复合材料第六章陶瓷基复合材料-陶瓷基复合材料的制备工艺课件.ppt

1、1第六章第六章 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 主讲教师：田进涛主讲教师：田进涛中国海洋大学材料科学与工程研究院中国海洋大学材料科学与工程研究院2本本 章章 主主 要要 内内 容（容（6 6学时）学时）1 1 陶瓷基体材料陶瓷基体材料 （2 2学时）学时）2 2 陶瓷基复合材料的制备工艺（陶瓷基复合材料的制备工艺（2 2学时）学时）3 3 氧化物陶瓷基复合材料氧化物陶瓷基复合材料（2 2学时）学时）4 4 非氧化物陶瓷基复合材料非氧化物陶瓷基复合材料3 2.1 2.1 陶瓷基体材料的制备工艺陶瓷基体材料的制备工艺 2.2 2.2 陶瓷基复合材料的制备方法陶瓷基复合材料的制备方法2 2 陶瓷基复合

2、材料的制备工艺（陶瓷基复合材料的制备工艺（2 2学时）学时）42.1 2.1 陶瓷基体材料的制备工艺陶瓷基体材料的制备工艺2.1.1 2.1.1 粉体制备粉体制备目的目的：高纯、超细、组分均匀分布、无团聚的粉体高纯、超细、组分均匀分布、无团聚的粉体（1 1）化学制粉）化学制粉 分分 类：类：固相法固相法、气相法气相法、液相法液相法 （共沉淀法、溶胶共沉淀法、溶胶-凝胶法、喷雾热解法等凝胶法、喷雾热解法等）优优 点：点：可得到性能优良粉体可得到性能优良粉体 缺缺 点：点：设备复杂、工艺要求严格、成本高设备复杂、工艺要求严格、成本高5（2 2）机械制粉）机械制粉 分分类：类：球磨球磨（最常用）、最

3、常用）、搅拌振动磨搅拌振动磨 优优点：点：工艺简单、产量大、设备简单，成本低工艺简单、产量大、设备简单，成本低。缺缺点：点：组分分布不均匀、容易引入杂质组分分布不均匀、容易引入杂质 （磨损物进入粉料）（磨损物进入粉料）62.1.2 2.1.2 成型成型成型关键：成型关键：坯体密度越高，烧结收缩越小，制品尺寸精度越高坯体密度越高，烧结收缩越小，制品尺寸精度越高（1 1）模压成型）模压成型工艺：将粉料填充到模具中，通过加压压成所需形状。工艺：将粉料填充到模具中，通过加压压成所需形状。优点：优点：操作简便、生产效率高、易于自动化操作简便、生产效率高、易于自动化，是常用的方法。，是常用的方法。缺点：缺

4、点：粉料易团聚、内部密度不均匀、难于制造复杂形状部件粉料易团聚、内部密度不均匀、难于制造复杂形状部件7（2 2）等静压成型）等静压成型工艺：将粉料装入橡胶或塑料等工艺：将粉料装入橡胶或塑料等可变形容器可变形容器中，密封后放中，密封后放 入液压油或水等入液压油或水等流体介质流体介质中，加压获得所需坯体。中，加压获得所需坯体。优点：优点：不需胶粘剂、坯体密度均匀性好、有良好烧结性能不需胶粘剂、坯体密度均匀性好、有良好烧结性能缺点：缺点：坯体形状和尺寸可控性太差、生产效率低、坯体形状和尺寸可控性太差、生产效率低、难于自动化批量生产难于自动化批量生产。8（3 3）热压铸成型）热压铸成型工艺：粉料和蜡混

5、合并加热工艺：粉料和蜡混合并加热使蜡熔化使蜡熔化（使具有流动性使具有流动性），），混合料加压注入模具并冷却（坯体致密且较硬实）混合料加压注入模具并冷却（坯体致密且较硬实）优点：优点：可制备形状复杂的构件、易于大规模生产可制备形状复杂的构件、易于大规模生产。缺点：缺点：烧结前需高温排蜡（烧结前需高温排蜡（900-1100900-1100度）度）薄壁且大而长的制品容易弯曲变形薄壁且大而长的制品容易弯曲变形9（4 4）挤压成型）挤压成型工艺：利用压力将具有工艺：利用压力将具有塑性粉料塑性粉料通过模具挤出而获得制品通过模具挤出而获得制品优点：优点：适合制备管状、棒状坯体适合制备管状、棒状坯体缺点：缺点

6、：要求粉料具有一定的塑性要求粉料具有一定的塑性 （加入有机粘接剂，但存在粘接剂排出）（加入有机粘接剂，但存在粘接剂排出）10（5 5）轧膜成型）轧膜成型工艺：将工艺：将混入粘接剂混入粘接剂的坯料放入相向滚动的轧辊之间，的坯料放入相向滚动的轧辊之间，使物料在加压的状态下获得使物料在加压的状态下获得薄膜状坯体薄膜状坯体的方法。的方法。优点：优点：工艺简单、生产效率高、设备简单，可获得很薄膜片工艺简单、生产效率高、设备简单，可获得很薄膜片缺点：缺点：只适用于轧制膜片、存在有机粘接剂的排出只适用于轧制膜片、存在有机粘接剂的排出11（6 6）注浆成型）注浆成型工艺：将具有工艺：将具有一定浓度的浆料一定浓

7、度的浆料注入石膏模中，注入石膏模中，通过脱水硬化而获得坯体。通过脱水硬化而获得坯体。优点：优点：可制备形状复杂的坯体可制备形状复杂的坯体缺点：缺点：容易在坯体中产生空心容易在坯体中产生空心12（7 7）流延成型）流延成型工艺：将陶瓷粉料混入适当的粘结剂制成工艺：将陶瓷粉料混入适当的粘结剂制成流延浆料流延浆料，通过流延嘴通过流延嘴刮成薄片状刮成薄片状流延在平移转动环形钢带上，流延在平移转动环形钢带上，烘干而获得烘干而获得薄膜坯体薄膜坯体。优点：优点：较之轧膜成型，生产效率高，易于自动化生产，较之轧膜成型，生产效率高，易于自动化生产，薄膜坯体的厚度可很好地控制薄膜坯体的厚度可很好地控制。缺点：缺点

8、：只适用于制备薄膜坯体、存在有机粘接剂的排出只适用于制备薄膜坯体、存在有机粘接剂的排出。13（8 8）注射成型）注射成型工艺：将工艺：将粉料和热塑性树脂混合粉料和热塑性树脂混合后在注射机上以后在注射机上以一定的一定的 温度和压力温度和压力高速注入模具，迅速冷却后脱模获得坯体高速注入模具，迅速冷却后脱模获得坯体优点：优点：可获得致密坯体可获得致密坯体（高压所致）。（高压所致）。缺点：缺点：设备较复杂、要排出有机树脂设备较复杂、要排出有机树脂。142.1.3 2.1.3 烧结烧结烧结概念：是一个烧结概念：是一个复杂的物理、化学过程复杂的物理、化学过程，陶瓷坯料在陶瓷坯料在表面能减少的推动力表面能减

9、少的推动力的作用下，通过的作用下，通过扩散、晶粒长大、气孔和晶界逐渐减少而致密化扩散、晶粒长大、气孔和晶界逐渐减少而致密化烧结机制：烧结机制：粘性流动粘性流动、蒸发与凝聚蒸发与凝聚、体积扩散体积扩散、表面扩散表面扩散、晶界扩散晶界扩散、塑性流动塑性流动。实际烧结过程往往是这些机制的综合作用的结果！实际烧结过程往往是这些机制的综合作用的结果！15（1 1）普通烧结）普通烧结烧结设备：各种隧道窑、电炉等。烧结设备：各种隧道窑、电炉等。烧结气氛：按要求可在烧结气氛：按要求可在空气中空气中、真空中真空中、保护性气氛中保护性气氛中进行进行添加助剂：适于添加助剂：适于难烧结坯体难烧结坯体（氧化铝、氮化硅、

10、碳化硅），（氧化铝、氮化硅、碳化硅），烧结助剂可降低烧结温度烧结助剂可降低烧结温度（较低温度形成液相）（较低温度形成液相）16（2 2）热致密化方法）热致密化方法工艺：工艺：热压热压、热等静压热等静压等。等。优点：优点：可在更低的温度和更短的时间内实现致密化可在更低的温度和更短的时间内实现致密化 （高温下加压有利于黏性和塑性流动）。（高温下加压有利于黏性和塑性流动）。缺点：缺点：设备昂贵、生产效率低设备昂贵、生产效率低。17（3 3）反应烧结）反应烧结工艺：通过工艺：通过化学反应直接获得陶瓷材料化学反应直接获得陶瓷材料的方法。的方法。优点：优点：烧结过程坯体尺寸基本不变，可获得尺寸精确构件；烧

11、结过程坯体尺寸基本不变，可获得尺寸精确构件；工艺简单、适于大批量生产工艺简单、适于大批量生产。缺点：缺点：制品相对密度低（反应不完全造成的）、残留其它相制品相对密度低（反应不完全造成的）、残留其它相举例：多孔举例：多孔SiSi坯体在坯体在14001400度和烧结气氛度和烧结气氛N N2 2反应形成反应形成SiSi3 3N N4 4 SiC SiCC C多孔体在多孔体在16001600度浸渍液态度浸渍液态SiSi反应形成反应形成SiCSiC18（4 4）微波烧结）微波烧结工艺：采用工艺：采用微波加热原理微波加热原理对陶瓷材料进行快速烧结。对陶瓷材料进行快速烧结。优点：优点：升温速度快、烧结温度低

12、、烧结时间短、制品致密升温速度快、烧结温度低、烧结时间短、制品致密缺点：缺点：设备要求高、只有电介质材料才可进行烧结设备要求高、只有电介质材料才可进行烧结。（5 5）放电等离子烧结放电等离子烧结 (spark plasma sintering system，SPS)一种新型的烧结方法（参阅教材一种新型的烧结方法（参阅教材9090页）。页）。192.2 2.2 陶瓷基复合材料的制备方法陶瓷基复合材料的制备方法2.2.1 2.2.1 粉末冶金法粉末冶金法原料（陶瓷粉末、增强剂、粘结剂和助烧剂）原料（陶瓷粉末、增强剂、粘结剂和助烧剂）均匀混合（球磨、超声等）均匀混合（球磨、超声等）冷压成形冷压成形（

13、热压）烧结。（热压）烧结。关键：关键：均匀混合均匀混合、烧结过程防止体积收缩而产生裂纹烧结过程防止体积收缩而产生裂纹。202.2.2 2.2.2 浆体法（湿态法）浆体法（湿态法）工艺特点：各组元保持散凝状，在浆体中呈工艺特点：各组元保持散凝状，在浆体中呈弥散分布弥散分布，克服粉末冶金法中各组元混合不均的问题克服粉末冶金法中各组元混合不均的问题控制手段：调整控制手段：调整pHpH值、对浆体进行超声波震动搅拌值、对浆体进行超声波震动搅拌适用对象：适用对象：颗粒颗粒、晶须晶须、短纤维短纤维增韧陶瓷基复合材料增韧陶瓷基复合材料浆体浸渍法浆体浸渍法：可制备：可制备连续纤维连续纤维增韧陶瓷基复合材料增韧陶

14、瓷基复合材料 （纤维分布均匀，气孔率低）（纤维分布均匀，气孔率低）21图图6.3 6.3 浆体法制备陶瓷基复合材料示意图浆体法制备陶瓷基复合材料示意图222.2.3 2.2.3 反应烧结法反应烧结法工艺优点：工艺优点：基体材料几乎无收缩，基体材料几乎无收缩，增强剂体积比可相当大增强剂体积比可相当大可用多种连续纤维预制体；可避可用多种连续纤维预制体；可避免纤维的损伤免纤维的损伤。工艺缺点：工艺缺点：高气孔率高气孔率图图6.4 6.4 反应烧结法制备反应烧结法制备SiC/Si3N4SiC/Si3N4基复合材料工艺流程基复合材料工艺流程232.2.4 2.2.4 液态浸渍法液态浸渍法工艺原理工艺原理

15、：陶瓷熔体通过陶瓷熔体通过毛细管道毛细管道渗入增强剂预制体孔隙渗入增强剂预制体孔隙 施加压力或抽真空施加压力或抽真空有利于浸渍有利于浸渍关键因素关键因素：化学反应化学反应、熔体粘度熔体粘度、熔体对增强体浸润性熔体对增强体浸润性 图图6.5 6.5 液态浸渍法制备陶瓷基复合材料示意图液态浸渍法制备陶瓷基复合材料示意图242.2.5 2.2.5 直接氧化法直接氧化法工艺流程工艺流程：制备增强预制备增强预制体（隔板阻止基体生制体（隔板阻止基体生长），熔融金属直接氧长），熔融金属直接氧化形成所需反应产物。化形成所需反应产物。图图6.6 6.6 直接氧化法制备陶瓷基复合材料示意图直接氧化法制备陶瓷基复合

16、材料示意图氧化产物空隙管道的液吸作用使得熔融金属不断供到生长前沿氧化产物空隙管道的液吸作用使得熔融金属不断供到生长前沿Al+Al+空气空气 AlAl2 2OO3 3Al+Al+氮气氮气 AlNAlN252.2.6 2.2.6 溶胶溶胶凝胶法（凝胶法（SolGelSolGel）溶胶：溶胶：SolSol，微小颗粒微小颗粒（直径直径 100nm100nm）的）的悬浮液悬浮液凝胶：凝胶：GelGel，水分减少的溶胶水分减少的溶胶（比溶胶粘度大的胶体）（比溶胶粘度大的胶体）SolGelSolGel法：金属有机或无机化合物经法：金属有机或无机化合物经溶液溶液、溶胶溶胶、凝胶凝胶、干燥干燥、热处理热处理生成

17、氧化物或其它化合物固体。生成氧化物或其它化合物固体。SolGelSolGel法制备法制备SiOSiO2 2陶瓷原理：陶瓷原理：Si(OR)Si(OR)4 4+4 H+4 H2 2O O Si(OH)Si(OH)4 4+4 ROH +4 ROH（水解）（水解）Si(OH)Si(OH)4 4 SiO SiO2 2+2 H+2 H2 2OO26SolGelSolGel法制备复合材料：将各种增强剂加入基体溶胶中搅法制备复合材料：将各种增强剂加入基体溶胶中搅拌形成凝胶，拌形成凝胶，增强组元稳定、均匀分布在基体中增强组元稳定、均匀分布在基体中，再经干燥，再经干燥或一定温度热处理、压制烧结形成复合材料。或一

18、定温度热处理、压制烧结形成复合材料。工艺优点：工艺优点：基体成分容易控制、复合材料的均匀性好、基体成分容易控制、复合材料的均匀性好、加工温度较低加工温度较低工艺缺点：工艺缺点：收缩率大收缩率大（常导致基体发生开裂）（常导致基体发生开裂）27图图6.7 6.7 溶胶溶胶 凝胶法制备陶瓷基复合材料示意图凝胶法制备陶瓷基复合材料示意图282.2.7 2.2.7 化学气相浸渍法化学气相浸渍法 （CVICVI）优优 点：点：材料内部残余应力小材料内部残余应力小 （制备温度比较低，不需外加压力）（制备温度比较低，不需外加压力）缺缺 点：点：生产周期长、效率低、成本高、材料致密度低生产周期长、效率低、成本高

19、、材料致密度低适用对象：可制备适用对象：可制备碳化物碳化物、氮化物氮化物、氧化物氧化物等陶瓷基复合材料等陶瓷基复合材料29ICVIICVI法法：又称静态法，是将被浸渍部件放在：又称静态法，是将被浸渍部件放在等温的空间等温的空间，反应物气体反应物气体通过扩散渗入到多孔预制件内通过扩散渗入到多孔预制件内，发生化学反应，发生化学反应并沉积，并沉积，副产物气体再通过扩散向外散逸副产物气体再通过扩散向外散逸。传质过程主要通过气体扩散来进行，因此传质过程主要通过气体扩散来进行，因此十分缓慢十分缓慢，仅限仅限于一些薄壁部件于一些薄壁部件。30 图图6.9 ICVI6.9 ICVI法制备纤维陶瓷基复合材料示意

20、图法制备纤维陶瓷基复合材料示意图31FCVIFCVI法法：在纤维预制件内施加：在纤维预制件内施加温度梯度温度梯度、反向气体压力反向气体压力梯度梯度，使反应气体强行通过预制件。在，使反应气体强行通过预制件。在低温区低温区，由于低温，由于低温而而不发生反应不发生反应；当反应气体到达；当反应气体到达高温区高温区后后发生分解并沉积发生分解并沉积，在纤维上和纤维之间在纤维上和纤维之间形成基体材料形成基体材料。在此过程中，沉积界。在此过程中，沉积界面不断由预制件的顶部高温区向低温区推移。面不断由预制件的顶部高温区向低温区推移。32工艺优点：工艺优点：温度梯度、压力梯度提高了沉积速率温度梯度、压力梯度提高了

21、沉积速率（避免了沉积物将空隙过早的封闭避免了沉积物将空隙过早的封闭）可用来制备厚壁部件可用来制备厚壁部件工艺缺点：工艺缺点：不适于制作形状复杂部件不适于制作形状复杂部件、材料有内应力材料有内应力（沉积有温度范围）（沉积有温度范围）33 图图6.10 FCVI6.10 FCVI法制备纤维陶瓷基复合材料示意图法制备纤维陶瓷基复合材料示意图342.2.8 2.2.8 其它方法其它方法（1 1）聚合物先驱体热解法）聚合物先驱体热解法工艺原理：以工艺原理：以高分子聚合物高分子聚合物为先驱体，成型后使发生为先驱体，成型后使发生热解反应热解反应 转化为无机物，再经转化为无机物，再经高温烧结高温烧结制备成陶瓷

22、基复合材料制备成陶瓷基复合材料工艺优点：工艺优点：精确控制产品化学组成、纯度以及形状精确控制产品化学组成、纯度以及形状。最常用的高分子聚合物是最常用的高分子聚合物是有机硅有机硅（聚碳硅烷等）。（聚碳硅烷等）。1 1）制备增强剂预制体）制备增强剂预制体浸渍先驱体浸渍先驱体热解热解浸渍浸渍热解热解2 2）陶瓷粉）陶瓷粉+聚合物先驱体聚合物先驱体均匀混合均匀混合模压成型模压成型热解热解35（2 2）原位复合法）原位复合法工艺原理：利用化学反应工艺原理：利用化学反应原位生成增强组元原位生成增强组元-晶须或晶须或高长径比晶体来增强陶瓷基体的方法。高长径比晶体来增强陶瓷基体的方法。工艺关键：陶瓷基体中均匀加入可生成晶须的元素或化合工艺关键：陶瓷基体中均匀加入可生成晶须的元素或化合物，控制生长条件使在物，控制生长条件使在基体致密化过程中同时原位生长增基体致密化过程中同时原位生长增强体强体；或控制烧结工艺，在；或控制烧结工艺，在陶瓷液相烧结时生长高长径比陶瓷液相烧结时生长高长径比的晶相的晶相，最终形成陶瓷基复合材料。，最终形成陶瓷基复合材料。