1、金陵科技学院金陵科技学院 材料工程学院材料工程学院 陶陶 瓷瓷 材材 料料主主 要要 内内 容容 金金 属属 材材 料料 聚聚 合合 物物 材材 料料4 无无 机机 胶胶 凝凝 材材 料料213 现代科学技术的发展对材料性能的要求越来越高，特别是航现代科学技术的发展对材料性能的要求越来越高，特别是航天航空、军事等尖端科学技术的发展，使得天航空、军事等尖端科学技术的发展，使得单一材料单一材料难以满足实难以满足实际工程的要求，这促进了金属基复合材料的迅猛发展。际工程的要求，这促进了金属基复合材料的迅猛发展。1与传统金属材料与传统金属材料相比，金属基复相比，金属基复合材料具有较高合材料具有较高的比强
2、度、比刚的比强度、比刚度和耐磨性度和耐磨性2与树脂基复合材与树脂基复合材料相比，金属基料相比，金属基复合材料具有优复合材料具有优良的导电、导热良的导电、导热性，高温性能好，性，高温性能好，可焊接可焊接3 与陶瓷材料相比，与陶瓷材料相比，金属基复合材料具金属基复合材料具有高韧性和高冲击有高韧性和高冲击性能、热膨胀系数性能、热膨胀系数小等优点小等优点 航空、航天领域航空、航天领域轻质、高强结构材料：轻质、高强结构材料：如如B/Al复合材料复合材料 电子领域电子领域低热膨胀系数、高导低热膨胀系数、高导热系数热系数2.1.1 选择基体的原则选择基体的原则金属与合金品种繁多，目前用作金属基复合材料金属与
3、合金品种繁多，目前用作金属基复合材料的金属有：铝及铝合金，镁合金，钛合金，镍合的金属有：铝及铝合金，镁合金，钛合金，镍合金，铜与铜合金，锌合金，铅、钛铝、镍铝金属金，铜与铜合金，锌合金，铅、钛铝、镍铝金属间化合物等。间化合物等。基体材料成分的正确选择对能否充分组合和发挥基体材料成分的正确选择对能否充分组合和发挥基体金属和增强物性能特点，获得预期的优异综基体金属和增强物性能特点，获得预期的优异综合性能十分重要。合性能十分重要。71金属基复合材金属基复合材料的使用要求料的使用要求 2金属基复合材金属基复合材料组成的特点料组成的特点3基体金属与增基体金属与增强体的相容性强体的相容性2.1.1 选择基
4、体的原则选择基体的原则81. 金属基复合材料的使用要求金属基复合材料的使用要求 不同领域、不同工况下对复合材料构件的性能要求不同。不同领域、不同工况下对复合材料构件的性能要求不同。 航天航空领域：高比强度、比模量、尺寸稳定性、密度小航天航空领域：高比强度、比模量、尺寸稳定性、密度小如：如：镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、硼纤维进行复合。维、硼纤维进行复合。 高性能发动机：高比强度、比模量、耐高温性、抗氧化高性能发动机：高比强度、比模量、耐高温性、抗氧化如：如：钛基合金、镍基合金以及金属间化合物作基体，如碳化钛基合金、镍基合金以
5、及金属间化合物作基体，如碳化硅硅/钛、钨丝钛、钨丝/镍基超合金复合材料用于喷气发动机叶片、镍基超合金复合材料用于喷气发动机叶片、涡轮叶片、转轴、火箭发动机箱体材料涡轮叶片、转轴、火箭发动机箱体材料2.1.1 选择基体的原则选择基体的原则1. 金属基复合材料的使用要求金属基复合材料的使用要求 不同领域、不同工况下对复合材料构件的性能要求不同。不同领域、不同工况下对复合材料构件的性能要求不同。 汽车发动机：耐热、耐磨、导热、一定高温强度、成本低廉汽车发动机：耐热、耐磨、导热、一定高温强度、成本低廉如：如：选用铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤维进行复合，如碳选用铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤维进行
6、复合，如碳化硅化硅/铝，碳纤维铝，碳纤维/铝，氧化铝铝，氧化铝/铝等复合材料用作发动机活塞、铝等复合材料用作发动机活塞、缸套等零件。缸套等零件。 工业集成电路：高导热、低膨胀工业集成电路：高导热、低膨胀如：如：银、铜、铝作为基体，与高导热性、低热膨胀的超高模量石银、铜、铝作为基体，与高导热性、低热膨胀的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒复合，用作散热元件和基板墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒复合，用作散热元件和基板。2.1.1 选择基体的原则选择基体的原则 针对不同的增强体系，应充分分析和考虑增强物针对不同的增强体系，应充分分析和考虑增强物的特点来正确选择基体合金材料。的特点来正确选择基体
7、合金材料。2. 金属基复合材料的组成特点金属基复合材料的组成特点2.1.1 选择基体的原则选择基体的原则 对于对于连续纤维增强连续纤维增强的金属基复合材料：的金属基复合材料： 基体的主要作用是以充分发挥增强纤维的性能，基体本身与基体的主要作用是以充分发挥增强纤维的性能，基体本身与纤维有良好的相容性和塑性，而不要求基体本身有高强度，可选纤维有良好的相容性和塑性，而不要求基体本身有高强度，可选用用铝、镁铝、镁作基体。作基体。对于对于非连续纤维增强（颗粒、晶须、短纤维）非连续纤维增强（颗粒、晶须、短纤维）的金属基复合材料：的金属基复合材料： 基体是主要承载物，要求基体有很高的强度，可选用高强度基体是
8、主要承载物，要求基体有很高的强度，可选用高强度的的铝合金（如，铝合金（如，A365，6061，7075）而不用铝作为基体而不用铝作为基体。113 基体金属与增强物的相容性基体金属与增强物的相容性金属基复合材金属基复合材料高温成型料高温成型纤维与金属发生化学反应，纤维与金属发生化学反应，在界面形成反应层在界面形成反应层脆性界面反应层受力产生的裂纹引起脆性界面反应层受力产生的裂纹引起复合材料结构破坏复合材料结构破坏界面破坏产生原因：界面破坏产生原因：2.1.1 选择基体的原则选择基体的原则在选择基体时，应充分注意与增强物的相容性（特在选择基体时，应充分注意与增强物的相容性（特别是化学相容性），并考
9、虑到尽可能在金属基复合别是化学相容性），并考虑到尽可能在金属基复合材料成型过程中，抑制界面反应。材料成型过程中，抑制界面反应。3 基体金属与增强物的相容性基体金属与增强物的相容性2.1.1 选择基体的原则选择基体的原则如何增强基如何增强基体与增强物体与增强物的相容性？的相容性？A 对增强纤维进行表面处理改性对增强纤维进行表面处理改性B 在金属基体中添加其他成分在金属基体中添加其他成分C 选择适宜的成型方法选择适宜的成型方法 注意注意：在用铁、镍作为基体时，不适宜用碳（石墨）：在用铁、镍作为基体时，不适宜用碳（石墨）纤维作为增强物。纤维作为增强物。 因为，铁、镍元素在高温时能有效促使碳纤维石墨化
10、因为，铁、镍元素在高温时能有效促使碳纤维石墨化，破坏了碳纤维的结构，使其丧失原有的强度，而不，破坏了碳纤维的结构，使其丧失原有的强度，而不能提高复合材料的综合性能。能提高复合材料的综合性能。3 基体金属与增强物的相容性基体金属与增强物的相容性2.1.1 选择基体的原则选择基体的原则142.1.2 结构复合材料的基体结构复合材料的基体结构复合材料的基体大致可分为结构复合材料的基体大致可分为轻金属基体轻金属基体和和耐热合金基体耐热合金基体两大类。两大类。（1）用于用于450以下的轻金属基体以下的轻金属基体铝、铝、镁合金镁合金（2）用于用于450700的复合材料的金属的复合材料的金属基体基体钛合金钛
11、合金（3）用于用于1000以上的高温复合材料的以上的高温复合材料的金属基体金属基体镍基、铁基耐热合金镍基、铁基耐热合金和金属间化合物和金属间化合物1 用于用于450以下的轻金属基体以下的轻金属基体铝、镁合金铝、镁合金铝基和镁基复合材料，已广泛应用于航天飞机、人造卫星、空铝基和镁基复合材料，已广泛应用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等方面。间站、汽车发动机零件、刹车盘等方面。2.1.2 结构复合材料的基体结构复合材料的基体152 用于用于450700以下的复合材料基体以下的复合材料基体钛合金钛合金钛合金具有相对密度小、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，用钛合金具有相对密度小、耐腐
12、蚀、耐氧化、强度高等特点，用碳化硅纤维增强的钛基复合材料可制成叶片和传动轴等零件用碳化硅纤维增强的钛基复合材料可制成叶片和传动轴等零件用于高性能航空发动机。于高性能航空发动机。16各种牌号铝、镁合金的成分和性能各种牌号铝、镁合金的成分和性能17钛合金的成分和性能钛合金的成分和性能183 用于用于1000以上的高温复合材料的金属基体以上的高温复合材料的金属基体镍基、铁基镍基、铁基耐热合金和金属间化合物耐热合金和金属间化合物镍基高温合金广泛应用于各种燃气轮机中，用钨丝、钍钨丝增镍基高温合金广泛应用于各种燃气轮机中，用钨丝、钍钨丝增强的镍基可用于高性能航空发动机叶片。强的镍基可用于高性能航空发动机叶
13、片。2.1.2 结构复合材料的基体结构复合材料的基体高温金属基复合材料的基体合金成分和性能高温金属基复合材料的基体合金成分和性能19 目前已有应用的功能金属基复合材料（不含双金属复合目前已有应用的功能金属基复合材料（不含双金属复合材料）主要有用于微电子技术的电子封装和热沉材料、高导材料）主要有用于微电子技术的电子封装和热沉材料、高导热、耐电弧烧蚀的集电材料、耐高温摩擦的耐磨材料、耐腐热、耐电弧烧蚀的集电材料、耐高温摩擦的耐磨材料、耐腐蚀的电池极板材料等等。主要选用的金属基体是纯铝及铝合蚀的电池极板材料等等。主要选用的金属基体是纯铝及铝合金、纯铜及铜合金、银、铅、锌等金属。金、纯铜及铜合金、银、
14、铅、锌等金属。 功能用金属基复合材料所用的金属基体均具有良好的导功能用金属基复合材料所用的金属基体均具有良好的导热、导电性和良好的力学性能，但有热膨胀系数大、耐电弧热、导电性和良好的力学性能，但有热膨胀系数大、耐电弧烧蚀性差等缺点。烧蚀性差等缺点。 2.1.3 功能用金属基复合材料的基体功能用金属基复合材料的基体20用于电子封装：高碳化硅颗粒增强铝基、铜基复合材料，用于电子封装：高碳化硅颗粒增强铝基、铜基复合材料，高模石墨纤维增强铝基、铜基复合材料，硼高模石墨纤维增强铝基、铜基复合材料，硼/铝复合材料铝复合材料等。等。用于耐磨零部件：碳化硅、氧化铝、石墨颗粒、晶须、用于耐磨零部件：碳化硅、氧化
15、铝、石墨颗粒、晶须、纤维等增强的铝、镁、铜、锌、铅等金属基复合材料。纤维等增强的铝、镁、铜、锌、铅等金属基复合材料。用于集成电路：碳纤维、金属丝、陶瓷颗粒增强铝、铜、用于集成电路：碳纤维、金属丝、陶瓷颗粒增强铝、铜、银及合金材料。银及合金材料。2.1.3 功能用金属基复合材料的基体功能用金属基复合材料的基体主要包括主要包括、和和等。等。在无机胶凝材料基在无机胶凝材料基中，研究和应用最多的是中，研究和应用最多的是增强塑料。它是以水泥净浆、砂浆或混凝土为基体，增强塑料。它是以水泥净浆、砂浆或混凝土为基体，以以或或为为增强材料增强材料组成的。组成的。用用作作来生产来生产尚是一种处于发尚是一种处于发展
16、阶段的展阶段的，其，其尚待进一步提高，其尚待进一步提高，其尚待进一步完善，其应用领域有待进一步地开发。尚待进一步完善，其应用领域有待进一步地开发。2.2.1 无机胶凝材料无机胶凝材料2.2.2 水泥基体材料水泥基体材料(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，其孔隙尺寸可由数，其孔隙尺寸可由数“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，也会影响纤维的性能，也会影响纤维与基体的与基体的。 纤维与水泥的纤维与水泥的小，因水泥的弹性模量比树脂的高，小，因水泥的弹性模量比树脂的高，对多数有机纤维而言，纤维与水泥的对多数有机纤维而言，纤维与水泥
17、的甚至小于甚至小于1，这，这意昧着在纤维增强水泥复合材料中意昧着在纤维增强水泥复合材料中远不如远不如纤维纤维增强树脂增强树脂 水泥基材的水泥基材的较低，在纤维尚未较低，在纤维尚未从水泥基材中从水泥基材中拔出拉断前，拔出拉断前，即行开裂即行开裂。2.2.2 水泥基体材料水泥基体材料(1) 水泥基体材料水泥基体材料具有以下具有以下 中含有中含有或或的物料的物料,与纤维成与纤维成，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，可较好地浸透纤维中。故，可较好地浸透纤维中。故可高些。可高些。 呈呈，对，对金属纤维金属纤维可起保护作用，但对大多数可起保护作用，但对大多数矿
18、矿物纤维物纤维是不利的。是不利的。24几种增强水泥基体用几种增强水泥基体用和和比较见下表所示：比较见下表所示：水泥水泥相当复杂的，其物理化学变化是多种多样的。相当复杂的，其物理化学变化是多种多样的。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(简简写写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。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：2.2.2 水泥基体材料水泥基体
19、材料在在中，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向外辐射的针、刺、柱、管状的晶体（长约外辐射的针、刺、柱、管状的晶体（长约0.52um，宽一般宽一般小于小于0.2um）在末端变细，常在尖端有分叉。在末端变细，常在尖端有分叉。2.2.2 水泥基体材料水泥基体材料CSH(2)式型与式型与CSH(1)式型往往式型往往，粒子相互，粒子相互网络状。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。27Ca(OH)2在早期大量生成，初生成时，为六角形的薄片，宽度由几在早期大量生成，初生成时，为六角形的薄片，宽度由几十
20、微米到十微米到100多微米，以后逐渐增厚并失去六角形轮廓。多微米，以后逐渐增厚并失去六角形轮廓。Ca(OH)2晶体与晶体与交叉在一起，对水泥石的交叉在一起，对水泥石的及其与及其与、起着主要作用。起着主要作用。CSH纤维状晶体，在纤维状晶体，在长期长期中，仍继续存在，并且还可中，仍继续存在，并且还可发育生长，有的可达几十微米。发育生长，有的可达几十微米。起着改善水泥石本身起着改善水泥石本身的作用。的作用。水泥中的水泥中的相在相在时，可生成时，可生成形态与结晶形态与结晶完全不同的三完全不同的三种水化产物：种水化产物：“”、“”和和“”的固溶体。的固溶体。2.2.2 水泥基体材料水泥基体材料 由于由
21、于水化过程中水化过程中产生大量产生大量Ca(OH)2，故其故其水泥石孔水泥石孔隙隙很高，一般在很高，一般在12.513.0。 2.2.2 水泥基体材料水泥基体材料的主要矿物成分为的主要矿物成分为3CaO.3Al2O3.CaSO4，简写简写C4A3(SO3)与与。当当8590%的的与与1015%的的粉磨可得粉磨可得。29在水化时，无水硫酸钙与二水石膏反应生成在水化时，无水硫酸钙与二水石膏反应生成与与(AH3)，其反应式如下：其反应式如下：2.2.2 水泥基体材料水泥基体材料另外，另外，Ca(OH)2与铝胶、二水石膏反应生成与铝胶、二水石膏反应生成、其反、其反应式如下：应式如下：30由于由于中的中
22、的，故全部，故全部Ca(OH)2被结被结合生产合生产。因此，这种水泥硬化体。因此，这种水泥硬化体液相的液相的pH值值为为11.5左右。左右。2.2.2 水泥基体材料水泥基体材料是由是由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 -2CaO.SiO2水化生产的水化生产的Ca(OH)2，几乎皆可几乎皆可与与、反应反应生成生成，故使，故使硬化硬化体体孔隙中孔隙中液相液相pH值只有值只有10.5左右。左右。 31在各种水泥在各种水泥中，只有中，只有的的孔隙液相的孔隙液相的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，硫铝酸盐型是是水硬
23、性胶凝水硬性胶凝材料中材料中的一种。的一种。2.2.2 水泥基体材料水泥基体材料32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，以各种类型的为基体，以各种类型的及不同及不同所组成，用所组成，用一定的加工方法一定的加工方法复合而成的一复合而成的一种多相固体材料，属于种多相固体材料，属于。它具有它具有、和生产和生产等优点。等优点。氯氧镁水泥、也称镁水泥，至今已有氯氧镁水泥、也称镁水泥，至今已有120多年的历史。它是多年的历史。它是MgOMgCl2H20三元体系。多年来因其水化物的耐水性较差，限制了三元体系。多年来因其水化物的耐水性较差，限制了它的开发和应用。近年来，人们通过研究，在配方
24、中引入不同类型它的开发和应用。近年来，人们通过研究，在配方中引入不同类型的抗水性外加剂，改进生产工艺，使其抗水性大幅度提高。使得氯的抗水性外加剂，改进生产工艺，使其抗水性大幅度提高。使得氯氧镁水泥复合材料从单一轻型屋面材料，发展列复合地板、玻璃瓦、氧镁水泥复合材料从单一轻型屋面材料，发展列复合地板、玻璃瓦、浴缸和风管等多种制品。浴缸和风管等多种制品。33中的中的分为分为(MgO)，它是菱镁矿它是菱镁矿石经石经800850煅烧而成的一种气硬性胶凝材料。煅烧而成的一种气硬性胶凝材料。我国我国蕴藏丰富，截止蕴藏丰富，截止1986年底统计，我国菱镁年底统计，我国菱镁矿勘查储量达矿勘查储量达28亿吨，占
25、世界储量的亿吨，占世界储量的30。主要分布在辽宁、。主要分布在辽宁、山东、四川、河北、新疆等地，其中辽宁约占全国贮量的山东、四川、河北、新疆等地，其中辽宁约占全国贮量的35。开发利用这一巨大的资源优势，对于推动。开发利用这一巨大的资源优势，对于推动GR复合材复合材料的发展将起到不可估量的作用。料的发展将起到不可估量的作用。目前，目前，广泛采用的是广泛采用的是、和和增强材料，为改善制品性能还填加各种增强材料，为改善制品性能还填加各种(如滑石粉、二氧化硅粉等如滑石粉、二氧化硅粉等)及及。34生产方法，根据所用纤维材料生产方法，根据所用纤维材料的形式不同而异，有的形式不同而异，有(即用玻璃纤维网格布
26、增即用玻璃纤维网格布增强水泥砂浆强水泥砂浆)、(即用连续纤维切短后与水泥砂即用连续纤维切短后与水泥砂浆同时喷射到模具中浆同时喷射到模具中)、(即短切纤维与水泥砂即短切纤维与水泥砂浆通过机械搅拌混合后，浇铸注到模具中浆通过机械搅拌混合后，浇铸注到模具中)。35传统陶瓷是指陶器和瓷器，主要由含二氧化硅的传统陶瓷是指陶器和瓷器，主要由含二氧化硅的天然硅酸盐矿物质制成。天然硅酸盐矿物质制成。现代陶瓷：高纯度、高性能的氧化物、碳化物、现代陶瓷：高纯度、高性能的氧化物、碳化物、硼化物、氮化物等。硼化物、氮化物等。 单一的陶瓷存在脆性大，韧性差，很容易因存在的裂纹、空隙、单一的陶瓷存在脆性大，韧性差，很容易
27、因存在的裂纹、空隙、杂质等缺陷而破碎。杂质等缺陷而破碎。 在陶瓷基体中添加其他成分，如陶瓷粒子，纤维或晶须，可提高在陶瓷基体中添加其他成分，如陶瓷粒子，纤维或晶须，可提高陶瓷的韧性。陶瓷的韧性。 作为基体材料使用的陶瓷，应具有：优良的耐高温性质、与纤维作为基体材料使用的陶瓷，应具有：优良的耐高温性质、与纤维或晶须之间有良好的界面相容性以及较好的工艺性能等。或晶须之间有良好的界面相容性以及较好的工艺性能等。 常见的陶瓷基体有：微晶玻璃、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。常见的陶瓷基体有：微晶玻璃、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。361 微微晶玻璃晶玻璃微晶玻璃是微晶玻璃是通过加入晶核剂等方法，经过热处理过
28、程在玻璃中通过加入晶核剂等方法，经过热处理过程在玻璃中形成晶核，再使晶核长大而形成的玻璃与晶体共存的均匀多晶形成晶核，再使晶核长大而形成的玻璃与晶体共存的均匀多晶材料，又称为玻璃陶瓷。材料，又称为玻璃陶瓷。微晶玻璃的结构与性能与陶瓷、玻璃均不同，其性质是由晶相微晶玻璃的结构与性能与陶瓷、玻璃均不同，其性质是由晶相的矿物组成与玻璃相的化学组成以及它们的数量决定的，集中的矿物组成与玻璃相的化学组成以及它们的数量决定的，集中了玻璃与陶瓷的特点。了玻璃与陶瓷的特点。典型代表：典型代表：Li2O-Al2O3-SiO237 微晶玻璃具有热膨胀系数小、导热系数较大等特点，同时还具微晶玻璃具有热膨胀系数小、导
29、热系数较大等特点，同时还具有一定的机械强度。有一定的机械强度。 为获得力学性能优良的复合材料，加入的纤维或晶须应与基体为获得力学性能优良的复合材料，加入的纤维或晶须应与基体的热膨胀系数及弹性模量匹配，化学性能相容，并且用于增强的热膨胀系数及弹性模量匹配，化学性能相容，并且用于增强的纤维或晶须应具有良好的惰性不被基体液相腐蚀。的纤维或晶须应具有良好的惰性不被基体液相腐蚀。 常见的有：常见的有：碳纤维、碳化硅纤维（晶须）、氧化铝纤维碳纤维、碳化硅纤维（晶须）、氧化铝纤维增强微增强微晶玻璃基复合材料。晶玻璃基复合材料。1 微微晶玻璃晶玻璃38 应用较多的有：应用较多的有：Al2O3，MgO，SiO2
30、，ZrO2，莫，莫来石（来石（3Al2O3-2SiO2）等。具有高强度、高硬度）等。具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能，但脆性大。、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能，但脆性大。 主要的增强物为：陶瓷颗粒或晶须。主要的增强物为：陶瓷颗粒或晶须。2 氧化物陶瓷氧化物陶瓷 Al2O3（刚玉）（刚玉）典型的纯氧化物陶瓷。有较高室温典型的纯氧化物陶瓷。有较高室温和高温强度。和高温强度。 ZrO2使用温度达使用温度达20002200，主要用作耐火坩锅，主要用作耐火坩锅，反应堆的绝缘材料，金属表面的防护涂层等。有三种晶，反应堆的绝缘材料，金属表面的防护涂层等。有三种晶型：型：立方结构（立方结构（C
31、相）、四方结构（相）、四方结构（t相）和单斜结构（相）和单斜结构（m相），相），加入适量的稳定剂后，加入适量的稳定剂后，t相可以亚稳定状态存在于相可以亚稳定状态存在于室温，称部分稳定室温，称部分稳定ZrO2。在压力作用下发生。在压力作用下发生t-m马氏体转马氏体转变，称应力诱导相变。这种相变将吸收能量，使裂纹尖端变，称应力诱导相变。这种相变将吸收能量，使裂纹尖端的应力场松弛，增加裂纹扩展阻力，从而实现增韧，常用的应力场松弛，增加裂纹扩展阻力，从而实现增韧，常用的稳定剂有的稳定剂有MgO、Y2O3等。等。2 氧化物陶瓷氧化物陶瓷403 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷 指不含氧的指不含氧的金属碳化物、氮
32、化物、硼化物和硅化物金属碳化物、氮化物、硼化物和硅化物等。等。自然界比较少，需要人工合成，是先进陶瓷特别是金属陶自然界比较少，需要人工合成，是先进陶瓷特别是金属陶瓷的主要成分和晶相，主要由共价键结合而成，也有一定瓷的主要成分和晶相，主要由共价键结合而成，也有一定的金属键成分。的金属键成分。 共价键结合能比较高共价键结合能比较高材料有高的耐火度、高的硬度材料有高的耐火度、高的硬度（有的接近金刚石）、高的耐磨性，但脆性大，抗氧化能（有的接近金刚石）、高的耐磨性，但脆性大，抗氧化能力低。力低。 41氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷(Si3N4) 共价键化合物的原子自扩散系数非常高，高纯的共价键化合物的原子自扩散
33、系数非常高，高纯的Si3N4 的固的固相烧结极为困难。相烧结极为困难。 因此，常用反应烧结和热压烧结。前者是将因此，常用反应烧结和热压烧结。前者是将Si3N4粉以适当粉以适当的方式成形后，在氮气氛中进行氮化合成的方式成形后，在氮气氛中进行氮化合成(约约1350）。后）。后者是将加适当的助烧剂者是将加适当的助烧剂 (MgO,Al2O3,16001700) 烧结。烧结。3 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷氮化硼和氮化钛陶瓷氮化硼和氮化钛陶瓷氮化硼陶瓷氮化硼陶瓷 BN有两种晶型：六方有两种晶型：六方BN结构，性能与石墨相似，因此有白石墨之称结构，性能与石墨相似，因此有白石墨之称。HBN硬度不高，是唯一易于机
34、械加工的陶瓷。高温（硬度不高，是唯一易于机械加工的陶瓷。高温（15002000)高压（高压（69103MPa ）下可转化为立方）下可转化为立方BN(CBN）。）。CBN的硬度接近的硬度接近于金刚石，是极好的耐磨材料。于金刚石，是极好的耐磨材料。氮化钛陶瓷氮化钛陶瓷 TiN是一种新型的结构材料，硬度大、高熔点（是一种新型的结构材料，硬度大、高熔点（2950）、化学稳定性）、化学稳定性好，而且金黄色金属光泽。是一种很好的耐火耐磨材料及受人欢迎的好，而且金黄色金属光泽。是一种很好的耐火耐磨材料及受人欢迎的代金装饰材料。代金装饰材料。 TiN还有导电性，可用作熔盐电极以及电触头等材料；还有导电性，可用
35、作熔盐电极以及电触头等材料；TiN具有较高的具有较高的超导临界温度，还是一种优良的超导材料。超导临界温度，还是一种优良的超导材料。3 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷材材 料料制备温度制备温度（）抗弯强度抗弯强度（室温三点）（室温三点）Mpa密度密度/gcm-3 弹性模量弹性模量/MPa线膨胀系数线膨胀系数/(201000)反应烧结反应烧结SiC160017001594243.093.12380420103 5.24.410-6 热压热压SiC180020007187603.193.2440103 4.810-6 CVD SiC涂层涂层120018007319932.953.214
36、80103 重结晶重结晶SiC160017001702.6206103 烧结烧结SiC（掺（掺SiCB4C ）195021002803.11 烧结烧结SiC （掺（掺B）195021005403.14.910-6 3 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷44 碳化硼属于六方晶系。重量轻，硬度高（碳化硼属于六方晶系。重量轻，硬度高（50GPa，仅次于金刚石），耐磨性好，热稳定性好，耐酸。耐仅次于金刚石），耐磨性好，热稳定性好，耐酸。耐碱性。可用作喷砂嘴，切削工具，高温热交换器、轻碱性。可用作喷砂嘴，切削工具，高温热交换器、轻型装甲陶瓷等。型装甲陶瓷等。 B4C粉末一般用适量的碳还粉末一般用适量的碳还B2O3
37、+CB4C B4C陶瓷难以烧结，原因是烧成温度范围窄，温度陶瓷难以烧结，原因是烧成温度范围窄，温度过低，烧结不致密，温度太高易导致过低，烧结不致密，温度太高易导致B4C分解。分解。碳化硼陶瓷碳化硼陶瓷3 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷 碳化钛结晶为面心立方晶格（碳化钛结晶为面心立方晶格（NaCl型型)。晶格常数为。晶格常数为0.4319nm，密度为，密度为4.934.9 gcm-3 ，熔点为，熔点为31603250，1.15K时时TiC呈现超导特性，呈现超导特性，TiC莫氏硬度莫氏硬度910，弹性模，弹性模量量322MPa，可用作耐磨材料。，可用作耐磨材料。 TiC粉末制取方法：粉末制取方法： 2T
38、iO2+C=Ti2O3+CO Ti2O3+C=2TiO+CO TiO+2C=TiC+CO TiC陶瓷的烧结方法主要有热压法。透明的陶瓷的烧结方法主要有热压法。透明的TiC陶瓷是较好陶瓷是较好的光学功能材料。的光学功能材料。碳化钛陶瓷碳化钛陶瓷3 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷46 MoSi2是介于无机非金属与金属间化合物之间是介于无机非金属与金属间化合物之间的材料，结合方式为共价键与金属键。熔点的材料，结合方式为共价键与金属键。熔点2030，800 以上发生氧化反应形成以上发生氧化反应形成SiO2保保护层，能阻止氧化的继续发生。可以作为高温护层，能阻止氧化的继续发生。可以作为高温连接材料。连接材料。
39、二硅化钼陶瓷二硅化钼陶瓷3 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷2.4.1 基体材料的组分及作用基体材料的组分及作用1. 聚合物基体：聚合物基体： 基体材料主要成分，决定复合材料的性能、成型工艺及价格。基体材料主要成分，决定复合材料的性能、成型工艺及价格。 要求：要求：具有较高的力学性能、介电性能、耐热性能和耐老化性具有较高的力学性能、介电性能、耐热性能和耐老化性能，并且要施工简单，有良好的工艺性能。能，并且要施工简单，有良好的工艺性能。2. 辅助剂：辅助剂：（1）交联剂（引发剂、促进剂）交联剂（引发剂、促进剂）交联剂交联剂：能在线型分子间起架桥作用从而使多个线型分子相互键合交联成网络：能在线型分子间起架
40、桥作用从而使多个线型分子相互键合交联成网络结构的物质。结构的物质。 促进或调节聚合物分子链间共价键或离子键形成的物质。也称促进或调节聚合物分子链间共价键或离子键形成的物质。也称为固化剂。为固化剂。引发剂引发剂：指一类容易受热分解成自由基的化合物，可用于引发烯类、双烯类单：指一类容易受热分解成自由基的化合物，可用于引发烯类、双烯类单体的自由基聚合和共聚合反应，也可用于不饱和聚酯的交联固化和高分子交联体的自由基聚合和共聚合反应，也可用于不饱和聚酯的交联固化和高分子交联反应。反应。 促进剂促进剂：与催化剂或交联剂并用时，可以提高反应速率的一种用量较少的物质：与催化剂或交联剂并用时，可以提高反应速率的
41、一种用量较少的物质（2）稀释剂：降低聚合物基体粘度，便于施工。）稀释剂：降低聚合物基体粘度，便于施工。非活性稀非活性稀释剂：不参与树脂固化反应，树脂成型中挥发，加释剂：不参与树脂固化反应，树脂成型中挥发，加入量为入量为1060%。如：丙酮、乙醇、甲苯、苯如：丙酮、乙醇、甲苯、苯活性活性稀释剂：不与树脂固化反应，成为材料成分，加入量为稀释剂：不与树脂固化反应，成为材料成分，加入量为10%。如：苯乙烯（不饱和）、环氧丙烷丁基醚。如：苯乙烯（不饱和）、环氧丙烷丁基醚 2.4.1 基体材料的组分及作用基体材料的组分及作用2. 辅助剂：辅助剂：（3） 增韧（增塑）剂增韧（增塑）剂降低树脂刚性、提高塑性，
42、将导致强度和耐热性下降。降低树脂刚性、提高塑性，将导致强度和耐热性下降。如：邻苯二甲酚酯、聚酰胺如：邻苯二甲酚酯、聚酰胺 等。等。49（4）触变剂）触变剂提高树脂在静止状态下的粘度，在外力作用下，树脂又变成流动性液提高树脂在静止状态下的粘度，在外力作用下，树脂又变成流动性液体。适合于大型产品，尤其在垂直面上使用，加入量为体。适合于大型产品，尤其在垂直面上使用，加入量为13%。如：活性如：活性SiO2(白炭黑白炭黑)、膨润土、聚氯乙烯粉。、膨润土、聚氯乙烯粉。2.4.1 基体材料的组分及作用基体材料的组分及作用2. 辅助剂：辅助剂：（5） 填料填料降低成本，改善性能（降低收缩率，提高表面硬度和耐
43、磨降低成本，改善性能（降低收缩率，提高表面硬度和耐磨性能、导电、导热等）。性能、导电、导热等）。如如：CaCO3、滑石粉、石英粉、金属粉。、滑石粉、石英粉、金属粉。50（6） 颜料颜料用量用量约约0.55%要求：颜色鲜明，有耐热性和耐光性；在树脂中分散良好，不影响要求：颜色鲜明，有耐热性和耐光性；在树脂中分散良好，不影响树脂固化。一般选用无机颜料，有机颜料影响树脂固化。树脂固化。一般选用无机颜料，有机颜料影响树脂固化。2.4.1 基体材料的组分及作用基体材料的组分及作用2. 辅助剂：辅助剂：3. 基体的作用基体的作用 均衡载荷，传递载荷（将单根的纤维粘成整体）；均衡载荷，传递载荷（将单根的纤维
44、粘成整体）； 保护纤维，防止纤维磨损；保护纤维，防止纤维磨损； 赋予复合材料各种特性（耐热、耐腐蚀、阻燃、抗辐射）；赋予复合材料各种特性（耐热、耐腐蚀、阻燃、抗辐射）； 决定复合材料生产工艺、成型方法。决定复合材料生产工艺、成型方法。514 基体材料的选用原则基体材料的选用原则产品性能产品性能工艺性能工艺性能成本及来源成本及来源基体材料基体材料综合决定综合决定2.4.1 基体材料的组分及作用基体材料的组分及作用522.4.2 基体材料的结基体材料的结构和性能构和性能结构特点：结构特点：（1）分子链很大（）分子链很大（103105个结构单元）：线形的，支链的，网状的个结构单元）：线形的，支链的，
45、网状的（2）链长有限的聚合物分子中含有官能团或端基）链长有限的聚合物分子中含有官能团或端基（3）聚合物分子间的作用力：若分子链中化学键有一定的内旋转自）聚合物分子间的作用力：若分子链中化学键有一定的内旋转自由度，则柔性大，反之，则呈刚性。由度，则柔性大，反之，则呈刚性。53一、力学性能一、力学性能1. 强度与模量强度与模量主要因素是分子内和分子间的作用力。基体材料的破坏主要因素是分子内和分子间的作用力。基体材料的破坏是主链上的化学键断裂或是分子间相互作用力的破坏。是主链上的化学键断裂或是分子间相互作用力的破坏。纤维弹性模量低，纤维受拉时单独受力，纤维单根或单束断裂；纤维弹性模量低，纤维受拉时单
46、独受力，纤维单根或单束断裂；纤维弹性模量高，纤维受拉时由于粘接力作用，纤维表面整体纤维弹性模量高，纤维受拉时由于粘接力作用，纤维表面整体强度高。强度高。2. 树脂内聚强度树脂内聚强度固化程度提高，分子量增大，内聚强度升高；机械强度增加并固化程度提高，分子量增大，内聚强度升高；机械强度增加并达到稳定值；固化程度很高，则树脂形变能力减低，呈现脆性达到稳定值；固化程度很高，则树脂形变能力减低，呈现脆性2.4.2 基体材料的结基体材料的结构和性能构和性能3. 树脂断裂延伸率树脂断裂延伸率聚合物形变：普弹形变、高弹形变、粘流形变聚合物形变：普弹形变、高弹形变、粘流形变普弹形变：普弹形变：由聚合物分子的键
47、长和键角改变引起，由聚合物分子的键长和键角改变引起， 变形较小（变形较小（1%）高弹形变：高弹形变：由大分子链的链段移动引起，是聚合物主由大分子链的链段移动引起，是聚合物主 要变形形式（要变形形式（Tg以上）以上）强迫高弹形变（强迫高弹形变（Tg以下）：以下）：在外力作用量够大，时间在外力作用量够大，时间 是够长条件下出现是够长条件下出现 决定因素：决定因素：大分子链的柔韧性、大分子链间的交联密度大分子链的柔韧性、大分子链间的交联密度2.4.2 基体材料的结基体材料的结构和性能构和性能554. 树脂体积收缩率：树脂体积收缩率：物理收缩、化学收缩物理收缩、化学收缩固化收缩率：固化收缩率：环氧树脂
48、环氧树脂12%；聚酯树脂；聚酯树脂46%；酚醛树脂；酚醛树脂810%影响因素：影响因素：固化前树脂系统（包括树脂、固化剂等）的密度；固化前树脂系统（包括树脂、固化剂等）的密度； 基体固化后的网络结构的紧密程度；基体固化后的网络结构的紧密程度； 固化过程中有无小分子释放。固化过程中有无小分子释放。降低收缩率方法：降低收缩率方法：调节树脂大分子链段充分伸直，固化前分子调节树脂大分子链段充分伸直，固化前分子 间填充密实，固化后有紧密的空间网络。间填充密实，固化后有紧密的空间网络。2.4.2 基体材料的结基体材料的结构和性能构和性能 固化是指线型树脂在固化剂存在下或加热条件下，固化是指线型树脂在固化剂
49、存在下或加热条件下，发生化学反应而转变成不溶、不熔，具有体型结构的固发生化学反应而转变成不溶、不熔，具有体型结构的固态树脂的全过程。态树脂的全过程。凝胶：凝胶：定型：定型：熟化：熟化： 液态树脂液态树脂可溶线型小分子可溶线型小分子 固态树脂固态树脂不溶不熔体型结构大分子不溶不熔体型结构大分子固化固化粘流态树脂粘流态树脂半固态凝胶半固态凝胶失去流动性失去流动性凝胶时间手糊时间凝胶时间手糊时间凝胶凝胶硬度、形状硬度、形状表观上变硬，一定力学性能表观上变硬，一定力学性能经后处理，稳定物理化学性能经后处理，稳定物理化学性能固化阶段固化阶段2.4.2 基体材料的结基体材料的结构和性能构和性能57二、耐热
50、性能二、耐热性能复合材料耐热性：复合材料耐热性：温度升高，性能变化温度升高，性能变化物理性能：模量、强度、变形物理性能：模量、强度、变形化学性能：失重、分解、氧化化学性能：失重、分解、氧化树脂耐热性树脂耐热性物理耐热性：在一定温度条件下，仍然保持物理耐热性：在一定温度条件下，仍然保持 其作为基体材料的强度其作为基体材料的强度化学耐热性：树脂发生热老化时的温度范围化学耐热性：树脂发生热老化时的温度范围聚合物受热变化聚合物受热变化物理变化：变形、软化、流动、熔融物理变化：变形、软化、流动、熔融化学变化：分子链交联、氧化、产生气体等化学变化：分子链交联、氧化、产生气体等2.4.2 基体材料的结基体材
