【正文】 1）機(jī)械結(jié)合 （ 2）化學(xué)結(jié)合 ? 陶瓷基復(fù)合材料往往在高溫下制備，由于增強(qiáng)體與基體的原子擴(kuò)散，在界面上更易形成固溶體和化合物。此時其界面是具有一定厚度的反應(yīng)區(qū)，它與基體和增強(qiáng)體都能較好的結(jié)合，但通常是脆性的。 ? 若增強(qiáng)體與基體在高溫時不發(fā)生反應(yīng)，那么在冷卻下來時，陶瓷的收縮大于增強(qiáng)體，由此產(chǎn)生的徑向壓應(yīng)力 ?與界面剪切應(yīng)力 ??有關(guān)： ? = ? ?? ， ?為摩擦系數(shù)，一般取 ~。 界面的作用 ? 陶瓷基復(fù)合材料的界面一方面應(yīng) 強(qiáng)到足以傳遞軸向載荷并具有高的橫向強(qiáng)度；另一方面要 弱 到足以沿界面發(fā)生橫向裂紋及裂紋偏轉(zhuǎn)直到纖維的拔出。因此，陶瓷基復(fù)合材料界面要有一個最佳的界面強(qiáng)度。 ? 強(qiáng) 的界面粘結(jié)往往導(dǎo)致脆性破壞，裂紋在復(fù)合材料的任一部位形成并迅速擴(kuò)展至復(fù)合材料的橫截面，導(dǎo)致平面斷裂。這是由于纖維的彈性模量不是大大高于基體，因此在斷裂過程中，強(qiáng)界面結(jié)合不產(chǎn)生額外的能量消耗。 ? 若界面結(jié)合較 弱 ，當(dāng)基體中的裂紋擴(kuò)展至纖維時，將導(dǎo)致界面脫粘，發(fā)生裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋搭橋、纖維斷裂以至于最后纖維拔出。所有這些過程都要吸收能量，從而提高復(fù)合材料的斷裂韌性（圖 1010）。 圖 10 10 陶瓷基復(fù)合材料界面示意圖 界面性能的改善 ?為了獲得最佳界面結(jié)合強(qiáng)度，希望避免界面化學(xué)反應(yīng)或盡量降低界面的化學(xué)反應(yīng)程度和范圍。 ?實(shí)際當(dāng)中除選擇增強(qiáng)劑和基體在制備和材料服役期間能形成熱動力學(xué)穩(wěn)定的界面外，就是纖維表面涂層處理。包括 C、 SiC、 BN、 ZrO2 和 SnO2等。 ?纖維表面涂層處理對纖維還可起到保護(hù)作用。纖維表面雙層涂層處理是最常用的方法。其中里面的涂層以達(dá)到鍵接及滑移的要求，而外部涂層在較高溫度下防止纖維機(jī)械性能降解。 四、陶瓷基復(fù)合材料的性能 ? 室溫力學(xué)性能 ? 1）拉伸強(qiáng)度和彈性模量 ? 對陶瓷基復(fù)合材料來說陶瓷基體的失效應(yīng)變低于纖維的失效應(yīng)變，因此最初的失效往往是基體中晶體缺陷引起的開裂。如圖 1011所示，材料的拉伸失效有兩種： ? 第一：突然失效。如纖維強(qiáng)度較低，界面結(jié)合強(qiáng)度高，基體較裂紋穿過纖維擴(kuò)展，導(dǎo)致突然失效。 ? 第二：如果纖維較強(qiáng)，界面結(jié)合較弱，基體裂紋沿著纖維擴(kuò)展。纖維失效前纖維 /基體界面在基體的裂紋尖端和尾部脫粘。 ? 因此，基體開裂并不導(dǎo)致突然失效，材料的最終失效應(yīng)變大于基體的失效應(yīng)變。 圖 1011 纖維陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)力 應(yīng)變曲線示意圖 2）斷裂韌性 ?纖維拔出與裂紋偏轉(zhuǎn)是復(fù)合材料韌性提高的主要機(jī)制。纖維含量增加，阻止裂紋擴(kuò)展的勢壘增加，斷裂韌性增加。但當(dāng)纖維含量超過一定量時，纖維局部分布不均，相對密度降低，氣孔率增加，其抗彎強(qiáng)度反而降低（圖 1012）。 圖 1012 CF/ LAS的斷裂韌性和彎曲強(qiáng)度隨纖維含量的變化 3）壓縮及彎曲強(qiáng)度 ? 對于脆性材料，用彎曲和壓縮試驗(yàn)更能表征材料的強(qiáng)度性能。 4）影響因素 ? 增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)： ? 復(fù)合材料的力學(xué)性能呈現(xiàn)符合混合定律的線性關(guān)系。 ? 但當(dāng)纖維含量超過一定量時，纖維局部分布不均，氣孔率增加，導(dǎo)致材料力學(xué)性能偏離混合定律的線性關(guān)系。 ? Phlips等提出如下經(jīng)驗(yàn)公式修正偏差（圖 1013）： ? Em= Em0（ 1 – 1. 9 ? + 0. 9?2） ? 式中 Em ：有孔隙材料的彈性模量； ? Em0：無孔隙材料的彈性模量； ? ?：基體中的孔隙率。 圖 1013 連續(xù) CF/玻璃復(fù)合材料的彈性模量與纖維含量的關(guān)系 熱膨脹系數(shù)： ?當(dāng)基體熱膨脹系數(shù)大于纖維熱膨脹系數(shù)時，會導(dǎo)致纖維與基體界面結(jié)合的減弱甚至脫離。但適當(dāng)減弱界面結(jié)合，則有利于裂紋的擴(kuò)展或沿晶界偏轉(zhuǎn)或鈍化和分散裂紋尖端造成的應(yīng)力集中。 圖 1014 微晶玻璃基體的熱膨脹系數(shù)對復(fù)合材料性能的影響 密度： ?彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性都隨復(fù)合材料的密度增加而增加。密度的增加不僅提高了復(fù)合材料的強(qiáng)度，而且改變了應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線的形狀（圖 1015）。 圖 1015 不同密度的C/SiC復(fù)合材料的應(yīng)力 位移曲線 ρ= g/cm ρ= g/cm3 界面： 有碳界面層的 C/SiC復(fù)合材料在斷裂中表現(xiàn)出復(fù)合材料的典型斷裂行為，即當(dāng)應(yīng)力達(dá)到最大值后，不是突然下降，而是呈梯形降低（見圖1016曲線 1）。 密度較高而無碳界面層的 C/SiC復(fù)合材料在應(yīng)力 —應(yīng)變曲線上表現(xiàn)為達(dá)到最大值后，應(yīng)力曲線緩慢下降（圖 1016曲線 2）。 圖 1016 不同界面狀況復(fù)合材料的應(yīng)力 位移曲線 顆粒含量和粒徑： 圖 1017 SiCP含量對 SiCP /AlN性能的影響 圖 1018 SiCP粒徑對SiCP/AlN性能的影響 顆粒含量對材料彎曲強(qiáng)度及斷裂韌性提高效果不是太大，但粒徑的影響卻較大（圖101 1018）。復(fù)合材料的性能隨著粒徑而增大，但隨著粒徑的進(jìn)一步增大 。其性能反而下降；這是由于材料的致密度下降，同時引進(jìn)了更多的缺陷的緣故。 高溫力學(xué)性能 1）強(qiáng)度 圖 1019 圖 1020 圖 101 1020分別為不同溫度下 SiCF/ MAS復(fù)合材料的力學(xué)性能變化。室溫下，復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度比基體材料高約 10倍，彈性模量提高約 2倍。復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度至 700℃ 保持不變，然后強(qiáng)度隨溫度升高而急劇增加；但彈性模量卻隨著溫度升高從室溫的 137GPa降到 850℃ 的 80 GPa。這一變化顯然與材料中殘余玻璃相隨溫度升高的變化相關(guān)。 1）強(qiáng)度 圖 1021 圖 1022 圖 1021為 SiCW /Al2O3復(fù)合材料的斷裂韌性隨溫度的變化。隨溫度升高，基體陶瓷的斷裂韌性呈下降趨勢，而復(fù)合材料的 KIC卻保持不變；在大于 1000℃ 之后，KIC呈上升趨勢。研究結(jié)果表明，不僅復(fù)合材料的斷裂韌性得到提高，而且室溫力學(xué)性能及高溫力學(xué)性能、抗熱沖擊性能及抗高溫蠕變性能均得到本質(zhì)上的改善。圖 1022是不同 SiCW 含量的 Al2O3復(fù)合材料的強(qiáng)度隨溫度的變化。 SiCW的加入增加了韌性及斷裂功被歸功于裂紋橋聯(lián)和纖維拔出增韌機(jī)制。 1）強(qiáng)度 ?連續(xù) SiCF/LAS3復(fù)合材料在大氣中和在氮?dú)猸h(huán)境中高溫加載時表現(xiàn)出不同的抗彎強(qiáng)度。這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)材料體系時所持的原則是讓基體發(fā)生微開裂，然后復(fù)合材料失效。因此在 800℃ 以上，空氣中的氧會穿過基體中的微裂紋并易與富碳層發(fā)生反應(yīng)而導(dǎo)致強(qiáng)度明顯下降。 ? SiC顆粒加入到 ZTP和 YZTP陶瓷后，也可使高溫強(qiáng)度得到提高。 2）蠕變 ? 陶瓷材料的穩(wěn)態(tài)蠕變速率可表示為： ε= Aσnexp（ ΔQ/RT） —Norton公式 式中： ε—蠕變應(yīng)力指數(shù)； σ—施加的應(yīng)力（蠕變應(yīng)力）； n—蠕變應(yīng)力指數(shù)； A—常數(shù)； ΔQ—蠕變激活能； R—?dú)怏w常數(shù)； T—絕對溫度。 1022 2）蠕變 ? 對于陶瓷材料的蠕變來講，若應(yīng)力指數(shù) n為 35時為位錯攀移機(jī)制起作用；若 n為 12，則擴(kuò)散機(jī)制起作用。對單晶陶瓷，通常發(fā)生純位錯蠕變；對多晶陶瓷則晶界滑移，晶粒及晶界上空位運(yùn)動和位錯機(jī)制控制蠕變過程。大多數(shù)陶瓷纖維并不大幅度地改善抗蠕變性能，因?yàn)樵S多纖維的蠕變速率比對應(yīng)的陶瓷的蠕變速率要大得多。 圖 1023 SiC顆粒 /ZTP陶瓷的高溫蠕變性能 2）蠕變 ?連續(xù) SiCF / MAS復(fù)合材料在不同應(yīng)力與溫度下的蠕變曲線如圖 1022所示。在較高的溫度與應(yīng)力條件下，蠕變速度及變形量都增大。在相同的應(yīng)力下， 1500℃ 時 SiCW /Al2O3復(fù)合材料的蠕變速率小于基體陶瓷。圖 1023為SiC顆粒對 ZTC高溫蠕變性能的影響?？梢钥闯觯?1100℃ 時 50MPa的應(yīng)力下， ZTA的蠕變速率明顯高于 ZTA/ SiCP復(fù)合材料的蠕變速率。 3）熱沖擊性（熱震性） ?材料在經(jīng)受劇烈的溫度變化或在一定起始溫度范圍內(nèi)冷熱交替作用而不致破壞的能力稱為抗熱震性（ Thermal shock Resistance），也稱之為耐熱沖擊性或熱穩(wěn)定性?？篃嵴鹦耘c材料本身的熱膨脹系數(shù)、彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)、抗張強(qiáng)度及材料中氣相、玻璃相及其晶相的粒度有關(guān)。 圖 1024 20% SiCW /Al2O3復(fù)合材料的抗熱震性能 3