西安工业大学复合材料6.ppt

第六章 陶瓷基复合材料 Ceramic Matrix Composite (CMC) 6.1 概 述 陶器：一般由黏土，在700～1000℃烧成，结构疏松、有一定吸水率，不透明。 瓷器；一般由高岭土，在1200～1400℃烧成，结构紧密、基本不吸水，有一定透光性 传统陶瓷主要以天然矿物为原料 ，用于日用器皿、建筑、卫生制品，以及低压电瓷、耐腐蚀化学瓷等，但有同时强度低、耐热性和耐腐蚀性差等缺点。 　 传 统 陶 瓷 半坡人面鱼纹盆 　现代陶瓷（又称特种陶瓷），是以微米、亚微米级的高纯人工合成氧、碳、氮、硼、硅、硫等无机非金属化合物制成，具有独特的力学、电学、磁学、光学、化学等性能，用于化工、冶金、机械、电子、能源和一些新技术中。 但其脆性大，耐热震性能差，而且陶瓷材料对裂纹、气孔和夹杂等细微的缺陷很敏感，提高陶瓷韧性的主要途径： 提高陶瓷致密度，减少表面裂纹； 细化晶粒； 加入具有增韧效果的成分，制成陶瓷基复合材料。 6.2 陶瓷基复合材料的增韧 6.2.1陶瓷基复合材料的断裂 纤维增强陶瓷复合材料的应力—应变曲线 应力强度因子 σb σo σ-ε曲线的第一个转折点表示基体产生裂纹的应力σ0； 当σ＞σ0后曲线继续上升表示纤维桥联基体并使材料继续承受载荷，即强韧化； σ-ε曲线的最高点表示与纤维断裂对应的应力σb； 随后的曲线下降表示纤维拔出直至复合材料断裂。 6.2.2纤维陶瓷复合材料的增韧机制 纤维增强陶瓷复合材料的增韧机制包括：基体预压缩应力、裂纹扩展受阻、纤维桥联、纤维拔出、裂纹偏转、相变增韧和微裂纹增韧。 (1)基体预压缩应力 当纤维的轴向热膨胀系数高于基体的热膨胀系数(αf＞ αm)时，复合材料由制备高温冷却至室温（或使用温度）后，基体会产生与纤维轴向平行的压缩内应力。 当复合材料承受纵向拉伸载荷时，此残余应力可以抵消一部分外加应力而延迟基体开裂。 → ← → ← → ← → ← (2)裂纹扩展受阻 当纤维的断裂韧性比基体本身的断裂韧性大时，基体裂纹垂直于界面扩展至纤维，裂纹可以被纤维阻止甚至闭合。因为纤维受到的残余应力为拉应力，具有收缩趋势，所以可使基体裂纹压缩并闭合，阻止了裂纹扩展。 → ← → ← → ← (3)纤维桥联 在基体开裂后，纤维承受外加载荷，并在基体的裂纹面之间架纤维对基体产生使裂纹闭合的力，消耗外加载荷做功，从而增大材料的韧性。 (a) (b) (c) (d) (f) 陶瓷基复合材料中的裂纹偏转 (4)裂纹偏转 裂纹沿着结合较弱的纤维/基体界面弯折，偏离原来的扩展方向，即偏离与界面相垂直的方向，因而使断裂路径增加。裂纹可以沿着界面偏转，或者虽然仍按原来方向扩展，但在越过纤维时产生了沿界面方向的分叉。 (5)纤维拔出 具有较高断裂韧性的纤维，当基体裂纹扩展至纤维时，应力集中导致结合较弱的纤维与基体之间的界面解离，在进一步应变时，将导致纤维在弱点处断裂，随后纤维的断头从基体中拔出。 (6)相变增韧 基体中裂纹尖端的应力埸引起裂纹尖端附近的基体发生相变，亦称应力诱导相变。当相变造成局部基体的体积膨胀时，它会挤压裂纹使之闭合。四方氧化锆(t-ZrO2)多晶体(简记为TZP)在应力诱导下相变为单斜相氧化锆(t-ZrO2→m-ZrO2)时，发生体积膨胀，从而产生增韧效果。 相变增韧 。 (7)微裂纹增韧机制 在基体中有随机分布的微裂纹或微裂纹区，使主裂纹遇到微裂纹或进入微裂纹区后，分化为一系列小裂纹，形成许多新的断裂表面，从而吸收能量。这种微裂纹增韧机制必须预先制造出众多的微裂纹，因而降低了材料的强度。微裂纹增韧机制适合于基体弹性模量较低的陶瓷基复合材料。 微裂纹改变主裂纹扩展