陶瓷基复合材料的强韧化机理课件.ppt

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1、2016-2017秋季学期研究生课程陶瓷基复合材料第2讲陶瓷基复合材料的强韧化机理2016-9-5~11-6课程安排1、概论2、陶瓷基复合材料的增韧原理及界面设计3、颗粒弥散陶瓷基复合材料4、纤维（晶须）增强陶瓷基复合材料5、C/C复合材料6、功能陶瓷复合材料（仿生结构、吸波陶瓷、智能陶瓷复合材料、纳米陶瓷复合材料）7、功能陶瓷复合材料的发展趋势及应用主要内容1、陶瓷材料强韧化总的原则2、颗粒（纳米、微米）的强韧化机理3、纤维（长纤维、短纤维）的强韧化机理4、晶须的强韧化机理5、陶瓷复合材料强韧化研究的发展趋势

2、及展望陶瓷基复合材料特种陶瓷具有优秀的力学性能、耐磨性好、硬度高及耐腐蚀性好等特点，但其脆性大，抗热震性能差，这是由于陶瓷材料对裂纹、气孔和夹杂等细微的缺陷很敏感。陶瓷基复合材料韧性大大改善，同时其强度、模量有了提高。颗粒增韧陶瓷基复合材料的弹性模量和强度均较整体陶瓷材料提高，但力–位移曲线形状不发生变化；陶瓷基复合材料的力–位移曲线而纤维增强陶瓷基复合材料不仅使其弹性模量和强度大大提高，而且还改变了力–位移曲线的形状（如图）。陶瓷的强韧化脆性是陶瓷材料的致命弱点，其来源于高键能引起的缺陷敏感性，陶瓷材料的强韧

3、化本质上就是降低其对缺陷的敏感性。陶瓷材料缺陷敏感性存在着显著的尺寸效应，即块体材料的尺寸越大，缺陷数量越多。根据统计学原理，缺陷数量越多，缺陷的概率尺寸越大。陶瓷材料的强度和韧性具有“最弱连接”特征，即取决于缺陷的最大尺寸而不是数量，实际上，陶瓷基复合材料的强韧化就是利用了缺陷的尺寸效应。（掺杂改性）陶瓷的强韧化与块体材料相比，陶瓷基复合材料的增强体（如晶须、纤维）由于尺寸小，因而强度和模量高。将陶瓷材料与缺陷尺寸更小的增强体复合往一起，将会降低陶瓷材料的缺陷敏感性，从而提高强度和韧性。因此，陶瓷基复合材料要

4、求增强体的体积分数尽可能高。陶瓷的强韧化高模量是陶瓷材料的另一个显著特点，而高模量使陶瓷材料表现出较高的裂纹敏感性。因此，陶瓷材料的强韧化除了通过复合降低缺陷敏感性之外，还要降低材料的裂纹敏感性。在理想的复合材料体系中，增强体的模量应该明显高于基体的模量，以保证复合材料具有较高的基体开裂应力。然而，陶瓷基复合材料的基体和增强体的模量一般都很高且大体相当，因而基体开裂的应力很低。由于热线胀失配，基体甚至在加载之前就存在微裂纹，即基体开裂应力为零。陶瓷的强韧化由于高模量，材料抵抗裂纹扩展的能力也很低，即使在很低的应

5、力水平下，高强度的增强体也不能阻止裂纹的扩展。弱界面结合不仅可以降低裂纹尖端应力集中程度，而且可以使裂纹沿界面扩展，从而降低陶瓷基复合材料的裂纹敏感性，达到提高强度和韧性的目的。陶瓷的强韧化陶瓷基复合材料的强韧化涉及缺陷敏感性和裂纹敏感性两个方面。缺陷敏感性与增强体的尺度有关，裂纹敏感性与界面行为（增强体的长径比）有关。为了实现陶瓷强韧化，对陶瓷基复合材料提出两个基本要求（总的原则）：一是增强体具有高体积分数，以降低复合材料的缺陷敏感性而提高强度；二是基体与增强体之间弱界面结合，以通过降低裂纹敏感性来提高韧性。

6、1不同增强体的强韧化机理按照增强体的长径比，陶瓷基复合材料的增韧方式可以分为颗粒增韧、晶须增韧和纤维增韧三种，其中颗粒增韧按照颗粒的尺度又可以分为微米颗粒增韧和纳米颗粒增韧。颗粒、晶须和纤维三种增强体本身的尺寸和长径比不同，与陶瓷基体复合后对界面结合强度的要求不同，降低复合材料缺陷敏感性和裂纹敏感性的程度不同，因而强韧化机制也不相同。增强体形状和尺寸与强韧化方式1.1纳米颗粒强韧化机理1强化机理：1)晶界钉扎作用根据Hallpetch关系，即=0+kd-1/2，当d减小时提高，即晶粒尺寸越小，材料的强度越

7、高。弥散在基体粒子中的纳米粒子可抑制晶粒的异常长大，形成较窄的晶粒尺寸分布，提高显微结构的均匀性。减小纳米复合材料基体中的裂纹尺寸是其强化机理之一，降低基体晶粒尺寸相当于降低了临界裂纹尺寸。添加4％（质量分数）30nmSiC和Y2O3的SiC/Si3N4纳米复合材料的弯曲强度最高达1.9GPa，在l400℃仍保持在1GPa。纳米复合材料高温强度的大幅提高是纳米颗粒对晶界滑移的抑制和在近晶界处SiC纳米颗粒的团聚所引起的。1.1纳米颗粒强韧化机理2)位错网强化由于纳米粒子与基体晶粒及晶界玻璃相的线胀系数不相等，在

8、冷却过程中，内应力使基体晶粒形成位错并在较高的温度下扩展为位错网，这些位错网具有一定的畸变能，起到了强化基体作用。1.1纳米颗粒强韧化机理3)制备缺陷尺寸减小对四点弯曲试样断口组织的研究发现，由于在SiC/Al2O3纳米复合材料中纳米SiC的团聚，使制备缺陷的尺寸和形态出现由体积较大的气孔转变为类似裂纹的小尺寸气孔变化。颗粒复合材料对集中的大尺寸气孔具有更高的缺陷敏感性，而对分散的小尺