提高无机材料强度及改善韧性的途径.ppt

《提高无机材料强度及改善韧性的途径.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《提高无机材料强度及改善韧性的途径.ppt（23页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、材料强度的本质是内部质点间的结合力。材料强度的本质是内部质点间的结合力。控制强度的主要参数有三个，弹性模量控制强度的主要参数有三个，弹性模量E、断裂表面能、断裂表面能 和和裂裂纹纹尺寸尺寸c。E是非是非结结构敏感的。构敏感的。单单相材料的微相材料的微观结观结构构对对 的影响不大。的影响不大。因此，唯一可以控制的是材料中的微裂因此，唯一可以控制的是材料中的微裂纹纹。2.9 提高无机材料强度及改善韧性的途径提高无机材料强度及改善韧性的途径微裂微裂纹纹可以理解可以理解为为各种缺陷的各种缺陷的总总和。所以，材料的和。所以，材料的强强化主化主要从消除缺陷以及阻止其要从消除缺陷以及阻止其发发展考展考虑虑。

2、1.微晶、高密度和高微晶、高密度和高纯纯度度微晶、高密度和高微晶、高密度和高纯纯度陶瓷，如度陶瓷，如热压热压工工艺艺制制备备的氮化硅陶的氮化硅陶瓷，密度接近理瓷，密度接近理论值论值，气孔率几乎，气孔率几乎为为零。零。将将块块体材料制成体材料制成细纤维细纤维，强强度大度大约约提高一个数量提高一个数量级级，而制成晶，而制成晶须则须则提高两个数量提高两个数量级级。晶。晶须须提高提高强强度的主要度的主要 原因之一就是提高原因之一就是提高了晶体的完整性。晶了晶体的完整性。晶须须强强度随晶度随晶须须截面直径的增加而降低。截面直径的增加而降低。2.提高抗裂能力与提高抗裂能力与预预加加应应力力人人为为地地预预

3、加加应应力，在材料表面造成一力，在材料表面造成一层压应层压应力力层层，可以提高，可以提高材料的抗拉材料的抗拉强强度。度。脆性断裂通常是在拉脆性断裂通常是在拉应应力作用下，自表面开始断裂。如果在力作用下，自表面开始断裂。如果在表面表面预预加一加一层压应层压应力，表面受到拉伸破坏之前首先要克服表力，表面受到拉伸破坏之前首先要克服表面上的残余面上的残余压应压应力。力。通通过过加加热热、冷却，在表面、冷却，在表面层层中引入残余中引入残余压应压应力的力的过过程叫做程叫做热热韧韧化。化。（钢钢化玻璃化玻璃 及氧化及氧化铝铝 P93-94）3.化学化学强强化化当当热韧热韧化无法达到更高的表面残余化无法达到更

4、高的表面残余应应力力时时，采用化学，采用化学强强化，化，即离子交即离子交换换的的办办法。法。通通过过改改变变表面化学表面化学组组成，使表面的摩成，使表面的摩尔尔体体积积比内部大。由比内部大。由于表面体于表面体积积膨大而受到内部材料的限制，膨大而受到内部材料的限制，产产生两向状生两向状态态的的压应压应力。力。（通常是用一种大的离子置（通常是用一种大的离子置换换小的离子，小的离子，压压力力层层厚度在数厚度在数百微米内百微米内）将表面抛光及化学将表面抛光及化学处处理以消除表面缺陷也能提高理以消除表面缺陷也能提高强强度。度。4.相相变变增增韧韧利用多晶多相陶瓷中某些成分在不同温度的相利用多晶多相陶瓷中

5、某些成分在不同温度的相变变，从而增，从而增韧韧的效果，的效果，统统称称为为相相变变增增韧韧。（ZrO2 P95）在基体中，四方在基体中，四方ZrO2是高温是高温稳稳定相，定相，单单斜斜ZrO2是低温是低温稳稳定相。在低于相定相。在低于相变变温度的条件下，由于受到基体温度的条件下，由于受到基体约约束力的束力的抑制，未抑制，未转转化的四方化的四方ZrO2相保持其介相保持其介稳稳状状态态；当基体的；当基体的约约束力在外力作用下减弱或消失，粒子从高能束力在外力作用下减弱或消失，粒子从高能态转态转化化为为低低能能态态的的单单斜相（斜相（发发生相生相变变），并在基体中引起微裂），并在基体中引起微裂纹纹，吸

6、，吸收主裂收主裂纹扩纹扩展的能量。展的能量。5.弥散增弥散增韧韧在基体中加入在基体中加入(或原位生成或原位生成)具有一定具有一定颗颗粒尺寸的微粒尺寸的微细细粉料，粉料，达到增达到增韧韧的效果，称的效果，称为为弥散增弥散增韧韧。添加的粉末可以是金属粉末和陶瓷粉末。前者利用其塑性添加的粉末可以是金属粉末和陶瓷粉末。前者利用其塑性变变形来吸收形来吸收弹弹性性应变应变能的能的释释放，增加了断裂表面能，改善了放，增加了断裂表面能，改善了韧韧性。后者多存在于基体的晶界中，以高性。后者多存在于基体的晶界中，以高弹弹性模量和高温性模量和高温强强度度增加复合材料的断裂表面能，特增加复合材料的断裂表面能，特别别是

7、高温断裂是高温断裂韧韧性。性。不同Si含量试样的断口SEM照片(a)Pure B4C；(b)B4C-4wt.%Si；(c)B4C-8wt.%Si；(d)B4C-12wt.%Si B4C基复合材料的裂纹扩展(a,b)Pure B4C；(c,d)B4C-8wt.%Si6.纤维纤维增增韧韧在陶瓷中加入高在陶瓷中加入高弹弹性模量的性模量的纤维纤维（或晶（或晶须须、纳纳米管等具有米管等具有较较高高长长径比的一径比的一维维材料）材料），受力，受力时时，由于，由于纤维纤维的的强强度及度及弹弹性模量性模量高，大部分高，大部分应应力由力由纤维纤维承受，减承受，减轻轻了陶瓷基体的了陶瓷基体的负负担，而担，而且，且

8、，纤维还纤维还可以阻止裂可以阻止裂纹扩纹扩展。展。如用碳如用碳纤维纤维增增强强石英玻璃，抗弯石英玻璃，抗弯强强度度为纯为纯石英玻璃的石英玻璃的12倍，断裂功提倍，断裂功提高高2-3个数量个数量级级。纤维纤维的的强强化作用取决于化作用取决于纤维纤维与基体的性与基体的性质质、二者的、二者的结结合合强强度以及度以及纤维纤维在基体中的排列方式等。在基体中的排列方式等。1)应选择应选择强强度及度及弹弹性模量比基体高的性模量比基体高的纤维纤维，使，使纤维纤维尽可能尽可能多地承担外加多地承担外加负负荷。荷。（受力（受力时时，应变应变相同相同时时，应应力之比等于力之比等于弹弹性性模量之比）。模量之比）。2)二

9、者二者结结合合强强度适当。度适当。（P96）3)应应力作用的方向力作用的方向应应与与纤维纤维平行，才能平行，才能发挥纤维发挥纤维的作用。的作用。4)二者的二者的热热膨膨胀胀系数要匹配。最好是系数要匹配。最好是纤维纤维的的热热膨膨胀胀系数略系数略大于基体。大于基体。（复合材料（复合材料烧结烧结、冷却后、冷却后纤维纤维受拉，基体受受拉，基体受压压，起到，起到预预加加应应力的作用）力的作用）5)要考要考虑虑高温高温时时的化学相容性。不能在高温下的化学相容性。不能在高温下发发生降低生降低纤纤维维性能的化学反性能的化学反应应。碳碳纳纳米管米管(CNTs)被被认为认为是石墨是石墨烯烯片片(石墨的六角网格平

10、石墨的六角网格平面面)卷曲形成的中空碳卷曲形成的中空碳笼笼管，而石墨管，而石墨烯烯片的碳片的碳-碳碳sp2杂杂化化共价共价键键是自然界中最是自然界中最强强的化学的化学键键之一，因此具有很高的之一，因此具有很高的强强度和度和韧韧性。性。碳纳米管电池 寿命提高10倍实验测实验测得得MWNTs的的杨杨氏氏弹弹性性模量平均模量平均为为1.8 TPa，弯曲，弯曲强强度度为为14.2 GPa，抗拉，抗拉强强度度约为钢约为钢的的100倍，而密度却只有倍，而密度却只有钢钢的的1/71/6。CNTs可以承受可以承受100万个大气万个大气压压的的压压力而不破力而不破裂，可能是目前比裂，可能是目前比强强度和比度和比

11、刚刚度最高的材料，极有可能取度最高的材料，极有可能取代目前代目前亚亚微米微米级级晶晶须须增增韧韧材料、材料、纤维纤维增增强强体材料而成体材料而成为为超超强强材料。另外，材料。另外，CNTs具有非常具有非常优优异的异的电电、热热性能及力学性能及力学性能，已被广泛用作聚合物、金属、陶瓷等基体材料的改性能，已被广泛用作聚合物、金属、陶瓷等基体材料的改性及增性及增强强剂剂。表面修饰剂PVP对未经硝酸处理MWCNTs形貌的影响(a)原始MWCNTs；(b)加入分散剂B4C-Si体系添加不同含量MWCNTs试样的断口SEM照片(a)0 wt.%MWCNTs；(b)1 wt.%MWCNTs；(b)(c)2 wt.%MWCNTs；(d)3 wt.%MWCNTs作作业业：P106 1,2,6