陶瓷復(fù)合材料ppt課件(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 ）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，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。 ?圖 1024表明，在 Al2O3中加入 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。 ?在鋯剛玉莫來石中加入 1030 Vol%的 BN顆粒后，使臨界熱震性溫度從 400℃ 提高到700℃ 。 五、增韌機(jī)理 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)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)反應(yīng)，同時保證具有合適的界面結(jié)合強(qiáng)度。彈性模量只在材料受外力作用時產(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)生殘余應(yīng)力場是陶瓷得到增韌的主要根源。 圖 1024 1）微裂紋增韌 ?假設(shè)第二相顆粒與基體不存在化學(xué)反應(yīng)，但存在著熱膨脹系數(shù)的失配，由于冷卻收縮的不同，顆粒將受到一個應(yīng)力。當(dāng)顆粒處于拉應(yīng)力狀態(tài)，而基體徑向處于拉伸狀態(tài)、切向處于壓縮狀態(tài)時，可能產(chǎn)生具有收斂性的環(huán)向微裂（圖 1024a）；當(dāng)顆粒處于壓應(yīng)力狀態(tài)，而基體徑向受壓應(yīng)力，切向處于拉應(yīng)力狀態(tài)，可能產(chǎn)生具有發(fā)散性的徑向微裂（圖 1024b）。若徑向微裂紋向周圍分散，則更容易相互連通而形成主裂紋。但在同等條件下容易產(chǎn)生環(huán)向微裂紋。 1）微裂紋增韌 圖 1025 裂紋在材料中的擴(kuò)展路徑（ a： ?p ? ?m； b、 c： ?p? ?m） 當(dāng)熱膨脹系數(shù) ?p ? ?m時，裂紋在基體中發(fā)展，增加了裂紋擴(kuò)展路徑，因而增加了裂紋擴(kuò)展的阻力（圖 1025a）；當(dāng) ?p? ?m時，若顆粒在某一裂紋面內(nèi)，則裂紋向顆粒擴(kuò)展時將首先直接達(dá)到顆粒與基體的界面。此時如果外力不再增加，則裂紋就在此釘扎，這就是裂紋釘扎增韌機(jī)理的本質(zhì)。若外加應(yīng)力進(jìn)一步增大，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展或穿過顆粒發(fā)生穿晶斷裂（圖 1025b），或繞過顆粒，沿顆粒與基體的界面擴(kuò)展，裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)（圖 1025c）。即使發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因偏轉(zhuǎn)程度較小，界面斷裂能低于基體斷裂能，增韌的幅度也較小。 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）連接裂紋的兩個表面并提供一個使裂紋面相互靠近的應(yīng)力，即閉合應(yīng)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)元沿晶發(fā)展（裂紋偏轉(zhuǎn)）并形成摩擦橋（圖 1026）。裂紋橋聯(lián)增韌值與橋聯(lián)元（劑）粒徑的平方根成正比。 圖 1026 裂紋偏轉(zhuǎn)機(jī)理 （ 2）延性顆粒增韌 ?在脆性陶瓷基體中加入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，利用延性裂紋橋可達(dá)最佳增韌效果。但當(dāng) ?和 E值相差足夠大時，裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)繞過金屬顆粒，增韌效果較差。 （ 3）納米顆粒增強(qiáng)增韌 ? 將納米顆粒加入到陶瓷中時，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殘余應(yīng)力是納米復(fù)合材料中的重要增強(qiáng)、增韌機(jī)理。 （ 4）相變增韌 當(dāng)將氧化鋯顆粒加入其它陶瓷基體中時，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。 tm轉(zhuǎn)變具有馬氏體的特征，伴隨有 35%的體積膨脹。這一相變溫度正處在室溫與燒結(jié)溫度之間，對材料的韌性和強(qiáng)度有很大影響。 ZrO2發(fā)生 tm相變時體積膨脹，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 1027）。 圖 10 – 27 ZTA性能隨 ZrO2體積含量的變化 （ 4）相變增韌 ?如在 ZTA（ ZrO2/ Al2O3）中加入某些穩(wěn)定氧化物（如 Y2O3等），則會抑制 ZrO2的 tm相變。當(dāng)從制備溫度冷卻下來時，通過控制晶粒尺寸，可以制備出全部為四方相 (t) ZrO2組成的氧化鋯多晶陶瓷（ YTZP）。此時四方 ZrO2處于亞穩(wěn)態(tài)，當(dāng)材料受外力作用時，在應(yīng)力的誘導(dǎo)下，發(fā)生 tm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 10229）。 由應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌的韌性增量為： ?K = ?? ?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。 （ 4）相變增韌 圖 1027相變增韌示意圖 圖 1028 ZTA中應(yīng)力誘變韌化導(dǎo)致性能隨 ZrO2體積含量的變化 纖維、晶須增韌 （ 1）裂紋彎曲（ Crackbowing）和偏轉(zhuǎn) 圖 1029 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)體會導(dǎo)致裂紋發(fā)生彎曲（圖 1029），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。相當(dāng)來講，它更易繞過纖維并盡量貼近纖維表面擴(kuò)展，即裂紋偏轉(zhuǎn)。裂紋偏轉(zhuǎn)可繞著增強(qiáng)體傾斜發(fā)生偏轉(zhuǎn)或扭轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)（圖 1030a、 b）。偏轉(zhuǎn)后裂紋受的拉應(yīng)力往往低于偏轉(zhuǎn)前的裂紋，而且裂紋的擴(kuò)展路徑增長，裂紋擴(kuò)展中需消耗更多的能量因而起到增韌作用。 （ 1）裂紋彎曲（ 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)生殘余應(yīng)力場，則會引起裂紋偏轉(zhuǎn)。增強(qiáng)體的長徑比越大，裂紋偏轉(zhuǎn)增韌效果就越好（圖 1030 c）。 圖 1030 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)劑長徑比對裂紋扭轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)的影響。 （ 2）脫粘（ Debonding） 復(fù)合材料在纖維脫粘后產(chǎn)生了新的表面，因此需要能量。盡管單位面積的表面能很小，但所有脫粘纖維總的表面能則很大。假設(shè)纖維脫粘能等于由于應(yīng)力釋放引起的纖維上的應(yīng)變釋放能，則每根纖維的脫粘能量 ?Qp為： ?Qp=（ ? d2? fu2 l c） /48Ef 其中 d：纖維直徑； l c：纖維臨界長度；? fu：纖維拉伸強(qiáng)度； Ef ：纖維彈性模量。 考慮纖維體積 Vf = （ ? d2/4） l ， 最大脫粘能 Qp =（ ? fu2 l cVf） / 12 Ef ； 因此，纖維體積比大、 l c大（即界面強(qiáng)度弱，因 l c 與界面應(yīng)力成反比），通過纖維脫粘達(dá)到的增韌效果最大。 圖 1031 纖維脫粘 （ 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 1032）。纖維拔出需做的功 Qp等于拔出纖維時克服的阻力乘以纖維拔出的距離： （ 3）纖維拔出（ Pull – out） Q p= 平均力 ? 距離 = ? d l 2 ? / 2 。 當(dāng)纖維發(fā)生斷裂，此時纖維的最大長度為 l c / 2 ，拔出每根纖維所做的最大功為： Q p= ? d l c2? / 8 = ? d2? fu l c / 16， ?Qp/ Qp=3 Ef / ?fu。 因 Ef ? ?fu，所以纖維拔出能總大于纖維脫粘能，纖維拔出的增韌效果要比纖維脫粘更強(qiáng)。因此，纖維拔出是更重要的增韌機(jī)理。 圖 1032 纖維拔出示意圖 （ 4）纖維橋接（ Fiber Bridge） ? 對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。這時緊靠裂紋