復(fù)合材料 第八章 陶瓷基復(fù)合材料-文庫吧
2025-01-05 03:40 本頁面
【正文】 會(huì)使 纖維發(fā)生斷裂 。 32 因此， 裂紋的擴(kuò)展 必須克服 由于纖維的加入而產(chǎn)生 的 拔出功 和 纖維斷裂功 ，這樣，使得 材料的斷裂更為困難 ，從而起到了 增韌的作用 。 33 實(shí)際 材料斷裂過程 中， 纖維的斷裂 并非發(fā)生在 同一裂紋平面 ，這樣 主裂紋 還將沿纖維斷裂位置的不同 而發(fā)生 裂紋轉(zhuǎn)向 。這也同樣會(huì) 使裂紋的擴(kuò)展阻力增加 ，從而使 韌性進(jìn)一步提高 。 34 2．多向排布纖維增韌復(fù)合材料 單向排布纖維 增韌陶瓷只是 在纖維排列方向上的 縱向性能 較為優(yōu)越，而其 橫向性能 顯著低于 縱向性能 ，所以只適用于 單軸應(yīng)力 的場合。 35 而許多 陶瓷構(gòu)件 則要求 在二維及三維方向上 均具有 優(yōu)良的性能 ，這就要進(jìn)一步研究 多向排布纖維 增韌陶瓷基復(fù)合材料。 36 (1) 二維多向排布纖維增韌復(fù)合材料 這種復(fù)合材料中， 纖維的排布方式有兩種 。 一種是 將纖維編織成纖維布 ， 浸漬漿料后 ， 根據(jù)需要的厚度 將 單層或若干層 進(jìn)行 熱壓燒結(jié)成型 ，如下圖所示： 37 纖維層 基體 纖維布層壓復(fù)合材料示意圖 38 這種材料在 纖維排布平面的二維方向上 性能優(yōu)越 ，而在 垂直于纖維排布面方向上 的性能較差。 一般應(yīng)用在對 二維方向上有較高性能要求 的構(gòu)件上。 39 另一種是 纖維分層單向排布 ， 層間纖維成一定角度 ，如下圖所示。 40 纖維層 基體 多層纖維按不同角度方向?qū)訅菏疽鈭D 41 后一種復(fù)合材料可以根據(jù) 構(gòu)件的形狀 用 纖維浸漿纏繞的方法 做成所需要形狀的 殼層狀構(gòu)件 。 而前一種材料 成型板狀構(gòu)件 曲率不宜太大 。 42 這種 二維多向纖維 增韌陶瓷基復(fù)合材料 的 韌化機(jī)理 與 單向排布纖維 復(fù)合材料是一樣的，主要也是靠 纖維的拔出 與 裂紋轉(zhuǎn)向機(jī)制 ，使其 韌性及強(qiáng)度 比基體材料大幅度提高。 43 (2) 三維多向排布纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料 三維多向編織纖維 增韌陶瓷是為了 滿足某些情況的性能要求 而設(shè)計(jì)的。 這種材料最初是從宇航用 三向 C/C復(fù)合材料 開始的，現(xiàn)已發(fā)展到 三向石英 /石英 等陶瓷復(fù)合材料。 44 下圖為 三向正交 C/C纖維編織結(jié)構(gòu) 示意圖。它是按直角坐標(biāo) 將多束纖維分層交替編織 而成。 45 X Y Z 三向 C/C編織結(jié)構(gòu)示意圖 由于 每束纖維呈直線伸展 ，不存在 相互交纏和繞曲 ，因而使纖維可以充分發(fā)揮 最大的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 。 46 這種 三維多向 編織結(jié)構(gòu) 還可以通過調(diào)節(jié)纖維束的根數(shù)和股數(shù) ， 相鄰束間的間距 ， 織物的體積密度 以及 纖維的總體積分?jǐn)?shù) 等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)以滿足性能要求。 47 晶須和顆粒增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料 長纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料 雖然 性能優(yōu)越 ，但它的 制備工藝復(fù)雜 ，而且 纖維在基體中不易分布均勻 。 因此，近年來又發(fā)展了 短纖維 、 晶須及 顆粒 增韌陶瓷基復(fù)合材料。由于短纖維與晶須相似，故只討論后兩種情形。 48 由于 晶須的尺寸 很小，從客觀上看與粉末 一樣，因此 在制備復(fù)合材料 時(shí)，只需將 晶須分散后 與 基體粉末 混合均勻，然后對 混好的粉末 進(jìn)行 熱壓燒結(jié) ，即可制得致密的晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料。 49 目前常用的是 SiC， Si3N4， Al2O3晶須，常用的基體則為 Al2O3， ZrO2，SiO2， Si3N4及 莫來石 等。 50 晶須增韌 陶瓷基復(fù)合材料 的性能 與 基體和晶須的選擇 ， 晶須的含量及分布 等因素有關(guān)。 下面兩個(gè)圖分別給出了 ZrO2(2mol % Y2O3) + SiCw及 A12O3+ SiCw陶瓷復(fù)合材料的性能與 SiCw含量 之間的關(guān)系。 51 斷裂韌性KIC (MPa.m1/2) SiCw含量（ vol%） 彎曲強(qiáng)度?f (MPa) SiCw含量（ vol%） 維氏硬度HV(GPa) 彈性模量E(GPa) SiCw含量（ vol%） ZrO2 (Y2 O3 )復(fù)合材料的力學(xué)性能 52 SiCw含量（ vol%） 維氏硬度HV(GPa) 彈性模量E(GPa) SiCw含量（ vol%） 彎曲強(qiáng)度?f (MPa) SiCw含量（ vol%） 斷裂韌性KIC (MPa.m1/2) Al2 O3 + SiCw復(fù)合材料的力學(xué)性能 53 從上面兩個(gè)圖中可以看出，兩種材料的 彈性模量 、 硬度 及 斷裂韌性 均 隨著 SiCw含量的增加 而提高。 54 而 彎曲強(qiáng)度 的變化規(guī)律則是，對 Al2O3基復(fù)合材料 ， 隨 SiCw含量的增加單調(diào)上升 ，而對 ZrO2基體 ，在 10 vol ％ SiCw時(shí) 出現(xiàn)峰值 ，隨后又有所下降，但卻 始終高于基體 。 55 這可解釋為由于 SiCw含量高時(shí) 造成熱失配過大 ，同時(shí) 使致密化困難 而 引起密度下降 ，從而使 界面強(qiáng)度降低 ， 導(dǎo)致了復(fù)合材料強(qiáng)度的下降 。 56 由圖中可知，對 A12O3基復(fù)合材料 最佳的韌性和強(qiáng)度的配合 可使 斷裂韌性KIC=， 彎曲強(qiáng)度 ?f=600MPa；ZrO2基復(fù)合材料 的 斷裂韌性KIC=， 彎曲強(qiáng)度 ?f=1400MPa。 由此可見， SiCw對陶瓷材料 同時(shí)具有增強(qiáng)和增韌的效果 。 57 從上面的討論知道，由于 晶須具有長徑比 ，因此， 當(dāng)其含量較高時(shí)，因其 橋架效應(yīng) 而 使致密化變得因難 ，從而引起了 密度的下降并導(dǎo)致性能的下降 。 58 為了克服這一弱點(diǎn)，可采用 顆粒來 代替晶須 制成復(fù)合材料，這種復(fù)合材料在 原料的混合均勻化 及 燒結(jié)致密化方面 均比晶 須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料要容易。 59 當(dāng)所用的顆粒為 SiC， TiC時(shí)，基體材料采用最多的是 Al2O3， Si3N4。 目前，這些復(fù)合材料已廣泛用來 制造刀具 。 60 右圖顯示了SiCp含量 對 SiCp /A12O3復(fù)合材料性能的影響 。 斷裂強(qiáng)度?f (MPa) SiCp含量 (vol%) 從中可以看出，在 5％ SiCp時(shí) 強(qiáng)度出現(xiàn)峰值。 61 下圖為 SiCp含量 對 SiCp / Si3N4復(fù)合材料性能的影響。 SiCp含量（ vol%） 斷裂韌性KIC (MP1/2) SiCp含量（ vol%） 彎曲強(qiáng)度?f (MPa) 從中可以看出，在 SiCp含量為 5％時(shí) 強(qiáng)度及韌性達(dá)到了最高值。
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