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陶瓷基复合材料的界面及强韧化理论

发布时间:2022-09-10 02:58:15 来源:雷火官方竞技网站 作者:雷火官方官网平台

内容简介:  陶瓷基复合材料具有优良的性能,如高强度、高硬度、高弹性模量、热稳定性等。被认为是理想的耐高温结构...

  陶瓷基复合材料具有优良的性能,如高强度、高硬度、高弹性模量、热稳定性等。被认为是理想的耐高温结构材料。界面为陶瓷基复合材料的一个重要组成部分,其组织结构、力学性能和失效规律直接影响复合材料整体的力学性能,所以界面特性的研究对陶瓷基复合材料力学性能的影响具有重要意义。

  陶瓷基复合材料界面的作用主要为:(1) 传递作用:界面层需要具备一定的强度,将载荷由基体传递至主承力结构增强纤维;(2) 隔离作用:在高温或者有氧环境下,界面层可以抑制基体和纤维之间的扩散反应,导致结合强度增加,保持材料优异的韧性;(3) 保护作用:减缓和避免纤维在制备过程中因高温或化学反应引起的损伤;(4) 应力缓释作用:裂纹由基体传递至界面层时,在界面处或者界面层内部发生偏转,拓展裂纹传递的途径,提升材料的强度和韧性。

  陶瓷基复合材料的界面一方面应强到足以传递轴向载荷并具有高的横向强度;另一方面要弱到足以沿界面发生横向裂纹及裂纹偏转直到纤维的拔出。界面的结合形式主要有 :(1)机械结合,即摩擦结合。它决定于纤维的比表面和粗糙度。同时,复合材料中内应力,如纤维与基体间热膨胀系数不同而产生的残余热应力,也是形成这种结合的重要原因,它在陶瓷基复合材料中起着很重要的作用;(2)化学结合。因此应尽量避免这种结合;(3)互扩散结合。纤维与基体间的互扩散程度主要取决于两种的化学性质,这种互扩散不仅导致纤维与基体间的较强结合,而且还大幅度降低纤维本身的性能;(4)物理结合。主要是指范德华力和氢键。实验证明,以机械结合和物理结合为主的界面结合易使复合 材料具有较好的力学性能,因此这两种结合方式是较为理想的界面结合方式。

  陶瓷基复合材料在高温下,基体和原子扩散增强,更容易在界面形成固溶体和化合物,韧性较差。此时,其界面为一定厚度的反应区,与基体和钢筋结合较好,但通常是脆性的,严重制约了其优良的性能和实际应用。因此,提高陶瓷材料的脆性是陶瓷基复合材料发展的主要课题之一。为了提高复合材料的韧性,必须改善材料破坏时所消耗的能量,寻找新的吸能机制。因此,陶瓷基复合材料的强韧化可以作为一种新的能量吸收机制来提高其韧性。陶瓷基复合材料的强韧化技术主要有纤维增韧或晶须增韧、相变增韧、自增韧和纳米颗粒增韧等。

  (1)纤维或晶须增韧:增韧机理主要是纤维(晶须)的拉伸和桥联作用,纤维(晶须)增韧的作用取决于 纤维(晶须)和陶瓷基复合材料的结合强度、排列方式、纤维含量和长度/直径比等。任何固体材料在 负载下(静态或冲击)吸收能量的方式不外为两种:材料变形和新表面的形成。对于脆性基体和纤 维,允许变形很小,所以变形吸收的断裂能很小。为了提高材料的能量吸收率,只能增加断裂面, 即增加裂纹扩展路径。

  (2)相变增韧:主要用于提高陶瓷材料的断裂韧性和抗弯强度。增韧机理主要包括:裂纹尖端的 应力场引起的体积膨胀和断裂表面吸收能量,相变诱发的残余压应力,防止裂纹的增长使他们转动、 分叉,相变诱发微裂纹和晶粒细化。由于碳化硅陶瓷具有优异的力学性能、低的热导率和良好的抗 热震性,使其成为一种有前途的新型结构陶瓷。

  (3)自韧化:自增韧是晶须或短纤维的增韧效果,将添加剂或晶种引入使其生长为板状或棍棒的形 态从而产生增韧效果,增韧机理主要包括晶粒拔出、裂纹桥接、裂纹偏转等。在烧结过程中,添加 剂在晶界形成液相,诱导晶粒长大。有两个原因:第一,与晶体表面和液体表面的润湿性不同,其 具有不同的晶体表面能,致使晶粒在不同方向上生长;第二,晶界处液相不连续造成液相传输带来 的不同,致使晶面生长速度不同。从现有的研究结果来看,采用球磨方式引入晶种诱导晶粒长大,获得最佳的断裂韧性是比较成功的。

  (4)纳米颗粒增韧:纳米颗粒增韧是近年来最常用的增韧方法之一。与传统的微米级颗粒相比,纳米颗粒具有比表面积大、表面能高的优点,有助于降低烧结温度,加快致密化进程。用金属或金属颗粒作为增韧相,不仅可以细化晶粒,改善烧结性能,可以以各种不同的方式阻止裂纹扩展,如金属粒子的拔出、塑性变形和裂纹桥联、偏转、钉扎等。利用颗粒增韧剂制备颗粒增韧陶瓷基复合材料,有利于提高复合材料的抗弯曲轻度和断裂韧性,其原料的均匀分散及烧结致密化都比短纤维及晶须复合材料简便易行。

  陶瓷基复合材料已广泛应用于刀具、滑动部件、发动机零件、能量元件等领域。法国采用长纤维增强碳化硅复合材料对制造高速列车制动部件,其具有良好的摩擦磨损特性,取得了满意的效果。但有一个致命弱点就是具有脆性。当它处于应力状态时,会开裂甚至断裂,导致材料失效,因此严重限制其作为结构材料的应用。具有高强度、高弹性的纤维和基体复合,是提高陶瓷基复合材料韧性和可靠性的有效方法,可以防止裂纹的产生及扩展,从而获得具有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。碳纤维具有比强度高、比模量高、高温力学性能好、热性能好等优点,在惰性气氛下2000℃时基本保持强度不变。碳纤维增强碳化硅复合材料用于提高材料在断裂过程中的强度,如纤维拔出、纤维搭桥、裂纹偏转等,使材料表现为非脆性断裂。纤维增强材料的引入是提高材料断裂韧性的有效方法之一。因此,碳纤维及其织物加固技术已成为今年来复合材料的研究热点。

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