陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料
陶瓷基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。
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。
陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。
法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意的使用效果。
工制备艺浆体浸渍-热压法适用于长纤维。
首先把纤维编织成所需形状，然后用陶瓷泥浆浸渍，干燥后进行烧结。
优点是加热温度较晶体陶瓷低，层板的堆垛次序可任意排列，纤维分布均匀，气孔率低，获得的强度较高。
缺点则是不能制造大尺寸的制品，所得制品的致密度较低，此外零件的形状不宜太复杂，基体材料必须是低熔点或低软化点陶瓷。
晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工与制备晶须与颗粒的尺寸均很小，只是几何形状上有些区别，用它们进行增韧的陶瓷基复合材料的制造工艺是基本相同的。
基本上是采用粉末冶金方法。
制备工艺比长纤维复合材料简便很多。
所用设备也不复杂设备。
过程简单。
混合均匀，热压烧结即可制得高性能的复合材料制造工艺也可大致分为配料-成型-烧结-精加工等步骤。
直接氧化沉积法方法：将纤维预制体置于熔融金属上面，添加有镁、硅添加剂的熔融金属铝，在氧化气氛中，不断地浸渍预制体，在浸渍过程中，熔融金属或其蒸汽与气相氧化剂反应生成氧化物。
随着时间的延长，边浸渍边氧化，最终可制得纤维增强CMC。
优点：纤维几乎无损伤、纤维分布均匀、CMC性能优异，工艺简单、效率高成本低先驱体热解法方法：将单独合成的先驱体，通过加温调节其粘度，在高压-真空联合作用下使其浸入并充满多向纤维编织坯件的空隙，在高温下使先驱体热解。
陶瓷基复合材料
3、莫来石陶瓷（3Al2O3· 2SiO2, mullite）
莫来石一般是由人工合成的。工业上多用天然高铝矾土、粘土或工 业氧化铝等为原料，常用烧结或电熔法合成莫来石熔块，然后破碎成各 种粒度的莫来石粉料。一般合成温度高于1700℃。
实验室一般用化学法（如Sol-gel法）合成高纯、超细的莫来石粉体。
晶须
（陶瓷）
纤维
（连续、短纤维） （陶瓷、高熔点金属）
1650
结构复合式
（叠层、梯度） （按设计要求选择材料）
水泥
硅酸盐化合物、铝酸盐化合物等
叠层式（叠层、梯度）
（按设计要求选择材料）
二、原材料及其特性
陶瓷基复合材料是由基体材料和增强体材料组成。
基体材料有氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、水泥、玻璃等。 增强体材料主要以不同形态来区分，有颗粒状、纤维状、 晶须、晶板等。
表面强化增韧
陶瓷材料的断裂往往是从表面拉应力超过断裂 应力开始的。由于ZrO2陶瓷烧结体表面存在基 体的约束较少，t-ZrO2容易转变为m-ZrO2，而 内部t-ZrO2由于受基体各方向的压力保持亚稳 定状态。因此表面的m-ZrO2比内部的多，而转 变产生的体积膨胀使材料表面产生残余的压应 力，可以抵消一部分外加的拉应力，从而造成 表面强化增韧。
莫来石质陶瓷通常是在1550~1600℃下常压烧结而成，纯莫来石陶 瓷通常要在1750℃左右才能烧结。
加入适量的稳定剂后，t相可以部分或全部以亚稳定状态存在于室 温，分别称为部分稳定氧化锆（PSZ）或四方相氧化锆多晶体（TZP）。
利用t-ZrO2m-ZrO2的马氏体相变，可以用来增韧陶瓷材料，即 氧化锆增韧陶瓷材料（ZTC）。 ZrO2陶瓷的特点是呈弱酸性或惰性，导热系数小（在100~1000℃ 范围内，导热系数=1.7~2.0W/(mK)，其推荐使用温度为2000~2200℃， 主要用于耐火坩埚、炉子和反应堆的绝热材料、金属表面的热障涂层等。
陶瓷基复合材料介绍
陶瓷基复合材料介绍一、材料定义与特性陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites，简称CMC）是一种以陶瓷为基体，复合增强体材料的高性能复合材料。
它具有高强度、高硬度、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等优异性能，被广泛应用于航空航天、汽车、能源、化工等领域。
二、基体与增强体材料陶瓷基体的主要类型包括氧化铝、氮化硅、碳化硅、氮化硼等，它们具有高熔点、高硬度、耐腐蚀等特性。
增强体材料主要包括纤维、晶须、颗粒等，它们可以显著提高陶瓷基体的强度和韧性。
三、制备工艺与技术陶瓷基复合材料的制备工艺主要包括：热压烧结法、液相浸渍法、化学气相沉积法、粉末冶金法等。
其中，热压烧结法和液相浸渍法是最常用的制备工艺。
四、增强纤维与基体的界面增强纤维与基体的界面是影响陶瓷基复合材料性能的关键因素之一。
为了提高材料的性能，需要优化纤维与基体的界面特性，包括润湿性、粘结性、化学稳定性等。
五、材料的应用领域陶瓷基复合材料具有广泛的应用领域，主要包括：航空航天领域的发动机部件、机载设备；能源领域的燃气轮机叶片、核反应堆部件；汽车领域的刹车片、发动机部件；化工领域的耐腐蚀设备、管道等。
六、发展现状与趋势随着科技的不断进步，陶瓷基复合材料的研究和应用不断深入。
目前，国内外研究者正在致力于开发低成本、高性能的陶瓷基复合材料，并探索其在更多领域的应用。
同时，研究者还在研究如何更好地控制材料的微观结构和性能，以提高材料的综合性能。
七、挑战与机遇尽管陶瓷基复合材料具有许多优异的性能，但它们的制备工艺复杂、成本高，且存在易脆性等挑战。
然而，随着科技的不断进步和新材料的发展，陶瓷基复合材料的成本逐渐降低，应用领域也在不断扩大。
同时，随着环保意识的提高和能源需求的增加，陶瓷基复合材料在能源和环保领域的应用前景广阔。
因此，陶瓷基复合材料在未来仍具有巨大的发展潜力。
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料引言。
陶瓷基复合材料是一种由陶瓷基体和其他增强材料组成的复合材料。
它具有优异的耐磨、耐腐蚀、高强度和高温稳定性等特点，因此被广泛应用于航空航天、汽车制造、化工等领域。
本文将介绍陶瓷基复合材料的组成、性能和应用，并对其未来发展进行展望。
一、陶瓷基复合材料的组成。
陶瓷基复合材料通常由陶瓷基体和增强材料组成。
陶瓷基体可以是氧化铝、碳化硅、氮化硅等陶瓷材料，而增强材料则可以是碳纤维、玻璃纤维、陶瓷颗粒等。
这些材料通过复合加工技术，如热压、注射成型等，将陶瓷基体与增强材料紧密结合，形成具有优异性能的复合材料。
二、陶瓷基复合材料的性能。
1. 耐磨性，陶瓷基复合材料具有优异的耐磨性，可以在高速、高负荷条件下保持较长的使用寿命，因此被广泛应用于机械设备的零部件制造。
2. 耐腐蚀性，由于陶瓷基复合材料具有优异的化学稳定性，可以在酸、碱等腐蚀性介质中长期稳定运行，因此在化工领域得到广泛应用。
3. 高强度，陶瓷基复合材料在高温、高压条件下依然保持优异的强度和刚性，因此被广泛应用于航空航天领域。
4. 高温稳定性，陶瓷基复合材料在高温条件下依然保持稳定的性能，因此被广泛应用于发动机、燃气轮机等高温设备的制造。
三、陶瓷基复合材料的应用。
1. 航空航天领域，陶瓷基复合材料被广泛应用于航空发动机、航天器外壳等高温、高压零部件的制造。
2. 汽车制造领域，陶瓷基复合材料被应用于汽车刹车片、离合器片等零部件的制造，以提高其耐磨性和耐高温性能。
3. 化工领域，陶瓷基复合材料被应用于化工设备的制造，以提高其耐腐蚀性和耐高温性能。
四、陶瓷基复合材料的发展展望。
随着科学技术的不断进步，陶瓷基复合材料将会在性能和应用范围上得到进一步提升。
未来，我们可以期待陶瓷基复合材料在新能源领域、生物医药领域等新兴领域的广泛应用，为人类社会的发展做出更大的贡献。
结论。
陶瓷基复合材料具有优异的耐磨、耐腐蚀、高强度和高温稳定性等特点，因此在航空航天、汽车制造、化工等领域得到广泛应用。
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料是一种由陶瓷基体和增强相组成的新型材料。
陶瓷基复合材料具有优异的耐高温、耐磨损、耐腐蚀性能，因此在航空航天、汽车制造、机械制造等领域有着广泛的应用。
本文将从材料特性、制备工艺、应用领域等方面对陶瓷基复合材料进行介绍。
首先，陶瓷基复合材料的材料特性是其具有的重要特点之一。
陶瓷基复合材料具有高温强度高、热震稳定性好、耐磨损、耐腐蚀等优异性能。
这些特性使得陶瓷基复合材料在高温、高压、腐蚀等恶劣环境下能够发挥出色的性能，因此在航空航天领域得到了广泛的应用。
其次，陶瓷基复合材料的制备工艺是影响其性能的重要因素之一。
陶瓷基复合材料的制备工艺包括原料的选择、配比、成型、烧结等多个环节。
其中，原料的选择和配比直接影响着复合材料的成分和性能，而成型和烧结工艺则决定了复合材料的内部结构和组织。
因此，制备工艺的优化对于提高陶瓷基复合材料的性能具有重要意义。
最后，陶瓷基复合材料在航空航天、汽车制造、机械制造等领域有着广泛的应用。
在航空航天领域，陶瓷基复合材料被用于制造发动机涡轮叶片、导向器、复合材料轴承等部件，以提高其耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能。
在汽车制造领域，陶瓷基复合材料被用于制造发动机零部件、刹车盘、离合器等，以提高汽车的性能和安全性。
在机械制造领域，陶瓷基复合材料被用于制造轴承、密封件、刀具等，以提高机械设备的使用寿命和性能。
总之，陶瓷基复合材料具有优异的性能和广泛的应用前景。
随着科学技术的不断进步，陶瓷基复合材料将在更多领域得到应用，并为人类社会的发展做出更大的贡献。
陶瓷基复合材料应用
当然啦，陶瓷基复合材料的应用可不止这些。在能源、化工、医疗等领域，它也都展现出了非凡的实力。比如在能源领域，它可以用来制造高效的太阳能电池板；在化工领域，它可以用来制造耐腐蚀的管道和容器；在医疗领域，它甚至可以用来制造人工骨骼和牙齿！你说这玩意儿牛不牛？
陶瓷基复合材料应用
哎，说起陶瓷基复合材料，这可真是个让人眼前一亮的高科技玩意！别看它名字里带着“陶瓷”，感觉冷冰冰硬邦邦的，实际上啊，这玩意儿在现代工业里，可是个炙手可热的“香饽饽”。
咱们先聊聊这陶瓷基复合材料是啥。简单来说，它就是陶瓷和别的材料“手拉手”组成的好兄弟，耐磨耐高温，就是有时候太脆了点儿，一摔就碎。但是，一旦它跟其他材料成了好朋友，嘿，那可就不得了了！既保留了陶瓷的“铁骨铮铮”，又多了几分韧性和灵活性，简直就是工业界的“超级英雄”。
其实啊，陶瓷基复合材料之所以能在这么多领域里大显身手，靠的就是它那独特的性能和优势。它不仅硬度高、耐磨耐腐蚀、耐高温低温性能好，还具有良好的机械性能和可加工性。这些优点加在一起，就让它成了现代工业中不可或缺的一员。
说到这里啊，我不禁要感叹一句：科技真是日新月异啊！以前咱们只能想想的事情，现在都已经变成了现实。而陶瓷基复合材料这个“超级英雄”的出现更是让我们看到了科技的力量和未来的希望。我相信啊在未来的日子里它还会在更多的领域里发光发热为我们创造更加美好的生活！
那么，这位“超级英雄”到底有啥过人之处呢？别急，听我慢慢道来。
首先，陶瓷基复合材料在航空航天领域那可是大放异彩。你想啊，飞机火箭在那么高的天上飞，温度低的时候冷得跟冰窖似的，高的时候热得跟火炉一样，一般的材料哪受得了？但是陶瓷基复合材料就不一样了，它就像个“温度调节器”，不管外面是冷是热，都能保持自己的“淡定”。而且啊，它还特别轻，能帮飞机火箭减轻不少重量，让它们飞得更快更远。
《陶瓷基复合材料》课件
陶瓷基复合材料结合了陶瓷和其他材料的优点，具有出色的力学、热学和电 学性能，是一种重要的先进材料。
什么是陶瓷基复合材料？
定义
陶瓷基复合材料是将陶瓷作为基质，与其他材料（如金属、聚合物等）混合制成的材料。
ห้องสมุดไป่ตู้特点
具有高硬度、高强度、耐高温、抗腐蚀等优良性能，可满足各种工业领域的需求。
陶瓷基复合材料的制备方法
结论
陶瓷基复合材料的优点
高强度、高硬度、耐高温、 抗腐蚀等特点使其成为各行 业重要的材料选择。
为何有利于工业发展
在提升产品性能和降低成本 方面具有巨大潜力，能推动 产业升级。
未来应如何发展？
加强技术研究、推动产学研 合作，不断创新和提升陶瓷 基复合材料的性能和应用范 围。
电子行业
用于集成电路、芯片封装等电子器件，提供优异的 绝缘和散热性能。
其他领域
如能源、化工、医疗等领域都有广泛的应用。
陶瓷基复合材料的发展前景
1
技术难点及解决方法
面临制备工艺、材料选择等方面的挑战，需要深入研究和创新技术。
2
未来发展趋势
预计在新能源、高端装备制造等领域有更广泛的应用，为工业发展带来新机遇。
热性能
耐高温性能出众，可 在高温环境下保持稳 定。
电性能
具备优异的绝缘性和 导电性能，适用于各 种电子器件。
其他性能
如耐腐蚀性、低摩擦 系数等特殊性能，广 泛应用于特定领域。
陶瓷基复合材料的应用
航空航天领域
用于制造发动机叶片、航天器外壳等关键部件，提 供高温和高强度的支撑。
汽车工业
应用于制动系统、排气系统等部件，提高汽车的性 能和耐久性。
1 热压法
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料是一种由陶瓷基体和其他添加剂组成的复合材料。
其综合性能优异，因此在航空航天、电子器件、能源领域等多个领域得到广泛应用。
本文将介绍陶瓷基复合材料的制备方法、性能及应用，并对其未来发展进行展望。
一、制备方法陶瓷基复合材料的制备方法多种多样，主要包括烧结法、溶胶-凝胶法、机械合金化法等。
首先，烧结法是最常用的制备陶瓷基复合材料的方法之一。
该方法将陶瓷粉末与其他添加剂混合，并通过高温下的烧结过程将其烧结成坚固的材料。
这种方法制备的复合材料具有较高的结晶度和致密性。
其次，溶胶-凝胶法是一种制备陶瓷基复合材料的新方法。
该方法通过将金属盐、有机物等混合，形成胶体溶胶，然后通过热处理使其成为凝胶，并进一步高温热处理得到致密材料。
这种方法制备的复合材料具有较高的纯度和均匀性。
最后，机械合金化法是一种通过粉末冶金技术制备陶瓷基复合材料的方法。
该方法将陶瓷颗粒与添加剂一起经过球磨、混合等机械处理，使其均匀分散，并通过热处理得到复合材料。
这种方法制备的复合材料具有较高的强度和断裂韧性。
二、性能陶瓷基复合材料具有一系列优异的性能，主要包括高温稳定性、硬度高、抗腐蚀性好等。
首先，陶瓷基复合材料具有较好的高温稳定性。
由于陶瓷基复合材料的陶瓷基体具有较高的熔点和热稳定性，因此能够在高温环境下保持较好的性能，不易发生烧结变形等问题。
其次，陶瓷基复合材料具有较高的硬度。
陶瓷基体的硬度往往比金属基体或聚合物基体要高，因此陶瓷基复合材料在硬度方面具有优势。
这使得该材料在需要高硬度的应用中表现出色，如切割工具、磨料等领域。
再次，陶瓷基复合材料具有良好的抗腐蚀性。
由于陶瓷基体的本身特性，该材料在酸碱等腐蚀性环境中有很好的稳定性，不易受到腐蚀侵蚀。
这使得陶瓷基复合材料在化工、生物医药等领域得到广泛应用。
三、应用陶瓷基复合材料在很多领域都有广泛的应用。
下面将介绍几个典型的应用领域。
首先，陶瓷基复合材料在航空航天领域具有重要应用。
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陶瓷基复合材料的复合机理、制备、生产、应用及发展前景摘要：材料是科学技术发展的基础，材料的发展可以推动科学技术的发展，材料主要有金属材料、聚合物材料、无机非金属材料和复合材料四大类。
其中复合材料是是最新发展地来的一大类，发展非常迅速。
最早出现的是宏观复合材料，它复合的组元是肉眼可以看见的，比如混凝土。
随后发展起来的是微观复合材料，它的组元肉眼看不见。
由于复合材料各方面优异的性能，因此得到了广泛的应用。
复合材料对航空、航天事业的影响尤为显著，可以说如果没有复合材料的诞生，就没有今天的飞机、火箭和宇宙飞船等高科技产品。
本文从纤维增强陶瓷基复合材料C f/SiC入手，综述了陶瓷基复合材料（ceramic matrix composite，CMC）的特殊使用性能、界面增韧机理、制备工艺作了较全面的介绍，并对CMC的的研究现状、未来发展进行了展望。
正文1、陶瓷基复合材料的定义与特性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，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(CMC)由于具有高强度、高硬度、高弹性模量、热化学稳定性等优异性能，是制造推重比10 以上航空发动机的理想耐高温结构材料。
一方面，它克服了单一陶瓷材料脆性断裂的缺点，提高了材料的断裂韧性；另一方面，它保持了陶瓷基体耐高温、低膨胀、低密度、热稳定性好的优点。
陶瓷基复合材料的最高使用温度可达1650℃，而密度只有高温合金的70％。
因此，近几十年来，陶瓷基复合材料的研究有了较快发展。
目前CMC 正在航空发动机的高温段的少数零件上作评定性试用。
例如，法国一公司已制造了碳化硅增强碳化硅的发动机调节片，在“幻影”2000 飞机用发动机上试飞。
美国TextronLycoming 公司用碳化硅纤维增强氮化硅复合材料制造了涡轮级间盘的验证件。
美国某公司还研制了玻璃陶瓷基复合材料燃烧室内衬和CMC 涡轮叶片试验件。
国内对陶瓷基复合材料的研究起步相对较晚，从上世纪九十年代后期开始开展对陶瓷基复合材料的研究，取得了一定的成果。
但是不论在材料的制备还是在材料力学性能的研究上相对国外还是有较大的差距。
尤其在材料失效机理、失效模型的研究上还很不完善。
2、陶瓷基复合材料的分类按增强材料形态分类，陶瓷基复合材料可分为颗粒增强陶瓷复合材料、纤维增强陶瓷复合材料、片材增强陶瓷复合材料。
按基体材料分类，陶瓷基复合材料可分为氧化物基陶瓷复合材料、非氧化物基陶瓷复合材料、碳/碳复合材料、微晶玻璃基复合材料。
3、陶瓷基复合材料的界面陶瓷基复合材料作为新一代高性能耐高温结构材料,在航空航天领域具有广阔的应用前景。
然而,由于其固有的脆性,陶瓷材料在外载作用下极易发生脆性断裂。
为了改善材料的韧性,不仅要使用高强纤维,还需要在纤维与基体之间增加界面相,从而引入裂纹桥联、裂纹偏转、纤维脱粘滑移等增韧机制。
纤维与基体之间的热解碳界面层对于陶瓷基复合材料是至关重要的。
大量拉伸试验均表明,强界面材料模量高而强度低,断裂应变较小,断口整齐;弱界面材料模量低而强度高,断裂应变较大,纤维拔出较长,可见,界面可以起到增强和增韧的效果,这得益于弱界面的脱粘作用。
界面脱粘可以减缓纤维应力集中,偏转基体裂纹扩展路径,避免裂纹沿某一横截面扩展,并阻止应力和能量在材料局部集中,使得材料韧性增加,不发生灾难性破坏。
然而,基体裂纹的扩展也具有一定的随机性,与材料的初始缺陷有关。
基体裂纹的连通会导致裂纹发生失稳扩展,最终造成材料的断裂失效。
界面对陶瓷基复合材料拉伸性能的影响在20世纪就是研究热点,因此,这方面的文献报道较多,但主要成果是基于统计强度理论和剪滞理论建立起来的细观力学模型,其中包括模量和强度的计算模型。
3、1 强韧化理论陶瓷材料的强化与增韧是材料工作者矢志不渝的研究目标。
由于陶瓷材料在室温下缺少独立的滑移性而表现出质脆的弱点,它不像金属材料那样受力状态下产生凹痕或形变,而且它还是对裂纹、气孔和夹杂物等极细微的缺陷都很敏感的脆性材料。
在改善和提高韧性的过程中,材料工作者们向陶瓷基体内添加各种陶瓷颗粒、纤维及晶须或它们的复合物,制备出各种陶瓷及复合材料,并且成功地应用于实际工业生产中,取得了可喜的成果。
本文综述陶瓷基复合材料的增韧补强的方法和相关的增韧机理。
3、1、1 相变增韧氧化锆化合物具有三种晶型,高温型是立方型、中温型是四方型、常温下是单斜型。
但是在外应力的抑制下,中温型的四方相的氧化锆可以在室温下介稳地保持着,一旦在材料受到外来应力的情况下,这种受抑制的介稳四方相氧化锆将要发生相变。
在其相变的过程中,要吸收一定的能量,这无疑是起着消耗外来能量的作用,同时在相变过程中,将要发生3%～5%的体积变化,其结果是在裂纹尖端的周围产生微小的裂纹,这是材料韧性增加的表现。
因此,氧化锆的相变将促成材料强度的提高以及韧性的增加。
氧化锆的这一特性使它在陶瓷材料中成为一种非常有效的强化和增韧的添加物,由此构成了系列的氧化锆增韧陶瓷。
氧化锆增韧陶瓷的出现,为改善陶瓷材料的脆性提供了崭新的思路。
相变韧化的主要机理有应力诱导相变增韧、相变诱发微裂纹增韧、残余应力增韧等。
几种增韧机理并不互相排斥,但在不同条件下有—种或几种机理起主要作用。
(1)应力诱导相变增韧当部分稳定ZrO2增韧陶瓷烧结致密后,四方相ZrO2颗粒弥散分布于其它陶瓷基体中(包括ZrO2本身),冷却时亚稳四方相颗粒受到基体的抑制而处于压应力状态,这时基体沿颗粒连线方向也处于压应力状态。
材料在外力作用下所产生的裂纹尖端附近由于应力集中的作用,存在张应力场,从而减轻了对四方相颗粒的束缚,在应力的诱发作用下会发生向单斜相的转变并发生体积膨胀,相变和体积膨胀的过程除消耗能量外,还将在主裂纹作用区产生压应力,二者均阻止裂纹的扩展,只有在增加外力的作用下才能使裂纹继续扩展,于是材料强度和断裂韧性大幅度提高。
(2)显微裂纹增韧部分稳定ZrO2陶瓷在烧结冷却过程中,存在较粗四方相向单斜相的转变,引起体积膨胀,在基体中产生弥散分布的裂纹或者主裂纹,扩展过程中在其尖端过程区内形成的应力诱发相变导致的微裂纹,这些尺寸很小的微裂纹在主裂纹尖端扩展过程中会导致主裂纹分叉或改变方向,增加了主裂纹扩展过程中的有效表面能,此外裂纹尖端应力集中区内微裂纹本身的扩展也起着分散主裂纹尖端能量的作用,从而抑制了主裂纹的快速扩展,提高了材料的韧性,这种机制称作微裂纹增韧。
(3)残余压应力增韧陶瓷材料可以通过引入残余压应力达到强韧化的目的。
控制含弥散四方ZrO2颗粒的陶瓷在表层发生t→m相变,引起表面体积膨胀而获得表面残余压应力。
由于陶瓷断裂往往起始于表面裂纹,表面残余压应力有利于阻止表面裂纹的扩展,从而起到了增强增韧的作用。
当晶粒直径在dc<d<dm之间时,虽然冷却到室温已发生了t→m相变,但由于其粒径较小,积累膨胀较小,所以不能诱发显微裂纹。
但在这部分m相周围存在着残余应力,当裂纹扩展入残余应力区时,残余应力释放,同时有闭合阻碍裂纹扩展的作用,从而产生残余应力韧化作用。
ZrO2相变增韧陶瓷是一种有发展前途的新型结构陶瓷,它主要是利用相变特性来提高陶瓷材料的断裂韧性和抗弯强度,使其具有优良的力学性能、低的热导率和良好的抗热性。
这是复合材料和复合陶瓷中重要的增韧方式之一。
Al2O3/ZrO2是典型相变增韧陶瓷,由于其具有良好的耐磨性,在切削碳素钢的实践中得到了证实,且由于工具表面存在压应力,使耐冲击性得到了提高3、1、2 纤维、晶须增韧纤维或晶须(以下总称纤维)强韧化是目前陶瓷强韧化方法中效果最为显著的一种方法,它不仅能提高材料的韧性,而且在大多数情况下还能同时提高材料的强度,这是除细晶强化外其他强化方法所不及的。
纤维增强陶瓷基复合材料(CMC)的有效增韧机制包括基体预压缩应力、裂纹扩展受阻、纤维拔出裂纹偏转、纤维桥联和相变增韧等,它们可单独或联合发生作用。
(1)基体预压缩应力当纤维的热膨胀系数高于基体,即Δα=αf-αm>时,如果复合材料处在低于制造温度的环境下,基体中会产生沿纤维轴向的压缩应力。
此残余应力可以延迟基体开裂,当复合材料承受沿纤维轴向的拉伸载荷时,强度、韧性均将增加。
(2)裂纹扩展受阻当纤维的断裂韧性比基体本身的断裂韧性大时,裂纹垂直于纤维扩展至纤维时可被阻止,甚至由于纤维的残余拉应力而使裂纹闭合。
(3)纤维断裂和纤维断头拔出,简称纤维拔出具有较高断裂韧性的纤维当基体裂纹扩展到达纤维时,应力集中导致结合较弱的纤维/基体界面解离,在应变进一步增加时,导致纤维断裂并使其断头从基体中拔出。
(4)裂纹偏转裂纹沿结合较弱的纤维/基体界面弯折,偏离原来的扩展方向,使裂纹扩展路径增加。
(5)相变增韧基体中裂纹尖端的应力场引起裂纹尖端附近的基体发生相变,亦称应力诱导相变。
当相变造成体积膨胀时,它会挤压裂纹使之闭合。
应力诱导相变的增韧机制有随温度升高而降低的特性,因此不适宜高温工程的材料,而其余的增韧机制皆可在高温下产生效果。
(6)纤维/基体界面解离界面解离导致裂纹偏转和纤维拔出,这些过程都将吸收能量,使得材料的韧性及断裂功增加,而裂纹扩展受阻和基体预压缩应力可以阻碍裂纹萌生或阻碍裂纹生长,即需要更高的外加载荷才能使裂纹扩展。
(7)纤维桥联增韧指在基体开裂后,纤维承受外加载荷,并在基体的裂纹面之间架桥。
桥联的纤维对基体产生使裂纹闭合的力,从而增大材料的韧性纤维强韧化的效果不仅仅取决于纤维和基体本身的性质,而且还和它们之间性能的对比关系以及界面结合状态密切相关。
因此,要想获得良好的强韧化效果,还必须要考虑纤维与基体之间的物理相容性和化学相容性。
选材时应尽量选择相容性好的纤维与陶瓷基体的组合,若条件无法满足时,可通过对基体性能进行调整或对纤维表面进行适当的涂层处理等办法来改善相容性。
根据纤维增强陶瓷基复合材料对界面相的要求,理想的界面相应具有以下功能：(1)松粘层作用。
当基体裂纹扩展到界面区时,此界面相能够使裂纹发生偏转,从而达到调整界面应力,阻止裂纹向纤维内部扩展的目的;(2)载荷传递作用。
由于纤维是主要的载荷承担者,因此界面相必须有足够的强度来传递载荷,使纤维承受大部分载荷;(3)缓解层作用。
由于纤维与基体间的热膨胀系数(CTE)差异易导致界面出现残余热应力而影响复合材料的性能,因此,界面相必须具备缓解纤维与基体间界面残余热应力的作用;(4)阻挡层作用。