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1、1陶瓷材料的陶瓷材料的韧性化问题韧性化问题便成了近年来陶便成了近年来陶瓷工作者们研究的一个重点问题。瓷工作者们研究的一个重点问题。往陶陶瓷材料中加入起增韧作用的第往陶陶瓷材料中加入起增韧作用的第二相而制成陶瓷基复合材料即是一种重要二相而制成陶瓷基复合材料即是一种重要方法。方法。第1页/共165页2复合材料是由两复合材料是由两种或两种以上化种或两种以上化学性质或组织结学性质或组织结构不同的材料组构不同的材料组合而成的材料。合而成的材料。复复合合材材料料船船体体7.1 7.1 陶瓷基复合材料的组成陶瓷基复合材料的组成一、复合材料的定义第2页/共165页3复合材料是多相材料，主要包括复合材料是多相材
2、料，主要包括基体相基体相和和增强相增强相。基体相基体相是一种连续相，它把改善性能的增强相材料是一种连续相，它把改善性能的增强相材料固固l结成一体，并起结成一体，并起传递应力的作用传递应力的作用。l增强相增强相起承受应起承受应力力（结构复合材（结构复合材料）料）和显示功能和显示功能(功能复合材料功能复合材料)的作用。的作用。纤维增强高分子复合材料纤维增强高分子复合材料二、复合材料的组成第3页/共165页4三、复合材料的特点三、复合材料的特点1、比强度和比模量高、比强度和比模量高 其中纤其中纤维增强复合材料的最高。维增强复合材料的最高。2、抗疲劳性能好、抗疲劳性能好 碳纤维增强碳纤维增强材料材料-
3、1可达可达 b的的7080%。因纤维对疲劳裂纹扩展有阻碍因纤维对疲劳裂纹扩展有阻碍作用作用。3、减振性能良好、减振性能良好 复合材料中复合材料中的大量界面对振动有反射吸收的大量界面对振动有反射吸收作用，不易产生共振。作用，不易产生共振。4、高温性能好。、高温性能好。比强度比较碳纤维 树脂硼纤维 树脂玻璃纤维 树脂钛 钢 铝第4页/共165页5四、复合材料的可设计性四、复合材料的可设计性四、复合材料的可设计性四、复合材料的可设计性材料与结构不可分材料与结构不可分根据我们的需求设计材料和结构根据我们的需求设计材料和结构 在我们所需要的方向上具有足够的强度和刚度，其他方向上不需要，消在我们所需要的方
4、向上具有足够的强度和刚度，其他方向上不需要，消除材料冗余，提高材料效率除材料冗余，提高材料效率第5页/共165页6五五.陶瓷基复合材料的组成陶瓷基复合材料的组成1陶瓷基复合材料的基体陶瓷基复合材料的基体陶瓷基复合材料的基体为陶瓷基复合材料的基体为陶瓷陶瓷。目前。目前被人们研究最多的是碳化硅、氮化硅、氧被人们研究最多的是碳化硅、氮化硅、氧化铝等，它们普遍具有耐高温、耐腐蚀、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。高强度、重量轻和价格低等优点。第6页/共165页72陶瓷复合材料的增强体陶瓷复合材料的增强体陶瓷基复合材料中的陶瓷基复合材料中的增强体增强体，通常，通常也称为也
5、称为增韧体增韧体。从几何尺寸上增强体可分为从几何尺寸上增强体可分为纤维纤维(长、短纤维长、短纤维)、晶须晶须和和颗粒颗粒三类。三类。第7页/共165页8 纤维在基体中的不同分布方式纤维在基体中的不同分布方式第8页/共165页91)纤维纤维A.碳纤维碳纤维碳纤维可用多种方法进行生产。工业碳纤维可用多种方法进行生产。工业上主要采用上主要采用有机母体的热氧化有机母体的热氧化和和石墨石墨化化。3.常用的增强体材料常用的增强体材料第9页/共165页10碳纤维的生产过程碳纤维的生产过程主要包括三个阶段。主要包括三个阶段。第一阶段第一阶段在空气中于在空气中于200400进行进行低低温氧化温氧化；第二阶段第二
6、阶段是在惰性气体中在是在惰性气体中在1000左左右进行右进行碳化处理碳化处理；第三阶段第三阶段则是在惰性气体中于则是在惰性气体中于2000以上的温度作以上的温度作石墨化处理石墨化处理。第10页/共165页11目前，碳纤维常规生产的品种主要有两种，目前，碳纤维常规生产的品种主要有两种，即即高模量型高模量型和和低模量型低模量型。其中，高模量型的其中，高模量型的拉伸模量拉伸模量约为约为400 GPa，拉伸强度拉伸强度约为约为1.7 GPa；低模量型的低模量型的拉伸模量拉伸模量约为约为240 GPa，拉伸拉伸强度强度约为约为2.5 GPa。第11页/共165页12碳纤维碳纤维主要用在把主要用在把强度强
7、度、刚度刚度、重量重量和和抗化学性抗化学性作为设计参数的作为设计参数的构构件件，在，在1500的温度下，碳纤维仍的温度下，碳纤维仍能保持其性能不变。能保持其性能不变。第12页/共165页13但是，必须对碳纤维进行但是，必须对碳纤维进行有效有效的保护的保护以防止它以防止它在空气中或氧化性在空气中或氧化性气氛中被腐蚀气氛中被腐蚀，只有这样，才能充，只有这样，才能充分发挥它的优良性能。分发挥它的优良性能。第13页/共165页14B.玻璃纤维玻璃纤维。制造玻璃纤维的制造玻璃纤维的基本流程基本流程如下如下图所示：图所示：第14页/共165页15玻璃球玻璃球玻璃球再熔化玻璃球再熔化连续纤维连续纤维上浆上浆
8、纱线纱线绕线筒绕线筒玻玻璃璃纤纤维维生生产产流流程程图图将玻璃小球将玻璃小球熔化，然后通过熔化，然后通过1mm左右直径的左右直径的小孔把它们拉出小孔把它们拉出来。来。另外，缠绕另外，缠绕纤维的纤维的心轴的转心轴的转动速度动速度决定纤维决定纤维的直径，通常为的直径，通常为10um的数量级。的数量级。第15页/共165页16为了为了便于操作便于操作和和避免纤维受潮并避免纤维受潮并形成纱束形成纱束，在刚凝固成纤维时，表面，在刚凝固成纤维时，表面就就涂覆薄薄一层保护膜涂覆薄薄一层保护膜，这层保护膜，这层保护膜还有利于还有利于与基体的粘结与基体的粘结。第16页/共165页17玻璃的组成玻璃的组成可在一个
9、可在一个很宽的范围内很宽的范围内调调整，因而可生产出具有整，因而可生产出具有较高杨氏模量较高杨氏模量的品的品种，这些特殊品种的纤维通常需要种，这些特殊品种的纤维通常需要在较高在较高的温度下的温度下熔化后拉丝熔化后拉丝，因而，因而成本较高成本较高，但，但可满足制造一些可满足制造一些有特殊要求的有特殊要求的复合材料。复合材料。第17页/共165页18C.硼纤维硼纤维它属于它属于多相的多相的，又是，又是无定形的无定形的，因，因为它是用为它是用化学沉积法化学沉积法将将无定形硼无定形硼沉沉积在钨丝积在钨丝或者或者碳纤维上碳纤维上形成的。形成的。第18页/共165页19在实际结构的在实际结构的硼纤维硼纤维
10、中，由于中，由于缺少大晶体结构缺少大晶体结构，使其，使其纤维强度下纤维强度下降降到只有晶体硼纤维一半左右。到只有晶体硼纤维一半左右。第19页/共165页20由由化学分解化学分解所获得的所获得的硼纤维的平均性能硼纤维的平均性能为，杨氏模量为，杨氏模量420GPa，拉伸强度拉伸强度2.8GPa。硼纤维硼纤维对任何可能的对任何可能的表面损伤表面损伤都非常都非常敏敏感感，甚至比玻璃纤维更敏感，甚至比玻璃纤维更敏感，热或化学处理热或化学处理对硼纤维都有影响，高于对硼纤维都有影响，高于500 时强度会急时强度会急剧下降。剧下降。第20页/共165页21为了阻止为了阻止随温度而变化的降解作用随温度而变化的降
11、解作用，已采用了已采用了不同类型的涂层不同类型的涂层作试验。作试验。例如，例如，商业上使用的硼纤维商业上使用的硼纤维通常是在通常是在表面涂了一层表面涂了一层碳化硅碳化硅，它可使纤维，它可使纤维长期暴长期暴露在高温后露在高温后仍有保持仍有保持室温强度室温强度的优点。的优点。第21页/共165页222)晶须晶须晶须为具有晶须为具有一定长径比一定长径比(直径直径0.31um,长长30100um)的的小单晶体小单晶体。1952年，年，Herring和和Galt验证了验证了锡的晶须锡的晶须的强度的强度比比块状锡块状锡高得多，这促使人们去对高得多，这促使人们去对纤纤维状的单晶维状的单晶进行详细的研究。进行
12、详细的研究。第22页/共165页23从结构上看，从结构上看，晶须的特点晶须的特点是没有是没有微微裂纹裂纹、位错位错、孔洞孔洞和和表面损伤表面损伤等一类缺等一类缺陷，而这些缺陷正是陷，而这些缺陷正是大块晶体中大量存大块晶体中大量存在在且促使且促使强度下降强度下降的主要原因。的主要原因。第23页/共165页24在某些情况下，在某些情况下，晶须的拉伸强度晶须的拉伸强度可达可达0.1E(E为杨氏模量为杨氏模量)，这已非常接，这已非常接近于近于理想拉伸强度理想拉伸强度0.2E。相比之下，相比之下，多晶的金属纤维多晶的金属纤维和和块块状金属状金属的的拉伸强度拉伸强度只有只有0.02E和和0.001E。第2
13、4页/共165页25由于晶须具有由于晶须具有最佳的热性能最佳的热性能、低密度低密度和和高杨氏模量高杨氏模量，从而引起了人们对其特别的关，从而引起了人们对其特别的关注。注。在在陶瓷基复合材料中陶瓷基复合材料中使用得较为普遍的使用得较为普遍的是是SiC、A12O3及及Si3N4晶须。但因为价格昂晶须。但因为价格昂贵，目前仅在少数宇航器件上采用。贵，目前仅在少数宇航器件上采用。第25页/共165页26ZnO晶须晶须自增韧自增韧Si3N4陶瓷陶瓷第26页/共165页273)颗粒颗粒从从几何尺寸几何尺寸上看，颗粒在各个方向上上看，颗粒在各个方向上的长度是大致相同的，一般为的长度是大致相同的，一般为几个微
14、米几个微米。常用得的颗粒也是常用得的颗粒也是SiC、Si3N4等。等。第27页/共165页28颗粒的增韧效果颗粒的增韧效果虽不如虽不如纤维纤维和和晶须晶须，但，但是，如果颗粒种类、是，如果颗粒种类、粒径粒径、含量含量及及基体材料基体材料选择适当选择适当仍会仍会有一定的韧化效果有一定的韧化效果，同时还会，同时还会带来带来高温强度高温强度，高温蠕变性能高温蠕变性能的改善。的改善。所以，所以，颗粒增韧复合材料颗粒增韧复合材料同样受到重视同样受到重视并对其进行了一定的研究。并对其进行了一定的研究。第28页/共165页29一、陶瓷基复合材料的界面一、陶瓷基复合材料的界面1、界面的粘结形式、界面的粘结形式
15、2、界面的作用、界面的作用3、界面性能的改善、界面性能的改善7.2 陶瓷基复合材料的界面和强韧化机理陶瓷基复合材料的界面和强韧化机理第29页/共165页301、界面的粘结形式、界面的粘结形式对于陶瓷基复合材料来讲，对于陶瓷基复合材料来讲，界面界面的粘结形式的粘结形式主要有两种：主要有两种：(1)机械粘结机械粘结(2)化学粘结化学粘结第30页/共165页31若若基体与增强体之间基体与增强体之间不发生反应或控不发生反应或控制它们之间发生反应，那么当制它们之间发生反应，那么当从高温冷却从高温冷却下来时下来时，陶瓷基体的收缩陶瓷基体的收缩大于大于增强体增强体，由，由于收缩而产生的于收缩而产生的径向压应
16、力径向压应力 r 与与界面剪应界面剪应力力 有关：有关：第31页/共165页32 r式中，式中，是摩擦系数，一般为是摩擦系数，一般为0.10.6。此外，基此外，基体在高温时呈现为液体体在高温时呈现为液体(或或粘性体粘性体)，它也可，它也可渗入或浸入纤维表面的渗入或浸入纤维表面的缝隙缝隙等缺陷处，冷却后形成等缺陷处，冷却后形成机械结合机械结合。第32页/共165页33由于由于陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料往往是在往往是在高温条高温条件件下制备，而且往往下制备，而且往往在高温环境中工作在高温环境中工作，因此因此增强体与陶瓷之间增强体与陶瓷之间容易容易发生化学反应发生化学反应形成化学粘结的形成化学粘结
17、的界面层界面层或或反应层反应层。第33页/共165页34实际上，高温下实际上，高温下原子的活性增大原子的活性增大，原子的扩散速度较室温大的多，由原子的扩散速度较室温大的多，由于于增强体与陶瓷基体的原子扩散增强体与陶瓷基体的原子扩散，在界面上更易在界面上更易形成固溶体和化合物形成固溶体和化合物。第34页/共165页35此时，此时，增强体与基体之间的界面增强体与基体之间的界面是是具有一定厚度的具有一定厚度的界面反应区界面反应区，它，它与与基体和增强体都能较好的结合基体和增强体都能较好的结合，但通，但通常是常是脆性脆性的。例如的。例如Al2O3f/SiO2系中会系中会发生反应形成发生反应形成强的化学
18、键结合强的化学键结合。第35页/共165页36 2、界面的作用、界面的作用对于对于陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料来讲，来讲，界面粘结界面粘结性能性能影响影响陶瓷基体和复合材料的陶瓷基体和复合材料的断裂行为断裂行为。对于陶瓷基复合材料的对于陶瓷基复合材料的界面界面来说，一来说，一方面应强到方面应强到足以传递轴向载荷，足以传递轴向载荷，并具有并具有高高的横向强度的横向强度；第36页/共165页37强的界面粘结强的界面粘结往往导致往往导致脆性破坏脆性破坏，如下图如下图(a)所示，所示，裂纹可以在复合材裂纹可以在复合材料的料的任一部位形成，任一部位形成，并并迅速扩展迅速扩展至复合至复合材料的横截面，导材
19、料的横截面，导致致平面断裂平面断裂。纤维纤维基体基体(a)强界面结合强界面结合第37页/共165页38平面断裂平面断裂主要是由于主要是由于纤维的弹纤维的弹性模量不是大大高于基体性模量不是大大高于基体，因此在，因此在断裂过程中，断裂过程中，强的界面结合强的界面结合不产生不产生额外的能量消耗额外的能量消耗。第38页/共165页39若若界面结合较界面结合较弱弱，当基体中的裂当基体中的裂纹扩展至纤维时纹扩展至纤维时，将导致将导致界面脱粘界面脱粘，其后其后裂纹发生偏转裂纹发生偏转、裂纹桥联裂纹桥联、纤维断纤维断裂裂以致最后以致最后纤维拔纤维拔出出(图图 b)。(b)弱界面结合弱界面结合第39页/共165
20、页40另一方面，陶瓷基复合材料的另一方面，陶瓷基复合材料的界面界面要要弱到弱到足以沿界面发生横向裂纹足以沿界面发生横向裂纹及及裂纹偏转裂纹偏转直到纤维的拔出直到纤维的拔出。因此，陶瓷基复合材料界面要有一个因此，陶瓷基复合材料界面要有一个最佳的界面强度最佳的界面强度。第40页/共165页41裂纹的偏转裂纹的偏转、桥联桥联、断裂断裂以致最后以致最后纤维纤维拔出拔出等，这些过程都要等，这些过程都要吸收能量吸收能量，从而，从而提高提高复合材料的断裂韧性复合材料的断裂韧性，避免了，避免了突然的脆性失突然的脆性失效效。第41页/共165页42 3、界面性能的改善、界面性能的改善为获得为获得最佳的界面结合强
21、度最佳的界面结合强度，我们，我们常常希望常常希望完全避免完全避免界面间的化学反应界面间的化学反应或或尽量降低尽量降低界面间的化学反应界面间的化学反应程度和范围程度和范围。第42页/共165页43在实际应用中，除选择在实际应用中，除选择纤维和基体纤维和基体在在加工和使用期间加工和使用期间能能形成稳定的热力学界面形成稳定的热力学界面外，外，最常用的方法最常用的方法就是在与基体复合之前，就是在与基体复合之前，往增强材料表面上往增强材料表面上沉积一层薄的涂层沉积一层薄的涂层。第43页/共165页44C和和BN是最常用的涂层，此外还有是最常用的涂层，此外还有SiC、ZrO2和和SnO2涂层。涂层。涂层的
22、厚度涂层的厚度通常在通常在0.11um，涂层的涂层的选择取决于选择取决于纤维纤维、基体基体、加工加工和和服役要求服役要求。第44页/共165页45纤维上的涂层除了可以改变复合材料纤维上的涂层除了可以改变复合材料界界面结合强度面结合强度外，对纤维还可起到外，对纤维还可起到保护作用保护作用，避免避免在加工和处理过程中在加工和处理过程中造成纤维的机械损造成纤维的机械损坏。坏。第45页/共165页46下图为下图为莫来石纤维莫来石纤维增强增强玻璃基体玻璃基体复合材料的复合材料的断裂行为差异断裂行为差异。第46页/共165页47莫来石纤维上未涂莫来石纤维上未涂BN涂层涂层莫来石纤维上涂有莫来石纤维上涂有B
23、N涂层涂层从图中可看出，若纤维从图中可看出，若纤维未涂未涂未涂未涂BNBN涂层，则复合材涂层，则复合材料的断面呈现为料的断面呈现为脆性的平面断裂脆性的平面断裂脆性的平面断裂脆性的平面断裂：而经：而经CVD沉积沉积0.2um的的BNBN涂层涂层涂层涂层后，断面上可见到大量的后，断面上可见到大量的纤维拔出纤维拔出纤维拔出纤维拔出。第47页/共165页48 二、陶瓷基复合材料的强韧化机理二、陶瓷基复合材料的强韧化机理1、纤维增韧机理、纤维增韧机理2、晶须增韧机理、晶须增韧机理3、颗粒增韧机理、颗粒增韧机理第48页/共165页49通过增加断裂功、阻碍裂纹扩展，或者纤维断头克服与基体的界面摩擦力拔出1、
24、纤维增韧机理第49页/共165页50裂纹扩展示意图第50页/共165页51A A、基体预压缩应力、基体预压缩应力当纤维的热膨胀系数高于基体，复合材料在低于制造温度的环境下使用，基体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，当复合材料承受研纤维轴向的拉伸载荷时，强度和韧性均增加。B B、裂纹扩展受阻、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到纤维时可被阻止，甚至由于纤维的残余拉应力而使裂纹闭合。第51页/共165页52C C、纤维断裂和纤维拔出、纤维断裂和纤维拔出：具有较高断裂韧性的纤维，当基体裂纹扩展到纤维时，应力集中导致结合弱的纤维/基体界面解离
25、，在应变进一步增加时，将导致纤维断裂并使其断头从基体中拔出。D D、裂纹偏转：、裂纹偏转：裂纹沿着结合弱的纤维/基体界面弯曲，偏离原来的扩展方向，使裂纹扩展路径增加。第52页/共165页53E E、纤维、纤维/基体界面解离：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，即需要增加更高的外加载荷才能使裂纹扩展。F F、纤维桥联增韧：、纤维桥联增韧：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，从而增加材料的韧性。第53页/共165页54Zr
26、O2纤维增韧陶瓷基复合材料相变增韧相变增韧微裂纹增韧微裂纹增韧第54页/共165页55实际实际材料断裂过程材料断裂过程中，中，纤维的断裂纤维的断裂并并非发生在非发生在同一裂纹平面同一裂纹平面，这样，这样主裂纹主裂纹还将还将沿纤维断裂位置的不同沿纤维断裂位置的不同而发生而发生裂纹转向裂纹转向。这也同样会这也同样会使裂纹的扩展阻力增加使裂纹的扩展阻力增加，从而，从而使使韧性进一步提高韧性进一步提高。第55页/共165页56 2、晶须增韧机理晶须晶须增强陶瓷基复合材料的强韧化机理与增强陶瓷基复合材料的强韧化机理与纤维纤维增强陶瓷基复合材料大致相同，主要增强陶瓷基复合材料大致相同，主要是靠是靠晶须的拔
27、出、桥联晶须的拔出、桥联与与裂纹偏转机制裂纹偏转机制对对强度和韧性的提高强度和韧性的提高产生作用。产生作用。第56页/共165页57界面结合强度界面结合强度直接影响了复合材料直接影响了复合材料的的韧化机制韧化机制与与韧化效果韧化效果。界面强度界面强度过高过高，晶须将与基体一晶须将与基体一起断裂起断裂，限制了晶须的拔出限制了晶须的拔出，因而也，因而也就就减小了晶须拔出机制对韧性的贡献减小了晶须拔出机制对韧性的贡献。第57页/共165页58但另一方面，但另一方面，界面强度的提高界面强度的提高有有利于利于载荷转移载荷转移，因而，因而提高了强化效果提高了强化效果。界面强度界面强度过低过低、则使、则使晶
28、须的拔出晶须的拔出功减小功减小，这，这对韧化和强化都不利对韧化和强化都不利，因，因此此界面强度存在一个最佳值界面强度存在一个最佳值。第58页/共165页59下图为下图为SiCw/ZrO2材料的材料的载荷载荷-位移位移曲线。曲线。(位移位移位移位移 um)um)载载载载荷荷荷荷(N N)从图中可以看出，有明显的从图中可以看出，有明显的锯齿效应锯齿效应，这是这是晶须拔出晶须拔出桥连机制桥连机制作用的结果。作用的结果。第59页/共165页603、颗粒增韧机理增韧机制可能有裂纹受阻或裂纹偏转、相变增韧和弥散增韧。1）基体与第二相弹性模量复合材料受到拉应力时，高弹性模量的第二相颗粒阻碍基体横向收缩。为达
29、到横向收缩协调，必须增大外加纵向拉伸应力，即消耗更多外界能量，从而达到增韧作用。第60页/共165页612）热膨胀失配增韧残余应力场第61页/共165页62第62页/共165页6300时，第二相颗粒内部产生等静拉应力，而基体中时，第二相颗粒内部产生等静拉应力，而基体中产生径向拉应力和周向的压应力。产生径向拉应力和周向的压应力。000时，当时，当r r大于临界值时，会产生自发的周向微开大于临界值时，会产生自发的周向微开裂裂 00时，当时，当r r大于临界值时，会产生自发的径向微开大于临界值时，会产生自发的径向微开裂裂第63页/共165页64第64页/共165页653）裂纹偏转机制裂纹先偏离原来的
30、方向，即环绕颗粒扩展到与周向应力平行而与径向垂直方向；当裂纹靠近颗粒时，由于基体中径向应力增大，裂纹会直接向颗粒方向偏转，达到颗粒/基体界面；然后再沿原扩展方向传播。即增加了裂纹再基体中的扩展路径，达到增韧效果。颗粒尺寸越大，裂纹偏转路径越长，裂纹扩展阻力越大，消耗的断裂能越大，增韧效果越明显。第65页/共165页66裂纹将朝着原裂纹方向上的颗粒直接扩展；当达到界面时，若外加应力不再增加，则裂纹在此处中止（称为裂纹钉扎）；若外加应力继续增大，裂纹扩展将有两种可能途径：（1）穿过第二相颗粒导致颗粒开裂（穿晶断裂）（2）沿着颗粒与基体间界面扩展（裂纹偏转）第66页/共165页67颗粒破裂新生表面所
31、需的表面能克服颗粒内等静压力所作的功W1界面断裂能克服界面压应力所所作的功W2通常，裂纹沿界面扩展更容易进行，但是第二相颗粒尺寸较大时，容易发生穿晶断裂。第67页/共165页684）颗粒的裂纹桥联增韧机制一般发生在裂纹尖端后方，由于桥联裂纹两个表面，提供了一个使裂纹面相互靠近的力(闭合力）。第68页/共165页69裂纹尖端屏蔽和主裂纹周围微开裂及裂纹延性桥联。裂纹尖端屏蔽是由于裂纹尖端形成塑性变形区。第69页/共165页707.3 陶瓷基复合材料的种类及基本陶瓷基复合材料的种类及基本性能性能在陶瓷材料中，加入在陶瓷材料中，加入第二相纤维制成复第二相纤维制成复合材料合材料是是改善陶瓷材料韧性改善
32、陶瓷材料韧性的重要手段，按的重要手段，按纤维排布方式纤维排布方式的不同，又可将其分为的不同，又可将其分为单向排单向排布长纤维布长纤维复合材料和复合材料和多向排布纤维多向排布纤维复合材料。复合材料。第70页/共165页71一、单向排布长纤维复合材料一、单向排布长纤维复合材料单向排布纤维单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料增韧陶瓷基复合材料的显的显著特点是它具有著特点是它具有各向异性各向异性，即，即沿纤维长度方沿纤维长度方向上的纵向性能向上的纵向性能要大大要大大高于其横向性能高于其横向性能。在实际构件中，主要是使用其在实际构件中，主要是使用其纵向性能。纵向性能。第71页/共165页72 二多向排布纤维增
33、韧复合材料二多向排布纤维增韧复合材料单向排布纤维单向排布纤维增韧陶瓷只是增韧陶瓷只是在纤维排在纤维排列方向上的列方向上的纵向性能纵向性能较为优越，而其较为优越，而其横向横向性能性能显著低于显著低于纵向性能纵向性能，所以只适用于，所以只适用于单单轴应力轴应力的场合。的场合。第72页/共165页73而许多而许多陶瓷构件陶瓷构件则要求则要求在二维及在二维及三维方向上三维方向上均具有均具有优良的性能优良的性能，这就，这就要进一步研究要进一步研究多向排布纤维多向排布纤维增韧陶瓷增韧陶瓷基复合材料。基复合材料。第73页/共165页74(1)二维多向排布纤维增韧复合材料二维多向排布纤维增韧复合材料这种复合材
34、料中，这种复合材料中，纤维的排布方式纤维的排布方式有两种有两种。一种是一种是将纤维编织成纤维布将纤维编织成纤维布，浸渍浸渍浆料后浆料后，根据需要的厚度根据需要的厚度将将单层或若干单层或若干层层进行进行热压烧结成型热压烧结成型，如下图所示：，如下图所示：第74页/共165页75纤维层纤维层基体基体纤维布层压复合材料示意图纤维布层压复合材料示意图纤维布层压复合材料示意图纤维布层压复合材料示意图第75页/共165页76这种材料在这种材料在纤维排布平面的二维方向纤维排布平面的二维方向上上性能优越性能优越，而在，而在垂直于纤维排布面方向垂直于纤维排布面方向上上的性能较差。的性能较差。一般应用在对一般应用
35、在对二维方向上有较高性能二维方向上有较高性能要求要求的构件上。的构件上。第76页/共165页77另一种是另一种是纤维分层单向排布纤维分层单向排布，层层间纤维成一定角度间纤维成一定角度，如下图所示。，如下图所示。第77页/共165页78纤维层纤维层纤维层纤维层基体基体基体基体多层纤维按不同角度方向层压示意图多层纤维按不同角度方向层压示意图多层纤维按不同角度方向层压示意图多层纤维按不同角度方向层压示意图第78页/共165页79后一种复合材料可以根据后一种复合材料可以根据构件的形构件的形状状用用纤维浸浆缠绕的方法纤维浸浆缠绕的方法做成所需要形做成所需要形状的状的壳层状构件壳层状构件。而前一种材料而前
36、一种材料成型板状构件成型板状构件曲率不曲率不宜太大宜太大。第79页/共165页80这种这种二维多向纤维二维多向纤维增韧陶瓷基复合材增韧陶瓷基复合材料料的的韧化机理韧化机理与与单向排布纤维单向排布纤维复合材料是复合材料是一样的，主要也是靠一样的，主要也是靠纤维的拔出纤维的拔出与与裂纹转裂纹转向机制向机制，使其，使其韧性及强度韧性及强度比基体材料大幅比基体材料大幅度提高。度提高。第80页/共165页81(2)三维多向排布纤维增韧陶瓷基复合材料三维多向排布纤维增韧陶瓷基复合材料三维多向编织纤维三维多向编织纤维增韧陶瓷是为了增韧陶瓷是为了满足满足某些情况的性能要求某些情况的性能要求而设计的。而设计的。
37、这种材料最初是从宇航用这种材料最初是从宇航用三向三向C/C复合复合材料材料开始的，现已发展到开始的，现已发展到三向石英三向石英/石英石英等等陶瓷复合材料。陶瓷复合材料。第81页/共165页82下图为下图为三向正交三向正交C/C纤维编织纤维编织结构结构示意图。它是按直角坐标示意图。它是按直角坐标将多将多束纤维分层交替编织束纤维分层交替编织而成。而成。第82页/共165页83X XY YZ Z三向三向C/C编织结构示意图编织结构示意图 由于由于每束每束纤维呈直线伸纤维呈直线伸展展，不存在，不存在相相互交缠和绕曲互交缠和绕曲，因而使纤维可因而使纤维可以充分发挥以充分发挥最最大的结构强度大的结构强度。
38、第83页/共165页84这种这种三维多向三维多向编织结构编织结构还可以通过还可以通过调节纤维束的根数和股数调节纤维束的根数和股数，相邻束间的相邻束间的间距间距，织物的体积密度织物的体积密度以及以及纤维的总体纤维的总体积分数积分数等参数进行设计以满足性能要求。等参数进行设计以满足性能要求。第84页/共165页85三三 晶须和颗粒增强陶瓷基复合材料晶须和颗粒增强陶瓷基复合材料长纤维增韧陶瓷基复合材料长纤维增韧陶瓷基复合材料虽然虽然性能性能优越优越，但它的，但它的制备工艺复杂制备工艺复杂，而且，而且纤维在纤维在基体中不易分布均匀基体中不易分布均匀。因此，近年来又发展了因此，近年来又发展了短纤维短纤维
39、、晶须晶须及及颗粒颗粒增韧陶瓷基复合材料。由于短纤维增韧陶瓷基复合材料。由于短纤维与晶须相似，故只讨论后两种情形。与晶须相似，故只讨论后两种情形。第85页/共165页86由于由于晶须的尺寸晶须的尺寸很小，从客观上看与很小，从客观上看与粉末粉末一样，因此一样，因此在制备复合材料在制备复合材料时，只需时，只需将将晶须分散后晶须分散后与与基体粉末基体粉末混合均匀，然后混合均匀，然后对对混好的粉末混好的粉末进行进行热压烧结热压烧结，即可制得致，即可制得致密的晶须增韧陶瓷基复合材料。密的晶须增韧陶瓷基复合材料。第86页/共165页87目前常用的是目前常用的是SiC，Si3N4，Al2O3晶须，常用的基体
40、则为晶须，常用的基体则为Al2O3，ZrO2，SiO2，Si3N4及及莫来石莫来石等。等。第87页/共165页88晶须增韧晶须增韧陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料的性能的性能与与基基体和晶须的选择体和晶须的选择，晶须的含量及分布晶须的含量及分布等因等因素有关。素有关。下面两个图分别给出了下面两个图分别给出了ZrO2(2mol%Y2O3)+SiCw及及A12O3+SiCw陶瓷复合材料陶瓷复合材料的性能与的性能与SiCw含量含量之间的关系。之间的关系。第88页/共165页89断断断断裂裂裂裂韧韧韧韧性性性性KKI IC C(MMP Pa a.mm1 1/2 2)SiCSiCw w含量（含量（含量（含量
41、（vol%vol%）弯弯弯弯曲曲曲曲强强强强度度度度 f f(MMP Pa a)SiCw含量（含量（vol%）维维维维氏氏氏氏硬硬硬硬度度度度HHV V(GGP Pa a)弹弹弹弹性性性性模模模模量量量量E E(GGP Pa a)SiCw含量（含量（vol%）Z Zr rOO2 2(Y Y2 2OO3 3)复复复复合合合合材材材材料料料料的的的的力力力力学学学学性性性性能能能能第89页/共165页90SiCSiCw w含量（含量（含量（含量（vol%vol%）维维维维氏氏氏氏硬硬硬硬度度度度HHV V(GGP Pa a)弹弹弹弹性性性性模模模模量量量量E E(GGP Pa a)SiCSiCw
42、w含量（含量（含量（含量（vol%vol%）弯弯弯弯曲曲曲曲强强强强度度度度 f f(MMP Pa a)SiCSiCw w含量（含量（含量（含量（vol%vol%）断断断断裂裂裂裂韧韧韧韧性性性性KKI IC C(MMP Pa a.mm1 1/2 2)A Al l2 2OO3 3+S Si iC Cw w复复复复合合合合材材材材料料料料的的的的力力力力学学学学性性性性能能能能第90页/共165页91从上面两个图中可以看出，两从上面两个图中可以看出，两种材料的种材料的弹性模量弹性模量、硬度硬度及及断裂韧断裂韧性性均均随着随着SiCw含量的增加含量的增加而提高。而提高。第91页/共165页92而而
43、弯曲强度弯曲强度的变化规律则是，对的变化规律则是，对Al2O3基复合材料基复合材料，随随SiCw含量的增加单调上升含量的增加单调上升，而对而对ZrO2基体基体，在，在10 vol SiCw时时出现峰值出现峰值，随后又有所下降，但却随后又有所下降，但却始终高于基体始终高于基体。第92页/共165页93这可解释为由于这可解释为由于SiCw含量高时含量高时造成热造成热失配过大失配过大，同时，同时使致密化困难使致密化困难而而引起密度引起密度下降下降，从而使，从而使界面强度降低界面强度降低，导致了复合导致了复合材料强度的下降材料强度的下降。第93页/共165页94由图中可知，对由图中可知，对A12O3基
44、复合材料基复合材料最佳最佳的韧性和强度的配合的韧性和强度的配合可使可使断裂韧性断裂韧性KIC=7MPa.M1/2，弯曲强度弯曲强度 f=600MPa；ZrO2基复合材料基复合材料的的断裂韧性断裂韧性KIC=16MPa.M1/2，弯曲强度弯曲强度 f=1400MPa。由此可见，由此可见，SiCw对陶瓷材料对陶瓷材料同时具有增同时具有增强和增韧的效果强和增韧的效果。第94页/共165页95从上面的讨论知道，由于从上面的讨论知道，由于晶须具晶须具有长径比有长径比，因此，因此，当其含量较高时，当其含量较高时，因其因其桥架效应桥架效应而而使致密化变得因难使致密化变得因难，从而引起了从而引起了密度的下降并
45、导致性能的密度的下降并导致性能的下降下降。第95页/共165页96为了克服这一弱点，可采用为了克服这一弱点，可采用颗粒颗粒来来代替晶须代替晶须制成复合材料，这种复合制成复合材料，这种复合材料在材料在原料的混合均匀化原料的混合均匀化及及烧结致密烧结致密化方面化方面均比晶均比晶须增强陶瓷基复合材料须增强陶瓷基复合材料要容易。要容易。第96页/共165页97当所用的颗粒为当所用的颗粒为SiC，TiC时，时，基体材料采用最多的是基体材料采用最多的是Al2O3，Si3N4。目前，这些复合材料已广泛用目前，这些复合材料已广泛用来来制造刀具制造刀具。第97页/共165页98右图显示了右图显示了SiCp含量含
46、量对对SiCp/A12O3复合材料复合材料性能的影响性能的影响。断断断断裂裂裂裂强强强强度度度度 f f(MMP Pa a)SiCSiCp p含量含量含量含量(vol%vol%)从中可以看出，在从中可以看出，在5 SiCp时时强度出现峰值。强度出现峰值。第98页/共165页99下图为下图为SiCSiCp p含量含量含量含量对对SiCSiCp p/Si/Si3 3N N4 4复合材料性能的复合材料性能的影响。影响。SiCSiCp p含量（含量（含量（含量（vol%vol%）断断断断裂裂裂裂韧韧韧韧性性性性KKI IC C(MMP Pa a.mm1 1/2 2)SiCSiCp p含量（含量（含量（
47、含量（vol%vol%）弯弯弯弯曲曲曲曲强强强强度度度度 f f(MMP Pa a)从中可以看出，在从中可以看出，在SiCSiCp p含量为含量为含量为含量为5 5时时时时强度及强度及韧性达到了最高值。韧性达到了最高值。第99页/共165页100从上面的讨论可知，从上面的讨论可知，晶须与颗粒晶须与颗粒对陶瓷对陶瓷材料的增韧材料的增韧均有一定作用，且各有利弊。均有一定作用，且各有利弊。晶须晶须的的增强增韧效果好增强增韧效果好，但，但含量高时会含量高时会使致密度下降使致密度下降；颗粒颗粒可克服晶须的这一弱点，但其可克服晶须的这一弱点，但其增强增强增韧效果却不如晶须增韧效果却不如晶须。第100页/共
48、165页101由此很容易想到，若将由此很容易想到，若将晶须晶须与与颗粒颗粒共共同使用同使用，则可取长补短，达到更好的效果。，则可取长补短，达到更好的效果。目前，已有了这方面的研究工作，如目前，已有了这方面的研究工作，如使用使用SiCw与与ZrO2来来共同增韧共同增韧，用，用SiCw与与SiCp来来共同增韧共同增韧等。等。第101页/共165页102下面两个图分别给出了下面两个图分别给出了Al2O3+ZrO2(Y2O3)+SiCw复合材料的复合材料的性能随性能随SiCw及及ZrO2(Y2O3)含量含量的变的变化情况。化情况。第102页/共165页103 维维维维氏氏氏氏硬硬硬硬度度度度HHV V
49、(GGP Pa a)弹弹弹弹性性性性模模模模量量量量E E(GGP Pa a)SiCSiCw w含量含量含量含量(vol%vol%)(a)(a)弹弹弹弹性性性性模模模模量量量量E E(GGP Pa a)维维维维氏氏氏氏硬硬硬硬度度度度HHV V(GGP Pa a)ZrOZrO2 2含量含量含量含量(vol%vol%)(b)(b)SiCw与与ZrO2复合增韧复合增韧Al2O3的硬度与弹性模量的硬度与弹性模量AlAl2 2OO3 3+20mol%+20mol%ZrOZrO2 2(Y(Y2 2OO3 3)+SiC)+SiCw w第103页/共165页104AlAl2 2OO3 3+20mol%+20
50、mol%ZrOZrO2 2(Y(Y2 2OO3 3)+SiC)+SiCw w 弯弯弯弯曲曲曲曲强强强强度度度度 f f(MMP Pa a)SiCSiCw w含量含量含量含量(vol%vol%)断断断断裂裂裂裂韧韧韧韧性性性性KKI IC C(MMP Pa a.mm1 1/2 2)SiCSiCw w含量含量含量含量(vol%vol%)SiCw与与ZrO2复合增韧复合增韧Al2O3的强度与断裂韧性的强度与断裂韧性第104页/共165页105SiCw与与ZrO2复合增韧复合增韧Al2O3的强度与断裂韧性的强度与断裂韧性AlAl2 2OO3 3+20mol%+20mol%SiCSiCw w+ZrO+Z