提高無機(jī)材料強(qiáng)及改善韌性的途徑PPT課件

1、將塊體材料制成細(xì)纖維，強(qiáng)度大約提高一個(gè)數(shù)量級，而制成晶須則提高兩個(gè)數(shù)量級。晶須提高強(qiáng)度的主要 原因之一就是提高了晶體的完整性。晶須強(qiáng)度隨晶須截面直徑的增加而降低。第1頁/共22頁2.提高抗裂能力與預(yù)加應(yīng)力提高抗裂能力與預(yù)加應(yīng)力人為地預(yù)加應(yīng)力，在材料表面造成一層壓應(yīng)力層，可以提高人為地預(yù)加應(yīng)力，在材料表面造成一層壓應(yīng)力層，可以提高材料的抗拉強(qiáng)度。材料的抗拉強(qiáng)度。脆性斷裂通常是在拉應(yīng)力作用下，自表面開始斷裂。如果在脆性斷裂通常是在拉應(yīng)力作用下，自表面開始斷裂。如果在表面預(yù)加一層壓應(yīng)力，表面受到拉伸破壞之前首先要克服表表面預(yù)加一層壓應(yīng)力，表面受到拉伸破壞之前首先要克服表面上的殘余壓應(yīng)力。面上的殘余壓

2、應(yīng)力。通過加熱、冷卻，在表面層中引入殘余壓應(yīng)力的過程叫做熱通過加熱、冷卻，在表面層中引入殘余壓應(yīng)力的過程叫做熱韌化。韌化。（鋼化玻璃（鋼化玻璃 及氧化鋁及氧化鋁 P93-94）第2頁/共22頁3.化學(xué)強(qiáng)化化學(xué)強(qiáng)化當(dāng)熱韌化無法達(dá)到更高的表面殘余應(yīng)力時(shí)，采用化學(xué)強(qiáng)化，當(dāng)熱韌化無法達(dá)到更高的表面殘余應(yīng)力時(shí)，采用化學(xué)強(qiáng)化，即離子交換的辦法。即離子交換的辦法。通過改變表面化學(xué)組成，使表面的摩爾體積比內(nèi)部大。由通過改變表面化學(xué)組成，使表面的摩爾體積比內(nèi)部大。由于表面體積膨大而受到內(nèi)部材料的限制，產(chǎn)生兩向狀態(tài)的于表面體積膨大而受到內(nèi)部材料的限制，產(chǎn)生兩向狀態(tài)的壓應(yīng)力。壓應(yīng)力。（通常是用一種大的離子置換小的離

3、子，壓力層厚度在數(shù)（通常是用一種大的離子置換小的離子，壓力層厚度在數(shù)百微米內(nèi)百微米內(nèi) ）將表面拋光及化學(xué)處理以消除表面缺陷也能提高強(qiáng)度。將表面拋光及化學(xué)處理以消除表面缺陷也能提高強(qiáng)度。第3頁/共22頁4. 相變增韌相變增韌利用多晶多相陶瓷中某些成分在不同溫度的相變，從而增利用多晶多相陶瓷中某些成分在不同溫度的相變，從而增韌的效果，統(tǒng)稱為相變增韌。韌的效果，統(tǒng)稱為相變增韌。 （ZrO2 P95）在基體中，四方在基體中，四方ZrO2是高溫穩(wěn)定相，單斜是高溫穩(wěn)定相，單斜ZrO2是低溫穩(wěn)是低溫穩(wěn)定相。在低于相變溫度的條件下，由于受到基體約束力的定相。在低于相變溫度的條件下，由于受到基體約束力的抑制，未

4、轉(zhuǎn)化的四方抑制，未轉(zhuǎn)化的四方ZrO2相保持其介穩(wěn)狀態(tài)；當(dāng)基體的相保持其介穩(wěn)狀態(tài)；當(dāng)基體的約束力在外力作用下減弱或消失，粒子從高能態(tài)轉(zhuǎn)化為低約束力在外力作用下減弱或消失，粒子從高能態(tài)轉(zhuǎn)化為低能態(tài)的單斜相（發(fā)生相變），并在基體中引起微裂紋，吸能態(tài)的單斜相（發(fā)生相變），并在基體中引起微裂紋，吸收主裂紋擴(kuò)展的能量。收主裂紋擴(kuò)展的能量。第4頁/共22頁5. 彌散增韌彌散增韌在基體中加入在基體中加入 (或原位生成或原位生成) 具有一定顆粒尺寸的微細(xì)粉料，具有一定顆粒尺寸的微細(xì)粉料，達(dá)到增韌的效果，稱為彌散增韌。達(dá)到增韌的效果，稱為彌散增韌。添加的粉末可以是金屬粉末和陶瓷粉末。前者利用其塑性變添加的粉末可以

5、是金屬粉末和陶瓷粉末。前者利用其塑性變形來吸收彈性應(yīng)變能的釋放，增加了斷裂表面能，改善了韌形來吸收彈性應(yīng)變能的釋放，增加了斷裂表面能，改善了韌性。后者多存在于基體的晶界中，以高彈性模量和高溫強(qiáng)度性。后者多存在于基體的晶界中，以高彈性模量和高溫強(qiáng)度增加復(fù)合材料的斷裂表面能，特別是高溫?cái)嗔秧g性。增加復(fù)合材料的斷裂表面能，特別是高溫?cái)嗔秧g性。第5頁/共22頁第6頁/共22頁 不同Si含量試樣的斷口SEM照片 (a) Pure B4C；(b) B4C-4wt.%Si；(c) B4C-8wt.%Si；(d) B4C-12wt.%Si第7頁/共22頁 B4C基復(fù)合材料的裂紋擴(kuò)展 (a, b) Pure B

6、4C；(c, d) B4C-8wt.%Si第8頁/共22頁6. 纖維增韌纖維增韌在陶瓷中加入高彈性模量的纖維在陶瓷中加入高彈性模量的纖維（或晶須、納米管等具有較高（或晶須、納米管等具有較高長徑比的一維材料）長徑比的一維材料），受力時(shí)，由于纖維的強(qiáng)度及彈性模量，受力時(shí)，由于纖維的強(qiáng)度及彈性模量高，大部分應(yīng)力由纖維承受，減輕了陶瓷基體的負(fù)擔(dān)，而高，大部分應(yīng)力由纖維承受，減輕了陶瓷基體的負(fù)擔(dān)，而且，纖維還可以阻止裂紋擴(kuò)展。且，纖維還可以阻止裂紋擴(kuò)展。如用碳纖維增強(qiáng)石英玻璃，抗彎強(qiáng)度為純石英玻璃的如用碳纖維增強(qiáng)石英玻璃，抗彎強(qiáng)度為純石英玻璃的12倍，斷裂功提倍，斷裂功提高高2-3個(gè)數(shù)量級。個(gè)數(shù)量級。第

7、9頁/共22頁纖維的強(qiáng)化作用取決于纖維與基體的性質(zhì)、二者的結(jié)合強(qiáng)纖維的強(qiáng)化作用取決于纖維與基體的性質(zhì)、二者的結(jié)合強(qiáng)度以及纖維在基體中的排列方式等。度以及纖維在基體中的排列方式等。1) 應(yīng)選擇強(qiáng)度及彈性模量比基體高的纖維，使纖維盡可應(yīng)選擇強(qiáng)度及彈性模量比基體高的纖維，使纖維盡可能多地承擔(dān)外加負(fù)荷。能多地承擔(dān)外加負(fù)荷。（受力時(shí)，應(yīng)變相同時(shí)，應(yīng)力之比等于彈（受力時(shí)，應(yīng)變相同時(shí)，應(yīng)力之比等于彈性模量之比）。性模量之比）。2) 二者結(jié)合強(qiáng)度適當(dāng)。二者結(jié)合強(qiáng)度適當(dāng)。（P96）3) 應(yīng)力作用的方向應(yīng)與纖維平行，才能發(fā)揮纖維的作用。應(yīng)力作用的方向應(yīng)與纖維平行，才能發(fā)揮纖維的作用。第10頁/共22頁4) 二者的

8、熱膨脹系數(shù)要匹配。最好是纖維的熱膨脹系數(shù)二者的熱膨脹系數(shù)要匹配。最好是纖維的熱膨脹系數(shù)略大于基體。略大于基體。（復(fù)合材料燒結(jié)、冷卻后纖維受拉，基體受壓，起（復(fù)合材料燒結(jié)、冷卻后纖維受拉，基體受壓，起到預(yù)加應(yīng)力的作用）到預(yù)加應(yīng)力的作用）5) 要考慮高溫時(shí)的化學(xué)相容性。不能在高溫下發(fā)生降低要考慮高溫時(shí)的化學(xué)相容性。不能在高溫下發(fā)生降低纖維性能的化學(xué)反應(yīng)。纖維性能的化學(xué)反應(yīng)。第11頁/共22頁碳納米管碳納米管 (CNTs) 被認(rèn)為是石墨烯片被認(rèn)為是石墨烯片 (石墨的六角網(wǎng)格平石墨的六角網(wǎng)格平面面) 卷曲形成的中空碳籠管，而石墨烯片的碳卷曲形成的中空碳籠管，而石墨烯片的碳-碳碳sp2雜化雜化共價(jià)鍵是自

9、然界中最強(qiáng)的化學(xué)鍵之一，因此具有很高的強(qiáng)共價(jià)鍵是自然界中最強(qiáng)的化學(xué)鍵之一，因此具有很高的強(qiáng)度和韌性。度和韌性。第12頁/共22頁第13頁/共22頁第14頁/共22頁碳納米管電池 壽命提高10倍第15頁/共22頁實(shí)驗(yàn)測得實(shí)驗(yàn)測得MWNTs的的楊氏彈性楊氏彈性模量平均為模量平均為1.8 TPa，彎曲強(qiáng)，彎曲強(qiáng)度為度為14.2 GPa，抗拉強(qiáng)度約為鋼的，抗拉強(qiáng)度約為鋼的100倍，而密度卻只有倍，而密度卻只有鋼的鋼的1/71/6。CNTs可以承受可以承受100萬個(gè)大氣壓的壓力而不破萬個(gè)大氣壓的壓力而不破裂，可能是目前比強(qiáng)度和比剛度最高的材料，極有可能取裂，可能是目前比強(qiáng)度和比剛度最高的材料，極有可能取代目前亞微米級晶須增韌材料、纖維增強(qiáng)體材料而成為超代目前亞微米級晶須增韌材料、纖維增強(qiáng)體材料而成為超強(qiáng)材料。另外，強(qiáng)材料。另外，CNTs具有非常優(yōu)異的電、熱性能及力學(xué)具有非常優(yōu)異的電、熱性能及力學(xué)性能，已被廣泛用作聚合物、金屬、陶瓷等基體材料的改性能，已被廣泛用作聚合物、金屬、陶瓷等基體材料的改性及增強(qiáng)劑性及增強(qiáng)劑。第16頁/共22頁表面修飾劑PVP對未經(jīng)硝酸處理MWCNTs形貌的影響(a) 原始MWCNTs；(b) 加入分散劑第17頁/共22頁B4C-Si體系添加不同含量MWCNTs試樣