纤维补强陶瓷基复合材料的进展.pdfVIP

维普资讯 纤维补强陶瓷基复合材料的进展一。 中国科学院上海硅酸盐研 究所 郭景坤 一 、 前 言 纤维补强作为改善陶瓷材料的脆性，已为人们证明它是一条有效的途径，现在 已经发展 为复台材料家族中的一员——纤维朴强陶瓷基复官材料。我国从 1972年 起 即开展 此 项研 究 “，经较广泛地搜探各种可能的纤维或晶须与陶瓷基体在化学上的相容性之后 ，首先选择了 碳纤维补强石英作为研究对象，研制成功相应的复合材料。。之后该材料被成功地应用于我 国的空间技术上 。在碳纤维 ／siN 系统的研究中，发现了可以降低烧成温度来 解 决 碳 与 si ．的化学反应 问题j利用ZrO：相变的作用来缓和因纤维与基体之间的热膨胀的不匹配而 I起的基体裂纹。由于基体si。N．较大的弹性模量，所镧成的复合材料在强度上并无增加，丽 在材料的韧性上却有显著的补强 “。在碳化硅纤维或晶须与其它陶瓷基体中亦都存在各种需 要匹配的问题 “。选择适当的纤维和基体所得到的复合材料，有可能应用于苛刻的热环境中 作为介 电材料 。在 国际上， 自从SiC纤维 (含钨芯的或 由有机硅化物转化妁 )及SiC晶须问 世以来，陶瓷基复台材料的研究趋于重视。研究的对象则 氮化硅，碳化硅．氧化锆、奠莱石和 氧化铝作为基体较多。除工艺研究外，更着重于纤维与基体的相容性问题 以及增韧机理方面 的研究。近几年来，纤雏补强陶瓷基复合材料与氧化锫相变增韧陶瓷被认为是改 善 陶 瓷 脆 性，提高陶瓷可 靠性 的两条较有前途 的途径，为罔际上广大的陶瓷学研究者所热衷的课题 。 如在近三年内国际MRS会议吼及美国陶瓷学会年会上，此两类课题的内容 占据结构陶瓷领域 中文章的大部份。近一，二年则更偏重于陶瓷基复台材料。本文将从化学和物理上的相容性 以及工艺上来探讨几种有希望的纤维补强陶瓷 基复合材料， 期促进此类材料的发展 A 纤维投 { B 界面解离 瓷基水 纤维 ·第二届中圉材料研讨会特邀授告 图 1 纤维朴强南瓷基 复合材料 中 ··国家自然科学基金资助项 目 裂锭扩展能量镇耗示意图 ·7 · 维普资讯 从基体中拔出。G．A．CooperE”推导了纤维从基体中拔出的功 (Wp)为： w={ ㈩ 式中V是纤维的律积分数。t是纤维与基体之闻的剪切结合力。D是纤维上两个 缺 陷 点 之 间的平均距离， r是纤维的半径。从(1)中可 以看出，首先是提赢纤维 的含 量 V”其 次 是 提高纤维与基体间的结台，但这不 是绝对的，过大的f会使纤维 首 先 断 裂，而 使 纤 维 的 断El更为接近于主裂纹，纤维的拔 出长度减小，无疑立即意味着D的减小，第三是减小纤维 的直径 ，即 r减小。在 同样的纤维体积分数，纤维的直径减小财意味着增加了纤维与基体之闻 的接触界面。因此，在实际的要求上，希望纤维趋于细小而强度则是高 的；而纤维和基休之 间的结合则只要求适中为宜，以求取最大 的纤维拔出效应。当然，从纤维对复合材料的增强 的角度来看，要求纤维能够承担更多的负荷，则希望纤维与基体之间有域大限度的结合。我 们的着眼点是宁愿部份地牺牲纤维的增强作用，而充分地发挥它在 限制材料主裂纹扩展的功 能，而弥补无机非金属材料的脆性弱点。为了区别起见，我们称之为 “补强”复合材料，而 不是 “增强”复合材料。 第二个消耗能量的机理是纤维与基体之间的界面解离。界面解