金属基复合材料中课件.ppt

1、1复合材料的复合材料的包括包括和和。主要包括以下三部分：主要包括以下三部分：、和和23金属基复合材料学科主要涉及金属基复合材料学科主要涉及、等。等。 金属基复合材料中，基体主要是各种金属基复合材料中，基体主要是各种或或4 的品种繁多，目前用作金属的品种繁多，目前用作金属基体材料的主要有基体材料的主要有及及、等。等。5基体材料成分的正确选择，对能否基体材料成分的正确选择，对能否充分组充分组合和发挥基体金属和增强物的性能特点合和发挥基体金属和增强物的性能特点，获得，获得预期的预期的满足使用要求十分重要。满足使用要求十分重要。所以，在所以，在时应考虑以下几方面：时应考虑以下几方面：6金属基复合材料构

2、件的金属基复合材料构件的是选择金属基体材是选择金属基体材料最重要的依据。料最重要的依据。如在如在航天、航空技术航天、航空技术中，高中，高和和以及以及是最重要的性能要求；作为是最重要的性能要求；作为飞行器和卫星的构件飞行器和卫星的构件宜选用宜选用密度小的密度小的（如镁合金和铝合金）作为（如镁合金和铝合金）作为，与高，与高强度、高模量的强度、高模量的、等组成等组成/、/、/复合材料。复合材料。7则要求复合材料不仅有则要求复合材料不仅有和和，还要具有优良的，还要具有优良的，能在高温、氧化性气氛，能在高温、氧化性气氛中正常工作。此时不宜选用一般的铝、镁合金，而应选择中正常工作。此时不宜选用一般的铝、镁

3、合金，而应选择、以及以及作为基体材料。作为基体材料。如如、复合材料可用于喷气发复合材料可用于喷气发动机叶片、转轴等重要零件。动机叶片、转轴等重要零件。8在在中要求其零件中要求其零件、一、一定的定的等，同时又要求等，同时又要求，适合于，适合于，因此选用，因此选用与与、组组成颗粒（短纤维）成颗粒（短纤维）/铝基复合材料。铝基复合材料。如如复合材料、复合材料、复复合材料可制作合材料可制作发动机活塞发动机活塞、缸套缸套等零件。等零件。9需要需要、的金属基复合材料的金属基复合材料作为作为散热元件散热元件和和基板基板。因此，可以选用具有高导热率的因此，可以选用具有高导热率的银银、铜铜、铝铝等金属为等金属为

4、基体基体与高导热性、低热膨胀的超高模量与高导热性、低热膨胀的超高模量石墨纤维石墨纤维、金刚石金刚石纤维纤维、碳化硅颗粒碳化硅颗粒复合成具有低热膨胀系数和高导热率、复合成具有低热膨胀系数和高导热率、高比强度、高比模量等性能的金属基复合材料。高比强度、高比模量等性能的金属基复合材料。10选用不同类型的选用不同类型的如如连续纤维连续纤维、短纤维短纤维或或晶须晶须，对基体材料的选择，对基体材料的选择。11例如在连续纤维增强的复合材料中，基体的主例如在连续纤维增强的复合材料中，基体的主要作用应是以要作用应是以为主，基体为主，基体本身应与纤维有本身应与纤维有，而并不要求，而并不要求基体本身有很高的强度。基

5、体本身有很高的强度。因此，考虑到要充分因此，考虑到要充分的作用，希望选的作用，希望选用用。实验证明，此时如果采用较高。实验证明，此时如果采用较高强度的合金材料，复合材料的性能将有所降低。强度的合金材料，复合材料的性能将有所降低。12如如复合材料中，复合材料中，或含有少或含有少量合金元素的量合金元素的作为作为比比要好要好得多，使用后者制成的复合材料的性能反而低。得多，使用后者制成的复合材料的性能反而低。在研究碳铝复合材料在研究碳铝复合材料中发中发现，现，铝合金的强度越高，复合材料的性能越低铝合金的强度越高，复合材料的性能越低。这。这可能与基体和纤维的可能与基体和纤维的界面状态界面状态、脆性相的存

6、在脆性相的存在、基基体本身的塑性体本身的塑性等有关。等有关。13相反。对于相反。对于，对复合材料具有决定性的影响，对复合材料具有决定性的影响，因此，要选用因此，要选用来作为基体。来作为基体。所以，要获得高性能金属基复合材料必须选用所以，要获得高性能金属基复合材料必须选用作为基体，这与作为基体，这与连续纤维增强金属基复合材料连续纤维增强金属基复合材料基体基体的选择完全不同。的选择完全不同。如如一般选用一般选用（如（如A365，6061，7075）为基体。）为基体。14首先，由于首先，由于金属基复合材料金属基复合材料需要在需要在，制备过，制备过程中，处于程中，处于高温热力学非平衡状态下高温热力学非

7、平衡状态下的纤维与金属之间很容的纤维与金属之间很容易发生化学反应，在界面形成反应层。易发生化学反应，在界面形成反应层。大多是脆性的，当反应层达到一定厚度后，大多是脆性的，当反应层达到一定厚度后，材料受力时将会因材料受力时将会因界面层的断裂伸长小界面层的断裂伸长小而产生裂纹，并向周而产生裂纹，并向周围纤维扩展，容易引起围纤维扩展，容易引起纤维断裂纤维断裂，导致复合材料整体破坏。，导致复合材料整体破坏。15其次，由于基体金属中往往含有不同类型的合金其次，由于基体金属中往往含有不同类型的合金元素，这些元素，这些与与的的，反应，反应后生成的后生成的，需在选用，需在选用基体合金成分基体合金成分时时充分考

8、虑，尽可能选择充分考虑，尽可能选择既有利于既有利于，又有利于又有利于。16如如复合材料中，在复合材料中，在少量的少量的TiTi，ZrZr等等可明显改善复合材料的界可明显改善复合材料的界面结构和性质，大大面结构和性质，大大提高复合材料的性能提高复合材料的性能。用用作为基体，作为基体，是不可是不可取的。因为取的。因为NiNi，FeFe元素在高温时能有效地元素在高温时能有效地，破坏了碳纤维的结构，使其丧失了原有，破坏了碳纤维的结构，使其丧失了原有的强度，使复合材料性能恶化。的强度，使复合材料性能恶化。17因此，选择基体材料时，应充分注意与增强因此，选择基体材料时，应充分注意与增强物的物的（特别是化学

9、相容性），并尽可能（特别是化学相容性），并尽可能。例如：。例如：对增强对增强进行表面处理；进行表面处理；在金属在金属中添加其他成分；中添加其他成分；选择适宜的选择适宜的方法；方法；缩短材料在高温下的停留缩短材料在高温下的停留等。等。18 用于各种航天、航空、汽车、先进武器等结构用于各种航天、航空、汽车、先进武器等结构件的复合材料一般均要求有件的复合材料一般均要求有和和，因此大多选用铝及铝合金、镁及镁合金作为基体金因此大多选用铝及铝合金、镁及镁合金作为基体金属。目前研究发展较成熟的金属基复合材料主要是属。目前研究发展较成熟的金属基复合材料主要是铝基、镁基复合材料，用它们制成各种铝基、镁基复合材料

10、，用它们制成各种、的轻型结构件，广泛的用于宇航、航空、的轻型结构件，广泛的用于宇航、航空、汽车等领域。汽车等领域。19在在发动机发动机，特别是，特别是燃气轮机燃气轮机中所需要的结中所需要的结构材料是构材料是，要求复合材料零件，要求复合材料零件在高在高温下连续安全工作温下连续安全工作，工作温度在，工作温度在6501200 左右，同时要求复合材料有左右，同时要求复合材料有良好的良好的、和良好的和良好的高温力学性质高温力学性质。20复合材料一般只能用在复合材料一般只能用在450 左左右、而右、而基体复合材料可用到基体复合材料可用到650 、而而复合材料可在复合材料可在1200使用。使用。另外，还有最

11、近正在研究的另外，还有最近正在研究的为为。 21结构复合材料的基体结构复合材料的基体大致可分为大致可分为基体和基体和基体两大类。基体两大类。2223用作用作复合材料的复合材料的的成分和性能列于下表中。的成分和性能列于下表中。24高温金属基复合材料的基体合金的成分和性能高温金属基复合材料的基体合金的成分和性能25在这个温度范围内使用的金属基体主要是在这个温度范围内使用的金属基体主要是和和，而且，而且主要是以合金的形主要是以合金的形式式被广泛的应用。例如，用于被广泛的应用。例如，用于航天飞机航天飞机、人造人造卫星卫星、空间站空间站、汽车发动机零件汽车发动机零件、刹车盘刹车盘等，等，并已形成工业规模

12、生产。并已形成工业规模生产。 26是一种是一种低密度低密度、较高强度较高强度和具有和具有耐腐蚀耐腐蚀性能的性能的金属。在实际使用中，纯铝中常加入金属。在实际使用中，纯铝中常加入、等元素形成等元素形成，由于加入的这些元素在铝中的，由于加入的这些元素在铝中的溶解溶解度度极为极为有限有限，因此，这类合金通常称为，因此，这类合金通常称为，如如A1-Cu-Mg和和A1-Zn-Mg-Cu等沉淀硬化合金。等沉淀硬化合金。27 近年来，为航空和航天工业开发出的近年来，为航空和航天工业开发出的系列合金，进一步提高了铝的系列合金，进一步提高了铝的，降低了材料的，降低了材料的。28是一种比铝更轻的金属，但镁的是一种

13、比铝更轻的金属，但镁的机械性能较差机械性能较差，因此，通常是在镁中加入因此，通常是在镁中加入铝铝、锌锌、锰锰、锆锆及及稀土稀土元素元素而形成而形成。目前目前主要包括主要包括Mg-Mn，Mg-Al-Zn，Mg-Cr等耐热合金，可作为连续或不连续纤维等耐热合金，可作为连续或不连续纤维复合材料的基体。复合材料的基体。29对于对于应选用合适的应选用合适的。例如，例如，复合材料一般选用复合材料一般选用或含合金元素少的或含合金元素少的；而而复合材料则选择具复合材料则选择具有高强度的有高强度的。30通过各种研究表明，存这个温度范围内可以通过各种研究表明，存这个温度范围内可以作为金属基复合材料基体使用的，目前

14、主要是作为金属基复合材料基体使用的，目前主要是。31有两种晶形，有两种晶形，具有具有排列排列结构，低于结构，低于885时稳定；时稳定； 是是结结构，高于构，高于885时稳定。时稳定。 32 金属金属能提高钛由能提高钛由 向向 相转变的温度，所以相转变的温度，所以铝是铝是。而大多数。而大多数(Fe、Mn、Cr、Mo、V、Nb、Ta)能降低钛由能降低钛由 向向 相转相转变的温度，所以是变的温度，所以是。33 钛钛在较高的温度中在较高的温度中能保持高能保持高，优良的，优良的和和性能。它具有较高的性能。它具有较高的和和，是一种理想的，是一种理想的航空、宇航空、宇航应用材料航应用材料。34具有具有比重轻

15、比重轻、耐腐蚀耐腐蚀、耐氧化耐氧化、强度强度高等高等特点，是一种可在特点，是一种可在450700 温度下使用的温度下使用的合金，主要用于航空发动机等零件上。合金，主要用于航空发动机等零件上。35 用高性能用高性能、增强增强，可以获得，可以获得。美国己成功地试制成美国己成功地试制成碳化硅纤维增强钛复合碳化硅纤维增强钛复合材料材料，用它制成的叶片和传动轴等零件可用于高，用它制成的叶片和传动轴等零件可用于高性能航空发动机。性能航空发动机。36钛合金的成分和性能钛合金的成分和性能现在已用于现在已用于的钛合金的成分和性能如下的钛合金的成分和性能如下37是在此温度范围内使用的金是在此温度范围内使用的金属基

16、体。属基体。38在在中使用的铁，主要是中使用的铁，主要是，按加工工艺分为，按加工工艺分为变形高温合金变形高温合金和和铸铸造高温合金造高温合金。39 其中，铁基其中，铁基是奥氏体是奥氏体可塑可塑性性变形高温合金，主要组成为变形高温合金，主要组成为1560铁，铁，2555镍和镍和1123铬。铬。 此外，根据不同的使用温度，分别此外，根据不同的使用温度，分别加入加入钨、钼、铌、钒、钛等钨、钼、铌、钒、钛等合金元素合金元素进行强化。进行强化。40是以铁为基体，是以铁为基体，用铸用铸造工艺造工艺成型的高温合金，基体为面心立方体成型的高温合金，基体为面心立方体结构的奥氏体。结构的奥氏体。41 铁基铁基、分

17、别用分别用于制造燃气涡轮发动机的于制造燃气涡轮发动机的燃烧室燃烧室和和涡轮轮盘涡轮轮盘、涡轮导向叶片涡轮导向叶片等。等。42用于用于1000 以上的高温金属基复合材料的基以上的高温金属基复合材料的基体材料主要是体材料主要是和和。其中，研究较为成熟的是其中，研究较为成熟的是，复合材料尚处于复合材料尚处于研究阶段研究阶段。43在金属基复合材料中使用的镍与铁相在金属基复合材料中使用的镍与铁相同，按照加工工艺不同，可形成镍基同，按照加工工艺不同，可形成镍基和镍基和镍基。44镍基镍基以镍为基体以镍为基体(含量一般大于含量一般大于50)，加入，加入钨钨、钼钼、钴钴、铬铬、铌铌等等，使用温，使用温度在度在6

18、501000，具有较高的，具有较高的强度强度、良好的、良好的抗氧化抗氧化和和抗燃气腐蚀抗燃气腐蚀能力，用于制造能力，用于制造燃气涡轮发动机燃气涡轮发动机的的燃燃烧室烧室等。等。45镍基镍基是以镍为基体，用是以镍为基体，用成型的高温合金，能在成型的高温合金，能在6001100的的氧化氧化和和燃燃气腐蚀气氛气腐蚀气氛中承受复杂压力，并能长期可靠地工中承受复杂压力，并能长期可靠地工作，主要用于制造作，主要用于制造涡轮转子叶片涡轮转子叶片和和导向叶片导向叶片及其及其他在高温条件下工作的零件。他在高温条件下工作的零件。46另外，用另外，用、增强增强还可以还可以大幅度提高其大幅度提高其高温性能高温性能。如

19、。如高温持久高温持久性能和性能和高温高温蠕变蠕变性能，一般可提高性能，一般可提高1.3倍，主要用于高性能倍，主要用于高性能航空发动机叶片航空发动机叶片等重要零件。等重要零件。47金属间化合物种类繁多，而金属间化合物种类繁多，而的金属间化合物通常是一些的金属间化合物通常是一些，如，如铝化镍铝化镍，铝化铁铝化铁、铝化钛铝化钛等，使用温等，使用温度可达度可达1600。48在这些高温合金的在这些高温合金的晶体结构晶体结构中，原子主中，原子主要以要以排列。由于这种有序排列。由于这种有序在金在金属间化合物中属间化合物中要比要比在无序合金中在无序合金中受受到更大的约束，因此能使化合物到更大的约束，因此能使化

20、合物。49是它们的是它们的，主，主要原因有两个：要原因有两个：（）结构组织中（）结构组织中导致滑移系不足导致滑移系不足（）晶体（）晶体。50的例子：的例子：在冶金过程中，采用在冶金过程中，采用以及向以及向Ni3Al一类金属间化合物中一类金属间化合物中，由于硼，由于硼可以迁移到晶面，使其增强，故金属间化合可以迁移到晶面，使其增强，故金属间化合物的韧性有所改善。物的韧性有所改善。51研究表明，只要添加研究表明，只要添加的硼的硼0.06(质量分数质量分数)便可使其韧性从便可使其韧性从20增加到增加到50左右。左右。52一些金属间化合物的性能一些金属间化合物的性能下表列出了一些金属间化合物的主要性能下

21、表列出了一些金属间化合物的主要性能53另外，金属另外，金属也可以作为也可以作为基体材料基体材料。铜是铜是，其导电率为银的，其导电率为银的94。铜的。铜的塑性好塑性好，强度和弹性模量不高强度和弹性模量不高，热膨胀系数大热膨胀系数大，容容易铸造和加工易铸造和加工。铜在复合材料中的主要用途是作为铜在复合材料中的主要用途是作为的基体材料。的基体材料。54功能用金属基复合材料功能用金属基复合材料随着电子、信息、随着电子、信息、能源、汽车等工业技术的不断发展，越来越受能源、汽车等工业技术的不断发展，越来越受到各方面的重视，面临广阔的发展前景。到各方面的重视，面临广阔的发展前景。55高技术领域的发展要求高技

22、术领域的发展要求具有具有，如同时具有，如同时具有高力学性高力学性能能、高导热高导热、低热膨胀低热膨胀、高导电率高导电率、高抗电高抗电弧烧蚀性弧烧蚀性、高摩擦系数高摩擦系数和和耐磨性耐磨性等。等。56单靠单靠难以具有优良的综合物难以具有优良的综合物理性能，而要靠理性能，而要靠和和将将做成复合材料来满足需求。做成复合材料来满足需求。57例如，电子领域的例如，电子领域的集成电路集成电路，由于电子，由于电子器件的集成度越来越高，单位体积中的元件器件的集成度越来越高，单位体积中的元件数不断增多，功率增大，发热严重，需用数不断增多，功率增大，发热严重，需用、材料做材料做和和，以便将热最迅速传走，避免产生热

23、应，以便将热最迅速传走，避免产生热应力，来提高器件的可靠性。力，来提高器件的可靠性。58又如，汽车又如，汽车发动机零件发动机零件要求要求、等，这些均可通过等，这些均可通过来达到。来达到。59目前目前主要用于微电主要用于微电子技术的子技术的电子封装电子封装、用于、用于高导热高导热、耐电弧烧耐电弧烧蚀蚀的的集电材料集电材料和和触头材料触头材料、耐高温摩擦的、耐高温摩擦的耐耐磨材料磨材料、耐腐蚀的、耐腐蚀的电池极板电池极板材料等。材料等。60主要选用的主要选用的是是、等金属。等金属。61用于用于的的的基体主要是的基体主要是和和。 例如，高例如，高含量的含量的(SiCpAl)、(SiCpCu)复合材料

24、；复合材料；高模、超高模高模、超高模增强增强(Cr/Al)、(Cr/Cu)复合材料；复合材料；或或增强增强复合复合材料；材料；复合材料等。复合材料等。62用于用于的金属基复合材料的的金属基复合材料的主要是常用的主要是常用的、等等。例如：例如：碳化硅碳化硅、氧化铝氧化铝、石墨颗粒石墨颗粒、晶须晶须、纤维纤维等增强等增强、等等金属基复合材料。金属基复合材料。63用于用于和和的金属基复合材料的金属基复合材料有：有：碳碳(石墨石墨)纤维纤维、金属丝金属丝、陶瓷颗粒陶瓷颗粒增增强强铝铝、铜铜、银银及及合金合金等。等。64 功能用金属基复合材料所用功能用金属基复合材料所用均具有良均具有良好的好的、性和良好

25、的性和良好的性能，但有性能，但有、等缺点。等缺点。通过在这些基体中通过在这些基体中就可以得就可以得到优异的综合物理性能，满足各种特殊需要。到优异的综合物理性能，满足各种特殊需要。65例如，在例如，在中加入中加入导热性好导热性好、弹性模量大弹性模量大、热膨胀系数小热膨胀系数小的的、就可使这就可使这类复合材料具有类复合材料具有(与纯铝、铜相比与纯铝、铜相比)和和，满足了集成电路封装散热，满足了集成电路封装散热的需要。的需要。 随着材料科学的发展，还会出现更多品种的随着材料科学的发展，还会出现更多品种的功能金属基复合材料。功能金属基复合材料。66传统的陶瓷传统的陶瓷是指是指和和，也包括，也包括、等人

26、造等人造。由于这些材料都是含二氧化硅的由于这些材料都是含二氧化硅的，如，如粘土粘土、石灰石石灰石、砂子砂子等为原料制成的，所等为原料制成的，所以以也是也是。67随着现代科学技术的发展，出现了许多随着现代科学技术的发展，出现了许多性能优异的性能优异的，它们不仅含有，它们不仅含有，还有还有、和和等。等。 68是是的固体化合物，的固体化合物，其键合为其键合为或或，与金属不同，它们，与金属不同，它们。一般而言，陶瓷具有比金属更一般而言，陶瓷具有比金属更和和，非常稳定，非常稳定，性、性、性性皆好。皆好。通常的陶瓷是绝缘体，在通常的陶瓷是绝缘体，在下也可以下也可以，但比金属导电性差得多。，但比金属导电性差

27、得多。69虽然虽然的许多性能优于金属，但它也存的许多性能优于金属，但它也存在致命的在致命的，即，即，很容易因，很容易因存在存在裂纹裂纹、空隙空隙、杂质杂质等细微缺陷而破碎，引等细微缺陷而破碎，引起不可预测的灾难性后果，因而大大限制了陶起不可预测的灾难性后果，因而大大限制了陶瓷作为瓷作为的应用。的应用。70近年来的研究结果表明，在近年来的研究结果表明，在，如，如、，可提高陶，可提高陶瓷的瓷的。虽能使虽能使有所提高，但效有所提高，但效果并不显著。果并不显著。7140年代，美国电话系统常常发生短路故障，检年代，美国电话系统常常发生短路故障，检查发现在查发现在出现一种出现一种针状结晶物质针状结晶物质。

28、进一步的研究结果表明，这种结晶与进一步的研究结果表明，这种结晶与金属金属结晶相似，但结晶相似，但强度和模量强度和模量都很都很高高，并呈，并呈胡须状胡须状，故，故命名命名。最常用的晶须最常用的晶须是是晶须。其强度大，容易晶须。其强度大，容易掺混在陶瓷基体中，已成功地用于增强多种陶瓷。掺混在陶瓷基体中，已成功地用于增强多种陶瓷。72主要以主要以两种形态两种形态的化合物存在，它们一般应具有优异的的化合物存在，它们一般应具有优异的性性能，与纤维或晶须之间有能，与纤维或晶须之间有以及以及等。等。常用的陶瓷基体主要包括：常用的陶瓷基体主要包括：、等。等。下表是一些陶瓷材料的下表是一些陶瓷材料的物理和机械性

29、能物理和机械性能。73一些陶瓷材料的物理和机械性能一些陶瓷材料的物理和机械性能74玻璃是通过玻璃是通过高温烧结高温烧结而成的一而成的一种种。与其它陶瓷材料不同，玻璃在熔体后与其它陶瓷材料不同，玻璃在熔体后而冷却成为坚硬的无机材料，即而冷却成为坚硬的无机材料，即是玻璃的特征之一。是玻璃的特征之一。75在在的的烧结过程烧结过程中，由于复杂的物理化中，由于复杂的物理化学反应产生不平衡的学反应产生不平衡的酸性和碱性氧化物酸性和碱性氧化物的熔融液相，的熔融液相，其其，并在冷却过程中进一步迅速增大。，并在冷却过程中进一步迅速增大。一般当一般当(约约10 12Pa s)时，时，并转变为具有固体性质的并转变为

30、具有固体性质的即玻璃。即玻璃。此时相应的温度称为此时相应的温度称为(Tg)。76当当时，玻璃表现出时，玻璃表现出。玻璃熔体的玻璃熔体的粘度降低粘度降低，在达到某一粘，在达到某一粘度度(约约10 8 Pa.s)所对应的温度时，所对应的温度时，玻璃显著软化玻璃显著软化，这一温度称为这一温度称为(f)。Tg和和Tf的高低主要取决于的高低主要取决于玻璃的成分玻璃的成分。77许多许多可以通过适当的热处理使其可以通过适当的热处理使其，这一过程称为，这一过程称为。由于由于使玻璃成为使玻璃成为，透光性变差，透光性变差，而且因体积变化还会产生内应力，影响材料强度。而且因体积变化还会产生内应力，影响材料强度。所以

31、，通常应当避免发生反玻璃化过程。所以，通常应当避免发生反玻璃化过程。78但对于某些玻璃，但对于某些玻璃，反玻璃化过程反玻璃化过程可以可以控制控制，最后能够得到最后能够得到无残余应力无残余应力的的，这种材料，这种材料称为称为。为了为了实现反玻璃化实现反玻璃化，需要加入成核剂，需要加入成核剂(如如TiO2)。具有具有、和和等特点，玻璃陶瓷基复合材料的研究公等特点，玻璃陶瓷基复合材料的研究公国内外都受到重视。国内外都受到重视。79作为基体材料使用的作为基体材料使用的主要有主要有，莫来石莫来石(即富铝红柱石，化学即富铝红柱石，化学式为式为)等，它们的溶点在等，它们的溶点在2000 以上。以上。 80氧

32、化物陶瓷氧化物陶瓷主要为主要为，除晶相外，除晶相外，可能还含有少量可能还含有少量气相气相(气孔气孔)。氧化物的强度较高，氧化物的强度较高，结构时，晶界结构时，晶界面上的面上的残余应力残余应力较大，对强度不利。较大，对强度不利。81氧化物陶瓷氧化物陶瓷的的随随升高而降低，升高而降低，但在但在1000 以下降低较小。以下降低较小。因此，因此，氧化物陶瓷基氧化物陶瓷基复合材料应避免复合材料应避免使用。这是由于使用。这是由于A12O3和和ZrO2的的抗热震性抗热震性较差，较差，SiO2在高温下容易发生在高温下容易发生蠕变和相蠕变和相变变。虽然莫来石具有较好的虽然莫来石具有较好的和和，但使用温度也不宜超

33、过，但使用温度也不宜超过1200 。82以氧化铝以氧化铝()为主要成分的陶瓷称为为主要成分的陶瓷称为氧化铝陶瓷，氧化铝仅有一种热动力学氧化铝陶瓷，氧化铝仅有一种热动力学，即，即 -Al2O3 ，属六方晶系。属六方晶系。83包括包括高纯氧化铝瓷高纯氧化铝瓷，99氧化铝氧化铝瓷瓷，95氧化铝瓷氧化铝瓷和和85氧化铝瓷氧化铝瓷等品种，其氧化等品种，其氧化铝含量铝含量(质量分数质量分数)依此为依此为999、99、95和和85，烧结温度依次为，烧结温度依次为1800、1700、1650和和1500。84以以 -Al2O3和和3Al2O3.2SiO2为主晶相的称为为主晶相的称为，主要原料为，主要原料为高岭

34、土高岭土、氧化铝氧化铝和和少量少量膨润土膨润土，烧结温度为，烧结温度为1350左右，主要性左右，主要性能见下表所示。能见下表所示。85一些陶瓷材料的物理和机械性能一些陶瓷材料的物理和机械性能86 -Al2O3被被粉体粉体近年来发展较为普近年来发展较为普遍，其原理是：遍，其原理是：有有和和两种形态，当氧化两种形态，当氧化锆和氧化铝的粉体混合并加热至锆和氧化铝的粉体混合并加热至1500左右，氧左右，氧化锆粒子化锆粒子形态转变，从而导致形态转变，从而导致体积改变，吸收能量，减缓微观裂纹尖端的应力体积改变，吸收能量，减缓微观裂纹尖端的应力集中，从而起到集中，从而起到的作用。的作用。87以氧化锆以氧化锆

35、()为主要成分的陶瓷称为氧化锆为主要成分的陶瓷称为氧化锆陶瓷。氧化锆密度陶瓷。氧化锆密度5.65.9 g / cm3，熔点熔点2175 。 氧化锆在氧化锆在1100时，从时，从迅速转变为迅速转变为，此可逆转变伴随有此可逆转变伴随有79的体积变化。的体积变化。88由于氧化锆具有由于氧化锆具有，故在氧化锆陶瓷的烧，故在氧化锆陶瓷的烧结过程中加入适量结过程中加入适量、等与等与ZrO2结构近似的氧结构近似的氧化物作为化物作为，形成稳定的，形成稳定的结构。结构。稳定的氧化锆陶瓷的稳定的氧化锆陶瓷的和和小，小，良好，高温时具有良好，高温时具有。89非氧化构陶瓷是指非氧化构陶瓷是指的的、和和。它们的特点是它

36、们的特点是和和好，好，但，但也很强。也很强。90和和的的约约9001000 。略低些，略低些，的表面能形成的表面能形成，所，所以以达达13001700 。具有类似石墨的具有类似石墨的，在，在(1360 )和和作用下可转变成作用下可转变成的的 氮化氮化硼，耐热温度高达硼，耐热温度高达2000 ，硬度极高，可作为金硬度极高，可作为金刚石的代用品。刚石的代用品。91以氮化硅以氮化硅(为主要成分的陶瓷称氮化硅为主要成分的陶瓷称氮化硅陶瓷。氮化硅陶瓷有陶瓷。氮化硅陶瓷有，即，即 和和 两种两种，由于氮化硅中，由于氮化硅中Si-N键结合强度高键结合强度高，属难，属难烧结物质。烧结物质。92主要制备技术有主

37、要制备技术有氮化硅，氮化硅，氮化硅氮化硅(HPSN)，氮化硅氮化硅(RBSN)，(CVD)氮化硅等。氮化硅等。各种制备技术所需的各种制备技术所需的各不相同，各不相同，所得氮化硅的所得氮化硅的也有所差异。也有所差异。如如氮化硅比氮化硅比氮化硅有氮化硅有，93另外，在另外，在HPSN制备技术中，制备技术中，作为通常作为通常的的加入后与加入后与 -Si3N4表面含有的表面含有的SiO2形成形成液相的液相的，这些硅化镁，这些硅化镁在在Si3N4颗粒中间，颗粒中间，成为成为 -Si3N4渗析的通道。渗析的通道。从微观结构的从微观结构的HPSN颗粒中可以看到，少量颗粒中可以看到，少量的存在是导致的存在是导

38、致1200以上以上的主要原因。的主要原因。94在在HPSN制备技术中，除了加入制备技术中，除了加入外，还可以外，还可以加人加人、和和等作为等作为。下表中列出了不同制备方法的氮化硅的一些物理性能。下表中列出了不同制备方法的氮化硅的一些物理性能。95不同制备方法的氮化硅的一些物理性能不同制备方法的氮化硅的一些物理性能96还具有还具有，优异的，优异的能力，能能力，能除氢氟酸外的各种无机除氢氟酸外的各种无机溶液，溶液，此外，还可此外，还可熔融的熔融的铅铅、锡锡、镍镍、黄钢黄钢、铝铝等等且不黏留这些金属液。且不黏留这些金属液。97以以(BN)为主要成分的陶瓷称为为主要成分的陶瓷称为氮化硼陶瓷。氮化硼是氮

39、化硼陶瓷。氮化硼是，有，有和和两种晶型结构。两种晶型结构。98氮化硼可以分为下面的三种：氮化硼可以分为下面的三种：，这是一种这是一种晶型，晶型，类似于类似于石墨，理论密度为石墨，理论密度为227gcm3。，它一种它一种晶型，结构和硬度都类晶型，结构和硬度都类似于钻石，理论密度为似于钻石，理论密度为348gcm3。，它也是一种它也是一种晶型，理论密度为晶型，理论密度为3.48g/cm3。99 由于由于具有类似于石墨的结构，具具有类似于石墨的结构，具有有和和等特点，故称等特点，故称“”，在热压陶瓷过程中在热压陶瓷过程中主要被当作主要被当作使用。使用。与石墨不同，是与石墨不同，是，六方晶型，六方晶型

40、BN的莫的莫氏硬度为氏硬度为2，无明显熔点，升华分解温度为，无明显熔点，升华分解温度为3000，理论密度理论密度2.27g/cm3。100BN的的优异，可在优异，可在900以下的以下的中和中和2800以下的以下的中使用。中使用。如果把如果把加入到加入到中，则中，则混合物混合物(20)为为15.0728.89W(mK)，且且随温度变化不大；随温度变化不大；热膨胀系数热膨胀系数约为约为(57)*106K，好。好。101电阻率电阻率为为1011 .m（1000高温下为高温下为102104 .m)，介电常数介电常数为为3.05.3，介电损耗因子，介电损耗因子为为(28)*l04，击穿电压击穿电压为为9

41、50kVcm，高温下也能高温下也能保持绝缘性，保持绝缘性，耐耐碱碱、酸酸、金属金属、砷化镓砷化镓和和玻璃熔渣玻璃熔渣侵蚀侵蚀，对大多数，对大多数金属和玻璃熔体金属和玻璃熔体不润湿不润湿，也，也不反应不反应。102以碳化硅以碳化硅()为主要成分的陶瓷称为碳化为主要成分的陶瓷称为碳化硅陶瓷。硅陶瓷。SiC是一种是一种和和的材料，以热压的材料，以热压法制造的法制造的SiC可以用来作为可以用来作为的刀具。的刀具。SiC还具有优异的还具有优异的性能，性能，性能。性能。103SiC并不在自然界中存在，主要通过并不在自然界中存在，主要通过、和和等制备技术获得。等制备技术获得。SiC一般有两种晶型，即一般有两

42、种晶型，即 -SiC(六方六方晶型晶型)和和 -SiC(立方立方晶型晶型) ，Si-C键属于典型的共价键。键属于典型的共价键。104为了为了，常添加，常添加MgO、Y2O3、B、C、Al等能够等能够以促以促进烧结。进烧结。不同方法制备的不同方法制备的SiC的一些性能如下表所示。的一些性能如下表所示。105不同方法制备的不同方法制备的的一些性能的一些性能106以碳化硼以碳化硼(为主要成分的陶瓷称为碳化为主要成分的陶瓷称为碳化硼陶瓷。硼陶瓷。B4C是一种是一种、陶瓷。陶瓷。碳化硼粉体是由碳化硼粉体是由B2O3和和C在电弧炉中发生下列在电弧炉中发生下列反应所得：反应所得：COCBCOB6724321

43、07游离碳含量可以用近似计量游离碳含量可以用近似计量w游离碳游离碳（128w总碳总碳-27.7) /100B4C粉末可以通过粉末可以通过、等制备技等制备技术形成致密的材料，其主要性能如下表所示：术形成致密的材料，其主要性能如下表所示：108主要包括主要包括、和和等。等。在无机胶凝材料基在无机胶凝材料基中，研究和应用中，研究和应用最多的是最多的是增强塑料。它是以水泥增强塑料。它是以水泥净浆、砂浆或混凝土为基体，以净浆、砂浆或混凝土为基体，以或或为为增强材料增强材料组成的。组成的。109用用作作来生产来生产尚是一种处于发展阶段的尚是一种处于发展阶段的，其，其尚待进一步提高，其尚待进一步提高，其尚待

44、进一步尚待进一步完善，其应用领域有待进一步地开发。完善，其应用领域有待进一步地开发。110(1) 水泥基体材料水泥基体材料具有以下具有以下水泥基体为水泥基体为，其孔隙尺寸可由，其孔隙尺寸可由数数“埃埃”到数百到数百“埃埃。孔隙存在不仅会影响。孔隙存在不仅会影响的性能，也会影响纤维与基体的的性能，也会影响纤维与基体的。 111 纤维与水泥的纤维与水泥的小，因水泥的小，因水泥的弹性模量比树脂的高，对多数有机纤维而言，弹性模量比树脂的高，对多数有机纤维而言，纤维与水泥的纤维与水泥的甚至小于甚至小于1，这意昧着，这意昧着在纤维增强水泥复合材料中在纤维增强水泥复合材料中远远不如不如纤维增强树脂纤维增强树

45、脂。112 水泥基材的水泥基材的较低，在纤维尚未较低，在纤维尚未从水从水泥基材中泥基材中拔出拉断前，拔出拉断前，即行开裂即行开裂。113 中含有中含有或或的物料的物料,与纤与纤维成维成，故，故受到很大限制。受到很大限制。而而树脂基体树脂基体在未固化前是在未固化前是，可较好地，可较好地浸透纤维中。故浸透纤维中。故可高些。可高些。 呈呈，对，对金属纤维金属纤维可起保护作可起保护作用，但对大多数用，但对大多数矿物纤维矿物纤维是不利的。是不利的。114几种增强水泥基体用几种增强水泥基体用和和比较见下比较见下表所示：表所示：115116水泥水泥相当复杂的，其物理化学变相当复杂的，其物理化学变化是多种多样

46、的。化是多种多样的。117在在中，硅酸盐矿物中，硅酸盐矿物硅酸三钙硅酸三钙(简写简写C3S)、硅酸二钙硅酸二钙(简写简写C2S)约占约占75；铝酸三钙铝酸三钙(简写简写C3A)和和铁铝酸四钙铁铝酸四钙(简写简写C4AF)的固溶体约占的固溶体约占20。硅酸三钙和硅酸二钙的主要硅酸三钙和硅酸二钙的主要是是与与Ca(OH)2的晶体。的晶体。118 两种硅酸盐的两种硅酸盐的可大致用下式表示：可大致用下式表示：简称简称CSH1CSH1式式简称简称CSH2CSH2式式119在在中，主要是中，主要是CSH(1)式型，系由式型，系由熟料粒子熟料粒子向外辐射的针、刺、柱、管状的晶体（长向外辐射的针、刺、柱、管状

47、的晶体（长约约0.52um，宽一般小于宽一般小于0.2um）在末端变细，常在在末端变细，常在尖端有分叉。尖端有分叉。120CSH(2)式型与式型与CSH(1)式型往往式型往往，粒子，粒子相互相互网络状。网络状。 CSH()式型以式型以出现，粒径小于出现，粒径小于0.3um，是不规则的等径粒子。是不规则的等径粒子。121Ca(OH)2在早期大量生成，初生成时，为六角在早期大量生成，初生成时，为六角形的薄片，宽度由几十微米到形的薄片，宽度由几十微米到100多微米，以后逐渐多微米，以后逐渐增厚并失去六角形轮廓。增厚并失去六角形轮廓。Ca(OH)2晶体与晶体与交叉在一起，对水交叉在一起，对水泥石的泥石

48、的及其与及其与、起着主要起着主要作用。作用。122CSH纤维状晶体，在纤维状晶体，在长期长期中，中，仍继续存在，并且还可发育生长，有的可达几仍继续存在，并且还可发育生长，有的可达几十微米。十微米。起着改善水泥石本身起着改善水泥石本身的作用。的作用。 123水泥中的水泥中的相在相在时，可生成时，可生成形态与形态与结晶结晶完全不同的三种水化产物：完全不同的三种水化产物：“”、“”和和“”的固溶体。的固溶体。 由于由于水化过程中水化过程中产生大量产生大量Ca(OH)2，故其故其水泥石孔隙水泥石孔隙很高，一般在很高，一般在12.513.0。 124的主要矿物成分为的主要矿物成分为3CaO.3Al2O3

49、.CaSO4，简写简写C4A3(SO3)与与。当当8590%的的与与1015%的的粉磨粉磨可得可得。125在水化时，无水硫酸钙与二水石膏反应生在水化时，无水硫酸钙与二水石膏反应生成成与与(AH3)，其反应式如下：其反应式如下：126另外，另外，Ca(OH)2与铝胶、二水石膏反应与铝胶、二水石膏反应生成生成、其反应式如下：、其反应式如下：127由于由于中的中的，故全部故全部Ca(OH)2被结合生产被结合生产。因此，这种。因此，这种水泥硬化体水泥硬化体液相的液相的pH值值为为11.5左右。左右。128是由是由30 40的的与与3070的的制成的。制成的。由于此种水泥的由于此种水泥的，故，故 -2C

50、aO.SiO2水化生产的水化生产的Ca(OH)2，几乎皆可几乎皆可与与、反应反应生生成成，故使，故使硬化体硬化体孔隙中孔隙中液相液相pH值只有值只有10.5左左右。右。 129在各种水泥在各种水泥中，只有中，只有的的孔隙孔隙液相的液相的pH值值是最低的。是最低的。因此，到目前为止，硫铝酸盐型因此，到目前为止，硫铝酸盐型是是水水硬性胶凝材料中硬性胶凝材料中的一种。的一种。130氯氧镁水泥基复合材料氯氧镁水泥基复合材料是以是以为基体，为基体，以各种类型的以各种类型的及不同及不同所组成，所组成，用用一定的加工方法一定的加工方法复合而成的一种多相固体材料，复合而成的一种多相固体材料，属于属于。它具有它