陶瓷基复合材料增强机制机理
陶瓷增韧机理
陶瓷作业姓名：王槐豪学号：1071900220 班级：0719201陶瓷韧化机理陶瓷最致命缺点是脆性，低可靠性和低重复性，这些不足严重影响陶瓷材料的应用范围。
只有改善陶瓷的断裂韧性，提高其可靠性和使用寿命，才能是陶瓷真正成为一种广泛应用的新型材料，因此陶瓷增韧技术一直是陶瓷研究的热点。
陶瓷的断裂主要是由于裂纹扩展导致的，阻止间断裂纹的扩展的方法有三种。
其一为分散裂纹尖端应力；其二为消耗裂纹扩展的能量，增大裂纹扩展所需克服的能垒；最后问转换裂纹扩展的能量。
相变韧化受相变诱发塑性钢，即TRIP (transformation induced plasticity)钢的启发，将ZrO 2 t →m 相变M s 点稳定到比室温稍低，而M d 点比室温高，使其在承载时由应力诱发产生t →m 相变，由于相变产生的体积膨胀效应和形状效应，而吸收大量的能量，从而表现出异常高的韧性。
这就是相变韧化（transformation toughening ）的概念。
韧化机理分析： 1.相变韧化(∆K ICT ) ；d i <d<d c 应力诱发相变增韧(∆K ICT ) t →m 相变产生新的表面吸收能量 ， 同时相变引起的体积膨胀产生压力。
2. 残余应力增韧 (∆K ICS )；• 残余应力→ 闭合阻碍裂纹扩展 →残余应力韧化。
3. 显微裂纹增韧 (∆K ICM )；4. 复合韧化机理；第二相颗粒增韧第二相颗粒增韧，第二相增韧主要增韧机理为残余应力增韧、微裂纹增韧、裂纹偏转增韧、颗粒桥联增韧、延性颗粒增韧；增韧的主要影响因素为物理相容性和化学相容性（不生成有害化合物合适的界面结合强度 1. 应力场模型颗粒∆a=a p -a m ；∆T=T P -T R ；α－材料的热膨胀系数，10-6/K ； E －材料的弹性模量，GPa ； ν－材料的泊松比；m ，p 分别代表基体和第二相增强颗粒； T P －基体不产生塑性变形的最高温度，K T R －所讨论的状态下的温度，Kp pmm E E TP ννα2121-++∆⋅∆=基体 r －球形颗粒半径，mm ；R －基体中某点距离球心的距离，mm ∆a 的影响：∆a>0，σr >0，σt <0，环向裂纹（收敛型）； ∆a <0，σr <0，σt >0，径向裂纹（发散型） ； ∆a ＝0 ，P=0 ，σ＝0； r>r cr c －自发萌生裂纹的邻界第二相颗粒半径2. 临界第二相颗粒尺寸（r c ） 弹性应变能： 颗粒:基体系统 U S =U P +U m =2πkP 2r 3由U S ≥2γmp 得 ；2γmp －萌生单位面积裂纹所消耗的能量，J3. 残余应力增韧 （d<d C ）∆a>0∆a>0☺裂纹停止 ☺裂纹穿过第二相颗粒☺裂纹沿颗粒与基体之间的界面扩展颗粒开裂表面能：γp ＝2πr 2γsp克服阻力做功： W 1=1/2πPr 2u 1W t =γp + W 1=2πr 2γsp +1/2πPr 2u 1界面开裂表面能：b ＝4πr 2γint克服阻力做功：W 2=1/3πPr 2u 2W i =γp + W 1=4πr 2γint +1/3πPr 2u 2u 1≈u 2≈2r εb =2⨯10-3r3)(Rr P r ⋅=σ3)(21Rr P t ⋅-=σ32)21(2r E P U P P P νπ-=32)1(rE P U mm m νπ+=p P m m E E k νν2121-++=312)2(-∝kP r c πint<1/2γSP∆a≈0E P>E m 裂纹沿界面扩展。
陶瓷基复合材料(CMC)
第四节陶瓷基复合材料（CMC）1.1概述工程中陶瓷以特种陶瓷应用为主，特种陶瓷由于具有优良的综合机械性能、耐磨性好、硬度高以及耐腐蚀件好等特点，已广泛用于制做剪刀、网球拍及工业上的切削刀具、耐磨件、发动机部件、热交换器、轴承等。
陶瓷最大的缺点是脆性大、抗热震性能差。
与金属基和聚合物基复合材料有有所不同的，是制备陶瓷基复合材料的主要目的之一就是提高陶瓷的韧性。
特别是纤维增强陶瓷复合材料在断裂前吸收了大量的断裂能量，使韧性得以大幅度提高。
表6—1列出了由颗粒、纤维及晶须增强陶瓷复合材料的断裂韧性和临界裂纹尺寸大小的比较。
很明显连续纤维的增韧效果最佳，其次为品须、相变增韧和颗粒增韧。
无论是纤维、晶须还是颗粒增韧均使断裂韧性较整体陶瓷的有较大提高，而且也使临界裂纹尺寸增大。
陶瓷基复合材料的基体为陶瓷，这是一种包括范围很广的材料，属于无机化合物纳构远比金属与合金复杂得多。
使用最多的是碳化硅、氮化硅、氧化铝等，它们普遍具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量轻和价格低等优点。
陶瓷材料中的化学键往注是介于离子键与共价键之间的混合键。
陶瓷基复合材料中的增强体通常也称为增韧体。
从几何尺寸上可分为纤维(长、短纤维)、晶须和颗粒三类。
碳纤维是用来制造陶瓷基复合材料最常用的纤维之一。
碳纤维主要用在把强度、刚度、重量和抗化学性作为设计参数的构件，在1500霓的温度下，碳纤维仍能保持其性能不变，但对碳纤维必须进行有效的保护以防止它在空气中或氧化性气氛中被腐蚀，只有这样才能充分发挥它的优良性能。
其它常用纤维是玻璃纤维和硼纤维。
陶瓷材料中另一种增强体为晶须。
晶须为具有一定长径比(直径o 3。
1ym，长30—lMy”)的小单晶体。
从结构上看，晶须的特点是没有微裂纹、位偌、孔洞和表面损伤等一类缺陷，而这些缺陷正是大块晶体中大量存在且促使强度下降的主要原因。
在某些情况下，晶须的拉伸强度可达o．1Z(Z为杨氏模量)，这已非常接近十理论上的理想拉伸强度o．2Z。
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料论文2015年5月５日摘要：陶瓷基复合材料主要以高性能陶瓷为基体.通过加入颗粒、晶须、连续纤维和层状材料等增强体而形成的复合材料。
如碳化硅、氮化硅、氧化铝等，具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量轻和价格低等优点。
陶瓷基复合材料的研究还处于较初级阶段，我国对陶瓷基复合材料的研究则刚刚起步不久。
关键词：陶瓷基复合材料基体增强体强韧化机理制备技术前言:陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。
陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。
这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时,会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。
而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。
纤维能阻止裂纹的扩展,从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。
陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能,主要用作高温及耐磨制品。
其最高使用温度主要取决于基体特征。
正文一、陶瓷基复合材料基本概述陶瓷基复合材料的基体为陶瓷。
如碳化硅、氮化硅、氧化铝等,具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量轻和价格低等优点。
化学键往往是介于离子键与共价键之间的混合键。
陶瓷基复合材料中的增强体通常也称为增韧体。
从几何尺寸上可分为纤维（长、短纤维)、晶须和颗粒三类。
碳纤维主要用在把强度、刚度、重量和抗化学性作为设计参数的构件；其它常用纤维是玻璃纤维和硼纤维。
纤维增强陶瓷基复合材料是改善陶瓷材料韧性的重要手段。
目前常用的晶须是ＳiＣ和Ａ12Ｏ3,常用的基体则为A12O3,ZrO２,SiＯ２,Si３Ｎ4以及莫来石等。
晶须具有长径比，含量较高时，桥架效应使致密化困难，引起了密度的下降导致性能下降。
颗粒代替晶须在原料的混合均匀化及烧结致密化方面均比晶须增强陶瓷基复合材料要容易。
常用的颗粒也是SiC、Ｓi3N４和Ａ12O3等。
陶瓷基复合材料发展迟滞，发展过程中也遇到了比其它复合材料更大的困难。
陶瓷材料的增韧机理
陶瓷材料的增韧机理引言:现代陶瓷材料具有耐高温、硬度高、耐磨损、而侵蚀及相对密度轻等许多优良的性能。
但它同时也具有致命的弱点,即脆性,这一弱点正是目前陶瓷材料的利用受到专门大限制的要紧缘故。
因此,陶瓷材料的强韧化问题便成了研究的一个重点问题。
陶瓷不具有像金属那样的塑性变形能力,在断裂进程中除产生新的断裂表面需要吸收表面能之外,几乎没有其它吸收能量的机制,这确实是陶瓷脆性的本质缘故。
人们通过量年尽力,已探讨出假设干韧化陶瓷的途径,包括纤维增韧、晶须增韧、相变增韧、颗粒增韧、纳米复合陶瓷增韧、自增韧陶瓷等。
这些增韧方式的实施,使陶瓷材料的韧性取得了较大的提高,使陶瓷材料在高温结构材料领域显示出强劲的竞争潜力。
增韧原理：1.1纤维增韧为了提高复合材料的韧性,必需尽可能提高材料断裂时消耗的能量。
任何固体材料在载荷作用下(静态或冲击),吸收能量的方式无非是两种:材料变形和形成新的表面。
关于脆性基体和纤维来讲,许诺的变形很小,因此变形吸收的断裂能也很少。
为了提高这种材料的吸能,只能是增加断裂表面,即增加裂纹的扩展途径。
纤维的引入不仅提高了陶瓷材料的韧性,更重要的是使陶瓷材料的断裂行为发生了全然性转变,由原先的脆性断裂变成了非脆性断裂。
纤维增强陶瓷基复合材料的增韧机制包括基体预紧缩应力、裂纹扩展受阻、纤维拔出、纤维桥联、裂纹。
晶须增韧陶瓷晶须是具有必然长径比且缺点很少的陶瓷小单晶,因此具有很高的强度,是一种超级理想的陶瓷基复合材料的增韧增强体[8]。
陶瓷晶须目前经常使用的有SiC晶须,Si3N4晶须和Al2O3晶须。
基体经常使用的有ZrO2,Si3N4,SiO2,Al2O3和莫来石等。
采纳30%(体积分数)B2SiC晶须增强莫来石,在SPS烧结条件下材料强度比热压高10%左右,为570MPa,断裂韧性为415MPa#m1/2，比纯莫来石提高100%以上。
王双喜等[10]研究发觉,在2%(摩尔分数)Y2O32超细料中加入30%(体积分数)的SiC晶须,能够细化2Y2ZrO2材料的晶粒,而且使材料的断裂方式由沿晶断裂为主变成穿晶断裂为主的混合断裂,从而显著提高了复合材料的刚度和韧性。
陶瓷基复合材料的界面结合机制研究
陶瓷基复合材料的界面结合机制研究摘要：陶瓷基复合材料在领域中有着广泛的应用。
界面结合机制是影响材料性能的关键因素之一。
本文主要研究了陶瓷基复合材料的界面结合机制，包括界面能量、界面化学键以及界面应力传递等方面的内容。
通过深入研究和分析，可以为陶瓷基复合材料的设计和应用提供指导和优化方案。
1. 引言陶瓷基复合材料是一种重要的结构材料，具有高强度、高硬度、耐高温等优点，在航空、能源以及汽车等行业中有着广泛的应用。
然而，由于其复合材料结构的特殊性，界面结合机制成为影响材料性能的关键因素。
2. 界面能量界面能量是描述界面结合力的重要参数，通常通过材料的界面接触角来评估。
界面能量较大，表示陶瓷基复合材料的界面结合力较强。
然而，界面能量过大也会导致界面剥离等问题。
因此，对于陶瓷基复合材料的界面能量进行合理设计和控制是必要的。
3. 界面化学键界面化学键的形成对于陶瓷基复合材料的界面结合至关重要。
通过合适的界面处理方法和添加剂，可以促进界面化学键的形成，增强界面结合强度。
例如，通过表面改性剂的引入，可以提高界面附着力，减少界面剥离的可能性。
4. 界面应力传递界面应力传递是陶瓷基复合材料中的重要问题之一。
在应力加载下，界面处的应力传递能力直接影响材料的力学性能。
良好的界面结合能够实现有效的应力传递，从而提高材料的强度和硬度。
然而，过大的界面应力可能会导致界面破裂和材料失效，因此，在设计陶瓷基复合材料时需要合理考虑界面应力的分布和传递。
5. 界面结合机制的研究方法研究陶瓷基复合材料的界面结合机制需要采用多种表征方法和技术手段。
例如，界面接触角测量可以评估界面能量；扫描电镜观察可以研究界面化学键的形成；原位拉伸实验可以探究界面应力传递等。
综合运用多种方法可以全面了解界面结合机制，为材料设计和改性提供基础数据和理论指导。
6. 界面结合机制的优化针对陶瓷基复合材料的界面结合机制，可以通过以下措施进行优化：合理设计界面结构，选择适合的界面处理方法，控制界面能量，引入界面化学键增强界面结合强度，合理设计界面应力的传递路径等。
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料综述引言：陶瓷基复合材料是近二十年来发展起来的新型材料，由于该类材料具有良好的高温性能。
因此它作为耐高温结构材料在航空航天工业和能源工业等领域的应用具有巨大的潜力。
如航空发动机的推重比为10时，涡轮前进口温度达1650C, 在这样高的温度下，传统的高温合金材料已经无法满足要求【11,因此国内外的材料研究者纷纷把研究的重点转向陶瓷基复合材料。
研究者通过大量的实验发现，陶瓷基复合材料不仅具有良好的高温稳定性和高温抗氧化能力，而且材料在断裂过程中通过裂纹偏转、纤维断裂和纤维拔出等机理吸收能量，既有效的增强了材料的强度和韧性，又保持了基体材料低膨胀、低密度的特点。
摘要：概述了陶瓷基复合材料的基本概念，介绍了陶瓷基复合材料的性能、分类及其应用，以及各类陶瓷基复合材料的优点、缺点。
重点介绍了陶瓷基复合材料的增韧机理、制备工艺（包括粉末冶金法、浆体法、反应烧结法、液态浸渍法、直接氧化法等）。
最后对陶瓷复合基材料的发展前景及发展方向做了展望。
1、陶瓷基复合材料概述陶瓷分为普通陶瓷和特种陶瓷。
普通陶瓷就是我们日常用的陶瓷、建筑陶瓷、化学陶瓷、电瓷及其他工业用瓷。
虽然陶瓷外表美观，耐腐蚀，但是它塑性差，易碎，是其致命缺点。
而另一种陶瓷：特种陶瓷则刚好解决了这个缺点，让陶瓷的发展有了无限的空间。
特种陶瓷包括功能陶瓷和结构陶瓷。
是一种复合材料。
陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。
陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。
这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。
而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。
纤维能阻止裂纹的扩展从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。
2、陶瓷基基复合材料的基体与增强体(2) 增强体：陶瓷基复合材料中的增强体，通常也称为增韧体。
陶瓷基复合材料
2）裂纹偏转和裂纹桥联增韧
裂纹偏转是一种裂纹尖端效应， 是指裂纹扩展过程中当裂纹遇上 偏转元（如增强相、界面等）时 所发生的倾斜和偏转。 裂纹桥 联是一种裂纹尾部效应。它发生 在裂纹尖端，靠桥联元（剂）连 接裂纹的两个表面并提供一个使 裂纹面相互靠近的应力，即闭合 应力，这样导致强度因子随裂纹 扩展而增加。裂纹桥联可能穿晶 破坏，也有可能出现互锁现象， 即裂纹绕过桥联元沿晶发展（裂 纹偏转）并形成摩擦桥（图3）。 裂纹桥联增韧值与桥联元（剂） 粒径的平方根成正比。
图8 裂纹偏转增韧原理 a：裂纹倾斜偏转；b：裂纹扭转偏转； c：增强剂长径比对裂纹扭转偏转的影响。
（2）脱粘
复合材料在纤维脱粘后产生了新的表面， 因此需要能量。尽管单位面积的表面能 很小，但所有脱粘纤维总的表面能则很 大。假设纤维脱粘能等于由于应力释放 引起的纤维上的应变释放能，则每根纤 维的脱粘能量Qp为： Qp=（ d2 fu2 l c）/48Ef 其中d：纤维直径；l c：纤维临界长度； fu：纤维拉伸强度； Ef ：纤维弹性模量。 考虑纤维体积 Vf = （ d2/4）l ， 最大脱粘能Qp =（ fu2 l cVf）/ 12 Ef ； 因此，纤维体积比大、l c大（即界面 强度弱，因l c 与界面应力成反比），通 过纤维脱粘达到的增韧效果最大。
图3
裂纹偏转机理
（2）延性颗粒增韧
在脆性陶瓷基体中加入第二相延性颗粒能明
显提高材料的断裂韧性。其增韧机理包括由 于裂纹尖端形成的塑性变形区导致裂纹尖端 屏蔽以及由延性颗粒形成的延性裂纹桥。当 基体与延性颗粒的和E值相等时，利用延性 裂纹桥可达最佳增韧效果。但当和E值相差 足够大时，裂纹发生偏转绕过金属颗粒，增 韧效果较差。
图1
晶须增韧陶瓷基复合材料强韧化机制的评述
晶须增韧陶瓷基复合材料强韧化机制的评述
1. 晶须增韧化技术是什么?
晶须增韧化技术是一种将晶须材料引入到基础材料中的技术，通过晶须的固定和增长，改善复合材料的机械性能和韧性。
2. 什么是陶瓷基复合材料？
陶瓷基复合材料是以陶瓷为基础材料，通过添加其他强化材料来提高其性能，具有高强度、高硬度、高温耐性、耐磨损等特点。
3. 强韧化机制是如何发生的？
晶须增韧陶瓷基复合材料的强韧化机制主要是由晶须与基础材料之间的相互作用所产生的。
晶须可以在材料中分散均匀，形成纤维状结构，避免裂纹扩展，增加其韧性。
同时，晶须具有很高的强度，它与基础材料之间的化学结合可以增强材料的力学性能。
4. 晶须增韧化技术的优点是什么？
晶须增韧化技术是一种有效提高材料性能的技术，具有以下优点：
（1）提高材料韧性，增强抗裂性；
（2）增加材料强度，提高其耐久性；
（3）降低材料疲劳度，延长材料的使用寿命。
5. 晶须增韧化技术的应用领域有哪些？
晶须增韧化技术可以应用于各种复合材料的制备中，主要应用领域包括：
（1）汽车工业——制备高硬度、高温度下可靠的发动机零件、制动系统；
（2）电子工业——制备高强度、高温度下可靠的电子陶瓷；
（3）航空航天工业——制备高强度、轻质、高温度下可靠的航空材料。
6. 晶须增韧陶瓷基复合材料的未来发展趋势是什么？
晶须增韧陶瓷基复合材料的未来发展趋势主要是往以下方面发展：
（1）研制更高性能的晶须材料；
（2）探索更加有效的晶须分散方式；
（3）进一步深入研究晶须与基础材料之间的相互作用机理；
（4）将晶须增韧化技术应用于更多领域，以满足工业和社会的需要。
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陶瓷基复合材料增强机制、机理的研究现状及展望陶瓷基复合材料（CMC），一般是指相变增韧、颗粒增韧陶瓷和纤维及晶须增韧陶瓷材料。
这是目前备受重视的新型耐高温结构材料。
本文将介绍陶瓷基复合材料这种新型复合材料的机理和研究现状及展望。
与常规材料和非陶瓷复合材料相比，陶瓷材料具有耐高温、抗腐蚀、超硬度抗氧化和抗烧结等优异性能。
作为高温结构材料，尤其作为航空航天飞行器需要承受极高温度的特殊部位结构用材料具有很大的潜力。
因此世界各国都把结构陶瓷看作是对未来工业革命有重大作用的高技术新材料而给以重点研究和发展并相继开展了陶瓷汽车发动机、柴油机和航空发动机等大规模高温陶瓷热机研究计划，出现了陶瓷热，然而，常规结构陶瓷还存在缺陷和问题，主要是材料的脆性，可靠性不高等，应用于现在科技领域还有许多问题急需研究解决。
陶瓷基复合材料引起人们关注的重要原因就在于他可以改善陶瓷基材料的力学性能，特别是脆性，因此陶瓷基复合材料的发展和研究将成为陶瓷大规模应用计划取得成功的关键。
陶瓷基复合材料是在陶瓷基体中引入第二相材料，使之增强、增韧的多相材料，又称为多相复合陶瓷或复相陶瓷。
陶瓷基复合材料是2O世纪8O年代逐渐发展起来的新型陶瓷材料，包括纤维(或晶须)增韧(或增强)陶瓷基复合材料、异相颗粒弥散强化复相陶瓷、原位生长陶瓷复合材料、梯度功能复合陶瓷及纳米陶瓷复合材料。
其因具有耐高温、耐磨、抗高温蠕变、热导率低、热膨胀系数低、耐化学腐蚀、强度高、硬度大及介电、透波等特点，在有机材料基和金属材料基不能满足性能要求的工况下可以得到广泛应用，成为理想的高温结构材料。
连续纤维增强复合材料是以连续长纤维为增强材料，金属、陶瓷等为基体材料制备而成。
金属基复合材料是以陶瓷等为增强材料，金属、轻合金等为基体材料而制备的。
从20世纪60年代起各国都相继对金属基复合材料开展了大量的研究，因其具有高比强度、高比模量和低热膨胀系数等特点而被应用于航天航空及汽车工业。
陶瓷材料具有熔点高、密度低、耐腐蚀、抗氧化和抗烧蚀等优异性能，被广泛用于航天航空、军事工业等特殊领域。
但是陶瓷材料的脆性大、塑韧性差导致了其在使用过程中可靠性差，制约了它的应用范围。
而纤维增强陶瓷基复合材料方面克服了陶瓷材料脆性断裂的缺点，另一方面保持了陶瓷本身的优点。
1.材料的选择基体选择用于连续纤维增强陶瓷基复合材料的基体材料有很多种, 与纤维之间的面相容性是衡量其好坏的重要指标之一, 此外还应考虑其弹性模量、挥发性、抗蠕变和抗氧化等性能。
基体材料主要有以下3类:第1类是玻璃及玻璃陶瓷基体:此类基体的优点是可以在较低温度下制备纤维( 特别是N-icalon纤维) 不会受到热损伤, 因而具有较高的强度保留率; 同时, 在制备过程中可通过基体的粘性流动来进行致密化, 增韧效果好。
但其致命的缺点是由于玻璃相的存在容易产生高温蠕变, 同时玻璃相容易向晶态转化而发生析晶, 使其使用温度受到限制。
目前, 此类基体主要有: CAS( 钙铝硅酸盐)玻璃、LAS( 锂铝硅酸盐) 玻璃、MAS( 镁铝硅酸盐)玻璃、BS( 硼硅酸盐) 玻璃及石英玻璃。
第2类是氧化物基体: 它是20世纪60年代以前应用最多的一类陶瓷材料, 主要有Al2O3、SiO2、ZrO2和莫来石等; 近年来, 又相继开发了钇铝石榴石、ZrO2-TiO2、ZrO2-Al2O3等。
制备氧化物陶瓷基复合材料的最大问题是, 在高温氧化环境下, 纤维容易发生热退化和化学退化, 并易与氧化物基体发生反应。
因此, 这些材料均不宜用于高应力和高温环境中。
第3类是非氧化物基体, 主要指SiC陶瓷和Si3N4陶瓷, 由于其具有较高的强度、耐磨性和抗热震性及优异的高温性能, 与金属材料相比还具有密度较低等特点, 因此, 此类基体受到人们的广泛重视, 其中SiC基复合材料是研究得最早也是较成功的一种。
如以化学气相渗透( CVI) 法制备的N-icalon纤维增韧碳化硅基复合材料, 其抗弯强度达600MPa, 断裂韧性达27. 7MPa。
其它研究较成功的非氧化物陶瓷基体有Si3N4、BN等。
1. 2 纤维的选择虽然用于纤维增强陶瓷基复合材料的纤维种类较多, 但迄今为止, 能够真正实用的纤维种类并不多。
高温力学性能是其重要的决定因素, 同时纤维应具有密度低、直径小、比强度和比模量高等特点, 在氧化性气氛或其它有害气氛中有较高的强度保持率, 能满足加工性能和使用性能的要求。
以下对增强纤维进行简要介绍:第1类为氧化铝系列( 包括莫来石) 纤维。
这类纤维的高温抗氧化性能优良, 有可能用于1400℃以上的高温环境, 但目前作为FRCMC的增强材料主要存在以下2个问题: 一是高温下产生晶体相变、晶粒粗化, 以及由玻璃相的蠕变导致纤维的高温强度下降; 二是在高温成形和使用过程中, 氧化物纤维易与陶瓷基体( 尤其是氧化物陶瓷) 形成强结合的界面, 导致FRCMC的脆性破坏, 丧失了纤维的增韧作用。
第2类为碳化硅系列纤维。
目前制备碳化硅纤维的方法主要有2种: 一是化学气相沉积法。
用这种方法制备的碳化硅纤维, 其高温性能好, 但由于直径太大( 大于100Lm) , 不利于制备形状复杂的FRCMC构件, 且价格昂贵, 因而其应用受到很大限制。
二是有机聚合物先驱体转化法。
在这种方法制备的纤维中, 最典型的例子是日本碳公司生产的Nicalon和Tyranno等纤维。
这类纤维的共同特点是, 纤维中不同程度地含有氧和游离碳杂质, 从而影响纤维的高温性能。
最近, 日本碳公司生产的低含氧量碳化硅纤维( H-i Nicalon) 具有较好的高温稳定性, 其强度在1500~1600℃温度下变化不大。
第3类为氮化硅系列纤维。
它们实际上是由Si、N、C和O等组成的复相陶瓷纤维, 现已有商品出售。
这类纤维是通过有机聚合物先驱体转化法制备的, 目前也存在着与先驱体碳化硅纤维同样的问题, 因而其性能与先驱体碳化硅纤维相近。
第4类为碳纤维。
这类纤维已有30余年的发展历史, 它是目前开发得最成功、性能最好的纤维之一, 已被广泛用作复合材料的增强材料。
碳纤维的高温性能非常好, 在惰性气氛中, 在2000℃高温下其强度基本不下降, 是目前增强纤维中高温性能最佳的一类纤维。
但是, 其最大的弱点是高温抗氧化性能差, 即在空气中360℃以上便出现明显的因氧化引起的质量耗损和强度下降, 如能解决这个问题( 如采用纤维表面涂层等方法) , 碳纤维仍不失为制备FRCMC的最佳候选材料。
C等复相纤维。
除上述系列纤维外, 目前正在开发的还有BN、TiC、B42 FRCMC的增韧机理陶瓷材料的脆性本质是在陶瓷材料断裂过程中, 除用增加新表面来增加表面能外, 几乎没有其它可以吸收外来能量的机制。
因此, 为了提高陶瓷基复合材料的韧性, 必须尽可能提高材料断裂时消耗的能量。
FRCMC断裂时纤维拔出、桥联、脱粘和断裂, 以及基体中裂纹的微化、弯曲、偏转等都是其新的能量吸收机制, 也都能使其韧性得到很大提高。
下面介绍5种主要的增韧机制:1）裂纹偏转: 由于纤维周围沿纤维/ 基体( F/M) 界面存在因弹性模量或热膨胀系数不匹配而引起的应力场, 从而使在基体中扩展的裂纹遇到纤维时发生偏转。
由于纤维周围存在应力场, 陶瓷基体中的裂纹一般难以穿过纤维, 而更易绕过纤维并尽量贴近纤维表面扩展, 即裂纹发生偏转, 致使裂纹面不再垂直于外加应力。
只有增加外加应力, 提高裂纹尖端应力强度因子, 才能使裂纹进一步扩展,因此, 裂纹偏转可以产生明显的增韧作用; 且随纤维长径比的增大和纤维体积分数的增加, 裂纹偏转的增韧效果增强。
2）微裂纹增韧: 在裂纹的扩展过程中, 残余应变场与裂纹在分散相周围发生反应, 导致主裂纹尖端产生微裂纹分支, 使裂纹扩展的路径和需要的能量增加, 从而使材料增韧。
3）纤维脱粘: 复合材料中纤维脱粘产生了新的表面, 因此需要能量。
尽管单位面积的表面能很小, 但所有脱粘纤维总的表面能很大。
若想通过纤维脱粘达到最大增韧效果, 须使高强度纤维的体积分数要大、临界纤维长度增加, 而纤维与基体的界面强度要弱。
4）纤维桥接: 纤维/ 基体界面的解离使裂纹扩展通过基体而在裂纹尖端后面存在一个纤维保持完整无损的区域成为可能。
纤维与基体的弹性模量差别越大, 纤维与裂纹面夹角越小, 界面解离越容易发生。
在此区域内, 纤维把裂纹桥接起来, 导致在裂纹表面产生一个压应力, 以抵消外加拉应力的作用, 使裂纹难以进一步扩展, 从而起到增韧作用。
5）纤维拔出: 纤维拔出是指靠近裂纹尖端的纤维在外应力作用下沿着它和基体的界面滑出的现象, 它要求纤维相对于界面断裂韧性具有高的横向断裂韧性。
纤维拔出需要消耗额外的应变能以促使裂纹扩展, 促使复合材料断裂韧性增加, 同时促使裂纹尖端应力松弛, 从而减缓裂纹的扩展。
纤维的拔出需要外力做功, 因此可起到增韧作用。
以上5种增韧机理中, 最有发展前途的是裂纹偏转和纤维拔出, 因为它们很少受温度的限制, 尤其是裂纹偏转时, 其增韧效果仅取决于分散相的体积分数和形状, 而与粒子尺寸和温度无关, 这样对高温增韧无疑是十分有利的, 这一点在玻璃-陶瓷基体中得到了证实。
但在实际增韧过程中往往是几种增韧机理同时起作用。
3 FRCMC的制备技术自从最初用热压烧结法制备玻璃陶瓷基复合材料以来, 根据应用领域的需求, 研究者们迅速开发出了多种纤维增强陶瓷基复合材料的制备技术。
归纳起来可分为以下4种: 1) 固相法, 即热压烧结法, 此法结合了浆料浸渍和高温高压烧结的工艺; 2) 气相法, 主要指化学气相渗透法; 3) 液相法, 包括反应熔渗法、先驱体转化法和溶胶-凝胶法;3. 1 固相法固相法( ceramic route) 即热压烧结法( hotpressuresintering, HP) , 又称为浆料浸渗热压法,是制备纤维增强玻璃和低熔点陶瓷基复合材料的传统方法( 一般温度在1300℃以下) , 也是最早用于制备FRCMC的方法。
其主要工艺过程如下: 首先将纤维浸渍在含有基体粉料的浆料中, 然后将浸有浆料的纤维缠绕在轮毂上, 经烘干制成无纬布, 然后将无纬布切割成一定尺寸, 层叠在一起, 最后经热模压成形和热压烧结制得复合材料。
热压烧结的目的是使陶瓷粉末颗粒在高温下重排, 通过烧结或玻璃相粘性流动充填于纤维之间的孔隙中。
采用这种工艺已成功制备出, C/ LAS, SiC/ LAS, C/ BAS和SiC/ BAS等以玻璃相为基体的复合材料此C/ SiO2法的主要特点是基体软化温度较低, 可使热压温度接近或低于陶瓷软化温度, 利用某些陶瓷( 如玻璃) 的粘性流动来获得致密的复合材料。
存在的问题是: 对于以难熔化合物为基体的复合材料体系, 因为基体缺乏流动性而很难有效; 同时在高温高压下会使纤维受到严重损伤。