一、高性能陶瓷材料和陶瓷基复合材料简介 二、陶瓷基体材料 三、增强体材料 四、主要的复合工艺（略） 五、陶瓷基复合材料力学性能 陶瓷材料的优点 1.优异的耐高温性能成为备受重视的新型高温材料。 2.陶瓷材料具有高强度、高硬度、高刚性、耐磨损、耐腐蚀冲刷、化学稳定性好。密度低(比金属材料轻)、热膨胀系数小。 3.被认为是二十一世纪航空航天、汽车引擎等高温部件最有希望的候选材料。世界各技术先进国家都把结构陶瓷看作是对未来工业革命有重大作用的高技术新材料而给以重点研究和发展。并相继开展了陶瓷汽车发动机、柴油机和航空发动机等大规模高温陶瓷热机研究计划。 陶瓷材料的缺点 1.脆性大是致命缺陷和问题。 2.可靠性不高。 3.由于本体陶瓷材料固有的结构，决定了它对裂纹的敏感性，缺乏能量吸收机制。外加能量全部集中于裂纹尖端的扩展，扩展速度极其迅速，所以材料是在无预兆情况下发生瞬时灾难性玻坏。 陶瓷基复合材料的特点 1、克服陶瓷材料脆性的方法 （1）在微裂纹扩展过程中，产生有其他能量消耗的机构，使外加载荷的一部分或大部分能量被吸收而不是集中作用于微裂纹的扩展，以使裂纹的扩展速度降低。 （2）在材料中设置能阻碍微裂纹扩展的机构，如使微裂纹桥接、转向或分支，以延缓和阻止微裂纹的进—步扩大。 采用添加第二相制备的陶瓷基复合材料（颗粒增强、短纤维增强、晶须增强和连续纤维增强等体系）是解决陶瓷材料脆性的主要方法。主要原因就在于它可以显著提高陶瓷基体材料的韧性。 2、连续纤维增强的陶瓷基复合材料（简称CFRCMC）主要的优良性能 （1）当材料受载，微裂纹扩展时，高强度、高模量纤维能够通过各种耗能途径，如使微裂纹桥接、转向或分支以阻止裂纹的进一步扩展，当纤维断裂拔出又吸收部分应变能，从而大大提高了材料的韧性和抗冲击性能，防止材料发生灾难性的破坏，克服了单一陶瓷材料脆性断裂的缺点。 （2）高强度、高模量纤维能承担一部分外加载荷，增加了材料的强度和刚度。 （3）大大提高了材料的工作温度提高了材料耐高温、低膨胀、热稳定性好、热绝缘性能好等优点。提高了燃烧效率，可以取消冷却系统，进一步达到减轻各部位重量、提高发动机推重比的效果。 （4）使陶瓷基复合材料可以应用到航空、航天的耐高温结构材料上，例如：火箭发动机、火箭、导弹的防热锥套、发动机的涡轮叶片。 3、今后的发展趋势 细而强且耐高温纤维的开发（包括石英纤维、碳纤维等）。 成型工艺的改进：较低温成型，减少界面反应，减少纤维损伤。 三维纺织织造技术和预制件的应用。 界面设计和界面工程的研究。 3D woven 陶瓷基体材料主要以结晶和非结晶两种形态的化合物形式存在，按照组成化合物的元素不同，可以分为： 1、氧化物陶瓷：氧化铝Al2O3、氧化锆ZrO2、氧化锑TiO2、二氧化硅SiO2、氧化镁MgO等。 2、碳化物陶瓷：碳化硅SiC、碳化硼B4C、碳化锑TiC等。 3、氮化物陶瓷：氮化硼BN、氮化硅Si3N4等。 二、陶瓷基体材料 陶瓷 密度g·cm-3 熔点℃ 弹性模量GPa 强度 MPa 热膨胀系数 10-6/K 断裂韧性K1c MPa·m1/2 Al2O3 3.9 2050 380 250-300 7-8 1-3 SiC 3.2 420 310 4.5 2.2-3.4 Si3N4 3.1 310 410 3.1 2.5-3.5 MgO 3.6 2850 210 97-130 3.6-13.8 3Al2O3 2SiO2 3.2 1850 140 5.3 3.0-4.0 硼硅酸盐玻璃 2.3 60 100 3.5 苏打-石灰玻璃 2.5 60 100 8.9 铝硅酸锂玻璃 2.0 100 100-150 1.5 莫来石 143 83 5.3 铝硅酸镁玻璃 2.6-2.8 120 110-170 2.5-5.5 一些陶瓷材料的物理和机械性能： （一）对增强材料的要求 具有较高的熔点。 制成复合材料后，系统在高温下不应分解、相变和蠕变。 制成复合材料后，系统在高温下不应发生微结构变化或晶界杂质偏聚而造成的性能劣化。 不能发生氧化反应，而使性能下降。 和陶瓷具有物理相容性，包括：弹性模量、热膨胀系数的相容性，不能造成失配。 和陶瓷具有化学相容性，包括：具有较好的、稳定的界面反应中间物，不能产生有害的中间相。 具有可以控制的界面反应和界面效应。在成型过程中，界面上不可避免地发生物理化学反应。但这