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《連續(xù)纖維補強陶瓷基復(fù)合材料》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。
1、連續(xù)纖維補強陶瓷基復(fù)合材料關(guān)鍵詞：纖維，F(xiàn)RCMC，增韌機理，制備方法1.FRCMC的纖維和基體1.1FRCMC的選材原則1）陶瓷基體和纖維應(yīng)該滿足結(jié)構(gòu)件的使用環(huán)境要求。使用環(huán)境包括：工作最低溫度、最高溫度、濕度、工作介質(zhì)的腐蝕性等。2）陶瓷基體和纖維間彈性模量的匹配。當(dāng)復(fù)合材料承受負載時，其應(yīng)力和彈性模量服從加和原則。圖1復(fù)合材料受力狀況?C??fVf??VmmEC?EfVf?EVmm①Vf?Vm?1上述方程中，?表示承受的應(yīng)力，V為體積分數(shù)，E為彈性模量。下標(biāo)c，f，m分別代表復(fù)合材料、纖維、基體。?c??m??f??m/Em??f/Ef②對于脆性基
2、體復(fù)合材料，當(dāng)基體的應(yīng)變大于其臨界斷裂應(yīng)變時基體發(fā)生斷裂。由于基體的彈性變形非常小，所以在基體斷裂瞬間，纖維并未充分發(fā)揮作用。假設(shè)基體斷裂時，它所承擔(dān)的應(yīng)力分量全部轉(zhuǎn)移給纖維。此時復(fù)合材料所承擔(dān)的應(yīng)力由式①和式②可得：?c??mu?1?Vf????Ef?Em???1????③式中下標(biāo)mu和f分別代表基體和纖維斷裂。從式③可看出，對于脆性基體復(fù)合材料，如果基體的斷裂應(yīng)變小于纖維的斷裂應(yīng)變，要想提高復(fù)合材料的強度，必須Ef大于Em，選擇高模量的纖維。這時Ef/Em越大，復(fù)合材料的強度越高。如果Ef小于Em，基體不僅得不到強化，反而會降低。3）陶瓷基體和纖維的
3、熱膨脹系數(shù)的匹配。復(fù)合材料組元之間必須要滿足物理化學(xué)相容性，其中最重要的就是熱膨脹系數(shù)的匹配。設(shè)Am、Afa、Afr分別代表基體、纖維軸向和纖維徑向熱膨脹系數(shù)的平衡值。則基體所承受的應(yīng)力：軸向?a?(Am?Afa)?TEm④徑向?f?(Am?Afr)?TEm⑤式中?T為應(yīng)力馳豫溫度與室溫之差值，Em為基體的彈性模量。如果Am＞Afa，則?a為正值。復(fù)合材料冷卻后纖維受壓縮熱殘余應(yīng)力，基體受拉仲熱殘余應(yīng)力。這種熱殘余拉仲應(yīng)力在材料使用時將疊加于外加拉伸載荷，對材料的強度不利。如果?a＞?mu，材料在冷卻過程中就可能垂直于纖維軸向形成微裂紋網(wǎng)絡(luò)，使材料的性能
4、大大降低。如果Am＜Afa，則為負值時，纖維受熱殘余拉伸應(yīng)力，基體受壓應(yīng)力。這個應(yīng)力可能抵消外加拉伸載荷，對材料性能的提高有益。但如果該應(yīng)力過大，超過纖維的斷裂應(yīng)力時，對強化不利。如果Am＞Afr，則?r為正，那么纖維—基體界面則承受熱壓縮應(yīng)力。過大的界面壓應(yīng)力使復(fù)合材料在斷裂過程中難以形成纖維/脫粘/拔出等吸能機制，對材料性能的提高不利。如果Am＜Afr，則?r為負，那么界面受拉應(yīng)力，適當(dāng)?shù)睦瓚?yīng)力是有益的。1.2FRCMC的纖維和基體分類1.2.1FRCMC的纖維雖然用于纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的纖維種類較多，但能夠真正實用的纖維種類并不多，現(xiàn)簡要介紹：
5、氧化鋁系列(包括莫來石)纖維；碳化硅系列纖維；氮化硅系列纖維；碳纖維。第一類為氧化鋁系列(包括莫來石)纖維。這類纖維的高溫抗氧化性能優(yōu)良，有可能用于1400℃以上的高溫環(huán)境，但目前作為FRCMCs的增強材料主要存在以下兩個問題：一是高溫下晶體相變、晶粒粗化以及玻璃相的蠕變導(dǎo)致纖維的高溫強度下降；二是在高溫成型和使用過程中，氧化物纖維易與陶瓷基體(尤其是氧化物陶瓷)形成強結(jié)合的界面，導(dǎo)致FRCMCs的脆性破壞，喪失了纖維的補強增韌作用。第二類為碳化硅系列纖維。目前制備碳化硅纖維的方法主要有兩種：是化學(xué)氣相沉積法（CVD）。用這種方法制備的碳化硅纖維，其高溫
6、性能好，但由于直徑太大（大于100?m），不利于制備形狀復(fù)雜的FRCMCs構(gòu)件，且價格昂貴，因而其應(yīng)用受到很大限制。二是有機聚合物先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法。在這種方法制備的纖維中，最典型的例子是日本碳公司生產(chǎn)的Nicalon和Tyranno等纖維。這種纖維的共同特點是，纖維不同程度地含有氧和游離碳雜質(zhì)，從而影響纖維的高溫性能。最近，日本碳公司生產(chǎn)的低含氧量碳化硅纖維（Hi-Nicalon）具有較好的高溫穩(wěn)定性，其強度在1500~1600℃溫度下變化小大。第三類為氮化硅系列纖維。它們實際上是由Si，N，C和O等組成的復(fù)相陶瓷纖維。現(xiàn)已有商品出售。這類纖維也是通過有機聚
7、合物先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備的。目前也存在著與先驅(qū)體碳化硅纖維同樣的問題，因而其性能與先驅(qū)體碳化硅纖維相近。第四類為碳纖維。碳纖維已有三十余年的發(fā)展歷史，它已是目前開發(fā)得最成熟，性能最好的纖維之已被廣泛用作復(fù)合材料的增強材料。其高溫性能非常好，在惰性氣氛中，2000℃溫度范圍內(nèi)其強度基本不下降，是目前增強纖維中高溫性能最佳的類纖維。然而，高溫抗氧化性能差是其最大的弱點。空氣中，溫度高于360℃后即出現(xiàn)明顯的氧化失重和強度下降，如能解決這個問題(如采用纖維表而涂層等方法)碳纖維仍不失為FRCMCs的最佳侯選材料。1.2.2FRCMC的陶瓷基體用于FRCMC的陶瓷基
8、體種類很多，大致叫分為以下三大類：第一類為玻璃及玻璃陶瓷基體。由于玻璃基復(fù)合材料
