【正文】 纖維。碳纖維的類(lèi)型、基體的預(yù)固化以及后步工序的類(lèi)型等決定了界面的結(jié)合強(qiáng)度。特別是高溫下的高強(qiáng)度和模量，其強(qiáng)度隨著溫度的升高而升高以及高斷裂韌性、低蠕變等性能，使 C/C成為目前唯一可用于高溫達(dá) 2800 ?C的高溫復(fù)合材料（圖 11 – 1）。 表 11 – 1 典型三維正交增強(qiáng) C/C 復(fù)合材料性能 碳 /碳復(fù)合材料概述 ?如表 1所示， C/C具有許多優(yōu)異的性能。因葉片耐熱性提高，故可制造不需冷卻的高效發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。 ?將這種新材料置于 1700℃ 有 氧 環(huán)境下，放置 1000℃進(jìn)行 耐氧 試驗(yàn)，結(jié)果是其重量、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度均保持不變。此種新材料是先將 氧化鋁、氧化釔 混合在一起，然后將之放入特殊的容器里，待其 熔化 后，再精確地控制溫度使其 冷卻凝固 。 圖 1033 纖維搭橋 （ 4）纖維橋接（ Fiber Bridge） ?橋接機(jī)制適用于可阻止裂紋尖端、裂紋表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)的任何顯微結(jié)構(gòu)特征（顆粒、晶須等）。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)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。因此，纖維拔出是更重要的增韌機(jī)理。 當(dāng)纖維發(fā)生斷裂，此時(shí)纖維的最大長(zhǎng)度為 l c / 2 ，拔出每根纖維所做的最大功為： Q p= ? d l c2? / 8 = ? d2? fu l c / 16， ?Qp/ Qp=3 Ef / ?fu。纖維拔出需外力做功，因此起到增韌作用（圖 1032）。纖維首先脫粘才能拔出。 考慮纖維體積 Vf = （ ? d2/4） l ， 最大脫粘能 Qp =（ ? fu2 l cVf） / 12 Ef ； 因此，纖維體積比大、 l c大（即界面強(qiáng)度弱，因 l c 與界面應(yīng)力成反比），通過(guò)纖維脫粘達(dá)到的增韌效果最大。盡管單位面積的表面能很小，但所有脫粘纖維總的表面能則很大。 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。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)。 （ 1）裂紋彎曲（ Crackbowing）和偏轉(zhuǎn) ? 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)可繞著增強(qiáng)體傾斜發(fā)生偏轉(zhuǎn)或扭轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)（圖 1030a、 b）。 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。 （ 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（圖 1029），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。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 10229）。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）。 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）。 tm轉(zhuǎn)變具有馬氏體的特征，伴隨有 35%的體積膨脹。 （ 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。 （ 3）納米顆粒增強(qiáng)增韌 ? 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。當(dāng)基體與延性顆粒的 ?和 E值相等時(shí)，利用延性裂紋橋可達(dá)最佳增韌效果。 圖 1026 裂紋偏轉(zhuǎn)機(jī)理 （ 2）延性顆粒增韌 ?在脆性陶瓷基體中加入第二相延性顆粒能明顯提高材料的斷裂韌性。裂紋橋聯(lián)可能穿晶破壞，也有可能出現(xiàn)互鎖現(xiàn)象，即裂紋繞過(guò)橋聯(lián)元沿晶發(fā)展（裂紋偏轉(zhuǎn)）并形成摩擦橋（圖 1026）。 裂紋橋聯(lián)是一種裂紋尾部效應(yīng)。即使發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因偏轉(zhuǎn)程度較小，界面斷裂能低于基體斷裂能，增韌的幅度也較小。此時(shí)如果外力不再增加，則裂紋就在此釘扎，這就是裂紋釘扎增韌機(jī)理的本質(zhì)。但在同等條件下容易產(chǎn)生環(huán)向微裂紋。當(dāng)顆粒處于拉應(yīng)力狀態(tài)，而基體徑向處于拉伸狀態(tài)、切向處于壓縮狀態(tài)時(shí)，可能產(chǎn)生具有收斂性的環(huán)向微裂（圖 1024a）；當(dāng)顆粒處于壓應(yīng)力狀態(tài)，而基體徑向受壓應(yīng)力，切向處于拉應(yīng)力狀態(tài)，可能產(chǎn)生具有發(fā)散性的徑向微裂（圖 1024b）。彈性模量只在材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生微觀應(yīng)力再分布效應(yīng)；熱膨脹系數(shù)失配在第二相顆粒及周?chē)w內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力場(chǎng)是陶瓷得到增韌的主要根源。其中化學(xué)相容性是復(fù)合的前提。 ?在鋯剛玉莫來(lái)石中加入 1030 Vol%的 BN顆粒后，使臨界熱震性溫度從 400℃ 提高到700℃ 。陶瓷基復(fù)合材料改善了材料的抗熱震性?？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)。可以看出， 1100℃ 時(shí) 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。在相同的應(yīng)力下， 1500℃ 時(shí) SiCW /Al2O3復(fù)合材料的蠕變速率小于基體陶瓷。 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。對(duì)單晶陶瓷，通常發(fā)生純位錯(cuò)蠕變；對(duì)多晶陶瓷則晶界滑移，晶粒及晶界上空位運(yùn)動(dòng)和位錯(cuò)機(jī)制控制蠕變過(guò)程。 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(duì)溫度。因此在 800℃ 以上，空氣中的氧會(huì)穿過(guò)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。 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(shí)表現(xiàn)出不同的抗彎強(qiáng)度。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。隨溫度升高，基體陶瓷的斷裂韌性呈下降趨勢(shì)，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(shì)。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)。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。其性能反而下降；這是由于材料的致密度下降，同時(shí)引進(jìn)了更多的缺陷的緣故。 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(duì) SiCP /AlN性能的影響 圖 1018 SiCP粒徑對(duì)SiCP/AlN性能的影響 顆粒含量對(duì)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）。 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(jiàn)圖1016曲線 1）。 圖 1014 微晶玻璃基體的熱膨脹系數(shù)對(duì)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。 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(shí)，會(huì)導(dǎo)致纖維與基體界面結(jié)合的減弱甚至脫離。 ? 但當(dāng)纖維含量超過(guò)一定量時(shí)，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。 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(duì)于脆性材料，用彎曲和壓縮試驗(yàn)更能表征材料的強(qiáng)