復(fù)合材料第八章陶瓷基復(fù)合材料-在線瀏覽
2025-03-09 03:40本頁(yè)面
【正文】 Pa.m1/2) SiCw含量（ vol%） 彎曲強(qiáng)度?f (MPa) SiCw含量（ vol%） 維氏硬度HV(GPa) 彈性模量E(GPa) SiCw含量（ vol%） ZrO2 (Y2 O3 )復(fù)合材料的力學(xué)性能 52 SiCw含量（ vol%） 維氏硬度HV(GPa) 彈性模量E(GPa) SiCw含量（ vol%） 彎曲強(qiáng)度?f (MPa) SiCw含量（ vol%） 斷裂韌性KIC (MPa.m1/2) Al2 O3 + SiCw復(fù)合材料的力學(xué)性能 53 從上面兩個(gè)圖中可以看出，兩種材料的 彈性模量 、 硬度 及 斷裂韌性 均 隨著 SiCw含量的增加 而提高。 55 這可解釋為由于 SiCw含量高時(shí) 造成熱失配過大 ，同時(shí) 使致密化困難 而 引起密度下降 ，從而使 界面強(qiáng)度降低 ， 導(dǎo)致了復(fù)合材料強(qiáng)度的下降 。 由此可見， SiCw對(duì)陶瓷材料 同時(shí)具有增強(qiáng)和增韌的效果 。 58 為了克服這一弱點(diǎn)，可采用 顆粒來 代替晶須 制成復(fù)合材料，這種復(fù)合材料在 原料的混合均勻化 及 燒結(jié)致密化方面 均比晶 須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料要容易。 目前，這些復(fù)合材料已廣泛用來 制造刀具 。 斷裂強(qiáng)度?f (MPa) SiCp含量 (vol%) 從中可以看出，在 5％ SiCp時(shí) 強(qiáng)度出現(xiàn)峰值。 SiCp含量（ vol%） 斷裂韌性KIC (MP1/2) SiCp含量（ vol%） 彎曲強(qiáng)度?f (MPa) 從中可以看出，在 SiCp含量為 5％時(shí) 強(qiáng)度及韌性達(dá)到了最高值。 晶須 的 增強(qiáng)增韌效果好 ，但 含量高時(shí)會(huì)使致密度下降 ； 顆粒 可克服晶須的這一弱點(diǎn)，但其 增強(qiáng)增韌效果卻不如晶須 。 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。 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(qiáng)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(qiáng)度與斷裂韌性 67 SiCw與 ZrO2復(fù)合增韌 Al2O3的強(qiáng)度與斷裂韌性 Al2O3+20mol%SiCw+ZrO2(Y2O3) ZrO2含量 (vol%) 彎曲強(qiáng)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(qiáng)度 與 韌性 均呈上升趨勢(shì) ，在 20％ SiCw及 30％ ZrO2(Y2O3)時(shí) ，復(fù)合材抖的 ?f達(dá) 1200MPa。 這比 單獨(dú)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(qiáng)化的效果 。 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(dú)用 SiCw與莫來石 制得的復(fù)合材料的性能好得多。 73 若 基體與增強(qiáng)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(shí) ， 陶瓷的收縮 大于 增強(qiáng)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 ~。 75 實(shí)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(qiáng)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 。例如 Al2O3f/SiO2系中會(huì)發(fā)生反應(yīng)形成 強(qiáng)的化學(xué)鍵結(jié)合 。 對(duì)于陶瓷基復(fù)合材料的 界面 來說，一方面應(yīng)強(qiáng)到 足以傳遞軸向載荷， 并具有 高的橫向強(qiáng)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 。 79 強(qiáng)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 。 81 若 界面結(jié)合較弱 ， 當(dāng)基體中的裂紋擴(kuò)展至纖維時(shí) ，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)。 83 界面性能的改善 為獲得 最佳的界面結(jié)合強(qiáng)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 。 85 C和 BN是最常用的涂層，此外還有SiC、 ZrO2和 SnO2涂層。 86 纖維上的涂層除了可以改變復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度 外，對(duì)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(jī)械損壞。 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 。 以 晶須增強(qiáng)陶瓷基 復(fù)合材料為例，來對(duì)其 強(qiáng)韌化機(jī)理 進(jìn)行探討。 91 研究結(jié)果表明， 晶須的拔出長(zhǎng)度存在一個(gè) 臨界值 lpo， 當(dāng) 晶須的某一端距主裂紋距離 小于這一臨界值 時(shí)，則晶須從此端拔出 ，此時(shí)的 拔出長(zhǎng)度小于臨界拔出長(zhǎng)度 lpo ； 92 如果 晶須的兩端到主裂紋的距離均 大于臨界拔出長(zhǎng)度 時(shí)， 晶須在拔出過程中產(chǎn)生斷裂 ， 斷裂長(zhǎng)度仍小于臨界拔出長(zhǎng)度 lpo ； 93 界面結(jié)合強(qiáng)度 直接影響了復(fù)合材料的 韌化機(jī)制 與 韌化效果 。 94 但另一方面， 界面強(qiáng)度的提高 有利于 載荷轉(zhuǎn)移 ，因而 提高了強(qiáng)化效果 。 95 下圖為 SiCw/ ZrO2材料的 載荷 位移 曲線。
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