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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划陶瓷基复合材料发展碳化物陶瓷基复合材料课程名称：复合材料学生姓名：舒顺启学号：XX班级：材料091班日期：XX年12月22日碳化物陶瓷基复合材料摘要：本文综述了陶瓷基复合材料的发展历史,介绍了陶瓷基复合材料的制备工艺,详细阐述了陶瓷基复合材料的性能与应用,分析了陶瓷基复合材料存在的问题，并展望了陶瓷基复合材料未来发展趋势。关键词：陶瓷基复合材料、制备工艺、性能、应用Ceramicmatrixcompositesresearchpresentsituationandthedevelop
2、mentprospect-CarbideceramicmatrixcompositesAbstract：Thispaperreviewstheceramicbasecompositematerial,thedevelopmenthistoryofceramicmatrixcompositesisintroducedthepreparationprocess,elaboratedtheceramicmatrixcomposites,thepropertiesandtheapplicationoftheanalysisoftheceramicbasecompositematerialexistin
3、gproblems,andprospectstheceramicmatrixcompositesfuturedevelopmenttrend.Keywords：Ceramicmatrixcomposites,preparationprocess,performanceandapplication1引言陶瓷基复合材料是近二十年来发展起来的新型材料,由于该类材料具有良好的高温性能。因此它作为耐高温结构材料在航空航天工业和能源工业等领域的应用具有巨大的潜力。如航空发动机的推重比为lO时,涡轮前进口温度达1650,在这样高的温度下,传统的高温合金材料已经无法满足要求【1】,因此国内外的材料研究者纷纷把
4、研究的重点转向陶瓷基复合材料。研究者通过大量的实验发现,陶瓷基复合材料不仅具有良好的高温稳定性和高温抗氧化能力,而且材料在断裂过程中通过裂纹偏转、纤维断裂和纤维拔出等机理吸收能量,既有效的增强了材料的强度和韧性,又保持了基体材料低膨胀、低密度的特点。2发展历史从历史来看，陶瓷基复合材料的发展大致可以分为以下三个阶段：第一个阶段：慈宁宫陶、瓷器到近代的传统陶瓷。陶器的出现、发展和广泛应用是社会生产力的一个飞跃，同时也大大方便和丰富了人们的生活。此后的陶瓷经历了漫长的发展和演变过程。随着金属冶炼技术的发展，人类掌握了通过鼓风提高燃烧温度的技术，采用了喊铝量较高的瓷土，发明了釉。由于这三个方面因素的
5、促进，陶瓷发展到了以洁白细腻、轻巧美观、材质精美和具有得天独厚的资源优势的瓷器，成为陶瓷发展史的一次重要飞跃，也是陶瓷发展史的第一个里程碑。它标志着人类完成了从蒙昧时代进化到野蛮时代，进而过渡到文明时代，具有划时代的意义。近代，由于对陶瓷的原料、配比、成型、制作工艺进行精选优化和严格控制，不仅提高了陶瓷制品的质量，增加了花色品种，而且随着科学技术的发展和需求，在日用陶瓷的基础上又衍生出了许多种类的陶瓷，如电力工业用的绝缘陶瓷、建筑用的建筑陶瓷和卫生陶瓷、冶金工业用的耐火陶瓷、化学工业用的耐腐蚀的化工陶瓷和多孔陶瓷等。由于这些陶瓷的主要成分是硅酸盐化【2】合物，人们将这些陶瓷称为传统陶瓷。第二个
6、阶段：从传统陶瓷到新型陶瓷。这一阶段起源于20世纪40到50年代，是陶瓷史上的第二次飞跃。电子工业的快速发展和宇宙开发，原子能工业的兴起，以及激光技术、传感技术、光电技术等新技术的出现，对陶瓷材料提出了很高的要求，而传统陶瓷无论在性能、品种和质量等方面都不能满足需求，这便促使人们从原料、成型和烧结工艺方面进行改进和创新；加上陶瓷科学与相邻学科的交融和创新突破，对陶瓷的发展起到了极大的作用，大约只经历了半个世纪人们就实现了传统陶瓷到新型陶瓷的飞跃。该阶段存在的问题是陶瓷的脆性和高【2】温高强等问题远未彻底解决。第三个阶段：从新型陶瓷到纳米陶瓷。这一阶段起源于20世纪90年代，陶瓷发展正面临着第三
7、次重大飞跃。人们期望21世纪初叶陶瓷科学将会在这方面【2】取得重大突破，生产许多不同于新型陶瓷的纳米陶瓷材料与制品。3制备工艺原位合成法3-4目前，在原位法制备铝基复合材料的研究中，用来增强基体的陶瓷颗粒主要有TiC以及Al2O3两大类。生成TiC的原位反应为Ti+C反应体系，而生成Al2O3颗粒的反应为金属氧化物MO+Al反应体系。采用井式坩埚电阻炉进行熔炼(功率5kW，额定温度1000)，待铝锭熔化后，升温至900，将包于铝箔中的混合粉末用钟罩压入熔体中，保持20s，防止粉末浮出液面。反应25min后，降温至800进行机械搅拌，精炼、扒渣，静置10min后浇注到预热至200的铜模中，铜模的
8、尺寸为80mm70mm10mm，V型浇口。取铜模试样的中间部位制备金相试样，进行金相组织观察；采用RigakuD/Max-2500/pc型X射线衍射仪进行物相分析；采用JXA8-40A型扫描电镜观察合金的微观组织。化学气相沉积法6CVD法是上世纪60年代发展起来的制备无机材料的新技术。它被广泛应用于沉积各种单晶、多晶或其它无定形态的无机薄膜材料。CVD法最早应用于沉积微电子元器件，经过几十年的发展，从实验室的探索研究到大规模工业化生产，都取得了很大的成就，这就促进了该方法在陶瓷材料制备中的应用。一种或几种气体在一定的温度下发生化学反应，反应后的固态物质在基体表面沉积，形成涂层或薄膜材料，如果基
9、体是多孔材料，沉积也可以发生在基体的内表面。能在相对低的温度下制备熔点高达3000的陶瓷材料，这是传统的粉末冶金和陶瓷烧结技术难以达到的。用这种方法制备的纤维增强陶瓷基复合材料，避免了在高温复合过程中由于热力学不稳定导致的纤维与基体间的化学反应，可以制备出其它方法无法实现的复合材料。对基体几乎没有损伤，基体的收缩率小，保证了材料结构的完整性。工艺灵活，通过改变工艺参数，可以制备出双元基、纳米基、梯度基及各种复合结构的功能梯度复合材料。CVD法可以制备碳化物、氮化物、硅化物、硼化物、氧化物等许多陶瓷材料，制备工艺非常成熟。按照制备材料的形态及功能来分，CVD法制备的先进陶瓷材料主要有陶瓷涂层和陶
10、瓷基体，下面对这两方面的研究作一综述。CVD法在制备纤维增强陶瓷基复合材料时，由于沉积是在纤维预制体的内部进行的，所以，为了区别于传统的CVD法工艺，人们将之称为CVI法工艺制备陶瓷基复合材料的优点是：在低温低压下制备陶瓷基体，对纤维的损伤小，材料内部的残余应力也小；能制备出碳化物、氮化物、硅化物、硼化物、氧化物等多种陶瓷基体，如表1所示，在同一炉制备过程中，通过改变反应气氛、工艺参数，能制备梯度复合材料，获得良好的界面力学性能，实现微观尺度上的成分设计；可以制备出形状复杂的异型构件；在同一炉中可以制备大批量产品，节约了费用。CVI法按照工艺的实现方法可分为以下几种：均热CVI法【5】纤维预制
11、体放在均热炉体中，反应气体从纤维骨架表面流过并扩散到内表面，同时反应气体副产物从预制体内部扩散出来通过真空泵抽到外面。图2为典型的均热CVI法反应炉体示意图。这种方法容易在预制体外表面形成涂层，其原因是预制体外表面气体浓度高，从而外表面沉积速率大于内表面，导致入口处封闭。这种方法需要中间停顿几次，加工去掉外表面的硬壳。均热法制备的复合材料具有密度梯度，由于扩散慢，这种工艺周期很长，尽管如此，均热法还是最常用碳纤维补强片材，因为在同一炉中可制备形状、大小各异、厚薄不等的各种部件，对设备要求相对低。热梯度CVI法【7】纤维预制体由一个加热的芯子支撑，预制体最热的部分是同芯子直接接触的内表面,外表面
12、相对温度低，所以沿着样品厚度方向将产生温度梯度。反应气体在样品的冷表面流过并朝着热表面方向向里扩散。因为沉积速率通常会随着温度升高而增大，所以沉积是从热的内表面逐渐向外表面进行的。这种方法相对于均热CVI法来说效率提高了很多，但是只能沉积薄壁状的构件，对设备要求高。压力梯度CVI法【3】预制体被均匀加热，反应气体强制流过样品，这样沉积可发生在整个预制体内，这种类型的沉积一直到预制体内某些区域达到足够高的密度使其不能渗透时才会停止。相比较而言，这种方法能提高沉积效率，但是部件结构单一，不能沉积异型件。热梯度压力梯度CVI法【3】陶瓷基复合材料的发展及发展前沿1引言陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各
13、种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品。其最高使用温度主要取决于基体特征。陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。2发展及应用随着电子工业的快速发展和宇宙开发，原子能工业的兴起，以及激光技术、传感技术、光电技术等新技术的出现。传统陶瓷无论在性能
14、、品种和质量等方面都不能满足需求，传统陶瓷便进行了一系列的改变与创新，这便形成了目前的陶瓷基复合材料。作为近年来迅速发展起来的一种新型材料，是一个新的研究领域，它的优点而弥补或部分弥补了彼此的缺点，而备受人们的关注。?陶瓷基复合材料的基体：陶瓷基复合材料的基体就是陶瓷，目前被人们研究最多的是碳化硅、氮化硅、氧化铝等，他们普遍具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量轻和价格低等优点。陶瓷材料中的化学键往往是介于离子键与共价键之间的混合键。?陶瓷基复合材料的增强体由于陶瓷基复合材料的断裂韧性和耐冲击性差,大大妨碍了其在结构件上的应用。到80年代,找到了陶瓷基复合材料的增韧物质之后,这才有所改变。陶瓷基复合
15、材料中的增强体通常称为增韧体。从几何尺寸课分为纤维、晶须、颗粒三类，下面分别加以介绍。?碳纤维作为增强体碳纤维主要用在吧强度、刚度、重量和抗化学性作为设计参数的构件，在1500温度下，碳纤维人能保持性能不变。除了碳纤维还有许多常用纤维如玻璃纤维、硼纤维等不同性能的纤维作为增强体。?晶须类增强体晶须的特点是没有微裂纹、位错、孔洞和表面损伤等缺陷。陶瓷基复合材料中使用较为普遍的是SiC、Al2O3等晶须。?颗粒类增强体通常用的较多的是SiC、Si3N4等。颗粒的增韧效果虽然不如纤维和晶须，但颗粒种类、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。?陶瓷基复合材料的应用：目前，陶瓷基复合材料的潜在应用领域非常广泛,包括宇航、国防、能源、汽车工业、环保、生物、化学工业等。?在食品工业用作罐头盒接缝滚子罐头盒穿孔器。柱塞。耐磨密封垫赤铁矿选矿工艺真空轴套。悬垂轴承和单向阀门。?在纺织工业用作导丝器主要是由于稳定ZrO2在高温下具有导电性给料机水泥磨。可消除丝线与导丝器的静电。而且材料烧成后不需要加工表面即很光洁并耐高温；在陶瓷工业中。ZrO2用途很广。但主要用于分散体。研磨介质。窑具锤式破碎机节能球磨机。粉磨
