资源描述：
《晶须增韧陶瓷基复合材料强韧化机制的评述.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、华南理工大学学报(自然科学版)第24卷第7期JournalofSouthChinaUniversityofTechnologyVol.24No.71996年7月(NaturalScience)July1996晶须增韧陶瓷基复合材料强韧化机制的评述**林广涌吴柏源雷廷权周玉(华南理工大学材料科学研究所)摘要综述了晶须增韧陶瓷基复合材料的强韧化机制。近年来报道中常见的晶须的强化机制是载荷转移和基体预应力,韧化机制有裂纹偏转,晶须桥接和拔出,这些机制均决定于晶须/基体界面的性质。最后指出这一研究领域存
2、在的问题。关键词晶须;陶瓷基复合材料;强韧化机制中图资料分类号TQ174.758.22陶瓷材料的脆性是一个致命的弱点,使其不能承受激烈的机械冲击和热冲击,机械加工也十分困难,因而大大限制了应用范围。因此,减少脆性一直是陶瓷材料研究领域里最受关注的课题。近十年来,晶须增韧陶瓷基复合材料的迅速发展,为人们开辟了一条改善陶瓷材料脆性非常有效的途径。明显的韧化效果以及这类复合材料具有的良好高温力学性能使其成为高技术陶瓷研究开发的一个前沿领域。晶须增韧陶瓷基复合材料强韧化机制的研究受到了国内外学者的高度重
3、视,其成果为高韧性陶瓷基复合材料的设计提供了重要的理论根据。文中介绍了近年来在强韧化机制研究方面的进展,以期促进晶须增韧陶瓷基复合材料的进一步发展。1晶须增韧陶瓷基复合材料的强韧化机制1.1强化机制1.1.1载荷转移晶须与基体之间弹性模量的失配导致载荷转移效应。只有当Ew>Em(Ew、Em分别为晶须和基体的弹性模量)时,才能实现载荷从基体转移到晶须上,使加到复合材料上[1]的载荷大部分由晶须来分担。为了有效地实现这种效应,最好是Ew/Em>2,并且还必须满足:(1)晶须均匀地分散于基体中;(2)
4、晶须与基体的界面结合力应足够大,以保证能实现载荷[2]转移效应;(3)基体断裂伸长率大于晶须断裂伸长率。1.1.2基体预应力晶须与基体之间膨胀系数的失配在基体中可以产生压应力或拉应力。如果w>m(w、m分别为晶须和基体的膨胀系数),则产生压应力。基体受压起到预加应力的作用,提高了复合材料的强度。但是,如果膨胀系数差别太大,则会造成过大应力以致产生界面分[3]离和微裂纹,反而使复合材料的强度降低。1.2韧化机制1.2.1裂纹偏转在基体中扩展的裂纹遇到晶须时发生偏转的原因,是在晶须周围沿晶须
5、/基体界面存在着由于弹性模量或热膨胀系数不匹配而引起的应力场。裂纹与显微组织的相互来稿日期:1994-12-28*哈尔滨工业大学林广涌,男,1964年生,副教授,工学博士;主要研究方向:陶瓷基复合材料。华南理工大学材料科学研究所,邮编:510641第7期林广涌等:晶须增韧陶瓷基复合材料强韧化机制的评述35作用形式决定于这种应力场的性质。如果w>m,或Ew>Em,则裂纹在晶须周围发生偏转(图[3]1(a)),绕过晶须扩展;如果w<m,或Ew6、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,裂纹的偏转可以导致明显的增韧作用。图1ZrO2+SiCw复合材料晶须韧化机制的SEMFig.1SEMofwhiskertougheningmechanismsinZrO2+SiCwcomposite(a)裂文偏转;(b)晶须桥接;(c)晶须桥接与拔出[4]Faber和Evans在假定基体相和增韧相界面为物理结合的基础上,提出了裂纹偏转机制的增韧模型(见图2),理论上预测的裂纹偏转增韧效果如图3所示。可
7、见,增韧效果主要决定于第二相的形状,且以针状、棒状最好,球状最差。第二相体积分数达到0.2时,再增加含量,韧性增加不明显。第二相长径比越大,裂纹偏转对韧性贡献越大,但长径比的影响存在渐近极限值,即进一步增加第二相长径比,韧性增加减少。晶须是长径比极大的短细纤维,对实现这种机制十分有利。当晶须长径比为12时,最大韧化效果可使基体材料的断裂韧性提高约4倍(见图3)。图2晶须增韧机制示意图Fig.2Schematicpresentationofthewhiskertougheningmechanism
8、s1.2.2晶须桥接晶须/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晶[5]须仍然保持完整无损的区域成为可能(图1(b))。文献[6,7]分别对ZrO2+SiCw和Al2O3+SiCw材料断裂行为的研究证实了晶须桥接区的存在。在此区域内,晶须把裂纹桥接起来,在裂[8]i纹的表面加上闭合应力,起到增韧作用。Evans等的研究结果(图4)表明;当界面断裂能wiw1与晶须断裂能之比/<时,界面解离总是可以发生的。晶须与基体弹性模量差别越4大,晶须与裂纹面夹角越小,界面解离越容易发
