纤维编织体增强陶瓷基复合材料
复合材料的类型
• 按基体和增强相的联通形式划分
– 0-3型：颗粒状增强相分散在连续的基体中 – 1-3型：纤维状、柱状增强相单方向定向排
列于基体中 – 2-2型：多层复合材料 – 2-3型：二维纤维编织物叠层浸渍基体 – 3-3型：三维纤维编织物浸渍基体；连通孔
多孔体
有机前驱体裂解陶瓷
有机硅
• 即有机硅化合物，是指含有Si-O键、且 至少有一个有机基是直接与硅原子相连 的化合物，习惯上也常把那些通过氧、 硫、氮等使有机基与硅原子相连接的化 合物也当作有机硅化合物。
• 化学组成：Si、C、O、N、H等 • 如果没有H，与高温陶瓷SiO2、SiC、
Si3N4相一致
有机前躯体的基本特性
• 固态、液态 • 热塑性（熔融） • 可溶于有机溶剂 • 可热交联
有机前躯体的成型
• resin transfer molding (RTM) • Plastic forming technologies (warm pressing,
fiber drawing, extrusion, and injection molding, etc.) • Polymer infiltration pyrolysis (PIP) • coating
有机前躯体裂解陶瓷
(Polymer-Derived Ceramics PDCs)
• 60年代采用有机硅为原料，通过高温裂解无机 化制备无机陶瓷材料
• 有机前躯体：含Si,C,N,O,H,B,Al等元素 • 无机化后：SiC，Si3N4，SiCN，SiCO，
SiCNO，SiBCN，SiAlCN，SiBCO • 晶体、非晶体 • 块材、涂层、纤维、复合材料
陶瓷化转变过程
陶瓷化过程的主要问题
• 放出气体 • 产生较大的体积收缩（20-30%线收缩） • 裂纹与气孔 • 只能获得小尺度（几百微米）致密体（纤
维、涂层、泡沫体）
解决途径
• 多次浸渍-裂解 • 填料
– 惰性（SiC，Si3N4颗粒） – 活性（金属，Al2O3等，与裂解气体或产物
反应形成碳化物、氮化物等）
热压注成型工艺
➢将陶瓷原料粉体与石蜡等热塑性物质混炼 成热流体，在高压下注入到低温的金属模 具中固化，脱模后获得陶瓷成形体。
➢主要用于复杂形状、小尺寸部件
流延成型工艺
➢将陶瓷原料粉体制成有机或水基浆料， 流在传送带上，并用刮刀控制浆料厚度 ，经适当干燥后，获得柔性陶瓷带，再 经冲压获得陶瓷片材。
特种陶瓷材料制备进展
陶瓷材料制备过程
➢ 原料粉体-混合-成形-烧成 ➢ 先成型后烧成；烧成的陶瓷硬而脆难以加工 ➢ 陶瓷基复合材料的制备
成型工艺
• 干压：板、柱 • 注浆：复杂、薄壁 • 挤出：截面一定长柱 • 热压注：小、复杂 • 流延：薄片
干压成型工艺
➢将陶瓷原料粉体放入金属模具中，加压 、脱模后，获得陶瓷成形体。
纤维增强陶瓷复合材料制备
➢连续纤维编织体 ➢陶瓷基体材料导入
连续纤维编织体
2D
3D
2.5D
陶瓷基体材料导入
• 化学气相浸渍（CVI）
– CH3SiCl3
• 聚合物浸渍裂解（PIP）
– 聚碳硅烷
结束语
➢高温陶瓷与空天材料 ➢结构陶瓷制备技术与脆性的改善
思考题
➢材料基因组计划 ➢数学建模与材料研究 ➢空天领域的新热点与对材料提出的新课题 ➢陶瓷材料在空天领域的应用
➢主要用于薄片
成型问题
➢近净尺寸成型 ➢均匀性
胶体成形பைடு நூலகம்
• 将粉体制备成高固体含量、高流动性的 陶瓷浆料
• 注入模具，改变条件，因某种原因浆料 失去流动性而固化成型
• 与传统成型方法的主要区别是没有外力 ，因此，均匀性高
新型胶体成型方法
• 注凝成型（凝胶注模成型 gel casting）
– 加入有机单体丙烯酰胺和交联剂亚甲基丙烯酰胺制备 分散良好的陶瓷浆料，然后加入过硫酸铵（引发剂） 和四甲基乙二胺（催化剂），将混合均匀的浆料注入 模具中，之后有机单体聚合、交联导致凝胶化，浆料 失去流动性固化
PDCs的特点
• 利用有机-无机转化的活化作用在较低温 度获得高共价键材料；
• 在有机分子合成过程设计分子结构，能 够获得其他方法无法获得的材料体系， 如SiCO，SiCN等；
• 能够获得高均匀性高共价键非晶体，高 温稳定性好（SiBCN，2200℃）；
• 有机前躯体易纺丝、易液态成型
有机前躯体的类型
➢主要用于成型板、柱状部件
注浆成型工艺
➢将陶瓷原料粉体加水制成浆料，注入多 孔模具中，通过毛细管力等，使浆料失 去部分水分，脱模、干燥后，获得陶瓷 成形体。
➢主要用于成型复杂形状、薄壁部件
挤出成型工艺
➢在陶瓷原料粉体中加入少量水及粘结剂 等，制备具有一定可塑性的泥料，加压 将泥料通过具有一定形状的出口挤出， 干燥后，获得具有一定截面形状的柱状 、管状陶瓷成形体。
– 多糖类高分子凝胶。高温水溶性，低温凝胶或固化剂 凝胶：琼脂糖、明胶、海藻酸钠、壳聚糖等。
直接凝固注模成型
• 采用生物酶技术使注入模型的陶瓷浆料 的pH值发生变化，导致分散状态的浆料 变成凝聚状态。
• 尿素酶催化尿素水解：pH4——9 • 酰胺酶催化酰胺水解：pH3——7 • 酯酶催化脂水解：pH10——5 • 葡萄糖氧化酶催化葡萄糖氧化：pH10-4