復(fù)合材料第八章陶瓷基復(fù)合材料-文庫吧資料
2025-01-26 03:40本頁面
【正文】 沉積一層薄的涂層 。 (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 。 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 。 因此，陶瓷基復(fù)合材料界面要有一個最佳的界面強度 。 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 。 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。 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 。 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 。 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 。 KIC達 10 。 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。 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，達到更好的效果。 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。 61 下圖為 SiCp含量 對 SiCp / Si3N4復(fù)合材料性能的影響。 60 右圖顯示了SiCp含量 對 SiCp /A12O3復(fù)合材料性能的影響 。 59 當(dāng)所用的顆粒為 SiC， TiC時，基體材料采用最多的是 Al2O3， Si3N4。 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，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 。 56 由圖中可知，對 A12O3基復(fù)合材料 最佳的韌性和強度的配合 可使 斷裂韌性KIC=， 彎曲強度 ?f=600MPa；ZrO2基復(fù)合材料 的 斷裂韌性KIC=， 彎曲強度 ?f=1400MPa。 54 而 彎曲強度 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 出現(xiàn)峰值 ，隨后又有所下降，但卻 始終高于基體 。 下面兩個圖分別給出了 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。 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。由于短纖維與晶須相似，故只討論后兩種情形。 47 晶須和顆粒增強陶瓷基復(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 。 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)強度 。 44 下圖為 三向正交 C/C纖維編織結(jié)構(gòu) 示意圖。 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)計的。 而前一種材料 成型板狀構(gòu)件 曲率不宜太大 。 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。 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。 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 ，這就要進一步研究 多向排布纖維 增韌陶瓷基復(fù)合材料。這也同樣會 使裂紋的擴展阻力增加 ，從而使 韌性進一步提高 。 32 因此， 裂紋的擴展 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 。 這一過程的示意圖如下： 30 裂紋垂直于纖維方向擴展示意圖 31 當(dāng) 外加應(yīng)力進一步提高 時，由于 基體與纖維間的 界面離解 ，同時又由于 纖維的強度高于基體的強度 ，從而 使纖維從基體中拔出 。 在實際構(gòu)件中，主要是使用其 縱向性能。 27 纖維增強陶瓷基復(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。 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 有一定的韌化效果 ，同時還會帶來 高溫強度 ， 高溫蠕變性能 的改善。 從 幾何尺寸 上看，顆粒在各個方向上的長度是大致相同的，一般為 幾個微米 。 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。 相比之下， 多晶的金屬纖維 和 塊狀金屬 的 拉伸強度 只有 。 22 從結(jié)構(gòu)上看， 晶須的特點 是沒有 微裂紋 、 位錯 、 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 強度下降 的主要原因。 晶須為具有 一定長徑比 (直徑 ~1um,長30~100um)的 小單晶體 。 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 室溫強度 的優(yōu)點。 硼纖維 對任何可能的 表面損傷 都非常 敏感 ，甚至比玻璃纖維更敏感， 熱或化學(xué)處理對硼纖維都有影響，高于 500 ℃ 時強度會急劇下降。 18 在實際結(jié)構(gòu)的 硼纖維 中，由于缺少大晶體結(jié)構(gòu) ，使其 纖維強度下降 到只有晶體硼纖維一半左右。 17 還有一種 常用的纖維 是 硼纖維 。 15 為了 便于操作 和 避免
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