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1、 Chapter 5:Ceramic Matrix Composite(CMC)Chapter4:Ceramic Matrix Composite陶瓷资料性能特征陶瓷资料性能特征强度高、耐磨性好、硬度高耐腐蚀性好脆性大，耐热震性能差，而且陶瓷资料对裂纹、气孔和夹杂等细微的缺陷很敏感。陶瓷基复合资料陶瓷基复合资料对陶瓷资料增韧1 颗粒、晶须增韧复合资料颗粒、晶须增韧复合资料2 纤维增韧复合资料纤维增韧复合资料3 相变增韧复合资料相变增韧复合资料4 仿生构造复合资料仿生构造复合资料陶瓷基复合资料陶瓷基复合资料(1)层状复合资料层状复合资料(2)纤维独石复合资料纤维独石复合资料(3)木头陶瓷木头陶瓷
2、Chapter4:Ceramic Matrix Composite目前部分实践运用的陶瓷复合资料SiC-玻璃陶瓷：人工假体资料玻璃陶瓷：人工假体资料ZrO2, Al2O3：抗热震资料：抗热震资料C-C：火箭构件，人工假体资料：火箭构件，人工假体资料SiC-SiC：特殊发动机构件；：特殊发动机构件；SiC晶须晶须-Al2O3:切削工具切削工具Si3N4复相陶瓷刀具复相陶瓷刀具Chapter4:Ceramic Matrix Composite陶瓷基复合资料的制备成形陶瓷基复合资料的制备成形颗粒资料的成形与预烧结混合加成形剂 成形 烧结成形的方法成形的方法模压等静压注射成形凝胶注模成形轧制挤压松装烧
3、结预预 烧烧 结结n维持外形n具有一定的强度Principle and MechanismLanxide工艺工艺80年代中期，美国年代中期，美国Lanxide公司发明的一种公司发明的一种CMC新工艺。新工艺。将熔融的金属直接氧化，生成以反响固体产物将熔融的金属直接氧化，生成以反响固体产物(氧化物、氧化物、氮化物、硼化物等氮化物、硼化物等)为骨架基体，并含有为骨架基体，并含有5-30%三维延续三维延续金属的复合资料。金属的复合资料。Chapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic
4、Matrix CompositeCVD利用源气在高温条件下的分解或气相反响，在颗粒、纤维、晶须以及其它具有开口气孔的加强骨架上堆积所需的陶瓷基质的方法。 CVICVD方法的改良。预成型体一侧处于高温区，而另一侧被水冷坚持较低的温度。源气从低温侧进入，到达高温区一侧后发生热分解或化学反响，堆积出所需的陶瓷基质。在源气的入口处坚持较高的压力，出口处坚持低压，更有利于源气穿过加强骨架，获得高致密度的陶瓷复合资料。Chapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix Compo
5、siteChapter4:Ceramic Matrix Composite SHS(Self-propagating high-Temperature Synthesis)能产生放热反响的反响物经外加能源点火而开场反响，放出热量，使固体反响物加热升温，从而使反响能自发维持，并构成熄灭波向前传播的CMC制备方法。 Sol-gel将无机或金属有机化合物相继构成溶液、溶胶、凝胶而固化，然后经枯燥和热处置而制备CMC的方法。 Polymer precursors以有机金属聚合物为先驱体，成型后使高分子聚合物发生热解反响转化为无机质，然后再经高温烧结制备陶瓷基复合资料的方法。Chapter4:Ceram
6、ic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix CompositeSHS法制备复合资料代表性的例法制备复合资料代表性的例 原资料与反响生成物温度KTi + 2BZr + 2BTi + CAl + 1/2N2SiO2 + 2Mg + C3TiO2 + 4Al + 3C3TiO2 + 4Al + 6BTiB2ZrB2TiCAlNSiC + 2MgO3TiC + 2Al2O33TiB2 + 2Al2O3319033103200290
7、0257023202900(1). 氮化硅基陶瓷刀具系列化氮化硅基陶瓷刀具系列化Si3N4Glass利用Si3N4陶瓷共价键、长柱状晶粒和低膨胀系数的特点，探求用热压氮化硅陶瓷作为金属切削刀具获得胜利。著名资料科学家Katz在引见了我们的成果Work on hot-pressed Si3N4 in the Peoples Republic of China (38) and on SiAlON in Britain(39) has shown that these materials give good performance as tool bits in machining selecte
8、d materialsChapter4:Ceramic Matrix Composite著名资料科学家Katz在世界陶瓷大会上对清华大学氮化硅陶瓷刀具研讨任务的评价Work in the late 1970s by Ho-Cho and et al , in the Peoples Republic of China, on the applications of HPSN cutting tools showed very promising results18,. Basically, in tool-wear tests on the cutting of chilled cast ir
9、on, molybdenum, pyrolytic graphite and fiber-reinforced plastics, they observed that HPSN had a life several times longer than that of conventional cutting tools. They also observed that HSPN was suitable for face-milling operations against hardened alloy steels.Chapter4:Ceramic Matrix CompositeSi3N
10、4TiC(TiCN) Si3N4(HV1600)利用硬质颗粒弥散强化、单相固溶体、玻璃相结晶化原理，研制胜利复合Si3N4陶瓷刀具TiC(HV3300)GlassSi3N4刀具、复合Si3N4刀具与其它刀具的运用寿命对比Chapter4:Ceramic Matrix Composite在加工CrWMn淬硬钢时(HRC58-62) 复合 Si3N4刀具的后刀面磨损值与弥散相含量的关系 硬质相颗粒弥散，退火实现玻璃相结晶化Chapter4:Ceramic Matrix CompositeSi3N4粉制备粉制备磨细混料磨细混料枯燥枯燥喷雾造粒喷雾造粒干压、等干压、等静压成型静压成型热压烧结热压烧结热
11、等静压烧结热等静压烧结加工加工刀具废品刀具废品Chapter4:Ceramic Matrix CompositeSi3N4陶瓷刀具陶瓷刀具Si3N4镗刀对上海群众发动机灰铸铁镗刀对上海群众发动机灰铸铁缸体镗孔，缸体镗孔，V=728m/min, a=3mm, f=0.75mm/rev上海群众运用证明上海群众运用证明上海群众上海群众Chapter4:Ceramic Matrix Composite用用热热等等静静压压法法消消费费的的复复杂杂外外形形精精细细Si3N4陶陶瓷瓷刀具加工刹车盘刀具加工刹车盘德国德国SPK加工加工280件件清清华华方方大大加加工工400件件，价钱为其价钱为其1/2Si3N
12、4刀具对铸铁刹车毂进展切槽加工，刀具对铸铁刹车毂进展切槽加工，工件材质：工件材质：HT250, HB180240n=500rev/min, a=8.5mm, f=0.14mm/rev天津夏利天津夏利河南汽车制动器厂河南汽车制动器厂Si3N4陶瓷刀具陶瓷刀具Chapter4:Ceramic Matrix Composite复合复合Si3N4陶瓷刀具陶瓷刀具传统工艺：铸造退火软化粗加工淬火硬化精加工新 工 艺： 铸造粗、精加工石家庄水泵厂：对Cr15Mo3，Cr27超硬铸铁渣浆泵进展拨荒粗加工，免去退火工艺，一年节省上百万度电；直接机加工时间，也由48小时减少至8小时。加工超硬铸铁渣浆泵加工超硬铸
13、铁渣浆泵Chapter4:Ceramic Matrix Composite复合复合Si3N4陶瓷刀陶瓷刀具具邢台轧辊厂采用复合Si3N4刀具加工冷硬铸铁轧辊，由于切除率从37cm3/min提高到270cm3/min，年增产量0.8万吨/年(1.72.5万吨/年)，折合年增创产值四千万元。武钢车一根1吨重的轧辊，耗费Si3N4刀具一片20元，节省刀具费用88元，节省工时费460元加工冷硬铸铁轧辊加工冷硬铸铁轧辊Chapter4:Ceramic Matrix Composite复合复合Si3N4刀具刀具广东有色院耐磨资料厂加工矿山机械，效率提高510倍，在不添加厂房、设备、电力等条件下，年销售额从
14、几百万增至五千余万元。加工矿山机械加工矿山机械Chapter4:Ceramic Matrix Composite(2). TiCN-Si3N4/Al2O3金属陶瓷刀具系金属陶瓷刀具系列列Mo, NiTiC 0.5 N 0.5(Mo,Ti)Si2(Ni,Ti)Si2TiCxN 1-xHV=1700HV=2200Chapter4:Ceramic Matrix CompositeSi3N4体积含量对复合金属陶瓷刀具资料性能的影体积含量对复合金属陶瓷刀具资料性能的影响响010203040501617181920212223HV vol%Hardness (GPa)681012141618 RFract
15、ure toughness KIC(MPam1/2)60080010001200140016001800Flexural Strength (MPa) KICSi3N4HV RChapter4:Ceramic Matrix CompositeTiCN- Si3N4TiCN- Si3N4系统资料性能剪裁及运用表示图系统资料性能剪裁及运用表示图100vol% TiCN50vol%100vol%Si3N41600 kg/mm21600 kg/mm217 Mpa.m1/2 1700 MPa1000 MPa7 Mpa.m 1/22200RTK1CHV310-6 /灰灰铸铁冷冷硬硬铸铁高高温温合合金金超超
16、硬硬铸铁普普通通钢材材高高强度度钢高高硬硬度度钢超超硬硬钢Chapter4:Ceramic Matrix Composite弥散颗粒大小对断裂韧性的影响弥散颗粒大小对断裂韧性的影响弥弥散散相相TiC，Ti(CN)平平均均颗颗粒粒尺尺寸寸对对Al2O3基基复复合合陶陶瓷瓷资资料料K1c的影响的影响 Chapter4:Ceramic Matrix CompositeTiC0.5TiC0.5mmTiC8TiC8m mHREM image of an area in a TiC particle adjacent to TiC/Al2O3 interface in sample AC05Near in
17、terface 0.426 nmCenter 0.431 nmIndentation-induced crack path observed in the surface of sample Al2O3-30 wt% TiCChapter4:Ceramic Matrix Composite复合复合Si3N4陶瓷刀具陶瓷刀具复合复合TiCN金属陶瓷刀具金属陶瓷刀具性能性能耐磨，抗冲击耐磨，抗冲击高耐磨高耐磨工件资料工件资料灰铸铁、各类硬化铸铁，灰铸铁、各类硬化铸铁，高温合金高温合金淬硬钢，不锈钢，高硬度高淬硬钢，不锈钢，高硬度高强度钢，高温合金强度钢，高温合金切削方式切削方式延续与断续切削，铣、
18、延续与断续切削，铣、刨、镗，高速切削刨、镗，高速切削延续切削，高速切削延续切削，高速切削切削用量切削用量 粗、精加工，大切削量粗、精加工，大切削量 精加工，半精加工精加工，半精加工两种陶瓷刀具的运用特点两种陶瓷刀具的运用特点Chapter4:Ceramic Matrix Compositev加工淬硬钢轧辊宝钢v加工滚珠丝杠台湾上银科技股份v加工淬硬轴承钢瓦轴，洛轴v加工高硬度高强度炮弹钢724厂v加工齿轮(常州齿轮厂)复合金属陶瓷刀具已在百余家企业运用复合金属陶瓷刀具已在百余家企业运用Chapter4:Ceramic Matrix Composite以以车车代代磨磨，加加工工时时间间从从7 7
19、小小时时降降至至2.52.5小小时时，节节省省加加工工本本钱钱7575。 单班产量相应提高。单班产量相应提高。复合金属陶瓷刀具加工超硬钢轧辊复合金属陶瓷刀具加工超硬钢轧辊 工件资料：工件资料：86CrMoV7HRC6386CrMoV7HRC63，切削用量：，切削用量：V=6080m/min,V=6080m/min,a=0.81.5mm;f=0.30.5mm/reva=0.81.5mm;f=0.30.5mm/rev，L=15000mL=15000m德国精细磨床德国精细磨床 磨加工磨加工清华刀具清华刀具车加工车加工上海宝钢上海宝钢Chapter4:Ceramic Matrix Composite复
20、合金属陶瓷刀具加工炮弹复合金属陶瓷刀具加工炮弹Chapter4:Ceramic Matrix Composite炮弹加工现场录像炮弹加工现场录像Chapter4:Ceramic Matrix Composite新型陶瓷刀具的运用新型陶瓷刀具的运用对对HRC63的的超超硬硬铸铸铁铁渣渣浆浆泵泵进进展展粗粗精精加加工工，免免除退火工艺除退火工艺对对HRC55合合金金耐耐磨磨铸铸铁铁水泵叶轮进展断续粗加工水泵叶轮进展断续粗加工对对高高碳碳高高铬铬铸铸铁铁和和高高锰锰钢钢颚颚式式破破碎碎机机的的颚颚板进展刨削板进展刨削对HRC63的的淬淬硬硬钢轧辊进展展“以以车代磨代磨对对HRC60硬硬镍镍铸铸铁铁磨
21、磨煤煤机的磨环进展断续切削机的磨环进展断续切削对对HRC62超超硬硬铸铸铁铁渣渣浆浆泵泵护护板板肋肋条条进进展展断断续续粗粗精加工精加工Chapter4:Ceramic Matrix Composite工业泵工业泵冶金冶金矿山机械矿山机械轴承轴承石化石化军工军工电力电力航空航空清华陶瓷刀具清华陶瓷刀具超硬泵多数采用，超硬泵多数采用，典型效益：百万度电典型效益：百万度电典型效益：典型效益：4千万千万/年年典型效益：典型效益：5千万千万/年年加工炮钢，加工炮钢，典型效益：几百发典型效益：几百发/天天车缸套，效率提高车缸套，效率提高3-4倍倍加工硬镍铸铁磨煤机磨环加工硬镍铸铁磨煤机磨环加工高温合金，
22、效率加工高温合金，效率提高提高5-10倍钢倍钢瓦轴，洛轴，以车代瓦轴，洛轴，以车代磨，效率提高磨，效率提高4-5倍倍粮食机械粮食机械加工粮食磨辊，效加工粮食磨辊，效率提高率提高4-6倍倍汽车汽车加工刹车盘、连杆、加工刹车盘、连杆、缸体和离合器缸体和离合器给国家的报答：使各行各业获得的经济效益给国家的报答：使各行各业获得的经济效益Chapter4:Ceramic Matrix Composite其它基体资料采用高压的溶胶-凝胶技术已制备出碳纤维加强的氧化铝与碳纤维加强的氧化铝。采用Si-Si3N4或Si-Si3N4-ZrO2浆液以及SiC纤维，并在较低温度下氮化(1300 C)，得到具有明显纤维
23、拔出的韧性复合资料。反响烧结纤维加强的陶瓷复合资料，以及经过浸透聚合物先驱体来制备资料，可以以为是与化学气相堆积或热等静压法相比，消费低本钱高强度的陶瓷基复合资料的方法。Chapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic
24、Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix Composite功能梯度复合资料功能梯度复合资料功能梯度复合资料FGM经过精心设计和特殊手段，使金属与陶瓷的复合组分、构造能延续地变化，由金属侧过渡到陶瓷侧构成一种物性参数也延续变化的复合资料。这种复合资料一侧由陶瓷赋予耐热性，另一侧金属赋予其机械强度及热传导性，并且二侧之间的延续过渡能使温度梯度所产生的热应力得到充分缓和。从陶瓷到金属，成份渐变所组成的复合资料。这种延续变化构成了资料性能的梯度变化。资料必需抗外表氧化，在冷的外表层坚持韧性，必需经
25、得起热梯度的变化。例如：一个三维的碳-碳复合资料掺入SiC-C功能复合资料涂层，具有由SiC到C的成份梯度，显示出比未涂层资料较好的抗热冲击性能。Chapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix Composite简述功能梯度复合资料的制备工艺。CVD, PVD, PVD+CVD, 颗粒梯度陈列法，SHSCVD: 经过选择合成温度，调理气流量和控制压力，利用源气在高温条件下的分解或气相反响，在颗粒、纤维、晶须以及其它具有开口气孔的加强骨架上堆积所需的陶瓷基质的方法。PVD: 经过物理的方法使源物质蒸发，在基体资料上成膜的一种制备资
26、料的方法。CVDPVD颗粒梯度陈列法颗粒填充法：成型时使颗粒呈梯度分布，再进展热压烧结。金属颗粒中间过渡层陶瓷颗粒；薄膜叠层法Chapter4:Ceramic Matrix Composite4 仿生构造陶瓷基复合资料仿生构造陶瓷基复合资料Chapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix Composite(1) 层状复合资料层状复合资料Chapter4:Ceramic Matrix Composite层状复合资料层状复合资料-实例实例1Chapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceram
27、ic Matrix Composite* * 仿生构造的设计思想仿生构造的设计思想 简单组成、复成、复杂构造构造 引入弱界面引入弱界面层， 使裂使裂纹在弱界面在弱界面层中反复偏折，耗中反复偏折，耗费大量能量大量能量 非均非均质设计、精、精细构造构造已进展的研讨：Si3N4/BN、 SiC/C、SiC/BNChapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Cerami
28、c Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix Composite2 纤维独石复合资料纤维独石复合资料 1990 Clegg提出并制备出层状资料 根本性能根本性能 增增韧机制机制 裂裂纹扩展途径展途径强度：600MPa 断裂功：4KJ/m2断裂韧性：20MPam1/2 裂纹偏转、桥接、摩擦滑移等* * 纤维独石独石资料根本性能：料根本性能： 1993 Baskaran提出并原位合成了纤维独石资料并制备出层状及纤维独石的Si3N4/BN复合资料 1993 本课题组提出陶瓷资料仿生构造的设计思想，Chapter4:Ceramic Matrix Composite
29、 Si3N4/BN 复合资料不同界面相成分的界面韧性值复合资料不同界面相成分的界面韧性值1 随着Al2O3 添加量的添加，界面韧性值呈增大的趋势，阐明界面结合力也随着添加。 2 当界面成分为纯的Al2O3 时，裂纹不能发生偏转，直接越过界面使基体诱发贯穿裂纹产生脆性断裂。 3 为了提高增韧的效果，同时不使资料的强度降低太多，选择BN+36Vol%Al2O3作为Si3N4/BN复合资料的优化界面组成。016% 36% 63%100%37.1653.9571.86119.21-参数不同体积分数Al2O3 添加量Gi(J/m2)断裂功(J/m2)2880330252554268Chapter4:Ce
30、ramic Matrix Composite* Si3N4/BN纤维独石资料的制备工艺纤维独石资料的制备工艺Si3N4+Y2O3+Al2O3球磨混合枯燥过筛轧膜混料粘结剂+光滑剂+增塑剂涂层资料球磨配制悬浮液挤制纤维坯体悬丝枯燥涂层枯燥排布纤维干压预成型纤维独石坯体排胶热压烧结Chapter4:Ceramic Matrix Composite400200100200300abLoad (N)Displacement (m)* Si3N4/BN纤维独石资料的力学性能纤维独石资料的力学性能载荷荷- -位移曲位移曲线裂裂纹扩展途径展途径抗弯强度：断裂韧性：705.471MPa20.011.17MPa
31、m1/2Chapter4:Ceramic Matrix Composite* Si3N4/BN纤维独石资料的高温蠕变性能纤维独石资料的高温蠕变性能不同应力和温度下资料的断裂时间不同应力和温度下资料的断裂时间 温度 ()蠕变应力(MPa)断裂寿命(Hours)10002503003503004003005005060021100250300350300400300500166001.22503003502104004050046000.71200Chapter4:Ceramic Matrix Composite BN界面层吸收基体Si3N4层中的玻璃相净化晶界蠕变性能好的缘由： BN 界面层构造
32、不致密 吸收蠕变变形 SiC晶须对基体的增韧Si3N4/BN纤维独石陶瓷在不同独石陶瓷在不同应力下的蠕力下的蠕变曲曲线Chapter4:Ceramic Matrix CompositeSi3N4/BN纤维独石陶瓷的抗热震性能 * Si3N4/BN纤维独石资料的抗热震性能纤维独石资料的抗热震性能T T ：约700700 纯Si3N4Si3N4陶瓷陶瓷 为600 600 BN界面相：促进烧结，于晶界上转化为晶态物质，构成Sialon型晶界。SiC晶须导热性好：淬冷过程中试样出现的瞬间温度梯度小，由于温差呵斥的热应力减小，淬冷后陶瓷复合资料的剩余强度高于基体资料。裂纹在弱BN界面相中扩展并发生偏折，大幅度提高资料的断裂能。 助烧剂Al2O3和Y2O3： SiC 晶须：BN界面难以烧结致密，Al和Y很容易向胞晶界面迁移，净化了Si3N4的晶界。SiC晶须对裂纹的扩展可起到钝化作用，提高了资料抵抗热震的性能。 Chapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix CompositeChapter4:Ceramic Matrix Composite
