無機(jī)復(fù)合材料第二章——增強(qiáng)材料(參考版)
2024-08-27 00:59本頁面
【正文】 本章小結(jié)： ? 增強(qiáng)材料概述 —— 定義、分類、結(jié)構(gòu)類型、選擇增強(qiáng)材料的原則 ? 纖維增強(qiáng)材料 —— Kevlar纖維、玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、 SiC纖維、 Al2O3纖維 ? 顆粒增強(qiáng)材料 —— 延性顆粒、剛性顆粒、相變?cè)鲰g顆粒 ? 晶須增強(qiáng)材料 —— 特性、分類、 SiC晶須的制備方法 。 V即反應(yīng)氣體供給（ Vapor feed gasses）， L即為液態(tài)觸媒 (Liquid catalyst)， S即為固態(tài)晶須生長(zhǎng) ( Solid crystalline wiskers)。一般這種方法生產(chǎn) SiCw長(zhǎng)徑比約為 50。 SiO2＋ 3C ＝ SiC ＋ 2CO 工藝過程：在～ 700℃ 下將稻殼焦化并得到 SiO2和自由炭，在 1500～ 1600℃ 下 Ar或 N2保護(hù)下， SiO2與碳黑反應(yīng)生成 SiCw和部分殘余自由炭，然后在在～ 800 ℃ 將自由炭去除，可得較純的 SiCw。 四、晶須增強(qiáng)材料 （ Whisker reinforcements） (1)、概述 10?m 典型的 SiC晶須形貌（日本東海碳素公司） (2)、晶須的基本性能 其中有代表性的是 SiCw的制備方法，以下作簡(jiǎn)要介紹。使用最多的是 SiCw。 ? 目前應(yīng)用的晶須分為陶瓷晶須和金屬晶須兩大類。 1948年美國(guó)貝爾電話公司在排除經(jīng)常出現(xiàn)的電話線路短路原因時(shí)，發(fā)現(xiàn)在蓄電池極板表面產(chǎn)生有針狀結(jié)晶物。晶須的直徑很小，只有亞微米和微米數(shù)量級(jí)，長(zhǎng)度 10～ 102 ?m。 根據(jù)濕潤(rùn)方程： glslsg???? ??c os 為了改善固態(tài)材料與液態(tài)材料的濕潤(rùn)性，提高固態(tài)材料的 ?sg和降低液態(tài)材料的 ?lg，均可以降低濕潤(rùn)角 ?，從而提高固、液材料的浸潤(rùn)性，提高了增強(qiáng)材料與基體的結(jié)合力。在 MMC中顆粒材料的表面處理方法有： ? 金屬表面涂層 ? 顆粒材料表面熱處理 ? 超聲波處理 顆粒材料表面熱處理和超聲波處理，主要是改善增強(qiáng)顆粒表面的狀況，如干燥、除去表面所吸附的水分和氣體等，從而提高分散特性。 ? 本節(jié)主要介紹有關(guān) Al2O SiC、 B4C、 ZrO2等陶瓷顆粒增強(qiáng)材料的形貌、性能、表面處理等。 ? 顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料因其原料價(jià)格低、制備工藝簡(jiǎn)單，已廣泛應(yīng)用于 PMC（用作填料）、 MMC和 CMC中。 ? 相變?cè)鲰g顆粒主要是以 ZrO2為代表，通過 tZrO2（四方相，tetragonal）向 mZrO2（單斜相， monoclinic）的相變，來增韌。 ? 延性顆粒增強(qiáng)體主要是一些高熔點(diǎn)的金屬顆粒，如 Ni、 Co、 W等，通過在裂紋尖端的橋聯(lián)、塑性變形等作用達(dá)到增強(qiáng)增韌的目的。 (8)、金屬纖維（ Metallic fiber） 金屬纖維的制造工藝： 金屬纖維的性能： ? 顆粒增強(qiáng)材料是用以改善基體材料性能的顆粒狀材料。 其它陶瓷纖維（ Ceramic fiber） 在新型增強(qiáng)材料的研究與開發(fā)過程中，實(shí)際上科研人員還研究和開發(fā)了許多無機(jī)陶瓷纖維，例如： 在金屬基復(fù)合材料中，也使用部分金屬纖維，如 W絲、 Mo絲、不銹鋼絲等。 ? B4C纖維 ：密度 g/cm3 ，強(qiáng)度 2400MPa，模量 400GPa。 混合型 Al2O3纖維的性能 ? Si(CN)纖維 ：含 55％ Si、 22％ N、 15％ C和 8％ O，密度 g/cm3 ，強(qiáng)度 1800MPa，模量 220GPa，最高使用溫度 1400℃ 。 ? Sumica纖維 ，由日本住友公司采用有機(jī)鋁化物或有機(jī)鋁化物與一種或多種含硅化合物的混合物，經(jīng)紡絲，然后燒結(jié)成的混合纖維，含有～ 85％ ? Al2O3＋～ 15％ SiO2 ,密度 ～ 3. g/cm3 。這種短纖維是短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的主要增強(qiáng)材料。 FPAl2O3纖維的性能： FPAl2O3纖維的高溫性能 FPAl2O3纖維與其它纖維（ B、 SiC）高溫性能的比較： 混合型 Al2O3纖維及其性能： ? Saffil短纖維 ：美國(guó) ICI公司采用紡絲法經(jīng)高溫?zé)Y(jié)的，但與 FP纖維不同的是，所制備的纖維為短纖維，商品名： Saffil。這樣就獲得了 SiO2涂覆的 FP Al2O3纖維。紡絲添加物在燒結(jié)過程中完全去除，以保證獲得基本純凈的 ?Al2O3多晶纖維。 ：采用干法紡絲 ： 燒結(jié)過程分為兩部分，首先為低溫焙燒，以控制纖維的收縮量。還可用于玻璃和陶瓷的補(bǔ)強(qiáng)。 ? FPAl2O3纖維主要用于金屬基復(fù)合材料，如 Al、 Mg基復(fù)合材料。 ? FP纖維的制備方法獨(dú)特，完全不同于 B纖維和 SiC纖維（包括紡絲SiC纖維），是采用漿體紡絲燒結(jié)成 FP纖維。 ? 混合型，有美國(guó) ICI公司 Saffil短纖維，含 ?Al2O3 /SiO2；美國(guó) 3M公司的Nextel系列纖維，含 Al2O3/SiO2/B2O3；日本住友公司的 Sumica纖維，含Al2O3/ SiO2 。按結(jié)構(gòu)分，主要有三類： ? 單晶型（ Tyco法），如早期使用的 ?Al2O3單晶藍(lán)寶石纖維（直徑,長(zhǎng)約 10cm，稱為 Tyco單晶纖維），價(jià)格昂貴，現(xiàn)已不使用。 ? Nicalon纖維因其具有可編織性，價(jià)格又遠(yuǎn)比 CVDSiC纖維便宜，因此在 PMC、 MMC和 CMC中獲得廣泛應(yīng)用。 針對(duì)不同的 CVD－ SiC纖維產(chǎn)品已系列化，主要區(qū)別在于纖維的表層結(jié)構(gòu)不同。 ? SCS8：主要針對(duì) SCS2用于 Al合金基復(fù)合材料的橫向強(qiáng)度不足而研發(fā)的，使用 SCS8后，可明顯提高復(fù)合材料的垂直纖維方向的性能。 CVD－ SiC纖維的系列化產(chǎn)品： ? SCS2：表面有 1μm 的富碳層，主要用于 Al、 Mg合金基。 ? CVD－ SiC纖維的強(qiáng)度也是一個(gè)平均值。 ? 反應(yīng)沉積溫度最高為 1300 ℃ 。因不含芯材，其密度僅為 g/cm3，抗拉強(qiáng)度為 ～ ，模量為 250GPa，其單絲直徑為 10～ 15 ?m，柔軟性好，可以編織。 ? 紡絲法 1975年日本東北大學(xué)矢島圣使教授研究與開發(fā)了利用有機(jī)聚碳硅烷紡絲，然后燒結(jié)制備 SiC纖維的方法。 ? CVD(化學(xué)氣相沉積 )法 1973年美國(guó) AVCO公司采用鎢芯或碳芯采用 CVD法制備出 SiC纖維，商品
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