SOFC陶瓷复合材料板的界面应力数值模拟与表面裂纹研究【文献综述】

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1、毕业论文文献综述工程力学SOFC陶瓷复合材料板的界面应力数值模拟与表面裂纹研究1　文献检索范围1.中文科技期刊全文库(维普)1989-2010.102.中国学位论文全文数据库(万方)1980-2010.103.中国学位论文文摘数据库(万方)1980-2010.104.中国学术会议论文全文数据库(万方)1985-2010.105.中国学术会议论文文摘数据库(万方)1985-2010.106.中国科技成果数据库(万方)1983-2010.107.数字化期刊全文数据库(万方)1998-2010.108.中国期刊

2、网全文数据库(同方)1983-2010.102　课题的研究历史与研究现状2.1　引言复合材料是以一种材料为基体，另一种材料为增强体组合而成的材料。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。复合材料的特点主要体现在以下两个方面[1]：一是各组分在性能上有“协同作用”，它不仅能维持原各组分的优点，而且产生原各组分所不具备的新

3、性能；二是具有可设计性。总的来看，复合材料具备多种优良的性能，如刚度大，强度高，重量轻，耐腐蚀，耐高温，抗疲劳等，而这些特点都是单一材料所不及的。从整体上讲，陶瓷复合材料起步较晚，发展较为缓慢，主要原因有以下两点：一是由于陶瓷增强材料出现的比较晚，二是其本身烧结工艺复杂[2]。但是它特有耐高温的物理性能，一直是科学界关注和研究的热点内容。随着近几年各种性能优良的陶瓷增强材料的出现、烧结工艺的长进、新型复合材料的出现，陶瓷复合材料、纳米陶瓷复合材料也随之迅速发展。常见的陶瓷复合材料有SiCw/ZrO2陶瓷复

4、合材料、TiC(Ti3Al+ZrO2)陶瓷复合材料、Ca3Co4O9/Ag陶瓷复合材料、LaPO4/Y-ZrO26陶瓷复合材料等。近几年，国内兴起了新能源材料的研发和制备工作，其中的固体氧化物燃料电池(SOFC)就是一种新型的陶瓷层合复合材料，它的研制已备受国家十二五规划的重视。因固体氧化物燃料电池的制备过程在800度左右的高温环境中[3]，且其本身属于脆性材料，易产生微裂纹甚至断裂情况。而裂纹是影响固体氧化物燃料电池本身性能的关键要素。因此，有必要对此类新材料中的力学问题进行研究。此本科毕业论文(设计)

5、主要计算分析SOFC陶瓷层合复合材料薄板的界面应力分布规律及其表面裂纹扩展特性。主要任务是用有限元分析软件计算分析SOFC陶瓷层合复合材料板在常温和8000C高温两种环境下，其受均布压载荷作用时的层间应力分布规律，并定性分析其受均布载荷以及集中载荷两种类型的压载荷作用时易发生表面裂纹的位置。进而总结高温环境下，SOFC陶瓷复合材料板的力学性能。其结果将为SOFC的研制给予一定的理论指导。2.2　陶瓷复合材料力学性能改进的研究历史与现状陶瓷材料虽然具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀和质量轻等一系列优良的特性，但由于

6、其致命的弱点——脆性，而限制了其优良性能的更好发挥，因而也限制了它的实际应用范围。为此，陶瓷韧化便成了近年来陶瓷材料研究的核心课题。2.2.1　陶瓷材料的增韧近几年以日本的新原诰一等人为代表[1,4]，在世界范围内掀起了一股研究“纳米颗粒复相陶瓷”的热潮，在陶瓷基体中引入微米级的第二相增强颗粒，可以使材料的室温和高温性能大幅度提高，特别是强度值。将5%0.3微米的SiC颗粒引入Al2O3陶瓷中，陶瓷的强度可达到1GP以上，并且这一强度值可以一直保持到1000以上。同时SiC颗粒的加入使Al2O3陶瓷的断裂

7、韧性KTC值也由原来的3.25MPa·m1/2上升到4.70MPa·m1/2。2.2.2　夹层层状陶瓷复合材料的增韧机理层状陶瓷复合材料的增韧机理与一般传统上的通过消除缺陷的增韧方法不同[5]，它是通过一种能量吸收和耗散的机制来实现的，所以人们称之为“耐缺陷”的材料。延性金属作为夹层时，它产生的形变能够大大吸收层状陶瓷复合材料受破坏时的能量，从而对裂纹扩展时裂纹尖端起到一定程度的钝化作用，同时能使裂纹发生偏转，增长了裂纹的扩展路径。已有研究成果表明[5]：6层状陶瓷复合材料断裂过程中，裂纹扩展表现出特有的

8、阶梯状断裂模式。裂纹一般产生于层状复合材料的表面基体层，当基体断裂，裂纹穿过基体层到达延性夹层时，裂纹尖端发生钝化，同时在基体层和夹层的界面或者夹层内发生偏转，沿着界面平行方向扩展一段距离，直到下一个基体层发生断裂，裂纹沿着基体层断裂方向继续扩展，到达下一个夹层界面，这个过程循环往复，直至整个层状陶瓷复合材料整体断裂。图1载荷-加载时间曲线[5]。从试样的载荷-时间曲线（如图1所示）上来看层状陶瓷复合材料的这种断裂模式，形成了