復(fù)合材料第八章陶瓷基復(fù)合材料(編輯修改稿)
2025-02-16 03:40 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 62 從上面的討論可知， 晶須與顆粒 對陶瓷材料的增韌 均有一定作用，且各有利弊。 晶須 的 增強增韌效果好 ，但 含量高時會使致密度下降 ； 顆粒 可克服晶須的這一弱點，但其 增強增韌效果卻不如晶須 。 63 由此很容易想到，若將 晶須 與 顆粒 共同使用 ，則可取長補短，達(dá)到更好的效果。 目前，已有了這方面的研究工作，如使用 SiCw與 ZrO2來 共同增韌 ，用 SiCw與SiCp來 共同增韌 等。 64 下面兩個圖分別給出了Al2O3+ZrO2(Y2O3)+SiCw復(fù)合材料的性能隨 SiCw及 ZrO2(Y2O3)含量 的變化情況。 65 維氏硬度HV(GPa) 彈性模量E(GPa) SiCw含量 (vol%) (a) 彈性模量E(GPa) 維氏硬度HV(GPa) ZrO2含量 (vol%) (b) SiCw與 ZrO2復(fù)合增韌 Al2O3的硬度與彈性模量 Al2O3+20mol%ZrO2(Y2O3)+SiCw 66 Al2O3+20mol%ZrO2(Y2O3)+SiCw 彎曲強度?f (MPa) SiCw含量 (vol%) 斷裂韌性KIC (1/2) SiCw含量 (vol%) SiCw與 ZrO2復(fù)合增韌 Al2O3的強度與斷裂韌性 67 SiCw與 ZrO2復(fù)合增韌 Al2O3的強度與斷裂韌性 Al2O3+20mol%SiCw+ZrO2(Y2O3) ZrO2含量 (vol%) 彎曲強度?f (MPa) ZrO2含量 (vol%) 斷裂韌性KIC (MP1/2) 68 可以看出，隨著 SiCw及 ZrO2(Y2O3)含量的增加 ，其 強度 與 韌性 均呈上升趨勢 ，在 20％ SiCw及 30％ ZrO2(Y2O3)時 ，復(fù)合材抖的 ?f達(dá) 1200MPa。 KIC達(dá) 10 。 這比 單獨晶須韌化 的 Al2O3+SiCw復(fù)合材料的 ?f =634MPa， KIC= 的提高，這充分體現(xiàn)了這種 復(fù)合強化的效果 。 69 下表則給出了 莫來石及其制得的復(fù)合材料的強度與韌性 。 材料 ?f (Mpa) KIC () 莫來石 244 莫來石 + SiCw 452 莫來石 + ZrO2+SiCw 551~580 ~ Si3N4+SiCw 1000 11~12 很明顯，由 ZrO2+SiCw與莫來石制得的復(fù)合材料要比單獨用 SiCw與莫來石 制得的復(fù)合材料的性能好得多。 70 一、陶瓷基復(fù)合材料的界面 界面的粘結(jié)形式 界面的作用 界面性能的改善 陶瓷基復(fù)合材料的界面和強韌化機理 71 界面的粘結(jié)形式 對于陶瓷基復(fù)合材料來講， 界面的粘結(jié)形式 主要有兩種： (1)機械粘結(jié) (2)化學(xué)粘結(jié) 72 由于 陶瓷基復(fù)合材料 往往是在 高溫條件 下制備，而且往往 在高溫環(huán)境中工作 ，因此 增強體與陶瓷之間 容易 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成化學(xué)粘結(jié)的 界面層 或 反應(yīng)層 。 73 若 基體與增強體之間 不發(fā)生反應(yīng)或控制它們之間發(fā)生反應(yīng)，那么當(dāng) 從高溫冷卻下來時 ， 陶瓷的收縮 大于 增強體 ，由于收縮而產(chǎn)生的 徑向壓應(yīng)力 ? r 與 界面剪應(yīng)力 ?有關(guān)： 74 ?＝ ?? r 式中， ?是摩擦系數(shù)，一般為 ~。 此外，基 體在高溫時呈現(xiàn)為液體 (或粘性體 )，它也可 滲入或浸入纖維表面的縫隙 等缺陷處，冷卻后形成 機械結(jié)合 。 75 實際上，高溫下 原子的活性增大 ，原子的擴(kuò)散速度較室溫大的多，由于 增強體與陶瓷基體的原子擴(kuò)散 ，在界面上更易 形成固溶體和化合物 。 76 此時， 增強體與基體之間的界面是 具有一定厚度的 界面反應(yīng)區(qū) ，它 與基體和增強體都能較好的結(jié)合 ，但通常是 脆性 的。例如 Al2O3f/SiO2系中會發(fā)生反應(yīng)形成 強的化學(xué)鍵結(jié)合 。 77 界面的作用 對于 陶瓷基復(fù)合材料 來講， 界面粘結(jié)性能 影響 陶瓷基體和復(fù)合材料的 斷裂行為 。 對于陶瓷基復(fù)合材料的 界面 來說，一方面應(yīng)強到 足以傳遞軸向載荷， 并具有 高的橫向強度 ； 78 另一方面，陶瓷基復(fù)合材料的 界面 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度 。 79 強的界面粘結(jié)往往導(dǎo)致 脆性破壞 ，如下圖 (a)所示，裂紋可以在復(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 。 纖維 基體 (a)強界面結(jié)合 80 平面斷裂 主要是由于 纖維的彈性模量不是大大高于基體 ，因此在斷裂過程中， 強的界面結(jié)合 不產(chǎn)生額外的能量消耗 。 81 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 ，其后 裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn) 、裂紋搭橋 、 纖維斷裂 以致最后 纖維拔出 (圖 b)。 (b)弱界面結(jié)合 82 裂紋的偏轉(zhuǎn) 、 搭橋 、 斷裂 以致最后 纖維拔出 等，這些過程都要 吸收能量 ，從而提高復(fù)合材料的斷裂韌性 ，避免了 突然的脆性失效 。 83 界面性能的改善 為獲得 最佳的界面結(jié)合強度 ，我們常常希望 完全避免 界面間的化學(xué)反應(yīng) 或盡量降低 界面間的化學(xué)反應(yīng) 程度和范圍 。 84 在實際應(yīng)用中，除選擇 纖維和基體 在加工和使用期間 能 形成穩(wěn)定的熱力學(xué)界面外， 最常用的方法 就是在與基體復(fù)合之前，往增強材料表面上 沉積一層薄的涂層 。 85 C和 BN是最常用的涂層，此外還有SiC、 ZrO2和 SnO2涂層。 涂層的厚度 通常在 ~1um， 涂層的選擇取決于 纖維 、 基體 、 加工 和 服役要求 。 86 纖維上的涂層除了可以改變復(fù)合材料界面結(jié)合強度 外，對纖維還可起到 保護(hù)作用 ，避免 在加工和處理過程中 造成纖維的機械損壞。 87 下圖為 莫來石纖維 增強 玻璃基體復(fù)合材料的 斷裂行為差異 。 88 莫來石纖維上未涂 BN涂層 莫來石纖維上涂有 BN涂層 從圖中可看出，若纖維 未涂 BN涂層，則復(fù)合材料的斷面呈現(xiàn)為 脆性的平面斷裂 ：而經(jīng) CVD沉積 BN涂層 后，斷面上可見到大量的 纖維拔出 。 89 二、陶瓷基復(fù)合材料的強韌化機理 界面的性質(zhì) 還直接影響了陶瓷基復(fù)合材料的 強韌化機理 。 以 晶須增強陶瓷基 復(fù)合材料為例，來對其 強韌化機理 進(jìn)行探討。 90 晶須 增強陶瓷基復(fù)合材料的強韌化機理與 纖維 增強陶瓷基復(fù)合材料大致相同，主要是靠 晶須的拔出橋連 與
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