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1、第五章第五章 陶瓷基复合材料的性能陶瓷基复合材料的性能5.1陶瓷材料力学性能测试陶瓷材料力学性能测试5.1.1弯曲试验弯曲试验第五章第五章 陶瓷基复合材料的性能陶瓷基复合材料的性能5.1陶瓷材料力学性能测试陶瓷材料力学性能测试5.1.2拉伸或拉伸或 弯曲试验弯曲试验5.1陶瓷材料力学性能测试陶瓷材料力学性能测试5.1.3应力应力-应变曲线应变曲线5.1陶瓷材料力学性能测试陶瓷材料力学性能测试5.1.3应力应力-应变曲线应变曲线5.2陶瓷复合材料的室温力学性能陶瓷复合材料的室温力学性能5.2.1拉伸强度与弹性模量拉伸强度与弹性模量图图 5-4 拉伸时陶瓷基复合材料的应力拉伸时陶瓷基复合材料的应力
2、-应变曲线应变曲线5.2陶瓷复合材料的室温力学性能陶瓷复合材料的室温力学性能5.2.1拉伸强度与弹性模量拉伸强度与弹性模量陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料弹性模弹性模量量5.2陶瓷复合材料的室温力学性能陶瓷复合材料的室温力学性能5.2.1拉伸强度与弹性模量拉伸强度与弹性模量碳化硅纤维增强锂铝硅玻璃陶瓷复合材料的拉伸性能。碳化硅纤维增强锂铝硅玻璃陶瓷复合材料的拉伸性能。5.2陶瓷复合材料的室温力学性能陶瓷复合材料的室温力学性能5.2.1拉伸强度与弹性模量拉伸强度与弹性模量碳化硅纤维增强锂铝硅玻璃陶瓷复合材料的拉伸性能。碳化硅纤维增强锂铝硅玻璃陶瓷复合材料的拉伸性能。图图 5-6 5-6 纤维增强纤维
3、增强LASLAS玻玻璃陶瓷室温拉伸应力璃陶瓷室温拉伸应力-应应变曲线变曲线 5.2陶瓷复合材料的室温力学性能陶瓷复合材料的室温力学性能5.2.1拉伸强度与弹性模量拉伸强度与弹性模量用化学气相浸渍方法（用化学气相浸渍方法（CVI）制备的这一材料其拉伸强度制备的这一材料其拉伸强度可达可达 159 MPa，弹性模量为弹性模量为 43 GPa。5.2陶瓷复合材料的室温力学性能陶瓷复合材料的室温力学性能5.2.2压缩与弯曲强度压缩与弯曲强度碳化硅纤维增强锂铝硅玻璃陶瓷复合材料的载荷碳化硅纤维增强锂铝硅玻璃陶瓷复合材料的载荷-位移曲线。位移曲线。压缩强度为压缩强度为 96.8 MPa，压缩弹性模量为压缩弹
4、性模量为 56.6 Gpa。图图 5-8 SiC纤维增强纤维增强LAS-I玻璃陶瓷的载荷玻璃陶瓷的载荷-位移曲线位移曲线5.2陶瓷复合材料的室温力学性能陶瓷复合材料的室温力学性能5.2.3断裂韧性断裂韧性碳化硅纤维增强锂铝硅玻璃陶瓷复合材料的断裂韧性随纤碳化硅纤维增强锂铝硅玻璃陶瓷复合材料的断裂韧性随纤维含量的变化。维含量的变化。5.2陶瓷复合材料的室温力学性能陶瓷复合材料的室温力学性能5.2.4影响因素影响因素 增强相体积含量增强相体积含量连续纤维连续纤维 5.2陶瓷复合材料的室温力学性能陶瓷复合材料的室温力学性能5.2.4影响因素影响因素 增强相体积含量增强相体积含量连续纤维连续纤维 图图
5、 5-11 单向增强碳纤维单向增强碳纤维/玻璃陶瓷复合材料的弯玻璃陶瓷复合材料的弯曲强度与纤维体积含量曲强度与纤维体积含量的关系的关系5.2陶瓷复合材料的室温力学性能陶瓷复合材料的室温力学性能5.2.4影响因素影响因素 增强相体积含量增强相体积含量短纤维短纤维 5.2陶瓷复合材料的室温力学性能陶瓷复合材料的室温力学性能5.2.4影响因素影响因素 密度密度三维编织预制体三维编织预制体碳化硅纤维增强碳化硅纤维增强复合材料复合材料 5.2陶瓷复合材料的室温力学性能陶瓷复合材料的室温力学性能5.2.4影响因素影响因素 密度密度 5.2陶瓷复合材料的室温力学性能陶瓷复合材料的室温力学性能5.2.4影响因
6、素影响因素 界面界面碳纤维三维编织碳纤维三维编织预制体增强碳化预制体增强碳化硅基体复合材料硅基体复合材料5.2陶瓷复合材料的室温力学性能陶瓷复合材料的室温力学性能5.2.4影响因素影响因素 颗粒粒径颗粒粒径5.2陶瓷复合材料的室温力学性能陶瓷复合材料的室温力学性能5.2.4影响因素影响因素 颗粒粒径颗粒粒径5.3陶瓷复合材料的高温力学性能陶瓷复合材料的高温力学性能5.3.1高温强度高温强度浆体浸渍浆体浸渍-热压法制备的碳化硅纤维增强热压法制备的碳化硅纤维增强MgO-Al2O3-SiO2复合材料。复合材料。5.3陶瓷复合材料的高温力学性能陶瓷复合材料的高温力学性能5.3.1高温强度高温强度 5.
7、3陶瓷复合材料的高温力学性能陶瓷复合材料的高温力学性能5.3.1高温弹性模量高温弹性模量 5.3陶瓷复合材料的高温力学性能陶瓷复合材料的高温力学性能5.3.1高温断裂韧性高温断裂韧性 5.3陶瓷复合材料的高温力学性能陶瓷复合材料的高温力学性能5.3.2蠕变性能蠕变性能5.3陶瓷复合材料的高温力学性能陶瓷复合材料的高温力学性能5.3.2蠕变蠕变5.3陶瓷复合材料的高温力学性能陶瓷复合材料的高温力学性能5.3.2热冲击性（热震性）热冲击性（热震性）第六章第六章 陶瓷基复合材料的增韧机理陶瓷基复合材料的增韧机理颗粒、纤维或晶须加入到陶瓷基体中，陶瓷的性能特别是颗粒、纤维或晶须加入到陶瓷基体中，陶瓷的
8、性能特别是韧性得到了很大的提高。韧性得到了很大的提高。归纳起来，增韧机理有裂纹偏转、裂纹的桥联、纤维脱粘归纳起来，增韧机理有裂纹偏转、裂纹的桥联、纤维脱粘与拨出、颗粒增韧等。与拨出、颗粒增韧等。第六章第六章 陶瓷基复合材料的增韧机理陶瓷基复合材料的增韧机理6.1颗粒增韧颗粒增韧颗粒增韧是最简单的一种增韧方法，它具有同时提高强度颗粒增韧是最简单的一种增韧方法，它具有同时提高强度和韧性的优点。和韧性的优点。6.1.1 非相变第二相增韧非相变第二相增韧一、微裂纹增韧一、微裂纹增韧由于增强颗粒与基体的热膨胀系数失配，在第二相颗粒周由于增强颗粒与基体的热膨胀系数失配，在第二相颗粒周围基体内部产生的应力埸
9、是陶瓷基复合材料得到增韧的主要原围基体内部产生的应力埸是陶瓷基复合材料得到增韧的主要原因。因。6.1颗粒增韧颗粒增韧6.1.1 非相变第二相增韧非相变第二相增韧一、微裂纹增韧一、微裂纹增韧影响第二相颗粒复合材料增韧效果的主要因素为基体与第影响第二相颗粒复合材料增韧效果的主要因素为基体与第二相颗粒的弹性模量二相颗粒的弹性模量E、热膨胀系数热膨胀系数 以及两相的化学相容性。以及两相的化学相容性。热膨胀系数失配在第二相颗粒及周围基体内部产生残余应力场热膨胀系数失配在第二相颗粒及周围基体内部产生残余应力场是陶瓷基复合材料得到增韧补强的主要原因。是陶瓷基复合材料得到增韧补强的主要原因。在一个无限大基体中
10、大存在第二相颗粒时，由于冷却收缩在一个无限大基体中大存在第二相颗粒时，由于冷却收缩的不同，颗粒将受到一个压应力的不同，颗粒将受到一个压应力P：P=(2 T Em)/(1+m)+2 (1-p)其中，其中，r 为球状颗粒半径，为球状颗粒半径，为泊松比，为泊松比，=Em/EP6.1颗粒增韧颗粒增韧6.1.1 非相变第二相增韧非相变第二相增韧一、微裂纹增韧一、微裂纹增韧忽略颗粒效应场之间的相互作用，这一内力将在距颗粒中忽略颗粒效应场之间的相互作用，这一内力将在距颗粒中心心R处的基体中形成径向正应力处的基体中形成径向正应力 r及切向正应力及切向正应力 t：r=P(r/R)3 t=-1/2 P(r/R)3
11、6.1颗粒增韧颗粒增韧6.1.1 非相变第二相增韧非相变第二相增韧一、微裂纹增韧一、微裂纹增韧在颗粒及其周围基体中储存的弹性应变能分别为：在颗粒及其周围基体中储存的弹性应变能分别为：UP=2 P2(1-2 p)/EPr3Um=P2(1+m)/Emr3储存的总的应变能储存的总的应变能U为：为：U=UP+Um=2 k P2 r3其中，其中，k=(1-2 p)/EP+(1+m)/(2Em)6.1颗粒增韧颗粒增韧6.1.1 非相变第二相增韧非相变第二相增韧一、微裂纹增韧一、微裂纹增韧 r=P(r/R)3 t=-1/2 P(r/R)3 0(P m)时时,P0,r 0,t m（C-C-压应力，压应力，T-
12、T-拉应力）拉应力）图图6-2 6-2 应力分布及在球状颗粒应力分布及在球状颗粒周围形成的裂纹周围形成的裂纹6.1颗粒增韧颗粒增韧6.1.1 非相变第二相增韧非相变第二相增韧一、微裂纹增韧一、微裂纹增韧 0(P m)时时,P0,r 0,颗粒处于压应力状态，基体径向颗粒处于压应力状态，基体径向受压应力，切向受到拉应力。当受压应力，切向受到拉应力。当应力足够高时，可能产生具有发应力足够高时，可能产生具有发散性的径向微裂纹。散性的径向微裂纹。P m（C-C-压应力，压应力，T-T-拉应力）拉应力）图图6-2 6-2 应力分布及在球状颗粒应力分布及在球状颗粒周围形成的裂纹周围形成的裂纹6.1颗粒增韧颗
13、粒增韧6.1.1 非相变第二相增韧非相变第二相增韧一、微裂纹增韧一、微裂纹增韧(a)p m 时裂纹扩展路径时裂纹扩展路径6.1颗粒增韧颗粒增韧6.1.1 非相变第二相增韧非相变第二相增韧一、微裂纹增韧一、微裂纹增韧 p fu，因此纤维拔出，因此纤维拔出的能量总是大于脱粘的能量。的能量总是大于脱粘的能量。6.2纤维晶须增韧纤维晶须增韧6.2.3纤维的拔出纤维的拔出图中图中OAB面积为脱面积为脱粘能，远小于纤维粘能，远小于纤维拔出的能量拔出的能量（OBCD），），所以所以纤维拔出的增韧效纤维拔出的增韧效果要比脱粘更强，果要比脱粘更强，是更为重要的增韧是更为重要的增韧机制。机制。6.2纤维晶须增韧纤
14、维晶须增韧6.2.4 纤维桥联纤维桥联对于特定位向和分布的纤维，裂纹很难偏转，只能沿着对于特定位向和分布的纤维，裂纹很难偏转，只能沿着原来的扩展方向继续扩展，这时紧靠裂纹尖端处的纤维并未原来的扩展方向继续扩展，这时紧靠裂纹尖端处的纤维并未断裂，而是在裂纹两侧搭起小桥，使两侧连接在一起。这会断裂，而是在裂纹两侧搭起小桥，使两侧连接在一起。这会在裂纹表面产生一个压应力，以抵消外加拉应力的作用，从在裂纹表面产生一个压应力，以抵消外加拉应力的作用，从而使裂纹难以进一步扩展，起到增韧的作用。而使裂纹难以进一步扩展，起到增韧的作用。6.2纤维晶须增韧纤维晶须增韧6.2.4 纤维桥联纤维桥联6.2纤维晶须增
15、韧纤维晶须增韧6.2.4 纤维桥联纤维桥联图图 6-15碳化硅晶须碳化硅晶须“桥联桥联”氧化铝基体的照片氧化铝基体的照片6.2纤维晶须增韧纤维晶须增韧 第七章第七章 陶瓷基复合材料的应用陶瓷基复合材料的应用7.1在航空航天领域的应用在航空航天领域的应用航空航天领域产品中与材料相关的四个方面：航空航天领域产品中与材料相关的四个方面：减小制造或维护过程中的费用减小制造或维护过程中的费用 减小重量以增加航程减小重量以增加航程 高的使用温度高的使用温度 减小信号反射减小信号反射使用温度的区分使用温度的区分 低于低于800 800-1650 高于高于1650 第七章第七章 陶瓷基复合材料的应用陶瓷基复合
16、材料的应用7.1在航空航天领域的应用在航空航天领域的应用航空航天领域中航空航天领域中CMC应用举例：应用举例：t 美国航天飞机中的热保护层就是美国航天飞机中的热保护层就是C/C复合材料再涂一层碳复合材料再涂一层碳化硅，耐热超过化硅，耐热超过 2000 t 设计中的太空穿梭机（设计中的太空穿梭机（High Speed Civil Transport,HSCT)的推进系统中将大量应用的推进系统中将大量应用CMC材料。材料。t CVI法制造的法制造的SiCf/SiC复合材料已成功用于如液体火箭发复合材料已成功用于如液体火箭发动机马达、涡动机马达、涡 轮发动机部件等。轮发动机部件等。t 用用聚合物先驱
17、法制造的聚合物先驱法制造的SiCf/SiC 已用于样机结构件，如气已用于样机结构件，如气体偏转管、雷达天线、各种喷管和叶片等。体偏转管、雷达天线、各种喷管和叶片等。第七章第七章 陶瓷基复合材料的应用陶瓷基复合材料的应用7.1在航空航天领域的应用在航空航天领域的应用 第七章第七章 陶瓷基复合材料的应用陶瓷基复合材料的应用7.1在航空航天领域的应用在航空航天领域的应用 第七章第七章 陶瓷基复合材料的应用陶瓷基复合材料的应用7.1在航空航天领域的应用在航空航天领域的应用 第七章第七章 陶瓷基复合材料的应用陶瓷基复合材料的应用7.1在航空航天领域的应用在航空航天领域的应用 图图 7-4 C/C复合材料
18、三维火箭仓体零件复合材料三维火箭仓体零件第七章第七章 陶瓷基复合材料的应用陶瓷基复合材料的应用7.2在其它领域的应用在其它领域的应用利用陶瓷基复合材料的高强度、高模量、低密度、耐高温利用陶瓷基复合材料的高强度、高模量、低密度、耐高温和良好的韧性，主要用于：和良好的韧性，主要用于：切削工具、拔丝或挤压模等。切削工具、拔丝或挤压模等。腐蚀环境中的轴承、阀座和化学泵的活塞等部件。腐蚀环境中的轴承、阀座和化学泵的活塞等部件。热交换设备等。热交换设备等。第七章第七章 陶瓷基复合材料的应用陶瓷基复合材料的应用7.2在其它领域的应用在其它领域的应用 第七章第七章 陶瓷基复合材料的应用陶瓷基复合材料的应用7.2在其它领域的应用在其它领域的应用 图图 7-6用碳化硅晶须增强的用碳化硅晶须增强的氧化铝陶瓷复合材料氧化铝陶瓷复合材料刀具刀具7.2在其它领域的应用在其它领域的应用