章陶瓷基復(fù)合材料實(shí)用教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1章陶瓷章陶瓷(toc)基復(fù)合材料基復(fù)合材料第一頁(yè)，共45頁(yè)。2基體普遍基體普遍(pbin)特點(diǎn)：特點(diǎn)：基體，是一種包括范圍很廣的材料，屬于基體，是一種包括范圍很廣的材料，屬于而不而不是單質(zhì)，所以它的結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比金屬合金復(fù)雜得多。是單質(zhì)，所以它的結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比金屬合金復(fù)雜得多。 陶瓷材料中的化學(xué)鍵往往是介于陶瓷材料中的化學(xué)鍵往往是介于離子鍵與共價(jià)鍵離子鍵與共價(jià)鍵之間的混合鍵。之間的混合鍵。第1頁(yè)/共45頁(yè)第二頁(yè)，共45頁(yè)。3化合物化合物熔點(diǎn)熔點(diǎn)/化合物化合物熔點(diǎn)熔點(diǎn)/化合物化合物熔點(diǎn)熔點(diǎn)/Al2O32054ZnO1975ZrN2980ZrO22677TiO21857Ti2B2897莫來(lái)石莫來(lái)石18

2、50SiC2837TiC3070一些一些(yxi)(yxi)陶瓷材料的熔點(diǎn)陶瓷材料的熔點(diǎn)/ / 第2頁(yè)/共45頁(yè)第三頁(yè)，共45頁(yè)。4第3頁(yè)/共45頁(yè)第四頁(yè)，共45頁(yè)。5u 如何實(shí)現(xiàn)陶瓷的韌性化問(wèn)題成了近年來(lái)陶瓷開(kāi)發(fā)的一如何實(shí)現(xiàn)陶瓷的韌性化問(wèn)題成了近年來(lái)陶瓷開(kāi)發(fā)的一個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題。個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題。u 向陶瓷材料中加入起增韌作用的第二相、制成陶瓷基向陶瓷材料中加入起增韌作用的第二相、制成陶瓷基復(fù)合材料復(fù)合材料(f h ci lio)(f h ci lio)是解決陶瓷增韌的重要手段是解決陶瓷增韌的重要手段。10.1 陶瓷陶瓷(toc)基體基體第4頁(yè)/共45頁(yè)第五頁(yè)，共45頁(yè)。6現(xiàn)代現(xiàn)代(xindi)(xin

3、di)陶瓷材料最早源于硅酸鹽材料，逐陶瓷材料最早源于硅酸鹽材料，逐漸擴(kuò)大到其他的無(wú)機(jī)非金屬材料。漸擴(kuò)大到其他的無(wú)機(jī)非金屬材料。 如：碳化硅、氮化硅、氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂如：碳化硅、氮化硅、氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂優(yōu)點(diǎn)：耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、重量輕和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)：耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、重量輕和價(jià)格低等10.1 陶瓷陶瓷(toc)基體基體第5頁(yè)/共45頁(yè)第六頁(yè)，共45頁(yè)。7 常見(jiàn)的陶瓷基體有：常見(jiàn)的陶瓷基體有：（1）氧化物基體）氧化物基體 （2）非氧化物基體）非氧化物基體 金屬金屬(jnsh)碳化物，氮化物、硼化物等碳化物，氮化物、硼化物等 （3）微晶玻璃）微晶玻璃 10.1 陶瓷陶瓷(toc

4、)基體基體第6頁(yè)/共45頁(yè)第七頁(yè)，共45頁(yè)。810.1.1 氧化物陶瓷氧化物陶瓷(toc) 第7頁(yè)/共45頁(yè)第八頁(yè)，共45頁(yè)。91）氧化鋁陶瓷）氧化鋁陶瓷(toc)的主要性能的主要性能 主要有具有主要有具有、和和三種晶型，其中三種晶型，其中和和型是純氧化鋁型是純氧化鋁，而，而型是含堿的鋁酸鹽型是含堿的鋁酸鹽 基體材料的氧化鋁陶瓷主要是基體材料的氧化鋁陶瓷主要是-Al2O3，純度為，純度為9999.5，密度，密度3.753.85g/cm3，熔點(diǎn)，熔點(diǎn)2054。 剛玉瓷具有很好的機(jī)械強(qiáng)度剛玉瓷具有很好的機(jī)械強(qiáng)度(qingd)，加熱到，加熱到16001700仍保持很高的機(jī)械強(qiáng)度仍保持很高的機(jī)械強(qiáng)度(

5、qingd)。 化學(xué)穩(wěn)定性好，與酸堿都不發(fā)生作用，常溫下，也不與化學(xué)穩(wěn)定性好，與酸堿都不發(fā)生作用，常溫下，也不與氫氟酸發(fā)生作用。具有很好的介電性，同時(shí)還可以作為透氫氟酸發(fā)生作用。具有很好的介電性，同時(shí)還可以作為透光度為光度為80以上的制品。以上的制品。 10.1.1 氧化物陶瓷氧化物陶瓷(toc) 第8頁(yè)/共45頁(yè)第九頁(yè)，共45頁(yè)。1010.1.1 氧化物陶瓷氧化物陶瓷(toc) 第9頁(yè)/共45頁(yè)第十頁(yè)，共45頁(yè)。11 u單斜變四方時(shí)體積收縮單斜變四方時(shí)體積收縮7.7，晶型轉(zhuǎn)變產(chǎn)生明顯的體，晶型轉(zhuǎn)變產(chǎn)生明顯的體積收縮或膨脹，可以加入一些的穩(wěn)定劑，如積收縮或膨脹，可以加入一些的穩(wěn)定劑，如CaO、

6、MgO等，保持氧化鋯的四方結(jié)構(gòu)。等，保持氧化鋯的四方結(jié)構(gòu)。u氧化鋯熔點(diǎn)氧化鋯熔點(diǎn)2667，熱的不良導(dǎo)體，化學(xué)性能穩(wěn)定。，熱的不良導(dǎo)體，化學(xué)性能穩(wěn)定。可作為耐火材料，熔融鉑、銠、鈦等金屬的坩鍋，最高可作為耐火材料，熔融鉑、銠、鈦等金屬的坩鍋，最高溫度溫度(wnd)可達(dá)可達(dá)2500?？捎米骰鸺蛧姎獍l(fā)動(dòng)機(jī)的耐?？捎米骰鸺蛧姎獍l(fā)動(dòng)機(jī)的耐腐蝕部件。腐蝕部件。 10.1.1 氧化物陶瓷氧化物陶瓷(toc) 第10頁(yè)/共45頁(yè)第十一頁(yè)，共45頁(yè)。1210.1.2 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷(toc) p在自然界很少，需要人工合成。在自然界很少，需要人工合成。p非氧化物陶瓷主要是共價(jià)鍵結(jié)合而成，但也有一非氧

7、化物陶瓷主要是共價(jià)鍵結(jié)合而成，但也有一定的金屬鍵成分。定的金屬鍵成分。p這類(lèi)陶瓷材料的熔點(diǎn)高、硬度大和耐磨性好。具這類(lèi)陶瓷材料的熔點(diǎn)高、硬度大和耐磨性好。具有特殊的電磁和化學(xué)性質(zhì)。有特殊的電磁和化學(xué)性質(zhì)。p但這類(lèi)材料的脆性大，高溫抗氧化能力不高，所但這類(lèi)材料的脆性大，高溫抗氧化能力不高，所以以(suy)(suy)在高溫氧化氣氛中使用壽命有限。在高溫氧化氣氛中使用壽命有限。p常見(jiàn)的基體材料有碳化硅和氮化硅陶瓷。常見(jiàn)的基體材料有碳化硅和氮化硅陶瓷。 第11頁(yè)/共45頁(yè)第十二頁(yè)，共45頁(yè)。13u和和兩種晶型，兩種晶型， 為六方型多層鏈狀結(jié)構(gòu)。為六方型多層鏈狀結(jié)構(gòu)。型為立方結(jié)構(gòu)，在型為立方結(jié)構(gòu)，在21

8、00轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)樾?。型。u無(wú)熔點(diǎn)，在無(wú)熔點(diǎn)，在2830發(fā)生分解。理論密度發(fā)生分解。理論密度3.21g/cm3，莫氏硬度，莫氏硬度9.2，耐磨性好，導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)，耐磨性好，導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)4.710-6/。u化學(xué)穩(wěn)定性好，除磷酸、硝酸和氫氟酸混合酸外，與所有的酸都化學(xué)穩(wěn)定性好，除磷酸、硝酸和氫氟酸混合酸外，與所有的酸都不反應(yīng)。碳化物中抗氧化能力最好不反應(yīng)。碳化物中抗氧化能力最好(zu ho)。高溫下能與金屬氧化。高溫下能與金屬氧化物發(fā)生反應(yīng)。物發(fā)生反應(yīng)。u工業(yè)陶瓷中碳化硅有黑色和綠色兩種，黑色是碳過(guò)量，綠色是硅工業(yè)陶瓷中碳化硅有黑色和綠色兩種，黑色是碳過(guò)量，綠色是硅過(guò)量。過(guò)量。10.

9、1.2 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷(toc) 第12頁(yè)/共45頁(yè)第十三頁(yè)，共45頁(yè)。14u氮和硅的唯一化合物。有氮和硅的唯一化合物。有、兩中晶型，兩中晶型，屬于低溫型，在屬于低溫型，在14001600時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)樾停ǜ邷胤€(wěn)定型）。型（高溫穩(wěn)定型）。u兩種變體均屬于六方晶系，但兩種變體均屬于六方晶系，但c方向上方向上型晶格常數(shù)型晶格常數(shù)(chngsh)型的型的2倍。兩種晶型密度很相近，相變時(shí)幾乎不發(fā)生體積變化倍。兩種晶型密度很相近，相變時(shí)幾乎不發(fā)生體積變化 。理。理論密度為論密度為3.184g/cm3，布氏硬度，布氏硬度99級(jí)，分解溫度級(jí)，分解溫度1900，型膨脹型膨脹系數(shù)為系數(shù)為3.010-

10、6/, 型熱膨脹系數(shù)為型熱膨脹系數(shù)為3.610-6/。u20時(shí)電阻率為時(shí)電阻率為101314cm。機(jī)械強(qiáng)度高，尤其是高溫機(jī)械強(qiáng)。機(jī)械強(qiáng)度高，尤其是高溫機(jī)械強(qiáng)度?；瘜W(xué)穩(wěn)定性好，抗氧化能力強(qiáng)。度?；瘜W(xué)穩(wěn)定性好，抗氧化能力強(qiáng)。10.1.2 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷(toc) 第13頁(yè)/共45頁(yè)第十四頁(yè)，共45頁(yè)。15u氮化硅是一種出色的耐腐蝕材料，可用作坩鍋，熱電偶保氮化硅是一種出色的耐腐蝕材料，可用作坩鍋，熱電偶保護(hù)管，金屬冶煉爐的內(nèi)襯材料。有極高的熱穩(wěn)定性和中等的護(hù)管，金屬冶煉爐的內(nèi)襯材料。有極高的熱穩(wěn)定性和中等的機(jī)械強(qiáng)度，可以用作火箭噴嘴、導(dǎo)彈機(jī)械強(qiáng)度，可以用作火箭噴嘴、導(dǎo)彈(dodn)(do

11、dn)發(fā)射臺(tái)和尾氣發(fā)射臺(tái)和尾氣噴管以及燃?xì)廨喨~片。噴管以及燃?xì)廨喨~片。 u氮化硅原子自擴(kuò)散系數(shù)非常小，制備難，近年來(lái)人們開(kāi)始氮化硅原子自擴(kuò)散系數(shù)非常小，制備難，近年來(lái)人們開(kāi)始研究添加氧化鋁形成的氮化硅固溶體形成研究添加氧化鋁形成的氮化硅固溶體形成SialonSialon陶瓷（賽隆陶瓷（賽隆，含有，含有SiSi、AlAl、O O、N N四種元素）。四種元素）。 10.1.2 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷(toc) 第14頁(yè)/共45頁(yè)第十五頁(yè)，共45頁(yè)。16u玻璃組成中引入晶核劑，通過(guò)熱處理、光照或玻璃組成中引入晶核劑，通過(guò)熱處理、光照或化學(xué)處理等手段，使玻璃內(nèi)均勻析出大量微小晶化學(xué)處理等手段，使玻璃

12、內(nèi)均勻析出大量微小晶體，形成致密體，形成致密(zhm)(zhm)的微晶相和玻璃相的多相復(fù)的微晶相和玻璃相的多相復(fù)合體。合體。u控制析出的微晶的種類(lèi)、數(shù)量和尺寸，可以獲控制析出的微晶的種類(lèi)、數(shù)量和尺寸，可以獲得透明微晶玻璃、膨脹系數(shù)為零的微晶玻璃及可得透明微晶玻璃、膨脹系數(shù)為零的微晶玻璃及可切削的微晶玻璃。按照基礎(chǔ)玻璃組成，分為硅酸切削的微晶玻璃。按照基礎(chǔ)玻璃組成，分為硅酸鹽、鋁硅酸鹽、硼硅酸鹽、硼酸鹽和磷酸鹽鹽、鋁硅酸鹽、硼硅酸鹽、硼酸鹽和磷酸鹽5 5大類(lèi)大類(lèi) 第15頁(yè)/共45頁(yè)第十六頁(yè)，共45頁(yè)。17幾何尺寸上增強(qiáng)體可分為三類(lèi)：幾何尺寸上增強(qiáng)體可分為三類(lèi)： 纖維纖維(xinwi)(xinwi

13、)(長(zhǎng)、短纖維長(zhǎng)、短纖維(xinwi)(xinwi) 晶須晶須 顆粒顆粒第16頁(yè)/共45頁(yè)第十七頁(yè)，共45頁(yè)。18第17頁(yè)/共45頁(yè)第十八頁(yè)，共45頁(yè)。19 對(duì)于對(duì)于(duy)陶瓷基復(fù)合材料來(lái)講，界面的陶瓷基復(fù)合材料來(lái)講，界面的粘結(jié)形式主要有兩種：粘結(jié)形式主要有兩種：(1) 機(jī)械粘結(jié)機(jī)械粘結(jié)(2) 化學(xué)粘結(jié)化學(xué)粘結(jié)第18頁(yè)/共45頁(yè)第十九頁(yè)，共45頁(yè)。20 由于陶瓷基復(fù)合材料往往是在高溫條件下制由于陶瓷基復(fù)合材料往往是在高溫條件下制備，而且往往在高溫環(huán)境中工作備，而且往往在高溫環(huán)境中工作 因此增強(qiáng)體與陶瓷之間容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形因此增強(qiáng)體與陶瓷之間容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成成(xngchng)化學(xué)粘結(jié)

14、的界面層或反應(yīng)層?；瘜W(xué)粘結(jié)的界面層或反應(yīng)層。若基體與增強(qiáng)體之間不發(fā)生反應(yīng)或控制它們?nèi)艋w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(lái)時(shí)，陶瓷之間發(fā)生反應(yīng)，那么當(dāng)從高溫冷卻下來(lái)時(shí)，陶瓷的收縮大于增強(qiáng)體，此時(shí)會(huì)形成的收縮大于增強(qiáng)體，此時(shí)會(huì)形成(xngchng)較強(qiáng)較強(qiáng)的機(jī)械結(jié)合。的機(jī)械結(jié)合。第19頁(yè)/共45頁(yè)第二十頁(yè)，共45頁(yè)。21可以推出由于收縮而產(chǎn)生可以推出由于收縮而產(chǎn)生(chnshng)的徑向壓的徑向壓應(yīng)力應(yīng)力 r 與界面剪應(yīng)力與界面剪應(yīng)力的關(guān)系：的關(guān)系：此外，基體在高溫時(shí)為液體此外，基體在高溫時(shí)為液體( (或粘性體或粘性體) )，它也可，它也可滲入或浸入纖維滲入或浸入

15、纖維(xinwi)(xinwi)表面的縫隙等缺陷處，冷表面的縫隙等缺陷處，冷卻后形成機(jī)械結(jié)合。卻后形成機(jī)械結(jié)合。第20頁(yè)/共45頁(yè)第二十一頁(yè)，共45頁(yè)。22實(shí)際上，高溫下原子的活性增大，原子的擴(kuò)散速度實(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)較室溫大的多，由于增強(qiáng)(zngqing)體與陶瓷基體的原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。子擴(kuò)散，在界面上更易形成固溶體和化合物。此時(shí)，增強(qiáng)此時(shí)，增強(qiáng)(zngqing)體與基體之間的界面是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(qiáng)具有一定厚度的界面反應(yīng)區(qū)，它與基體和增強(qiáng)(zngqing)體都能

16、較好的結(jié)合，但通常是脆性的。體都能較好的結(jié)合，但通常是脆性的。例如例如Al2O3f/SiO2系中會(huì)發(fā)生反應(yīng)形成強(qiáng)的化學(xué)鍵結(jié)系中會(huì)發(fā)生反應(yīng)形成強(qiáng)的化學(xué)鍵結(jié)合。合。第21頁(yè)/共45頁(yè)第二十二頁(yè)，共45頁(yè)。23對(duì)于陶瓷基復(fù)合材料對(duì)于陶瓷基復(fù)合材料(f h ci lio)(f h ci lio)來(lái)講，界面粘來(lái)講，界面粘結(jié)性能影響陶瓷基體和復(fù)合材料結(jié)性能影響陶瓷基體和復(fù)合材料(f h ci lio)(f h ci lio)的斷裂的斷裂行為。行為。對(duì)于陶瓷基復(fù)合材料對(duì)于陶瓷基復(fù)合材料(f h ci lio)(f h ci lio)的界面來(lái)說(shuō)：的界面來(lái)說(shuō)： 一方面一方面, ,應(yīng)強(qiáng)到足以傳遞軸向載荷，并具有高

17、的橫向強(qiáng)度應(yīng)強(qiáng)到足以傳遞軸向載荷，并具有高的橫向強(qiáng)度； 另一方面，陶瓷基復(fù)合材料另一方面，陶瓷基復(fù)合材料(f h ci lio)(f h ci lio)的界面要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。因此，陶瓷基復(fù)合材料因此，陶瓷基復(fù)合材料(f h ci lio)(f h ci lio)界面要有一個(gè)最界面要有一個(gè)最佳的界面強(qiáng)度。佳的界面強(qiáng)度。第22頁(yè)/共45頁(yè)第二十三頁(yè)，共45頁(yè)。24第23頁(yè)/共45頁(yè)第二十四頁(yè)，共45頁(yè)。25 若界面結(jié)合較弱，當(dāng)基體中的若界面結(jié)合較弱，當(dāng)基體中的裂紋擴(kuò)展至纖維時(shí)，將導(dǎo)致界面裂紋擴(kuò)展至纖維時(shí)

18、，將導(dǎo)致界面脫粘，其后裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)、裂紋脫粘，其后裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)、裂紋搭橋、纖維斷裂以致最后搭橋、纖維斷裂以致最后(zuhu)(zuhu)纖維拔出纖維拔出( (圖圖 b) b)。裂紋的偏轉(zhuǎn)、搭橋、斷裂以致最后纖維拔出等，這些過(guò)程裂紋的偏轉(zhuǎn)、搭橋、斷裂以致最后纖維拔出等，這些過(guò)程都要吸收能量都要吸收能量(nngling)，從而提高復(fù)合材料的斷裂韌性，避，從而提高復(fù)合材料的斷裂韌性，避免了突然的脆性失效。免了突然的脆性失效。第24頁(yè)/共45頁(yè)第二十五頁(yè)，共45頁(yè)。26另一方面，陶瓷基復(fù)合材料另一方面，陶瓷基復(fù)合材料(f h ci lio)的界面要弱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

19、的拔出。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。因此，陶瓷基復(fù)合材料因此，陶瓷基復(fù)合材料(f h ci lio)界面要有一個(gè)最界面要有一個(gè)最佳的界面強(qiáng)度。佳的界面強(qiáng)度。第25頁(yè)/共45頁(yè)第二十六頁(yè)，共45頁(yè)。27為獲得最佳的界面結(jié)合強(qiáng)度為獲得最佳的界面結(jié)合強(qiáng)度 完全避免界面間的化學(xué)反應(yīng)完全避免界面間的化學(xué)反應(yīng) 或或 盡量降低盡量降低(jingd)(jingd)界面間的化學(xué)反應(yīng)程度和范圍界面間的化學(xué)反應(yīng)程度和范圍第26頁(yè)/共45頁(yè)第二十七頁(yè)，共45頁(yè)。28在實(shí)際應(yīng)用中，除選擇纖維和基體在加工和使用期間能在實(shí)際應(yīng)用中，除選擇纖維和基體在加工和使用期間能形成穩(wěn)定的熱力學(xué)界面外，最常用的方法

20、就是在與基體復(fù)合形成穩(wěn)定的熱力學(xué)界面外，最常用的方法就是在與基體復(fù)合之前之前(zhqin)，往增強(qiáng)材料表面上沉積一層薄的涂層。，往增強(qiáng)材料表面上沉積一層薄的涂層。C和和BN是最常用是最常用(chn yn)的涂層，此外還的涂層，此外還有有SiC、ZrO2和和SnO2涂層。涂層。涂層的厚度通常在涂層的厚度通常在0.11um，涂層的選擇取決，涂層的選擇取決于纖維、基體、加工和服役要求。于纖維、基體、加工和服役要求。纖維上的涂層除了可以改變復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)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)作用度外，對(duì)纖維還可起到保護(hù)作用(zuyng)，避免在加工，避免在加工和處理過(guò)程

21、中造成纖維的機(jī)械損壞。和處理過(guò)程中造成纖維的機(jī)械損壞。第27頁(yè)/共45頁(yè)第二十八頁(yè)，共45頁(yè)。29莫來(lái)石纖維莫來(lái)石纖維(xinwi)上未涂上未涂BN涂層涂層莫來(lái)石纖維莫來(lái)石纖維(xinwi)上涂有上涂有BN涂層涂層從圖中可看出，若纖維未涂從圖中可看出，若纖維未涂BN涂層，則復(fù)合材料的斷面呈涂層，則復(fù)合材料的斷面呈現(xiàn)為脆性的平面斷裂；而經(jīng)現(xiàn)為脆性的平面斷裂；而經(jīng)CVD沉積沉積(chnj)0.2um的的BN涂層后涂層后，斷面上可見(jiàn)到大量的纖維拔出。，斷面上可見(jiàn)到大量的纖維拔出。增強(qiáng)增強(qiáng)復(fù)合材料的復(fù)合材料的斷裂行為差異斷裂行為差異：第28頁(yè)/共45頁(yè)第二十九頁(yè)，共45頁(yè)。30一、纖維增韌機(jī)理一、纖維

22、增韌機(jī)理(j l)二、晶須增韌機(jī)理二、晶須增韌機(jī)理(j l)三、顆粒增韌機(jī)理三、顆粒增韌機(jī)理(j l)10.2.2 陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)韌陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)韌(qin rn)化化機(jī)理機(jī)理第29頁(yè)/共45頁(yè)第三十頁(yè)，共45頁(yè)。31一、纖維一、纖維(xinwi)增韌機(jī)理增韌機(jī)理纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變應(yīng)變(yngbin)曲線曲線第30頁(yè)/共45頁(yè)第三十一頁(yè)，共45頁(yè)。32（a）纖維被基體摩擦力固定的原始狀態(tài)）纖維被基體摩擦力固定的原始狀態(tài)（b）裂紋從基體擴(kuò)展至纖維被阻止）裂紋從基體擴(kuò)展至纖維被阻止（c）由于界面剪切和纖維與基體的橫向收縮使界面解離，裂）由

23、于界面剪切和纖維與基體的橫向收縮使界面解離，裂 紋沿纖維紋沿纖維/基體之間的界面偏離；基體之間的界面偏離；（d）界面進(jìn)一步解離，纖維破裂，裂紋繼續(xù)沿主方向擴(kuò)展；）界面進(jìn)一步解離，纖維破裂，裂紋繼續(xù)沿主方向擴(kuò)展；（e）破裂的纖維端部克服界面摩擦阻力撥出，復(fù)合材料整體）破裂的纖維端部克服界面摩擦阻力撥出，復(fù)合材料整體(zhngt) 破壞破壞第31頁(yè)/共45頁(yè)第三十二頁(yè)，共45頁(yè)。33u實(shí)際材料斷裂過(guò)程實(shí)際材料斷裂過(guò)程(guchng)中，纖維的斷裂并非中，纖維的斷裂并非發(fā)生在同一裂紋平面，這樣主裂紋還將沿纖維斷裂發(fā)生在同一裂紋平面，這樣主裂紋還將沿纖維斷裂位置的不同而發(fā)生裂紋轉(zhuǎn)向。位置的不同而發(fā)生裂

24、紋轉(zhuǎn)向。u這也同樣會(huì)使裂紋的擴(kuò)展阻力增加，從而使韌性這也同樣會(huì)使裂紋的擴(kuò)展阻力增加，從而使韌性進(jìn)一步提高。進(jìn)一步提高。第32頁(yè)/共45頁(yè)第三十三頁(yè)，共45頁(yè)。34 晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)韌化晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)韌化機(jī)理與纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料大致相同機(jī)理與纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料大致相同，主要是靠晶須的拔出、橋聯(lián)與裂紋偏轉(zhuǎn)，主要是靠晶須的拔出、橋聯(lián)與裂紋偏轉(zhuǎn)(pinzhun)機(jī)制對(duì)強(qiáng)度和韌性的提高產(chǎn)機(jī)制對(duì)強(qiáng)度和韌性的提高產(chǎn)生作用。生作用。二、晶須增韌機(jī)理二、晶須增韌機(jī)理(j l)第33頁(yè)/共45頁(yè)第三十四頁(yè)，共45頁(yè)。35晶須的拔出長(zhǎng)度存在一個(gè)晶須的拔出長(zhǎng)度存在一個(gè)(y )臨界值臨界值

25、lpo，當(dāng)晶須，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)度端拔出，此時(shí)的拔出長(zhǎng)度小于臨界拔出長(zhǎng)度lpo ；lpo第34頁(yè)/共45頁(yè)第三十五頁(yè)，共45頁(yè)。36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)，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(guò)程中產(chǎn)生晶須在拔出過(guò)程中產(chǎn)生(chnshng)斷裂，斷裂長(zhǎng)度仍小于臨斷裂，斷裂長(zhǎng)度仍小于臨界拔出長(zhǎng)度界拔出長(zhǎng)度lpo ；l1lpo 及及 l1lpo l1l2l1l2第35頁(yè)/共45頁(yè)第三十六頁(yè)，共45頁(yè)。37p 界面強(qiáng)度過(guò)高，晶須將與基體一起斷裂，限制了晶須的界面強(qiáng)度過(guò)高，晶須將與基體一起斷裂，限制了晶須的拔出，因而也就減小了晶須拔出機(jī)制對(duì)韌性的貢獻(xiàn)。拔出，因而也就減小了晶須拔出機(jī)制對(duì)韌性的貢獻(xiàn)。p但另一方面，界面強(qiáng)度的提高有利于載荷轉(zhuǎn)移，因而提高但另一方面，界面強(qiáng)度的提高