陶瓷基復合材料綜述

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1、課程論文課程名稱：陶瓷基復合材料專業(yè)班級：材料09101姓名：邱杰雄學號：200912030117陶瓷基復合材料綜述報告摘要：綜述了陶瓷基復合材料增強體的種類陶瓷基復合材料界面和界面的增韌，并且介紹了陶瓷基復合材料的復合新技術(shù)以及發(fā)展動態(tài)關(guān)鍵詞：陶瓷基增強體強韌1陶瓷基復合材料增強體復合材料中的增強體，按幾何形狀劃分，有顆粒狀（簡稱零維）、纖維狀（簡稱一維）、薄片狀（簡稱二維）和由纖維編織的三維立體結(jié)構(gòu)。按屬性劃分，有無機增強體和有機增強體，其中有合成材料也有天然材料，復合材料最主要的增強體是纖

2、維狀的。復合材料中常見的纖維狀增強體有玻璃纖維、芳綸纖維、碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維和金屬纖維等。它們有連續(xù)的長纖維、定長纖維、短纖維和晶須之分。玻璃纖維有許多品種，它是樹脂基復合材料最常用的增強體，由玻璃纖維增強的復合材料是現(xiàn)代復合材料的代表，但是，由于它的模量偏低，而且使用溫度不高，通常它不屬于高級復合材料增強體。2.1陶瓷基復合材料的界面陶瓷基復合材料作為新一代高性能耐高溫結(jié)構(gòu)材料,在航空航天領域具有廣闊的應用前景。然而,由于其固有的脆性,陶瓷材料在外載作用下極易發(fā)生脆性斷裂。

3、為了改善材料的韌性,不僅要使用高強纖維,還需要在纖維與基體之間增加界面相,從而引入裂紋橋聯(lián)、裂紋偏轉(zhuǎn)、纖維脫粘滑移等增韌機制。纖維與基體之間的熱解碳界面層對于陶瓷基復合材料是至關(guān)重要的。大量拉伸試驗均表明,強界面材料模量高而強度低,斷裂應變較小,斷口整齊;弱界面材料模量低而強度高,斷裂應變較大,纖維拔出較長,可見,界面可以起到增強和增韌的效果,這得益于弱界面的脫粘作用。界面脫粘可以減緩纖維應力集中,偏轉(zhuǎn)基體裂紋擴展路徑,避免裂紋沿某一橫截面擴展,并阻止應力和能量在材料局部集中,使得材料韌性增加,

4、不發(fā)生災難性破壞。然而,基體裂紋的擴展也具有一定的隨機性,與材料的初始缺陷有關(guān)?；w裂紋的連通會導致裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴展,最終造成材料的斷裂失效。界面對陶瓷基復合材料拉伸性能的影響在20世紀就是研究熱點,因此,這方面的文獻報道較多,但主要成果是基于統(tǒng)計強度理論和剪滯理論建立起來的細觀力學模型,其中包括模量和強度的計算模型。2.2強韌化理論陶瓷材料的強化與增韌是材料工作者矢志不渝的研究目標。由于陶瓷材料在室溫下缺少獨立的滑移性而表現(xiàn)出質(zhì)脆的弱點,它不像金屬材料那樣受力狀態(tài)下產(chǎn)生凹痕或形變,而且它還是對

5、裂紋、氣孔和夾雜物等極細微的缺陷都很敏感的脆性材料。在改善和提高韌性的過程中,材料工作者們向陶瓷基體內(nèi)添加各種陶瓷顆粒、纖維及晶須或它們的復合物,制備出各種陶瓷及復合材料,并且成功地應用于實際工業(yè)生產(chǎn)中,取得了可喜的成果。本文綜述陶瓷基復合材料的增韌補強的方法和相關(guān)的增韌機理。2.2.1相變增韌氧化鋯化合物具有三種晶型,高溫型是立方型、中溫型是四方型、常溫下是單斜型。但是在外應力的抑制下,中溫型的四方相的氧化鋯可以在室溫下介穩(wěn)地保持著,一旦在材料受到外來應力的情況下,這種受抑制的介穩(wěn)四方相氧化鋯

6、將要發(fā)生相變。在其相變的過程中,要吸收一定的能量,這無疑是起著消耗外來能量的作用,同時在相變過程中,將要發(fā)生3%～5%的體積變化,其結(jié)果是在裂紋尖端的周圍產(chǎn)生微小的裂紋,這是材料韌性增加的表現(xiàn)。因此,氧化鋯的相變將促成材料強度的提高以及韌性的增加。氧化鋯的這一特性使它在陶瓷材料中成為一種非常有效的強化和增韌的添加物,由此構(gòu)成了系列的氧化鋯增韌陶瓷。氧化鋯增韌陶瓷的出現(xiàn),為改善陶瓷材料的脆性提供了嶄新的思路。相變韌化的主要機理有應力誘導相變增韌、相變誘發(fā)微裂紋增韌、殘余應力增韌等。幾種增韌機理并不

7、互相排斥,但在不同條件下有—種或幾種機理起主要作用。(1)應力誘導相變增韌當部分穩(wěn)定ZrO2增韌陶瓷燒結(jié)致密后,四方相ZrO2顆粒彌散分布于其它陶瓷基體中(包括ZrO2本身),冷卻時亞穩(wěn)四方相顆粒受到基體的抑制而處于壓應力狀態(tài),這時基體沿顆粒連線方向也處于壓應力狀態(tài)。材料在外力作用下所產(chǎn)生的裂紋尖端附近由于應力集中的作用,存在張應力場,從而減輕了對四方相顆粒的束縛,在應力的誘發(fā)作用下會發(fā)生向單斜相的轉(zhuǎn)變并發(fā)生體積膨脹,相變和體積膨脹的過程除消耗能量外,還將在主裂紋作用區(qū)產(chǎn)生壓應力,二者均阻止裂紋

8、的擴展,只有在增加外力的作用下才能使裂紋繼續(xù)擴展,于是材料強度和斷裂韌性大幅度提高。(2)顯微裂紋增韌部分穩(wěn)定ZrO2陶瓷在燒結(jié)冷卻過程中,存在較粗四方相向單斜相的轉(zhuǎn)變,引起體積膨脹,在基體中產(chǎn)生彌散分布的裂紋或者主裂紋,擴展過程中在其尖端過程區(qū)內(nèi)形成的應力誘發(fā)相變導致的微裂紋,這些尺寸很小的微裂紋在主裂紋尖端擴展過程中會導致主裂紋分叉或改變方向,增加了主裂紋擴展過程中的有效表面能,此外裂紋尖端應力集中區(qū)內(nèi)微裂紋本身的擴展也起著分散主裂紋尖端能量的作用,從而抑制了主裂紋的快速擴展,提高了材料的韌