陶瓷基复合材料的增韧机理.pptx

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1、会计学1陶瓷基复合材料的增韧机理陶瓷基复合材料的增韧机理1.定义：定义：陶瓷基复合材陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合种纤维复合的一类复合材料。材料。陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发陶动机制件、能源构件等。法国具、滑动构件、发陶动机制件、能源构件等。法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制造高速列已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意的使用效果意的使用效果。第1页/共20页2.陶瓷基复合材料

2、的基体陶瓷基复合材料的基体n n陶瓷基复合材料的基体是陶瓷，这是一种包括范围陶瓷基复合材料的基体是陶瓷，这是一种包括范围很广的材料，属于无机化合物而不是单质，所以它很广的材料，属于无机化合物而不是单质，所以它的结构远比金属合金要复杂得多的结构远比金属合金要复杂得多第2页/共20页瓷基体的种类瓷基体的种类n n1.氧化物陶瓷基体（氧化铝、氧化锆）n n2.氮化物陶瓷基体（氮化硅、氮化硼）n n3.碳化物陶瓷基体（碳化硅、碳化硼）第3页/共20页陶瓷基复合材料的增强体强体陶瓷基复合材料的增强体强体根据复合材料的性能要求，主要分为以下几类：1.纤维类：有长纤维和短纤维，一般沿轴向具有很高的强度和弹性

3、模量。2.颗粒类：主要是一些具有高强度、高模量、耐热、耐磨、耐高温的无机非金属颗粒。第4页/共20页n n3.晶须类：晶须是人工条件下制造出的细小单晶，由于其具有细小组织结构，缺陷少，具有很高的强度和模量。n n4.金属丝：高强度高模量的钢丝、钨丝等。n n5.片状物：主要是陶瓷薄片，使复合材料具有很高的韧性第5页/共20页3.陶瓷基复合材料的种类陶瓷基复合材料的种类n n1）按材料作用分：n n结构陶瓷复合材料n n功能陶瓷复合材料n n2）按增强材料形态分类：n n颗粒增强陶瓷复合材料n n纤维增强陶瓷复合材料n n片材增强陶瓷复合材料第6页/共20页n n按基体材料分类：n n氧化物基陶

4、瓷复合材料n n非氧化物基陶瓷复合材料n n微晶玻璃基陶瓷复合材料n n碳/碳复合材料第7页/共20页4.陶瓷基复合材料的制备方法陶瓷基复合材料的制备方法n n传统制备方法：传统制备方法：n n1.1.冷压和烧结法冷压和烧结法n n2.2.热压法热压法n n新的制备方法：新的制备方法：n n1.1.渗透法渗透法n n2.2.直接氧化法直接氧化法n n3.3.原位化学反应法原位化学反应法n n4.4.溶胶溶胶-凝胶法和热解法凝胶法和热解法第8页/共20页5.陶瓷基复合材料的性能陶瓷基复合材料的性能n n现代陶瓷材料具有耐高温、耐磨损。耐腐蚀及重量轻等许多优良的性能。n n但是，陶瓷材料同时也具有

5、致命的缺点，即脆性，这一弱点正是目前陶瓷材料的使用受到很大限制的主要原因第9页/共20页6.陶瓷基复合材料的增韧机理陶瓷基复合材料的增韧机理n n1.1.颗粒增韧机理：颗粒增韧机理：n n1 1）微裂纹增韧）微裂纹增韧n n影响第二相颗粒增韧效果的主要因素是影响第二相颗粒增韧效果的主要因素是基体基体与与第二相颗粒第二相颗粒的的弹性弹性模量、热膨胀系数以及两相的化学相容性模量、热膨胀系数以及两相的化学相容性。其中相容性是符合的。其中相容性是符合的前提，同时保证具有合适的界面结合强度。弹性模量只在材料受前提，同时保证具有合适的界面结合强度。弹性模量只在材料受外力作用是产生微观应力再分布效应。热膨胀

6、系数失配在第二相外力作用是产生微观应力再分布效应。热膨胀系数失配在第二相颗粒及周围机体内部产生残余应力场是陶瓷得到增韧的主要根源颗粒及周围机体内部产生残余应力场是陶瓷得到增韧的主要根源第10页/共20页n n假设第二相颗粒与基体不存在化学反应，但存在着热膨胀系数的失配，由于冷却收缩的不同，颗粒将受到一个应力。n n当颗粒处于拉应力状态，而基体径向处于拉伸状态、切向处于压缩状态时，可能产生具有收敛性的环向微裂。n n当颗粒处于压应力状态，而基体径向受压应力，切向处于拉伸状态，可能产生具有发散性的径向微裂。第11页/共20页n n2）裂纹偏转和裂纹桥联增韧n n裂纹偏转是一种裂纹尖端效应，是指裂纹

7、扩展过程中当裂纹遇上偏转元是所发生的倾斜和偏转。n n裂纹桥联是一种裂纹尾部效应，他发生在裂纹尖端，靠桥联元连接裂纹的两个表面并提供一个使裂纹面相互靠近的应力，导致强度因子随裂纹扩展而增加。第12页/共20页n n2）延性颗粒增韧n n在脆性陶瓷中加入第二相延性颗粒能明显提到材料的断裂韧性。其机理包括由于裂纹尖端形成的塑性变形区导致裂纹尖端屏蔽以及由延性颗粒形成的延性裂纹桥。n n3）纳米颗粒增强增韧n n将纳米颗粒加入到陶瓷中，材料的强度和韧性大大改善。增强颗粒与基体颗粒的尺寸匹配与残余应力是重要的增强增韧机理第13页/共20页n n5）相变增韧n n相变伴随有体积的膨胀，使基体产生微裂纹，

8、增加了材料的韧性，但是强度有所下降。第14页/共20页2.纤维、晶须增韧纤维、晶须增韧n n1 1）裂纹弯曲和偏转）裂纹弯曲和偏转n n在扩展裂纹尖端应力场中的增强体会导致裂纹发生弯曲从而干扰在扩展裂纹尖端应力场中的增强体会导致裂纹发生弯曲从而干扰应力场，导致基体的应力强度降低，起到阻碍裂纹的作用。应力场，导致基体的应力强度降低，起到阻碍裂纹的作用。n n由于纤维周围的应力场，集体中的裂纹一般难以穿过纤维，而仍由于纤维周围的应力场，集体中的裂纹一般难以穿过纤维，而仍按原来的扩展方向继续扩展，即发生裂纹偏转，偏转后裂纹受的按原来的扩展方向继续扩展，即发生裂纹偏转，偏转后裂纹受的拉应力往往低于偏转

9、前，裂纹扩展中所需能量更多，从而起到增拉应力往往低于偏转前，裂纹扩展中所需能量更多，从而起到增韧作用。韧作用。第15页/共20页n n2）脱粘n n复合材料在纤维脱粘后产生了新的表面，因此需要能量，尽管单位面积的表面能很小，但所有脱粘纤维的总表面能则很大，因此纤维体积比大，通过纤维脱粘达到的增韧效果越好。第16页/共20页n n3）纤维拔出n n纤维拔出是指靠近裂纹尖端的纤维在外应力作用下沿着他和基体的界面滑出的现象。纤维首先脱粘才能拔出。纤维拔出会使裂纹尖端应力松弛，从而减缓了裂纹的扩展。纤维拔出需外力做功，因此起到增韧的作用。第17页/共20页n n4）纤维桥接n n对于特定位向和分布的纤维，裂纹很难偏转，只能继续沿着原来的扩展方向继续扩展。这时紧靠裂纹尖端处的纤维并未断裂，而是在裂纹两岸搭起小桥，使两岸连在一起。这会在裂纹表面产生一个压应力，以抵消外加应力的作用，达到增韧的效果。第18页/共20页第19页/共20页