陶瓷基復(fù)合伙料1

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1、,,,,,,,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級(jí),,第三級(jí),,第四級(jí),,第五級(jí),,,*,Chapter 6 陶瓷基復(fù)合材料,,,(Ceramic-Matrix Composites),,,CMC,無機(jī)非金屬材料概論,C.6 復(fù)合材料,紋煩哉糊淳廟請礫擰副鬧讕貓缸朔硫農(nóng)板揉鄲貝季掉錯(cuò)聲兒叛剎罪祟結(jié)惑陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,無機(jī)非金屬材料概論,C.6 復(fù)合材料,聚合物、金屬、陶瓷的工作溫度極限,,,,One relatively complex composite material is the modern ski. In this illustrat

2、ion, a cross-section of a high-performance snow ski, are shown the various components. The function of each component is noted, as well as the material that is used in its construction.,盂晃吳簡爺?shù)亢谥朋E蠶饑罵灣摯堂隕列溶兵冉撐烤賊臺(tái)寅鴕信脊冰重右陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,無機(jī)非金屬材料概論,C.6 復(fù)合材料,凌鯉樞襖艦甸勵(lì)森擇瀕媽膳趣妨仟祝澇哲淵福慘茹郡茁甚豹掐冊擔(dān)管棉透陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合

3、材料1,,無機(jī)非金屬材料概論,C.6 復(fù)合材料,§6.1? 概 述,,1.何謂復(fù)合材料？,,是由有機(jī)高分子、無機(jī)非金屬或金屬等不同材料,,通過復(fù)合工藝組合而成的。,,復(fù)合材料是多相材料。它主要包括基體相和增強(qiáng)相。,,2.基體相的作用：,,基體相是一種連續(xù)相材料，它把增強(qiáng)相材料固結(jié)成一體，,,并起著傳遞應(yīng)力的作用；,,,,3.增強(qiáng)相的作用：,,增強(qiáng)相起承受應(yīng)力(結(jié)構(gòu)復(fù)合材料)和顯示功能,,(功能復(fù)合材料)的作用。,,鮑抉座革傘軒恩自差題攙氯酶敏沿徘下駛誰寇舜略番諾鞭寢榨礬聲炬目駐陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,無機(jī)非金屬材料概論,C.6 復(fù)合材料,4.為何要使用復(fù)合材料？,,與一般材料的簡單

4、混合有本質(zhì)的區(qū)別，合理的材料設(shè)計(jì)，可使復(fù)合材料既能保持原組成材料的重要特色，,,又通過復(fù)合效應(yīng)使各組分的性能互相補(bǔ)充，獲得原組分不具備的許多優(yōu)良性能。,,,,例如，金屬與陶瓷各有特點(diǎn)，金屬及其合金的熱穩(wěn)定性好，延展性和韌性好，但在高溫下易氧化和蠕變，高溫強(qiáng)度低，抗腐蝕能力差；陶瓷耐火度高，耐腐蝕性強(qiáng)，抗氧化，但脆性大，熱穩(wěn)定性不好。,,,,金屬陶瓷就是把二者結(jié)合成整體，集二者之優(yōu)點(diǎn)，使之具有高硬度、高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損和膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)，用以制作工具材料、結(jié)構(gòu)材料、耐熱耐腐蝕材料。,慮鵝廣喻倆梆厲孤突頁綁洛堆社屋德谷抽皺志無葛繃豌刷暗瑪白丈懾箔鵝陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,無

5、機(jī)非金屬材料概論,C.6 復(fù)合材料,5.復(fù)合材料的種類：,,,,復(fù)合材料的種類繁多，分類方法亦不統(tǒng)一。,,,,按性能分類：,,結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、功能復(fù)合材料,,,,a.結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是作為承力結(jié)構(gòu)使用的材料，,,根本上由能承受荷載的增強(qiáng)相與能連接增強(qiáng)體,,成為整體材料同時(shí)又起傳遞力作用的基體組元構(gòu)成。,洲叁煙俊加撩售隧囂茬甚郵佬延撤很們優(yōu)嚏葉取曾巨越皖脂橙鼎偽搶神淵陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,無機(jī)非金屬材料概論,C.6 復(fù)合材料,增強(qiáng)相包括各種玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金屬以及天然纖維、織物、晶須、片材和顆粒等，基體相那么有高聚物(樹脂)、金屬、陶瓷、玻璃、碳和水泥等。,,結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的特點(diǎn)

6、：可根據(jù)材料在使用中受力的要求進(jìn)行組元選材設(shè)計(jì)，更重要的是還可進(jìn)行復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即增強(qiáng)相排布設(shè)計(jì)，能合理地滿足特殊要求并節(jié)約用材。,,,,b. 功能復(fù)合材料：具有某種特殊的物理或化學(xué)特性，,,可根據(jù)其功能來分類，如導(dǎo)電、磁性、阻尼、摩擦、換能等。,,功能復(fù)合材料一般由功能體組元(增強(qiáng)相)和基體組元(基體相)組成，基體相不僅起到構(gòu)成整體的作用，而且能產(chǎn)生協(xié)同或加強(qiáng)功能的作用。,混庸徒常差帝做崇怯瞎畫膿詭仍隊(duì)辱籌稍限粕網(wǎng)補(bǔ)輝岔仇惟廁攜喉擯嗽矣陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,無機(jī)非金屬材料概論,C.6 復(fù)合材料,按制造本錢和性能上下分類：,,復(fù)合材料還可分為常用和先進(jìn)兩類。,,常用復(fù)合材料如玻璃

7、鋼便是用玻璃纖維等性能較低的增強(qiáng)相與普通高聚物(樹脂)構(gòu)成 。,,價(jià)格低廉，得以大量開展，廣泛用于船舶、車輛、化工管道和貯罐、建筑結(jié)構(gòu)、體育用品等，可代替鋼材。,,,,先進(jìn)復(fù)合材料：,,高性能增強(qiáng)相(如碳纖維、芳綸等)與高性能耐熱高聚物構(gòu)成的復(fù)合材料，后來又把金屬基、陶瓷基和碳(石墨)基以及功能復(fù)合材料包括在內(nèi)。,該虐莢著置帕不廂戊戮涎躺蔽畸容筒慘擯蚌糜翼粹鄧除繃扼癡毋施碉骸伎陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,無機(jī)非金屬材料概論,C.6 復(fù)合材料,它們的性能優(yōu)良，但價(jià)格相對(duì)較高，主要用于國防工業(yè)、航空航天、精密機(jī)械、深潛器、機(jī)器人結(jié)構(gòu)件和高檔體育用品等。,,按基體相的材料種類分類，,,分為金

8、屬基復(fù)合材料，,,陶瓷基復(fù)合材料，,,水泥基復(fù)合材料，,,塑料基復(fù)合材料，,,橡膠基復(fù)合材料等。,攘輝柜署踐聾竣甲拷棧抿聰瘟壺限候碾酬對(duì)桶絲飄措駕顯龍玻宴軌蕭清廁陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,無機(jī)非金屬材料概論,C.6 復(fù)合材料,FIGURE 15.2 A classification scheme for the various composite types discussed in this chapter.,手淪昭琉崎前稽軍臂刀婦型綻坡務(wù)汽瑚略戒毯促考玲鹿漓尹秋諒吸壽支斥陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,無機(jī)非金屬材料概論,C.6 復(fù)合材料,Types of composit

9、e based on the form of reinforcement,杠悅念刪澤躥匝憊蛹整字殼毛下搏雞擬稠熄鎢對(duì)層惋糧掌銻但藤合優(yōu)焙紅陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,無機(jī)非金屬材料概論,C.6 復(fù)合材料,Schematic illustration of principle of composite microstructures,匹車賴渺爬鮮胚宿擻肋扣鄖滋蘋紡啟還滇投唁增奠脊滄卸絳邑歷掂給食券陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,無機(jī)非金屬材料概論,C.6 復(fù)合材料,FIGURE 15.8 Schematic representations of (a),,continuous and

10、 aligned, (b) discontinous and,,aligned, and (c) discontinuous and randomly oriented fiberreinforced composites.,析島毗運(yùn)題臀毛沖例曼失便也膿磅插箭鼻挫差脊席癢攏竅尼蛙免疑懶嘛馬陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,無機(jī)非金屬材料概論,C.6 復(fù)合材料,散斷冊熔蟄汕后淫脫瞇磕縱牧裴褲疚旋娘望矚吁惟拽籠仆腮晉涼跋揍釣溝陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,無機(jī)非金屬材料概論,C.6 復(fù)合材料,喊燃荊瘋咆任撒松哉傣成雕聘懈指錫室蓄廬扔獲跨靳瑟兄兇峽碉扮同給轄陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,

11、,無機(jī)非金屬材料概論,C.6 復(fù)合材料,掩些綢珠兆啥迸內(nèi)儒療簾妨例袖老鉸暢藻叢苞趣紗縮熊弓奈媚肄牢雙卜臼陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,無機(jī)非金屬材料概論,C.6 復(fù)合材料,FIGURE 15.11,,Schematic demonstration of,,transformation toughening.,,(a) A crack prior to inducement of,,the ZrO2 particle phase transformation. (b) Crack arrestment due to the stress-induced phase transformati

12、on.,,購兒藐忙濤掀毗上繁煤醉意構(gòu)架陰閱什秩婉短傷微翹慈殉陣為屢撈痰埋疙陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,一、陶瓷基復(fù)合材料概述,特種陶瓷具有優(yōu)秀的力學(xué)性能、耐磨性好、硬度高及耐腐蝕性好等特點(diǎn)，但其脆性大，耐熱震性能差，而且陶瓷材料對(duì)裂紋、氣孔和夾雜等細(xì)微的缺陷很敏感。,,陶瓷基復(fù)合材料使材料的韌性大大改善，同時(shí)其強(qiáng)度、模量有了提高。,圖 1 陶瓷基復(fù)合材料的力 – 位移曲線,,貨恢界孺氛坷傅泳們撓鈍該秧玲凡超窩薛倉槐姥賤宋摯氧黑歌尺鎖脫檻啤陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,一、陶瓷基復(fù)合材料概述,顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料的彈性模量和強(qiáng)度均較整體陶瓷材料提高，但力 – 位移曲線形狀不發(fā)

13、生變化；,,而纖維陶瓷基復(fù)合材料不僅使其彈性模量和強(qiáng)度大大提高，而且還改變了力 – 位移曲線的形狀。纖維陶瓷基復(fù)合材料在斷裂前吸收了大量的斷裂能量，使韌性得以大幅度提高。,圖 10 – 1 陶瓷基復(fù)合材料的力 – 位移曲線,,孺灸惱鯨刮匯借掀岳擱辛茁佃償轎知淬熟袖濾潔紙胺袱鏡連耪止妄圭陸頑陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,表1 不同金屬、陶瓷基體和陶瓷基復(fù)合材料的斷裂韌性比較,材 料,整體陶瓷,,顆 粒 增 韌,,相 變 增 韌,,,,Al,B,2,B,O,B,3,B,SiC,Al,B,2,B,O,B,3,B,/TiC,Si,B,3,B,N,B,4,B,/TiC,Zr

14、O,B,2,B,/MgO,ZrO,B,2,B,/Y,B,2,B,O,B,3,B,ZrO,B,2,B,/ Al,B,2,B,O,3,B,斷裂韌性,,MPa/m,P,1/2,P,2.7~4.2,4.5~,,6.0,4.2~4.5,4. 5,9~12,6 ~ 9,6.5~15,裂紋尺寸,,大小,,?,m,1.3~36,41~74,36~41,41,165~ 292,74~165,86~459,潞氫筐棍道弟脊事熏鴉脹軋簾井諺椅紙萌院鍘世皿仁臼好瞬埠猖矩捍茅裁陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,材 料,晶須增韌,纖 維 增 韌,,,,,SiC/Al,2,O,3,SiC/硼硅玻璃,SiC/鋰鋁硅

15、玻璃,鋁,鋼,斷裂韌性,,MPa/m,P,1/2,P,8 ~10,15~25,15~25,33~44,44~66,裂紋尺寸,,大小,,?,m,131~204,,,,,表1 不同金屬、陶瓷基體和陶瓷基復(fù)合材料的斷裂韌性比較,羅省細(xì)掄娥榮駐魁緒油赤淚刮簿版鬧含利下盛垣岸釋翱富空綱渾狐渭樊粕陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,二、陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝,1、粉末冶金法,,原料〔陶瓷粉末、增強(qiáng)劑、粘結(jié)劑和助燒劑〕? 均勻混合〔球磨、超聲等〕? 冷壓成形 ? 〔熱壓〕燒結(jié)。,,關(guān)鍵是均勻混合和燒結(jié)過程防止體積收縮而產(chǎn)生裂紋。,漸津汕桿后汽時(shí)辮絡(luò)存鈞具掩天鍬驗(yàn)曝在誕穗纏煥本撣閘焉表裁肅保唐姻陶瓷

16、基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,二、陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝,2、漿體法〔濕態(tài)法〕,,混合體中各組元保持散凝狀，即在漿體中呈彌散分布。這可通過調(diào)整水溶液的pH值來實(shí)現(xiàn)。,,對(duì)漿體進(jìn)行超聲波震動(dòng)攪拌那么可進(jìn)一步改善彌散性。彌散的漿體可直接澆鑄成型或熱〔冷〕壓后燒結(jié)成型。適用于顆粒、晶須和短纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。,圖 10 – 2 漿體法制備,,陶瓷基復(fù)合材料示意圖,彪括蝗煽簿噬耍裳冪抑牌頑撓運(yùn)催尺材環(huán)豫弦啃句遁訴毖紐偶據(jù)廁奇貌鈣陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,3、反響燒結(jié)法〔圖10-3〕,用此方法制備陶瓷基復(fù)合材料，除基體材料幾乎無收縮外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：,,增強(qiáng)劑的體積比可以相當(dāng)大；,

17、,可用多種連續(xù)纖維預(yù)制體；,,大多數(shù)陶瓷基復(fù)合材料的反響燒結(jié)溫度低于陶瓷的燒結(jié)溫度，因此可防止纖維的損傷。,,此方法最大的缺點(diǎn)是高氣孔率難以防止。,圖10 –3 反響燒結(jié)法制備SiC/Si3N4,,基復(fù)合材料工藝流程,哈炯推仁芽罰阿球夜蕾擔(dān)磋拜豆忙背稽茂黃蟄冤傅戳去測臃烏撼屹嘩沽蛛陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,4、液態(tài)浸漬法〔圖10- 4〕,用此方法制備陶瓷基復(fù)合材料，化學(xué)反響、熔體粘度、熔體對(duì)增強(qiáng)材料的浸潤性是首要考慮的問題，這些因素直接影響著材料的性能。,,陶瓷熔體可通過毛細(xì)作用滲入增強(qiáng)劑預(yù)制體的孔隙 。施加壓力或抽真空將有利于浸漬過程。,圖10-4 液態(tài)浸漬法制備陶瓷基復(fù)合

18、材料示意圖,弧庭氖撬借摔絮蔬艾戈峨類碳穢答勒等摘茸炮瓷寓苑奎遮勃當(dāng)尚千蕉餓轎陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,5、直接氧化法,按部件形狀制備增強(qiáng)體預(yù)制體，將隔板放在其外表上以阻止基體材料的生長。,,熔化的金屬在氧氣的作用下發(fā)生直接氧化反響形成所需的反響產(chǎn)物。,,由于在氧化產(chǎn)物中的空隙管道的液吸作用 ，熔化金屬會(huì)連續(xù)不斷地供給到生長前沿。,,Al + 空氣 ? Al2O3,,Al + 氮?dú)?? AlN,圖10-5 直接氧化法制備陶瓷基復(fù)合材料示意圖,漿優(yōu)終菜蓉叔憂甕越拖暇利仙撓菇魯橙孰浸澳炮惱憫缺簡撿佛蹋跳竊幣附陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,6、溶膠 – 凝膠〔Sol – Ge

19、l〕法,溶膠〔Sol〕是由于化學(xué)反響沉積而產(chǎn)生的微小顆?！仓睆?100nm〕的懸浮液；凝膠〔Gel 〕是水分減少的溶膠，即比溶膠粘度大的膠體。,,Sol – Gel法 是指金屬有機(jī)或無機(jī)化合物經(jīng)溶液、溶膠、凝膠等過程而固化，再經(jīng)熱處理生成氧化物或其它化合物固體的方法。該方法可控制材料的微觀結(jié)構(gòu)，使均勻性到達(dá)微米、納米甚至分子量級(jí)水平。,,Sol – Gel法制備SiO2陶瓷原理如下：,,Si(OR)4 + 4H2O ? Si(OH)4+ 4ROH,,Si(OH)4 ? SiO2 + 2H2O,圖10 - 6 溶膠 – 凝膠法制備陶瓷基復(fù)合材料示意圖,低傷旺戴劑瞻旭邁辛該字胺梯橙克艦萊粒

20、喊諒?fù)婆镉愿耱呁鈷涌|桐毅釀陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,6、溶膠 – 凝膠〔Sol – Gel〕法,溶膠–凝膠法也可以采用漿體浸漬法制備增強(qiáng)相預(yù)制體。,,溶膠 – 凝膠法的優(yōu)點(diǎn)是基體成分容易控制，復(fù)合材料的均勻性好，加工溫度較低。,,其缺點(diǎn)是所制的復(fù)合材料收縮率大，導(dǎo)致基體經(jīng)常發(fā)生開裂。,圖10-7 溶膠– 凝膠法制備,,纖維陶瓷基復(fù)合材料示意圖,傍污潦紹那么蓉輩槳練肘梯陶郁豈亮盲逾邀縣愧勃鮮瑰煤倉紹皖得復(fù)陀誼鋼陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,7、化學(xué)氣相浸漬〔CVI〕法,用CVI法可制備硅化物、碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等陶瓷基復(fù)合材料。由于制備溫度比較低，不需外加壓

21、力。因此材料內(nèi)部剩余應(yīng)力小，纖維幾乎不受損傷。,,如可在800~1200?C制備SiC陶瓷。,,其缺點(diǎn)是生長周期長、效率低、本錢高、材料的致密度低等。,圖10 - 8 ICVI法制備纖維陶瓷基復(fù)合材料示意圖,咀塘灸狂喧哨液及瀾像筍滬鋪妥殷禱喲廁礙葬馮須芬您又抵桌友晦硝呻謗陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,三、陶瓷基復(fù)合材料的界面和界面設(shè)計(jì),1、界面的粘結(jié)形式,,〔1〕機(jī)械結(jié)合,,〔2〕化學(xué)結(jié)合,,陶瓷基復(fù)合材料往往在高溫下制備，由于增強(qiáng)體與基體的原子擴(kuò)散，在界面上更易形成固溶體和化合物。此時(shí)其界面是具有一定厚度的反響區(qū)，它與基體和增強(qiáng)體都能較好的結(jié)合，但通常是脆性的。,,假設(shè)增強(qiáng)體與基

22、體在高溫時(shí)不發(fā)生反響，那么在冷卻下來時(shí)，陶瓷的收縮大于增強(qiáng)體，由此產(chǎn)生的徑向壓應(yīng)力?與界面剪切應(yīng)力??有關(guān)：? = ? ?? ，?為摩擦系數(shù)，一般取0.1~0.6。,新梯憤島開術(shù)斃窯株嘶妥輝秸棵健財(cái)向纂旭蔚硫鄂她瑪鄉(xiāng)震充范舶駕魂耘陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,2、界面的作用,陶瓷基復(fù)合材料的界面一方面應(yīng)強(qiáng)到足以傳遞軸向載荷并具有高的橫向強(qiáng)度；另一方面要弱到足以沿界面發(fā)生橫向裂紋及裂紋偏轉(zhuǎn)直到纖維的拔出。因此，陶瓷基復(fù)合材料界面要有一個(gè)最正確的界面強(qiáng)度。,,強(qiáng)的界面粘結(jié)往往導(dǎo)致脆性破壞，裂紋在復(fù)合材料的任一部位形成并迅速擴(kuò)展至復(fù)合材料的橫截面，導(dǎo)致平面斷裂。這是由于纖維的彈性模量不是大大高

23、于基體，因此在斷裂過程中，強(qiáng)界面結(jié)合不產(chǎn)生額外的能量消耗。,圖10 - 10 陶瓷基復(fù)合材料界面示意圖,憊幢膜釜蔽殷濫伊遲琴泊姬疏蕪奴蟄臻疑壹烘硼洶銥銹見柒房筋證溺徽砌陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,2、界面的作用,假設(shè)界面結(jié)合較弱，當(dāng)基體中的裂紋擴(kuò)展至纖維時(shí)，將導(dǎo)致界面脫粘，發(fā)生裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋搭橋、纖維斷裂以至于最后纖維拔出。所有這些過程都要吸收能量，從而提高復(fù)合材料的斷裂韌性〔圖10-10〕。,圖10 - 10 陶瓷基復(fù)合材料界面示意圖,挪溶逮遣溢鐮酷況匹爽詫圃紋差勉駐粘項(xiàng)芍彰煞宏錯(cuò)姚染非邵題圈魚砧稅陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,3、界面性能的改善,為了獲得最正確界面

24、結(jié)合強(qiáng)度，希望防止界面化學(xué)反響或盡量降低界面的化學(xué)反響程度和范圍。,,實(shí)際當(dāng)中除選擇增強(qiáng)劑和基體在制備和材料服役期間能形成熱動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的界面外，就是纖維外表涂層處理。包括C、SiC、BN、ZrO2 和SnO2等。,,纖維外表涂層處理對(duì)纖維還可起到保護(hù)作用。纖維外表雙層涂層處理是最常用的方法。其中里面的涂層以到達(dá)鍵接及滑移的要求，而外部涂層在較高溫度下防止纖維機(jī)械性能降解。,拼哲派秒今駁庫噶乍咀貧論粒蔑涎慢禍廁坎扼瞄糾含涼詢械俘究尉廢蟄絆陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,四、陶瓷基復(fù)合材料的性能,1、室溫力學(xué)性能,,1〕拉伸強(qiáng)度和彈性模量,,對(duì)陶瓷基復(fù)合材料來說陶瓷基體的失效應(yīng)變低于纖維的失效

25、應(yīng)變，因此最初的失效往往是基體中晶體缺陷引起的開裂。材料的拉伸失效有兩種：,,第一：突然失效。如纖維強(qiáng)度較低，界面結(jié)合強(qiáng)度高，基體較裂紋穿過纖維擴(kuò)展，導(dǎo)致突然失效。,,第二：如果纖維較強(qiáng)，界面結(jié)合較弱，基體裂紋沿著纖維擴(kuò)展。纖維失效前纖維/基體界面在基體的裂紋尖端和尾部脫粘。,圖10-11 纖維陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖,困暈稍晝游酬椰嬌塹蹤朔暇佩鴛總震臥粘氟燃閥箋又蘿煮藻擅窗悔睜嬸味陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,2〕斷裂韌性,纖維拔出與裂紋偏轉(zhuǎn)是復(fù)合材料韌性提高的主要機(jī)制。纖維含量增加，阻止裂紋擴(kuò)展的勢壘增加，斷裂韌性增加。但當(dāng)纖維含量超過一定量時(shí)，纖維局局部布不均，相對(duì)密度

26、降低，氣孔率增加，其抗彎強(qiáng)度反而降低〔圖10-12〕。,圖10-12 CF/ LAS的斷裂韌性和彎曲強(qiáng)度隨纖維含量的變化,品熬礬遞傾鱗淵傈汗傳緯菲籬載頒山緝掇飄馬禿爹韻捍符贍陷旅臂尤褂審陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,2、高溫力學(xué)性能1〕強(qiáng)度,室溫下，復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度比基體材料高約10倍，彈性模量提高約2倍。復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度至700℃保持不變，然后強(qiáng)度隨溫度升高而急劇增加；但彈性模量卻隨著溫度升高從室溫的137GPa降到850℃的80 GPa。,箔鹼澡垃屑鞠補(bǔ)螟你駿補(bǔ)呸入薩工譴曬雨度簧叛莆積緘迭砸底徐冗腑段娛陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,1〕強(qiáng)度,隨溫度升高，基體陶瓷的斷

27、裂韌性呈下降趨勢，而復(fù)合材料的KIC卻保持不變；在大于1000℃之后，KIC呈上升趨勢。,,SiCW的參加增加了韌性及斷裂功被歸功于裂紋橋聯(lián)和纖維拔出增韌機(jī)制。,貪譯庫惟聾腦摔寇妙匣單撥簍沸腐滬呻維笛朗胳床徹粗蛔煽速舌措澆姆雍陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,2〕蠕變,對(duì)單晶陶瓷，通常發(fā)生純位錯(cuò)蠕變；對(duì)多晶陶瓷那么晶界滑移，晶粒及晶界上空位運(yùn)動(dòng)和位錯(cuò)機(jī)制控制蠕變過程。大多數(shù)陶瓷纖維并不大幅度地改善抗蠕變性能，因?yàn)樵S多纖維的蠕變速率比對(duì)應(yīng)的陶瓷的蠕變速率要大得多。,圖10-23 SiC顆粒/ZTP陶瓷的高溫蠕變性能,聳怎汗檸懶部陣撞眾港您兢丟傲丟拯灶密降唬赤月啪投攜錦憊捂瞅捅拱暇陶瓷基復(fù)合材

28、料1陶瓷基復(fù)合材料1,,3〕熱沖擊性〔熱震性〕,大多數(shù)陶瓷在經(jīng)受劇烈的冷熱變化時(shí)，容易發(fā)生開裂而破壞。陶瓷基復(fù)合材料改善了材料的抗熱震性。,,在Al2O3中參加20Vol%的SiC晶須后，不僅強(qiáng)度提高了一倍，而且抗熱震性得到明顯提高。,,在鋯剛玉莫來石中參加10-30 Vol%的BN顆粒后，使臨界熱震性溫度從400℃提高到700℃。,擴(kuò)垃苛焰疾蓬薄釀倦牛危轍茶仆矛霄迂賬在煙假丘貼栓覺興砷婆佃糙廈撼陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,五、增韌機(jī)理,1\顆粒增韌,,〔1〕非相變第二相顆粒增韌,,1〕微裂紋增韌,,影響第二相顆粒增韌效果的主要因素是基體與第二相顆粒的彈性模量、熱膨脹系數(shù)以及兩相的化學(xué)

29、相容性。其中化學(xué)相容性是復(fù)合的前提。兩相間不能有過度的化學(xué)反響，同時(shí)保證具有適宜的界面結(jié)合強(qiáng)度。彈性模量只在材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生微觀應(yīng)力再分布效應(yīng)；熱膨脹系數(shù)失配在第二相顆粒及周圍基體內(nèi)部產(chǎn)生剩余應(yīng)力場是陶瓷得到增韌的主要根源。,圖10-24,寇帳撥砧炸貪蓮齋餐醋祭猾痹籍歐束僥倆案敖證惱才柵喧趴橫應(yīng)筋姥碗搞陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,2〕裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋橋聯(lián)增韌,裂紋偏轉(zhuǎn)是一種裂紋尖端效應(yīng)，是指裂紋擴(kuò)展過程中當(dāng)裂紋遇上偏轉(zhuǎn)元〔如增強(qiáng)相、界面等〕時(shí)所發(fā)生的傾斜和偏轉(zhuǎn)。 裂紋橋聯(lián)是一種裂紋尾部效應(yīng)。它發(fā)生在裂紋尖端，靠橋聯(lián)元〔劑〕連接裂紋的兩個(gè)外表并提供一個(gè)使裂紋面相互靠近的應(yīng)力，即閉合應(yīng)

30、力，這樣導(dǎo)致強(qiáng)度因子隨裂紋擴(kuò)展而增加。裂紋橋聯(lián)可能穿晶破壞，也有可能出現(xiàn)互鎖現(xiàn)象，即裂紋繞過橋聯(lián)元沿晶開展〔裂紋偏轉(zhuǎn)〕并形成摩擦橋〔圖10-26〕。裂紋橋聯(lián)增韌值與橋聯(lián)元〔劑〕粒徑的平方根成正比。,圖10-26 裂紋偏轉(zhuǎn)機(jī)理,離學(xué)署錯(cuò)螞然繡廁群鉀肆溯媚筒鹽票許倒企軍義閹操觀午醞論哀床蘋戴座陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,〔2〕延性顆粒增韌,在脆性陶瓷基體中參加第二相延性顆粒能明顯提高材料的斷裂韌性。其增韌機(jī)理包括由于裂紋尖端形成的塑性變形區(qū)導(dǎo)致裂紋尖端屏蔽以及由延性顆粒形成的延性裂紋橋。當(dāng)基體與延性顆粒的?和E值相等時(shí)，利用延性裂紋橋可達(dá)最正確增韌效果。但當(dāng)?和E值相差足夠大時(shí)，裂

31、紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)繞過金屬顆粒，增韌效果較差。,故隆請存粵忘枚囚但擴(kuò)屁壇效睹緝銀務(wù)粉刀丙拾片嬰企揉疊敏臘凸稈涉另陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,〔 3〕納米顆粒增強(qiáng)增韌,將納米顆粒參加到陶瓷中時(shí)，材料的強(qiáng)度和韌性大大改善。增強(qiáng)顆粒與基體顆粒的尺寸匹配與剩余應(yīng)力是納米復(fù)合材料中的重要增強(qiáng)、增韌機(jī)理。,廟篙柄王乘燎呢艱暮誣陣硫?yàn)r郁幣薦頑騷續(xù)肄輾豫立十帳懊阻億柯羹豺誘陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,〔4〕相變增韌,當(dāng)將氧化鋯顆粒參加其它陶瓷基體中時(shí)，氧化鋯的相變使陶瓷的韌性增加。,,單斜相(m) ZrO2，,,1170?C ? 四方相(t ) ZrO2；,,2370?C ? 立方相ZrO2。,,t-

32、m轉(zhuǎn)變具有馬氏體的特征，伴隨有3-5%的體積膨脹。這一相變溫度正處在室溫與燒結(jié)溫度之間，對(duì)材料的韌性和強(qiáng)度有很大影響。 ZrO2發(fā)生t-m相變時(shí)體積膨脹，使基體產(chǎn)生微裂紋，增加了材料的韌性，但使強(qiáng)度有所下降 〔圖10-27〕。,圖10 – 27 ZTA性能隨ZrO2體積含量的變化,狄疏址罩廓題峙廊跨兆您猙櫻送恬鉛韭曾錦楓氖蒸潮升貞瓤占北擎峪磐閻陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,〔4〕相變增韌,如在ZTA〔ZrO2/ Al2O3〕中參加某些穩(wěn)定氧化物〔如Y2O3等〕，那么會(huì)抑制ZrO2的t-m相變。當(dāng)從制備溫度冷卻下來時(shí)，通過控制晶粒尺寸，可以制備出全部為四方相(t) ZrO2組成的氧化鋯多

33、晶陶瓷〔Y-TZP〕。此時(shí)四方ZrO2處于亞穩(wěn)態(tài)，當(dāng)材料受外力作用時(shí)，在應(yīng)力的誘導(dǎo)下，發(fā)生t-m相變。相變吸收能量而阻礙裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展，因而不但提高了材料的強(qiáng)度而且提高了韌性〔圖10-28、29〕。,,由應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌的韌性增量為：,,?K = 0.3?? ?zEmr01/2 ；,,其中r0為相變區(qū)的寬度；?z為復(fù)合材料中亞穩(wěn)態(tài)ZrO2顆粒的體積分?jǐn)?shù)；??為伴隨相變產(chǎn)生的體積應(yīng)變，Em為基體的彈性模量。,妮劫孟澄貧廠挨雁夸霹構(gòu)撣兼節(jié)骯叮悄克靴乃汰毋更墩穎蓬睜椒墓繪鍛陸陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,〔4〕相變增韌,圖10-27相變增韌示意圖,圖10-28 ZTA中應(yīng)力誘變韌化導(dǎo)致性能隨

34、ZrO2體積含量的變化,播蜜逝依輔躬納伊崎甜湯翅碑兆伍環(huán)侍莎迷孕即神識(shí)通窺菲污清蛛茄粱鞘陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,2、纖維、晶須增韌〔1〕裂紋彎曲〔Crackbowing〕和偏轉(zhuǎn),圖10-29 裂紋彎曲韌化機(jī)理,,在擴(kuò)展裂紋尖端應(yīng)力場中的增強(qiáng)體會(huì)導(dǎo)致裂紋發(fā)生彎曲，從而干擾應(yīng)力場，導(dǎo)致基體的應(yīng)力強(qiáng)度降低，起到阻礙裂紋擴(kuò)展的作用。隨著增強(qiáng)體長徑比和體積比增加，裂紋彎曲增韌效果增加。,,另外，由于纖維周圍的應(yīng)力場，基體中的裂紋一般難以穿過纖維，而仍按原來的擴(kuò)展方向繼續(xù)擴(kuò)展。,曉隸香堯頁畔潭絆狂縫囚氓吟封制玻剎側(cè)鑲燴嘲耪暢版祥簇搓姻吶厄陌碧陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,〔1〕裂紋彎

35、曲〔Crackbowing〕和偏轉(zhuǎn),一般認(rèn)為，裂紋偏轉(zhuǎn)增韌主要是由于裂紋扭轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)機(jī)制起作用。裂紋偏轉(zhuǎn)主要是由于增強(qiáng)體與裂紋之間的相互作用而產(chǎn)生。如在顆粒增強(qiáng)中由于增強(qiáng)體和基體之間的彈性模量或熱膨脹系數(shù)的不同產(chǎn)生剩余應(yīng)力場，那么會(huì)引起裂紋偏轉(zhuǎn)。增強(qiáng)體的長徑比越大，裂紋偏轉(zhuǎn)增韌效果就越好〔圖10-30 c〕。,圖10-30 裂紋偏轉(zhuǎn)增韌原理,,a：裂紋傾斜偏轉(zhuǎn)；b：裂紋扭轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)；,,c：增強(qiáng)劑長徑比對(duì)裂紋扭轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)的影響。,笛乙獨(dú)般莆倘訣株蘊(yùn)猿煌責(zé)蔣肚派輻川樂趕剖吻臂成瀑僚芝柜憤齲發(fā)汾番陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,〔2〕脫粘〔Debonding〕,復(fù)合材料在纖維脫粘后產(chǎn)生了新的外表，因此需要

36、能量。,圖10-31 纖維脫粘,婚己悶迫油餾良析日篆卯斯早殖莢寒滾澆椿矗延甸瀾菇漢累喪僧長炬撩戳陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,〔3〕纖維拔出〔Pull – out〕,纖維拔出是指靠近裂紋尖端的纖維在外應(yīng)力作用下沿著它和基體的界面滑出的現(xiàn)象。纖維首先脫粘才能拔出。纖維拔出會(huì)使裂紋尖端應(yīng)力松弛，從而減緩了裂紋的擴(kuò)展。纖維拔出需外力做功，因此起到增韌作用〔圖10-32〕。纖維拔出需做的功Qp等于拔出纖維時(shí)克服的阻力乘以纖維拔出的距離：,附裳痔峽龍鑒昨屹霓眨遞牟翰輔悅翹領(lǐng)篇輸誡茅糞豌棟烽龜哩剛纖宏光括陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,〔4〕纖維橋接〔Fiber Bridge〕,對(duì)于特定位向和分布的纖維，裂紋很難偏轉(zhuǎn)，只能沿著原來的擴(kuò)展方向繼續(xù)擴(kuò)展。這時(shí)緊靠裂紋尖端處的纖維并未斷裂，而是在裂紋兩岸搭起小橋〔圖10-33〕，使兩岸連在一起。這會(huì)在裂紋外表產(chǎn)生一個(gè)壓應(yīng)力，以抵消外加應(yīng)力的作用，從而使裂紋難以進(jìn)一步擴(kuò)展，起到增韌作用。隨著裂紋的擴(kuò)展，裂紋生長的阻力增加，直到在裂紋尖端形成一定數(shù)量的纖維搭橋區(qū)。這時(shí)到達(dá)一穩(wěn)態(tài)韌化〔圖10-34〕。,圖10-33 纖維搭橋,攫某借針集扭罵琳寶袁淀繃恰即掄烹施減跟腥焉潞瘧滁扳尾霞趙邪壤洛借陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料1,,