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1、第四節(jié)陶瓷基復(fù)合材料(CMC)1.1概述工程中陶瓷以特種陶瓷應(yīng)用為主,特種陶瓷由于具有優(yōu)良的綜合機(jī)械性能、耐磨性好、硬度高以及耐腐蝕件好等特點(diǎn),已廣泛用于制做剪刀、網(wǎng)球拍及工業(yè)上的切削刀具、耐磨件、發(fā)動(dòng)機(jī)部件、熱交換器、軸承等。陶瓷最大的缺點(diǎn)是脆性大、抗熱震性能差。與金屬基和聚合物基復(fù)合材料有有所不同的,是制備陶瓷基復(fù)合材料的主要目的之一就是提高陶瓷的韌性。特別是纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料在斷裂前吸收了大量的斷裂能量,使韌性得以大幅度提高。表6—1列出了由顆粒、纖維及晶須增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料的斷裂韌性和臨界裂紋尺寸大小的比較。很明顯連續(xù)纖維的增韌效果最佳,其次為品須、相
2、變?cè)鲰g和顆粒增韌。無(wú)論是纖維、晶須還是顆粒增韌均使斷裂韌性較整體陶瓷的有較大提高,而且也使臨界裂紋尺寸增大。陶瓷基復(fù)合材料的基體為陶瓷,這是一種包括范圍很廣的材料,屬于無(wú)機(jī)化合物納構(gòu)遠(yuǎn)比金屬與合金復(fù)雜得多。使用最多的是碳化硅、氮化硅、氧化鋁等,它們普遍具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、重量輕和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。陶瓷材料中的化學(xué)鍵往注是介于離子鍵與共價(jià)鍵之間的混合鍵。陶瓷基復(fù)合材料中的增強(qiáng)體通常也稱(chēng)為增韌體。從幾何尺寸上可分為纖維(長(zhǎng)、短纖維)、晶須和顆粒三類(lèi)。碳纖維是用來(lái)制造陶瓷基復(fù)合材料最常用的纖維之一。碳纖維主要用在把強(qiáng)度、剛度、重量和抗化學(xué)性作為設(shè)計(jì)參數(shù)的構(gòu)件,在
3、1500霓的溫度下,碳纖維仍能保持其性能不變,但對(duì)碳纖維必須進(jìn)行有效的保護(hù)以防止它在空氣中或氧化性氣氛中被腐蝕,只有這樣才能充分發(fā)揮它的優(yōu)良性能。其它常用纖維是玻璃纖維和硼纖維。陶瓷材料中另一種增強(qiáng)體為晶須。晶須為具有一定長(zhǎng)徑比(直徑o3。1ym,長(zhǎng)30—lMy”)的小單晶體。從結(jié)構(gòu)上看,晶須的特點(diǎn)是沒(méi)有微裂紋、位偌、孔洞和表面損傷等一類(lèi)缺陷,而這些缺陷正是大塊晶體中大量存在且促使強(qiáng)度下降的主要原因。在某些情況下,晶須的拉伸強(qiáng)度可達(dá)o.1Z(Z為楊氏模量),這已非常接近十理論上的理想拉伸強(qiáng)度o.2Z。而相比之下.多晶的金屬纖維和塊狀金屬的拉伸強(qiáng)度只有o.025
4、和o.o01f。在陶瓷基復(fù)合材料使用得較為普遍的是SiC、Al2O3、以及Si3N4N晶須。顆粒也是陶瓷材料中常用的一種增強(qiáng)體,從幾何尺寸上看、它在各個(gè)方向上的長(zhǎng)度是大致相同的,—般為幾個(gè)微米。通常用得較多的顆粒也是SiC、Al2O3、以及Si3N4N。顆粒的增韌效果雖不如纖維和晶須,但如恰當(dāng)選擇顆粒種類(lèi)、粒徑、含量及基體材料,仍可獲得一定的韌化效果,同時(shí)還會(huì)帶來(lái)高溫強(qiáng)度,高溫蠕變性能的改善。所以,顆粒增韌復(fù)合材料同樣受到重視并對(duì)其進(jìn)行了一定的研究。在陶瓷材料中加入第二相纖維制成的復(fù)合材料是纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料,這是改善陶瓷材料韌性酌重要手段,按纖維排布方式
5、的不同,又可將其分為單向排布長(zhǎng)纖維復(fù)合材料和多向排布纖維復(fù)合材料。單向排布纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的顯著特點(diǎn)是它具有各向異性,即沿纖維長(zhǎng)度方向上的縱向性能要大大高于其橫向性能。在這種材料中,當(dāng)裂紋擴(kuò)展遇到纖維時(shí)會(huì)受阻.這樣要使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展就必須提高外加應(yīng)力。圖7—15為這一過(guò)程的示意圖。當(dāng)外加應(yīng)力進(jìn)一步提高時(shí).由于基體與纖維間的界面的離解,同時(shí)又由于纖維的強(qiáng)度高于基體的強(qiáng)度,從而使纖維可以從基體中拔出。當(dāng)拔出的長(zhǎng)度達(dá)到某一臨界值時(shí),會(huì)使纖維發(fā)生斷裂。因此裂紋的擴(kuò)展必須克服出于纖維的加入而產(chǎn)生的拔出功和纖維斷裂功,這使得材料的斷裂更為困難.從而起到了增韌的作用。
6、實(shí)際材料斷裂過(guò)程中,纖維的斷裂并非發(fā)生在同一裂紋平面,這樣主裂紋還將沿纖維斷裂位置的不同而發(fā)生裂紋轉(zhuǎn)向。這也同樣會(huì)使裂紋的擴(kuò)展阻力增加,從而使韌性進(jìn)—步提高。表7,5則給出rc纖維增韌5、N4復(fù)合材料的性能。從中可見(jiàn),復(fù)合材料納韌性已達(dá)到了相當(dāng)高的程度。長(zhǎng)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料雖然性能優(yōu)越但它的制備工藝復(fù)雜,而且纖維在基體中不易分布均勻。因此,近年來(lái)又發(fā)展了短纖維、晶須及顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料。由于晶須的尺寸很小,從客觀(guān)上看與粉末一樣,因此在制備復(fù)合材料時(shí)只須將晶須分散后與基體粉末混合均勻、然后對(duì)混好的粉末進(jìn)行熱壓燒結(jié),即可制得致密的晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料。目
7、前常用的是SiC和A12O3晶須.常用的基體則為A1203,5i02,5i3N4莫來(lái)石等。晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料的性能與基體和晶須的選擇,晶須的含量及分布等因素有關(guān)。由于晶須具有長(zhǎng)徑比,因此當(dāng)其含量較高時(shí),因其橋架效應(yīng)而使致密化變得因難,從而引起了密度的下降并導(dǎo)致性能的下降。為了克服這一弱點(diǎn),可采用顆粒來(lái)代替晶須制成復(fù)合材料,這種復(fù)合材料在原料的混合均勻化及燒結(jié)致密化方面均比晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料要容易。當(dāng)所用的顆粒為5Ic.T1c時(shí),基體材料采用最多的是A1:01眾、N4。目前這些復(fù)合材料已廣泛用來(lái)制造刀具。陶瓷基復(fù)合材料的發(fā)展速度遠(yuǎn)不如聚合物基和金屬基復(fù)合
8、材料那么,原因有二:一是高溫增強(qiáng)材料出