資源描述：
《纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的界面問題》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在應(yīng)用文檔-天天文庫。
1、纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的界面問題增韌機制纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的增韌機理主要包括因模量不同引起的載荷轉(zhuǎn)移、微裂紋增韌、裂紋偏轉(zhuǎn)、纖維脫粘和纖維拔出等。圖1a為典型纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線示意圖。陶瓷基復(fù)合材料的破壞過程大致可分為三個階段：第一個階段為OA段。在此階段,應(yīng)力水平較低，復(fù)合材料處于線彈性狀態(tài)。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到A點時，由于基體所受應(yīng)力超過基體極限強度，基體出現(xiàn)裂紋，使復(fù)合材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線開始與線性偏離。第二個階段為AB段。隨著應(yīng)力的提高,基體裂紋越來越大。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到B點后，復(fù)合
2、材料內(nèi)纖維開始斷裂，因此，B點應(yīng)力即為復(fù)合材料的極限強度。第三個階段為BC段。此階段對應(yīng)于纖維脫粘、纖維斷裂和纖維拔出等過程。圖2為纖維增強陶瓷基復(fù)合材料增韌過程示意圖。由圖可見,在軸向應(yīng)力作用下,纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的斷裂包含基體開裂、基體裂紋逐漸向纖維與基體間界面擴展、纖維脫粘、纖維斷裂和纖維拔出等復(fù)雜過程。圖2纖維增強陶瓷基復(fù)合材料斷裂過程示意圖由于纖維拔出是纖維增強復(fù)合材料斷裂時的最主要吸能機制，因此，為了提高復(fù)合材料的韌性，應(yīng)盡可能增加材料斷裂時的纖維拔出，以求提高纖維的增韌效果。纖維增
3、強陶瓷基復(fù)合材料的界面特性根據(jù)材料的復(fù)合原理，在用作結(jié)構(gòu)材料的纖維增強復(fù)合材料中，纖維與基體間界面的主要作用有：(1)傳遞作用。由于纖維是主要的載荷承擔(dān)者,因此界面必須有足夠的結(jié)合強度來傳遞載荷，使纖維承受大部分載荷，在基體與纖維之間起到橋梁作用。(2)阻斷作用。當(dāng)基體裂紋擴展到纖維與基體間界面時，結(jié)合適當(dāng)?shù)慕缑婺軌蜃柚沽鸭y擴展或使裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而達(dá)到調(diào)整界面應(yīng)力，阻止裂紋向纖維內(nèi)部擴展的效果。從物理與化學(xué)方面來考慮，纖維與基體間熱膨脹系數(shù)的匹配問題(物理相容性)、纖維和基體間的化學(xué)反應(yīng)(化學(xué)相容
4、性)以及纖維與基體間的互擴散過程是影響界面特性的主要原因。復(fù)合材料在制備或使用過程中不可避免的要經(jīng)歷高溫階段,因此,纖維與基體間熱膨脹系數(shù)的匹配程度決定著復(fù)合材料中殘留熱應(yīng)力的大小,并將影響復(fù)合材料的性能。界面殘余應(yīng)力的大小與基體和纖維間的熱膨脹系數(shù)之差(Δα=αm-αf)成正比。界面的化學(xué)相容性主要是指纖維與基體間的化學(xué)反應(yīng)。對于共價性較強的陶瓷基體,如碳化硅、氮化硅和氮化硼等,在高溫條件下比較穩(wěn)定,不易與其它化合物發(fā)生反應(yīng),但離子性較強的陶瓷基體,如各種氧化物,在高溫下很容易與碳、硼等纖維發(fā)生反
5、應(yīng)。如果選用氧化物纖維,則更需避免它與基體間的反應(yīng)而生成化合物或固溶體。另外,如果在復(fù)合材料中添加了燒結(jié)助劑,還應(yīng)考慮燒結(jié)助劑與纖維之間的化學(xué)反應(yīng)。綜合纖維增強陶瓷基復(fù)合材料中所出現(xiàn)的界面結(jié)合方式,可將纖維與基體間界面結(jié)合機制分為以下幾種:(1)機械結(jié)合,即摩擦結(jié)合。它決定于纖維的比表面和粗糙度。同時,復(fù)合材料中的內(nèi)應(yīng)力,如纖維與基體間熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力,也是形成這種結(jié)合的重要原因,它在陶瓷基復(fù)合材料中起著很重要的作用;(2)化學(xué)結(jié)合。一般情況下,化學(xué)結(jié)合導(dǎo)致界面結(jié)合很強,并且對纖維造
6、成很大的損傷,因此應(yīng)盡量避免這種結(jié)合;(3)互擴散結(jié)合。纖維與基體間的互擴散程度主要取決于兩者的化學(xué)性質(zhì),這種互擴散不僅導(dǎo)致纖維與基體間的較強結(jié)合,而且還大幅度降低纖維本身的性能;(4)物理結(jié)合。主要是指范德華力和氫鍵。實驗證明,以機械結(jié)合和物理結(jié)合為主的界面結(jié)合易使復(fù)合材料具有較好的力學(xué)性能,因此這兩種結(jié)合方式是較為理想的界面結(jié)合方式。纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的界面改性由于纖維的脫粘與拔出同纖維與基體間的界面特性密切相關(guān),因此,為了使復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能,復(fù)合材料必須滿足以下基本條件:(1)纖
7、維與基體間界面結(jié)合強度適中;(2)纖維與基體間的物理相容性好;(3)纖維與基體的化學(xué)相容性好。由于高溫(800～2000℃)處理是纖維與基體之間產(chǎn)生結(jié)合強度的必要過程,因此在復(fù)合材料中,纖維與基體間的反應(yīng)和互擴散作用以及兩者之間熱膨脹系數(shù)的差異等使界面的形狀、尺寸、成分和結(jié)構(gòu)等變得十分復(fù)雜。一般情況下,如不經(jīng)過特別處理(如采用纖維涂層等),基體對纖維的損傷較為嚴(yán)重,而且纖維與基體間的界面結(jié)合也較強(包括物理與化學(xué)結(jié)合),從而導(dǎo)致復(fù)合材料呈現(xiàn)脆性斷裂。為了獲得高性能,特別是高韌性的纖維增強復(fù)合材料,必
8、須嚴(yán)格控制纖維與基體間界面結(jié)構(gòu)與性能,使復(fù)合材料滿足上述基本條件,從而較好的實現(xiàn)纖維補強增韌作用。實驗證明,界面改性是目前較為理想的方法。它主要是通過在纖維與基體間形成所設(shè)計的界面相來改善纖維與基體的界面特性,使制備的纖維增強復(fù)合材料能夠滿足上述三個條件,從而達(dá)到改善復(fù)合材料性能的目的。根據(jù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料對界面相的要求,理想的界面相應(yīng)具有以下功能：(1)松粘層作用。當(dāng)基體裂紋擴展到界面區(qū)時,此界面相能夠使裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn),從而達(dá)到調(diào)整界面應(yīng)力,阻止裂紋向纖維內(nèi)部擴
