第二章3陶瓷材料的结构增韧ppt课件.ppt

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1、2.1仿生结构设计思想的提出陶瓷材料的脆性和增韧问题一直是研究的热点之一，也是陶瓷材料得到广泛应用的关键问题之一。近二十年来，人们相继提出了长纤维或晶须增韧补强、颗粒弥散强化、相变增韧等多种强韧化措施，也取得了很多积极的研究成果。但是，这些强韧化措施的增韧效果还很有限，还没有从本质上解决陶瓷材料的脆性问题。第二章陶瓷材料的仿生结构增韧近些年来，人们从天然生物的研究中达到启示，天然的生物材料，如竹、木、骨骼、贝壳等，它们虽然具有简单的组成，但是通过复杂结构的精细组合，赋予这些生物材料具有非常好的综合性能。因此，在材料的设计和研究中，引入了仿生结构设计的思想，通过“简单组成、复杂结构

2、”的精细组合，来实现材料的高韧性、抗破坏及使用可靠性特性。陶瓷材料的仿生结构设计，从很大程度上改善了陶瓷材料的脆性本质，为陶瓷材料的强韧化提供了一条崭新的研究和设计思路。1、纤维独石结构陶瓷材料自然仿生材料的研究表明:天然竹材是典型的长纤维增强复合材料,其增强体一维管束的分布不均匀,外层致密,体内逐步变疏松。竹干的力学性能如拉伸弯曲、压缩强度和模量,沿径向的分布一般是在外层高,内层低。竹材的表层的高强度和高韧性主要是由竹纤维结构的优越性所致。竹纤维的精细结构包含多层厚薄相同的层,每层中的纤维丝以不同升角分布,避免了几何和物理方面的突变,层间结合大为改善。因此,可以把自然仿生层的结

3、构抽象为软硬相交替的多层增韧结构。1988年,Coblenz提出了纤维独石结构(fibrousmonolithicstructure)。纤维状的胞体以一定的方式排布,中间间隔有很薄的界面层,结合成一个块体的结构材料。近年来提出将这种结构引入到先进陶瓷基复合材料的设计与制备中。纤维独石陶瓷由于其优异的力学性能，特别是高的断裂韧性与断裂功、极高的抗热冲击破坏能力、较高的断裂强度、良好的高温抗蠕变性能、独特的三维微结构排列等优点已经引起国内外科技工作者的广泛关注和研究。主要影响因素：（1）纤维前驱体直径（2）结构单元的强化（3）界面层的结合强度（4）纤维排布方向2、仿贝壳结构特征的层状

4、结构陶瓷材料2.2层状陶瓷增韧思想的提出近年来，围绕着改善陶瓷材料韧性的问题，国内外进行了大量的研究工作，其中采用层状复合结构设计进行陶瓷增韧就是其中的方法之一。陶瓷的层状结构思想来源于大自然中贝壳等生物材料结构的启发。研究发现，贝壳中珍珠层的结构与抹灰砖墙结构相似，是由一层层超薄的碳酸钙通过几十纳米厚的有机蛋白基连接在一起，如图2.1所示，其中碳酸钙约占体积的95%，有机物只占5%，但这5%的有机物的存在却引起了碳酸钙力学性能的巨大变化。众所周知，纯粹的碳酸钙很脆，而珍珠层的强韧性却很高，其断裂韧性比碳酸钙高出3000倍以上。人们从这种结构中受到启发：要克服陶瓷材料的脆性，可以

5、采用层状结构，在脆性的陶瓷层间加入不同材质的较软或较韧的材料层(通常称之为夹层、隔离层或界面)制成层状复合材料，这种结构的材料在应力场中是一种能量耗散结构，能克服陶瓷材料突发性断裂的致命缺点。当材料受到弯曲或冲击时，裂纹多次在层界面处受到阻碍而钝化和偏折，有效地减弱了载荷下裂纹尖端的应力集中效应。同时，这种材料的强度受缺陷影响较小，是一种耐缺陷材料，这种结构可使陶瓷材料的韧性得到很大改善，为陶瓷材料的强韧化提供了一条崭新的设计和研究思路。2.2层状陶瓷的材料选择和结构设计层状陶瓷是由层片状的陶瓷基体和夹层两部分组成。层状陶瓷的性能主要是由这两部分各自的性能和二者界面的结合状态所决

6、定的。提高层状陶瓷韧性的关键技术包括材料基体的优化、夹层匹配的选择、结构及界面设计等。2.2.1材料选择1)基体材料层状陶瓷的基体材料一般选用具有较高强度和弹性模量的结构陶瓷材料，如SiC、Si3N4、Al2O3和ZrO2等，在使用中可以承受较大的应力，并具有较好的高温力学性能。根据Clegg等人的观点，基体材料的强度直接影响复合材料的断裂韧性值，强度越高，断裂韧性越高。基体材料增韧后可以提高层状复合材料的断裂性能。基体材料常用的增韧方法有颗粒弥散增韧、纤维或晶须增韧、相变增韧等。文献表明，基体材料采用不同的增韧方法其增韧效果是不同的。因此，要发挥协同增韧作用，针对不同的基体选择

7、不同的增韧方法。2)夹层材料的选择原则夹层材料是决定层状陶瓷韧性高低的关键。一般来说，不同的基体材料选择不同的夹层材料。选择原则如下：一具有一定强度，尤其是高温强度，以保证常温下正常应用及高温下不发生太大的蠕变；二与基体结合强度适中，既要保证与基体不发生反应，可以很好地分隔基体材料，使材料具有宏观的层状结构，又要能够将层片状基体材料适当地“粘接”而不发生分离；三与基体材料的热膨胀系数、弹性模量相匹配，避免热应力开裂。(1)金属夹层材料常用的金属夹层材料有Ni、Al、Cu、W、Ta