陶瓷材料晶须增韧11.doc

陶瓷材料的晶须增韧摘要:晶须增韧机理以及晶须增韧的应用关键词:1前言:晶须强韧化是用高强度、高模量的陶瓷纤维与陶瓷基体构成陶瓷基复合材料,靠裂纹偏转弯曲、纤维脱粘、纤维拔出和纤维桥连等机制来达到模高陶瓷的韧性和强度的一种方法,这样的复合材料称做纤维增强陶瓷基复合材料。晶须对陶瓷的增强、增韧效果不仅取决于纤维和陶瓷本身的性能(强度、弹性模量、线胀系数等),而且还取决于两者间是否有良好的匹配性(物理和化学相容性)及界而的结合状态。因而有的陶瓷材料加入纤维后可能强度和韧性同时提高,而有的陶瓷材料则仅仅韧性提高而强度下降。,因此有时即便是复合后仅韧性提高而强度下降,摊的复合也是值得的。,增强体会导致裂纹弯曲和倔转,从而使基体的应力场强度因子降低,起到阻碍裂纹扩展的作用。随增强体长径比的增加,裂纹弯曲增韧的效果增加。裂纹一般很难穿过晶须,更容易绕过晶须并尽量贴近表面而扩展,即裂纹发生偏转。裂纹偏转增韧示意图见图7—25。裂纹偏转后受的拉应力往往低于偏转前的,而且裂纹的扩展路径增长,裂纹扩展中需消耗更多的能量,因而起到增韧的作用。裂纹偏转可以绕着晶须倾斜偏转或扭转偏转,一般认为,裂纹偏转增韧主要是扭转偏转机制起作用。,晶须或短纤维脱粘会产生新表面,因此需要能量,见图7—26。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。假设纤维的脱粘能等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为:其中:d为纤维直径人为纤维临界长度14为纤维拉伸断裂强度;Zf为纤维弹性模量。将纤维体积代人,则可求出单位面积的最大脱粘能QD:由上述分析可知,若想通过纤维脱粘达到最大增韧效果,应使纤维体积含量增高,Lc要大,即纤维与基体的界面要弱。因为Lc与界面应力成反比。,,如图7—28所示。这时紧靠裂纹尖端处的晶须并未断裂,而是在裂纹两侧搭桥,,从而使裂纹难以进一步扩展,起到增韧作用,即纤维桥连增韧。,是指靠近裂纹尖端的晶须或短纤维在外力作用下沿着它和基体的界面滑出的现象。纤维拔出示意图见图7—27。很显然纤维首先发生脱粘才能拔出。纤维拨出会使裂纹尖端应力松弛,从而减缓了裂纹的扩展。纤维的拔出需要外力作功,因此起到增韧作用。提高界面的结合强度会提高纤维的拔出效应对韧性的贡献。如果纤维与基体间的结合太弱,,纤维不能成为承受载荷的主体,因面强韧化效果差,甚至可能围结合稀松,纤维的存在类似于孔洞,反而会降低强度和韧性;反之如果纤维与基体的界面结合强度过高,则不能发生纤维与基体的界面解离(裂纹偏转的一部分)和纤维的拔出,材料将以灾难性的脆性方式断裂面不是以韧性方式断裂,虽然可以提高强皮但不能提高韧性。因此,影响增韧效果最为关键的问题之一是界面强度,此界面强度应适中,不能高于纤维的断裂强度。。在cMc材料中,纤维和基体一般是不同的物质,因而线胀系数和弹性模量通常是不同的,即使是同种物质(如SiC纤维和SiC陶瓷基体),因晶体结构不同或各向异性,其线胀系数和弹性模量也会有所不同,而线胀系数和弹性模量的差异会对纤维强韧化的效果产生非常重要的影响。由于材料在烧结后的冷却过程中,因线胀系数不同,在界面上会产生残余应力和残余应变,甚至可能因陶瓷基体本身的脆性(%)面出现微裂纹,这种现象称为热失配。残余应力正比于?a?T,其中?a=af-am,af和am分别为纤维和基体的线胀系数;?a是烧结象度与当前温度的差值。若?a>o,即纤维线胀系数大于基体线胀系数时,纤维沿轴向受拉应力,基体受压应力,纤维产生一定的预拉应力,成为载荷的主要承载者,有利于强度和韧性的提高;反之若?a<0,纤维沿轴向受压应力,基体受拉应力,当材料受外力作用时,纤维不能先于基体象提载荷,不利于强韧化。因此对同一种纤维,基体的线胀系数小,强韧化效果好。在应变相同的情况下,若纤维的弹性模量比基体大,纤维将分提大部分载荷,从面有利于强韧化;反之若纤维弹性模量小于基体的,则纤维的作用不能充分发挥出来。因此一般要求Ef>Em、和af>am、Ef、Em、af、am分别为纤维和基体的弹性模量和线胀系数。,纤维与基体间不发生化学反应及纤维性能在该温度下不致退化,否则纤维