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復(fù)合材料第八章陶瓷基復(fù)合材料(已修改)

2025-02-01 03:40 本頁面
 

【正文】 1 第八章 陶瓷基復(fù)合材料 陶瓷基復(fù)合材料的 種類及基本性能 陶瓷基復(fù)合材料的 成型加工技術(shù) 陶瓷基復(fù)合材料的 應(yīng)用 2 陶瓷基復(fù)合材料的種類及基本性能 現(xiàn)代陶瓷材料 具個(gè) 耐高溫 、 耐磨損 、耐腐蝕 及 重量輕 等許多優(yōu)良的性能。 但是,陶瓷材料同時(shí)也具有 致命的缺點(diǎn) ,即 脆性 ,這一弱點(diǎn)正是目前淘瓷材料的使用受到很大限制的主要原因。 3 因此,陶瓷材料的 韌性化問題 便成了近年來陶瓷工作者們研究的一個(gè)重點(diǎn)問題。 現(xiàn)在這方面的研究巳取得了初步進(jìn)展,探索出了若干種 韌化陶瓷的途徑 。 4 其中,往陶陶瓷材料中加入 起增韌作用的第二相 而制成 陶瓷基復(fù)合材料即 是一種重要方法。 5 陶瓷基復(fù)合材料的基體與增強(qiáng)體 1.陶瓷基復(fù)合材料的基體 陶瓷基復(fù)合材料的基體 為 陶瓷 ,這是一種包括范圍很廣的材料,屬于 無機(jī)化合物 而不是單質(zhì),所以它的 結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比金屬合金復(fù)雜得多 。 6 現(xiàn)代陶瓷材料的研究,最早是從對(duì) 硅酸鹽材料的研究 開始的,隨后又逐步擴(kuò)大到了其他的 無機(jī)非金屬材料 。 目前被人們研究最多的是 碳化硅 、 氮化硅 、 氧化鋁 等,它們普遍具有 耐高溫 、耐腐蝕 、 高強(qiáng)度 、 重量輕 和 價(jià)格低 等優(yōu)點(diǎn)。 7 2.陶瓷復(fù)合材料的增強(qiáng)體 陶瓷基復(fù)合材料中的 增強(qiáng)體 ,通常也稱為 增韌體 。 從幾何尺寸上增強(qiáng)體可分為 纖維(長、短纖維 )、 晶須 和 顆粒 三類。 8 碳纖維 是用來制造 陶瓷基復(fù)合材料 最常用的纖維之一。 碳纖維可用多種方法進(jìn)行生產(chǎn)。工業(yè)上主要采用 有機(jī)母體的熱氧化 和石墨化 。 9 碳纖維的生產(chǎn)過程 主要包括三個(gè)階段。 第一階段 在空氣中于 200~400℃ 進(jìn)行 低溫氧化 ; 第二階段 是在惰性氣體中在 1000℃ 左右進(jìn)行 碳化處理 ; 第三階段 則是在惰性氣體中于 2022℃以上的溫度作 石墨化處理 。 10 目前,碳纖維常規(guī)生產(chǎn)的品種主要有兩種,即 高模量型 和 低模量型 。 其中,高模量型的 拉伸模量 約為 400 GPa,拉伸強(qiáng)度 約為 GPa; 低模量型的 拉伸模量 約為 240 GPa, 拉伸強(qiáng)度 約為 GPa。 11 碳纖維 主要用在把 強(qiáng)度 、 剛度 、重量 和 抗化學(xué)性 作為設(shè)計(jì)參數(shù)的 構(gòu)件 ,在 1500℃ 的溫度下,碳纖維仍能保持其性能不變。 12 但是,必須對(duì)碳纖維進(jìn)行 有效的保護(hù) 以防止它 在空氣中或氧化性氣氛中被腐蝕 ,只有這樣,才能充分發(fā)揮它的優(yōu)良性能。 13 陶瓷基復(fù)合材料中的 增強(qiáng)體 中,另一種常用纖維是 玻璃纖維 。 制造玻璃纖維的 基本流程 如下圖所示: 14 玻璃球 玻璃球再熔化 連續(xù)纖維 上漿 紗線 繞線筒 玻璃纖維生產(chǎn)流程圖 將玻璃小球熔化,然后通過1mm左右直徑的小孔把它們拉出來。 另外,纏繞纖維的 心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度 決定纖維的直徑,通常為10um的數(shù)量級(jí)。 15 為了 便于操作 和 避免纖維受潮并形成紗束 ,在剛凝固成纖維時(shí),表面就 涂覆薄薄一層保護(hù)膜 ,這層保護(hù)膜還有利于 與基體的粘結(jié) 。 16 玻璃的組成 可在一個(gè) 很寬的范圍內(nèi) 調(diào)整,因而可生產(chǎn)出具有 較高楊氏模量 的品種,這些特殊品種的纖維通常需要 在較高的溫度下 熔化后拉絲 ,因而 成本較高 ,但可滿足制造一些 有特殊要求的 復(fù)合材料。 17 還有一種 常用的纖維 是 硼纖維 。它屬于 多相的 ,又是 無定形的 ,因?yàn)樗怯?化學(xué)沉積法 將 無定形硼 沉積在鎢絲 或者 碳纖維上 形成的。 18 在實(shí)際結(jié)構(gòu)的 硼纖維 中,由于缺少大晶體結(jié)構(gòu) ,使其 纖維強(qiáng)度下降 到只有晶體硼纖維一半左右。 19 由 化學(xué)分解 所獲得的 硼纖維的平均性能為,楊氏模量 420GPa, 拉伸強(qiáng)度 。 硼纖維 對(duì)任何可能的 表面損傷 都非常 敏感 ,甚至比玻璃纖維更敏感, 熱或化學(xué)處理對(duì)硼纖維都有影響,高于 500 ℃ 時(shí)強(qiáng)度會(huì)急劇下降。 20 為了阻止 隨溫度而變化的降解作用 ,已采用了 不同類型的涂層 作試驗(yàn)。 例如, 商業(yè)上使用的硼纖維 通常是在表面涂了一層 碳化硅 ,它可使纖維 長期暴露在高溫后 仍有保持 室溫強(qiáng)度 的優(yōu)點(diǎn)。 21 陶瓷材料中另一種增強(qiáng)體為 晶須 。 晶須為具有 一定長徑比 (直徑 ~1um,長30~100um)的 小單晶體 。 1952年, Herring和 Galt驗(yàn)證了 錫的晶須的強(qiáng)度 比 塊狀錫 高得多,這促使人們?nèi)?duì) 纖維狀的單晶 進(jìn)行詳細(xì)的研究。 22 從結(jié)構(gòu)上看, 晶須的特點(diǎn) 是沒有 微裂紋 、 位錯(cuò) 、 孔洞 和 表面損傷 等一類缺陷,而這些缺陷正是 大塊晶體中大量存在 且促使 強(qiáng)度下降 的主要原因。 23 在某些情況下, 晶須的拉伸強(qiáng)度可達(dá) (E為楊氏模量 ),這已非常接近于 理想拉伸強(qiáng)度 。 相比之下, 多晶的金屬纖維 和 塊狀金屬 的 拉伸強(qiáng)度 只有 。 24 由于晶須具有 最佳的熱性能 、 低密度和 高楊氏模量 ,從而引起了人們對(duì)其特別的關(guān)注。 在 陶瓷基復(fù)合材料中 使用得較為普遍的是 SiC、 A12O3及 Si3N4晶須。 25 陶瓷材料中的另一種增強(qiáng)體為 顆粒 。 從 幾何尺寸 上看,顆粒在各個(gè)方向上的長度是大致相同的,一般為 幾個(gè)微米 。 常用得的顆粒也是 SiC、 Si3N4等。 26 顆粒的增韌效果 雖不如 纖維 和 晶須 ,但是,如果顆粒種類、 粒徑 、 含量 及 基體材料選擇適當(dāng) 仍會(huì) 有一定的韌化效果 ,同時(shí)還會(huì)帶來 高溫強(qiáng)度 , 高溫蠕變性能 的改善。 所以, 顆粒增韌復(fù)合材料 同樣受到重視并對(duì)其進(jìn)行了一定的研究。 27 纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料 在陶瓷材料中,加入 第二相纖維制成復(fù)合材料 是 改善陶瓷材料韌性 的重要手段,按 纖維排布方式 的不同,又可將其分為 單向排布長纖維 復(fù)合材料和 多向排布纖維 復(fù)合材料。 28 單向排布長纖維復(fù)合材料 單向排布纖維 增韌陶瓷基復(fù)合材料 的顯著特點(diǎn)是它具有 各向異性 ,即 沿纖維長度方向上的縱向性能 要大大 高于其橫向性能 。 在實(shí)際構(gòu)件中,主要是使用其 縱向性能。 29 在 單向排布纖維 增韌陶瓷基復(fù)合材料 中,當(dāng) 裂紋擴(kuò)展 遇到纖維時(shí) 會(huì)受阻 ,這時(shí),如果要使 裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展 就必須提高外加應(yīng)力 。 這一過程的示意圖如下: 30 裂紋垂直于纖維方向擴(kuò)展示意圖 31 當(dāng) 外加應(yīng)力進(jìn)一步提高 時(shí),由于 基體與纖維間的 界面離解 ,同時(shí)又由于 纖維的強(qiáng)度高于基體的強(qiáng)度 ,從而 使纖維從基體中拔出 。 當(dāng) 拔出的長度 達(dá)到某一臨界值 時(shí),
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