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陶瓷基復(fù)合材料(1)-資料下載頁(yè)

2025-05-02 06:27本頁(yè)面
  

【正文】 粒增強(qiáng)增韌 n 將納米顆粒加入到陶瓷中時(shí),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?cè)鲰g 當(dāng)將氧化鋯顆粒加入其它陶瓷基體中時(shí),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(duì)材料的韌性和強(qiáng)度有很大影響。 ZrO2發(fā)生 tm相變時(shí)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?cè)鲰gn 如在 ZTA( ZrO2/ Al2O3)中加入某些穩(wěn)定氧化物(如 Y2O3等),則會(huì)抑制 ZrO2的 tm相變。當(dāng)從制備溫度冷卻下來(lái)時(shí),通過(guò)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(shí)四方 ZrO2處于亞穩(wěn)態(tài),當(dāng)材料受外力作用時(shí),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 102 29)。由應(yīng)力誘導(dǎo)相變?cè)鲰g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?cè)鲰g圖 1027相變?cè)鲰g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(chǎng)中的增強(qiáng)體會(huì)導(dǎo)致裂紋發(fā)生彎曲,從而干擾應(yīng)力場(chǎng),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(zhǎng)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?chē)膽?yīng)力場(chǎng),基體中的裂紋一般難以穿過(guò)纖維,而仍按原來(lái)的擴(kuò)展方向繼續(xù)擴(kuò)展。( 1)裂紋彎曲(Crackbowing)和偏轉(zhuǎn) n 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(chǎng),則會(huì)引起裂紋偏轉(zhuǎn)。增強(qiáng)體的長(zhǎng)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(zhǎng)徑比對(duì)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。 圖 1031 纖維脫粘 ( 3)纖維拔出( Pull – out) n 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(huì)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(shí)克服的阻力乘以纖維拔出的距離: ( 4)纖維橋接( Fiber Bridge)n 對(duì)于特定位向和分布的纖維,裂紋很難偏轉(zhuǎn),只能沿著原來(lái)的擴(kuò)展方向繼續(xù)擴(kuò)展。這時(shí)緊靠裂紋尖端處的纖維并未斷裂,而是在裂紋兩岸搭起小橋(圖1033),使兩岸連在一起。這會(huì)在裂紋表面產(chǎn)生一個(gè)壓應(yīng)力,以抵消外加應(yīng)力的作用,從而使裂紋難以進(jìn)一步擴(kuò)展,起到增韌作用。隨著裂紋的擴(kuò)展,裂紋生長(zhǎng)的阻力增加,直到在裂紋尖端形成一定數(shù)量的纖維搭橋區(qū)。這時(shí)達(dá)到一穩(wěn)態(tài)韌化(圖 1034)。 圖 1033 纖維搭橋
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