（材料学专业论文）氧化铝纤维——氧化铝复合材料的制备与研究.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 氧化铝纤维氧化铝复合材料的制备与研究 专业: 硕 士 生: 指导教师: 材料学 马立建 蒋明学教授 摘要 本文阐述了 纤维增强陶瓷基复合材料的 发展历史、研究现状、增强原理及其应用前景。 研究了制备氧化铝纤维氧化铝复合材料的工艺参数和影响因素。 本试验采用高纯氧化铝微粉 ( 9 9 . 0 % ) 和多晶氧化铝纤维为原料，分别加入硫酸铝和聚 丙 烯酞 胺作结合剂 和分散剂， 经混合、 分散、 压力成型及在1 2 0 0 c , 1 3 5 0 1c , 1 4 0 0 0c , 1 5 0 0 、 1 5 5 0 下无压烧成制得氧化铝纤维 氧化铝复合材料。 测试烧后试样的常温耐压强度、 常温抗折强度、体积密度、气孔率，并借助于光学显微镜、扫描电镜以及x 射线衍射图象对 复合材料微观结构进行了分析， 探讨了复合材料中纤维的分散方法、纤维的损伤机理、纤维 增强a 1 2 0 , 复合材料的增强机理和及制备特性。 实验结果表明，烧成温度和纤维含量对复合材料的耐压强度、抗折强度、体积密度和气 孔率影响较大。在同一烧成温度下， 氧化铝纤维含量为 1 0 % 时，复合材料的气孔率最低，体 积密度最大，耐压强度和抗折强度最高;烧成温度在1 5 5 0 时，复合材料的耐压强度最高， 达到3 3 2 . 7 8 m p a ， 在1 5 0 0 时， 复合材料的 抗折强 度最高， 达到4 4 . 0 4 m p a o 氧化铝纤维含量为 1 0 % 和3 0 %的试样增强机理不同， 含量为1 0 % 时， 复合材料以 基质密实度高、 纤维拔出效应增 强为主; 氧化铝纤维含量为 3 0 % 时，复合材料以 纤维拔出、断裂、 桥联效应增强为主。当 纤 维含量为5 0 % 时， 在1 5 0 0 下烧成， 其抗折强度达到2 6 . 1 1 m p a ， 耐压强度达到7 9 . 3 0 m p a ， 该 复合材料可用作轻质保温材料。 在复合材料制备之中， 加入聚丙烯酞胺作分散剂， 能较好地 使纤维分散于基体中。 关 键 词: 论文类型: 氧化铝纤维 应用基础 氧化铝微粉复合材料制备及特性 西安建筑科技大学硕士学位论文 f a b r i c a t i o n a n d s t u d i e s o f a l u m i n a f i b e r - a l u mi n a c o m p o s i t e s s p e c i a l ty: gr a d u a t e s t u d e n t : i n s t r u c t o r : ma t e r i a l s m a l ij i a n p r o f e s s o r j i a n g mi n g x u e abs tract t h i s p a p e r e x p a t i a t e d o n t h e d e v e lo p i n g h i s t o ry , t h e p r e s e n t re s e a r c h s it u a t i o n , th e re i n f o r c e d m e c h a n i s m a n d t h e a p p l ic a t io n p r o s p e c t o f t h e f c m c, a n d th e p a p e r a ls o s t u d ie d t h e t e c h n o lo g i c a l p a r a m e t e r a n d i n fl u e n c i n g f a c t o r s o f f a b r ic a t i n g a l u m i n a fi b e r - a l u m i n a c o m p o s i t e s . b y u s i n g th e h i g h p u r e a lu m i n a m i c r o - p o w d e r ( 9 9 .0 %) a n d t h e p o ly m o r p h o u s a l u m i n a fi b e r a s m a t e r i a l s , b y a d d i n g a l u m in a s u l f a t e as th e b in d e r o r p o ly p ro p y l e n e - a m i d e as t h e d i s p e r s e r re s p e c t i v e l y , t h r o u g h m i x i n g , d i s p e r s in g , a n d c o m p r e s s i o n m o l d i n g , a t d i ff e r e n t t e m p e r a t u re s o f 1 2 0 0 0c , 1 3 5 0 0c , 1 4 0 0 0c , 1 5 0 0 0c , a n d 1 5 5 0 0c w i th n o p r e s s u r e , t h e a lu m in a fi b e r - a l u m i n a c o m p o s i t e s w e r e m a d e . w e te s t e d t h e a m b i e n t t e m p e r a t u r e c o m p r e s s iv e s t r e n g t h , t h e a m b i e n t t e m p e r a t u r e b e n d in g s tr e n g th , v o l u m e d e n s i ty a n d t h e p o ro s ity o f t h e s i n t e r e d c o m p o s i t e s . b y m e a n s o f t h e o m, s e m, a n d x - r a y , w e a n a l y z e d th e c o m p o s i t e s m i c ro - s t ru c t u re ; w e s t u d i e d t h e d is p e r s i o n m e t h o d s w e a l s o d i d re s e a r c h o n t h e re in f o r c e d me c h a n i s m a n d t h e f a b r i c a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e f c mc . t h e e x p e r i m e n t s h o w e d t h a t t h e t e m p e r a t u r e s a n d t h e fi b e r p ro p o r t io n s i n fl u e n c e d g r e a t o n th e c o m p re s s iv e s tr e n g t h , b e n d i n g s t re n g t h , v o l u m e d e n s i ty a n d t h e p o ro s i ty o f t h e c o m p o s ite s . a t t h e s a m e s in t e r i n g t e m p e r a t u r e , w h e n t h e a lu m in a fi b e r a c c o u n t e d f o r 1 0 % , t h e p o ro s ity o f t h e c o m p o s i te s w as t h e lo w e s t , t h e v o l u m e d e n s i ty w as t h e b i g g e s t , a n d t h e c o m p re s s iv e s tr e n g th a n d t h e b e n d in g s t r e n g t h w e r e t h e h ig h e s t . wh e n th e s i n t e r in g t e m p e r a t u re w as 1 5 5 0 0c , t h e c o m p r e s s i v e s tr e n g th w h i c h c o u l d r e a c h 3 3 2 . 7 8 m p a , w as t h e b i g g e s t ; w h e n t h e s in t e r in g t e m p e r a t u r e w as 1 5 5 0 0c , t h e b e n d i n g s t r e n g th w h i 比c o u ld r e a c h 4 4 .0 4 m p a , w as t h e b i g g e s t . t h e r e in f o r c e d m e c h a n i s m s w e re d i ff e r e n t w h e n t h e a lu m i n a fi b e r h a d t h e d i ff e r e n t p ro p o r ti o n s o f 1 0 % a n d 3 0 % . wh e n t h e a lu m in a fi b e r a c c o u n t e d f o r 1 0 % , t h e d e n s i ty o f t h e c o m p o s i t e s w as c h i e fl y h i g h a n d t h e fi b e r e v u l s i o n e ff e c t w as r e i n f o r c e d ; w h e n t h e a l u m i n a fi b e r a c c o u n t e d f o r 3 0 % , t h e fi b e r e v u l s i o n e ff e c t , fr a c t u r e a n d b r i d g e - c o n n e c t io n e ff e c t w e r e m a in ly s t r e n g t h e n e d . w h e n t h e fi b e r p ro p o r t i o n w as 5 0 % , a t t h e t e m p e r a tu re o f 1 5 0 0 0c t h e b e n d in g s tr e n g t h r e a c h e d 2 6 . 1 1 m p a w h i le t h e 声 西安建筑科技大学硕士学位论文 巴巴巴巴巴宫巴里巴巴巴巴里巴巴巴 c o m p r e s s iv e s t r e n g t h w a s 7 9 .3 0 m p a . t h i s k i n d o f c o m p o s i t e s c o u ld b e u s e d a s t h e li g h t t h e r m a l in s u l a t i o n m a t e r i a l s . t h e fi b e r c o u ld b e w e l l d is p e r s e d a m o n g th e c o m p o s i t e s i f th e p o l y p r o p y l e n e - a m i d e w a s u s e d a s t h e d i s p e r s e r i n t h e f a b r i c a t i o n o f t h e c o m p o s i t e s . k e y w o r d s : a l u m i n a fi b e r a l u m i n a m i c r o - p o w d e r c o m p o s i t e f a b ri c a t i o n a n d c h a r a c t e r i s t i c s t h e s i s : a p p l i c a t i o n f u n d a m e n t 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个.人 在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知， 除了文中 特 别加以 标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人己 经发表 或撰写过的研究成果， 也不包含本人或其他人在其它单位己 申 请学位或为其它用途使用过的成果。 与我一同工作的同志 对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申 请学位论文与资料若有不实之处， 本人承担一切相关 责任。 论 文 作 者 签 名 : 妈、 走日 期 : 、。 . d , 19 关于论文使用授权的说明 本人完全了 解西安建筑科技大学有关保留、 使用学位论 文的规定， 即: 学校有权保留 送交论文的复印件， 允许论文 被查阅和借阅; 学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论 文 作 者 签 名 : 乌主 走 导 师 签 名 注: 请将此页附在论文首页。 :游 o ， 日 期 : ” 西安建筑科技大学硕士学位论文 前言 随着科学技术的迅速发展和突飞猛进，对材料性能提出越来越高、越来越严的要求，传 统的单一 材料己 不能满足实际需要， 材料的复合 化就成为材料发展的必然趋势之一。 纤维陶瓷基复合材料由 于其耐高 温、 耐氧化、 强度大、 化学稳定性好、弹性模最高、刚 性 高 等 优良 性 能 越 来 越 成 为 人 们 研 究 的 重点 。目 前 国 内 普 遍 研 究 的 是s i3 n 4 , s ic . c 等 非 氧 化物纤维 增强的陶瓷基复合材料， 这些材料虽然具有优异的 性能， 但这些非氧化物纤维在高 温下极易 氧化，需要进行纤维涂层或复杂的 成型工艺 处理。因此。 开发和研究耐氧化性强的 氧化物纤 维增强陶瓷 基复合材料就很有意义。 本 研究方案是: 以 氧化铝纤维和氧化铝微粉为 原料， 分别加入硫酸铝和聚丙烯酞胺为结 合剂和分散剂， 经混合、 分散、 压力成型及在不同 温度下无压烧成制得同 种材质的复合材料， 然后对材料进行性能检测和微观结构分析， 研究工艺参数对复合材料结构性能的影响。 本 试 验 采 用开 封 特耐 集团 氧化 铝 微 粉为 基 质 材 料， 粒 度 断裂韧 m p a ， m l2 isi . 以 热压烧结 法制得的 / 氧 化铝 ( s i c w / a 12 0 3 ) 复合 材料中， s i c w 体积分数为 3 0 01 o 时 ， 复 合 材 料 断 裂 韧 性 为8 - 8 .5 m p a m in ， 抗 弯 强 度 达6 5 0 m p a b 1 , ( 5 )碳 化 硅晶 须补 强的 氮 化 硅复 合 材料 在 热 等 静 压 条 件 下 烧结， 制品 密 度 可 达理 论 密 度 的9 9 0, 以上， 在1 3 0 下强度可达6 0 0 -7 0 0 iv va 模量为3 1 4 g p a -3 3 0 g p a ， 断裂韧性达9 .0 - 1 2 .0 m p a m il ， 可 制 作 应 用 于1 3 5 0 *c 喷 气 涡 轮 发 动 机 转 子 和 定 子 叶 片 以 及 其 他 一 些 陶 瓷 发 动 机部 件、 刀 具、 拉丝模具和轴承等 14 1 此外，目 前己 采用化学气浸渗工艺成功制成碳化硅纤维补强碳化硅基复合材料。 用 n i c a l o n 碳 化 硅 纤 维 单向 增强 碳化 硅基 体 的 复 合 材 料 其 强 度 断 裂 韧 性高 达1 0 m p a m 2 -3 0 m p a m 2 ， 且 在1 5 0 0 时尚 有 一 定 的 强 度。 可 作 为 高 温 热 交 换 器、 燃 气 轮 机 的 燃 烧 室 材 料 和 航天器的防热材料等14 。 现在， 连续 纤维强化s i c 基体主要用于 航空、 航天， 可以 在 液体 燃烧火 箭上 作为 分级火 箭的 大型无冷喷嘴使用，同时还可以 应用在航空发动机和战斗 机上;另外， 特别是未来战争 中 所 使用的 现代武器， 无论是战略武器还是 常规 武器， 高 性能 纤维增强的复 合材料 用量 越来 越多 ; 还有用于陶瓷发 动机上的陶瓷转子、 活 塞、 底盖、 缸圈、 气门、 陶瓷切削工具 等。 总 之在纤维增强陶瓷基复合材料上的研究突破， 对材料科学的发展很有意义。 复合材料的应用发展途径是:在低温时常用的复合材料是 脂; 在中 温时出现了 碳纤维增强钢或陶瓷纤维增强钢: 化 硅、 氮化硅增韧陶瓷基及氧化物纤维增强陶瓷基 树脂增强树脂或碳纤维增强树 高 温时出 现了 碳纤维增强陶瓷基、 碳 1 . 1 . 4 纤维陶瓷墓复合材料制备中 的关健问 肠 纤维增强陶瓷基复合材料由 于发展较晚， 所以 存在许多理论、工艺、 应用方面的问题。 原料和材料性能及 8 .理论方面 ( 1 ) 界 面的 研究， 确定f / m之间的 最佳界面结 合强 度， 从而 使。 f 和k ic 都达到最 佳 t v ; ( 2 ) 确定纤维增强增韧陶瓷基复合材料理论模型; ( 3 ) 从工艺理论分析f / m间的中间相对复合材料强度和断裂韧性的 影响n 1 b .工艺方面 (1) 纤维在基体中的分散技术; ( 2 ) 复合材料的致密化的技术; ( 3 ) 探索和开发新的涂层技术， 以 改善纤维表面的 特征和f / m界面的 相容性， 同时这 种涂层技术具有一定厚度且价廉的特点; ( 4 )成型工艺简单且效果好的设计和制备方法; ( 5 )高纤维含量的陶瓷基复合材料中基体的分散和成型方法。 c .原料方面 ( 1 ) 碳纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维存在易氧化的问题且价格昂贵; ( 2 ) 研究开发有机高聚物， 使它既能作为分散剂， 同时 也可在高温下转化为陶瓷 材料17 1 ; ( 3 ) 烧结 助剂的 选择问 题to ; ( 4 ) 高 性能、 低价格纤维的 研制p l d . 材料性能及用途方面41 在实际 应用中， 纤维陶瓷 基复合材料基本组分材料的选择和成型工艺应满足复合材料在 设计中所提出的性能和用途的需要，表1 .3 列出了f c mc 材料性能分类及主要用途。 表1 .3 f c mc材料性能分类及主要用途 分类典型性能主要用途 力学性能强度、韧性、刚度 机械装置、承载结构 化学性能抗氧化性、抗腐蚀性 化工设备、动力装置、船舶结构、户外结构 物理性能 密度 航空航天、往复式和转动式机械 导热性动力传输 导电性、磁性 仪器制造、电 动机械、电子器件 对以上问题，本次研究主要从工艺和原料方面进行了 研究和探索。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 . 2理论基础 1 . 2 . 1纤维陶瓷基复合材料的增强原理 纤维分散相的形状可以由形数比 ( 形状尺寸比) a s 来描述13 1 ，表1 .4 列出了 用a s 表示的 纤维类型。 表1 .4 纤维类型 a s ( 形数比)纤维类型 as -连续纤维 co 人 i不连续纤维 ( 短纤维) 纤维增强陶瓷的原理有许多。 如高强度、高 模量的纤维承受载荷， 基体相当于一个传递 和分散载荷的媒介12 1 ;纤维与基件构成有机整体，共同承担外加载荷的作用。其中，基体材 料将复合材料所受外加载荷通过一定的方式传递给增强纤维并为复合材料提供塑性和韧性， 而 增强纤维则承担大部分外力， 是复合材料中主要的 承载单 元(9 1 ; 在纤维增强的复合材料中， 纤维承受绝大部分外加载荷，而基体只是将外力传递给纤维，并保持一定的韧性和塑性叫。 综合以上所述，可以归纳增强机理为: ( 1 ) 纤维 ( 弹 性模量e ， 强 度较向均匀分布 于陶 瓷基 体中， 两者 通过复 合 形成有机整体， 当 外加负荷作用于有机整体时， 基体会传递一部分负荷到纤维上， 减少陶瓷基体本身的负担， 当纤维承受应力大于其本身强度时，纤维会发生断裂，断裂的纤维从基体中拔出，消耗裂纹 能 n n ( 2 ) 当裂纹扩展到纤维时， 由于内 应力的不均匀和界面效应， 导致裂纹沿纤维周围表面 转向，消耗裂纹扩展能.由于裂纹偏转，裂纹扩展路径为锯齿状，增加了裂纹的表面能， 起 到了 增强效果11 1) 3 1 。图1 .4 为短纤维引起裂纹偏转模式图。 ( 3 ) 裂纹在复合材料基体中形成并发生扩展后， 其尖端尾部将形成一个由 纤维构成的桥 联区， 产生 桥联效应， 如图1 .5 所录1 1 ( 12 1 。 桥联区的出 现将使裂纹在扩展中消 耗更多的能量。 ( 4 ) 纤维对裂纹钉扎阻碍了裂纹的扩展 1 e 西安建筑科技大学硕士学位论文 砚坟盈大扭转时的砚饮璐径 暇坟完全不妞转的场合 图1 .4 短纤维引 起裂纹偏转模式图 已，.t.亏!.万 卜 - - _r -f- 图1 .5 纤维构成的 桥联区 1 . 2 . 2 纤 维陶 瓷 基复 合 材 料的 细 观力 学 分 析。 ， p a l 为了确定短纤维复合材料的细观力学公式，需要考虑应力如何从复合材料的基体与短纤 维的端头传递到纤维的过程，因此首先要讨论应力传递理论，它是短纤维增强复合材料细观 力学分析的基础。 a 应力传递理论 建立短纤维复合材料的典型单元体及其微分单元模型，如图1 . 6 所示: 西安建筑科技大学硕士学位论文 r .曰.一 久+ d 口 ( a ) ( b ) 图1 . 6 短纤维复 合材料的典型 单 元体及其微分单元模型 图1 .6 ( a ) 所示典 型单元体是在一个圆 柱形基体内嵌入一根长为1 、半 径为， 的圆 形截 面纤维。 该单元体受到纵向 应力6 。 作用时， 纤维和基体间的界面上将产生剪应力t 。 图1 . 6 ( b ) 为 ( a ) 中微分单元的 放大图。 ( 1 ) 理想塑性基体 根据图中受力平衡条件，可以 得出: d 6 j d x = 2: / r ( 1 . 1 ) 式中6 。 是纤维的纵向应力。 由 于纤维端部附 近存在严重的应力集中，可认为纤维末端应力为零， 对上式积分可以 得 到离纤维末端的距离为x 时的纤维应力，即 6 r = 2 / r f o i t d x ( 1 . 2 ) 当基体为理想塑性材料时，其剪应力一应变曲线如图1 .7 所示。 图1 . 7 理想塑性基体的 剪 应力 一应变关系 此时， 界面剪应力沿 纤维长 度是个常 数， 其值等于 基体的剪切屈服应力t s ， 于 是式 ( 1 .2 ) 变成 西安建筑科技大学硕士学位论文 6 。 =2 t 、 x 1 r ( 1 . 3 ) 对短纤维来说，最大的纤维应力6 : . ， 发生在纤维的长度中点，既x二1 / 2 处，因此有 6 。 二 . = 1 t , / r . ( 1 . 4 ) 定义纤维达到最大拉伸强度6 r . . ， 时的最小纤维长度为临界纤维长度1 , ， 图1 .8 表示了 纤 维应力和界面剪应力随纤维长度的变化规律。 l _j _ _j i 1 l - _ _ j 图1 . 8 纤维 应力和界面剪 应力随 纤维长 度的 变化规律 载荷是基体通过界面传递给纤维的. 在一定的界面强度下， 纤维端部的 切应力 ( t ) 最 大， 中部最小。而作用在纤维上的拉应力 ( a t ) 是切应力由 端部向中部积累的 结果。 所以 拉 应力端部最小，中 部最大。 随纤维长度增加，界面面积增大，中部的拉应力也增大。当 纤维 中 点的 最大拉应力 恰等于 纤维的断 裂强 度时， 纤 维的 长 度称为临界长 度( 1 a ) 。 考 虑纤维 直 径时， 临界长 度与纤维直径之比 称为纤维的临界尺寸比。 显然当1 时， 纤维不会被拉断， 只能从 基体中拔出。显然， 1 / 1 , 越大，复合材料的拉伸强度也越大。1+ / 2 1 1 时，上式变为连续纤 维的 强 度公式。当1 = 时， 短 纤维 增强的效 果仅 有连续纤维的5 0 % . 1 = 1 0 1, 时， 短纤维 增 强 的效果可达到连续纤维的9 5 % 13 1 . ( 2 ) 弹什甚休 o f =e f 二 o 03h 9 l / (2 r ) - a )co sh p l /2 r ( 1 . 5 ) 卜 . g r 二e f 以 上两式中p 为: ， = ! 2 e , l n v f c o s h 口l / ( 2 曰 ( 1 . 6 ) 厂 喊 似l 2 gm e r r 2 l n v f t2 ( 1 . 7 ) 西安建筑科技大学硕士学位论文 里里吧巴里巴.，.巴巴里. ( 3 ) 弹塑性基体 弹 塑 性 基 体 条 件 下的 分 析结 果 如图1 .9 所 示。 界 面 剪 应 力 沿 纤维长 度的 分 布 不 是 一 个 常 数， 剪应力最大值不在纤维末端， 而是 距离 末端x 的 某处， 纤维 末端不等于零， 说明 纤 维 末 端也传递了应力。 2 . 0 0 . 0 1 5 1 . 5 0 . 0 1 0 b jc 1 . 。 t 1 b 0 . 0 0 5 0 5 0 飞一 1 2 . 1 83 6 4 2亩5 9 p 图1 . 9 纤维 应力6 ， 和界面剪 应力t 沿维 长 度的 分布 b . 平面随机分布短纤维复合材料的 弹性模量和强度 平面随机分布短纤维复合材料的弹性模量和强度的经验公式为: e = 3 / 8 e , + 5 / 8 e z ( 1 . 8 ) 6 = 0 .3 6 :( 1 . 9 ) 式中e , . e 2 分别代表具有相同 纤维长度和体积含量的 单向 短纤维复合材料的 纵向 和横向 弹性模量，6 : 为单向短纤维纵向 拉伸强度。 c .空间随机分布短纤维复合材料的弹性模量和强度 空间随机分布短纤维复合材料的弹性模量和强度的经验公式为: e = 1 / 5 璐v 而且希望纤维和基体的热膨胀系数之差不大时， 才能使纤维与界面结合力适当，保 证载荷转移效应，并保证裂纹尖端应力 场产生偏转及纤维拔出。 ( 2 ) 化学性能上相互匹配， 即纤维与基体要有良 好的化学相容性， 无明显的化学反应或 形成固溶体，而且结合强度适中。 ( 3 ) 尽量使纤维在基体中均匀分散，多 采用高速搅拌， 超声波分散等。 ( 4 ) 适量的纤维体积分数， 纤维过少， 则力学性能改善不明显， 纤维过高， 则不易分散， 导致烧结不致密。 ( 5 ) 纤维直径必须在某个临界直径以 下， 一般认为纤维直径度与基体晶粒尺寸在同一数 量级上。 ( 6 ) 纤维或晶须与基体的界面结合应尽可能使荷重转移效应增大. ( 7 ) 基体中的断裂扩展应大于纤维或晶 须的断裂扩展。 ( 8 ) 在复合材料的制备过程中， 纤维性能不致受损。 b .复合效应 复合效应是指复合材料的性能与构成复合材料组元性能的关系.其类型如表1 .6 所示。 表1 .6 复合效应类型 类型 线性类型 非线性类型 效应 平行效应 平均效应 相补效应 相抵效应 诱导效应 共振效应 系统效应 对平均效应的形式:y c n = v . x -十 v a. + . , . v ;x . , n = 1 时为并联模型混合定律， n = - l 时 为串 联型混合定律。前者适用于复合材料的密度、单向纤维复合材料沿纤维方向的杨氏 模量 西安建筑科技大学硕士学位论文 及纵向泊松比等;后者适用于单向纤维复合材料的横向杨氏模量、纵向剪切模量和横向泊松 比 等。 当n 在1 与 一 1 之间取某一确定值时， 可以 用来描述复合材料的 某种性能随组元体积含 量的变化。 平行效应是某一项组元所具有的性能，该复合材料也具有该种性能。 相补效应是组元系统相互补充，从而使复合材料具有优异的性能。 相抵效应是组元材料相互制约，使复合后某项性能低于拉平均复合效应的估算值。 以上几种类型为线性类型，即复合材料的性能同组元性能成线性关系; 诱导效应是指在组元间的界而上，一种组元对另一种组元产生诱导作用，从而生成相应 的界面层。 共振效应可以使组元中某些有用的特殊性能得到保持和发挥，同时摈除不需要的其它性 能。 系统效应将不具备某种性能的诸组元通过特定的复合，而具备该性能。 以 上非线形类型则主要使复合材科具有某个组元所不具有的新功能。 1 . 2 . 4 纤维陶资基复合材料的界面和界面控制 复合材料一旦形成，界面的存在就具有必然性、 而且它也是复合材料的关键。界面是基 体和增强体的分子形成原子作用力的地方，是两相元素扩散、溶解而产生新相的地方，同时 又是基体和增强体材料之间传递荷载的媒介或过渡带， 硬化和强化依赖于跨越界面的载荷传 递，韧性受到裂纹偏转、纤维拔出的影响，塑性受到靠近界面的峰值、应力松弛的影响。 为了 实现基体和增强体材料之间的有效结合， 需要二者元素在界面上能够相容并且发生 扩散， 根据g i b b s 自 由 能 g来判断其相容性，e g 0 不相容。 由 于复合材料基体与增强体接触时所产生的相互作用力不同，所构成的界面结合形式亦 不同。复合材料存在五类界面，见表 1 . 7 i n 1p e j d 9 1 e 表1 .7 复合材料的界面 类别 特点 机械结合 增强体粗糙表面与基体产生的摩擦力而实现的 机械连接 润湿和溶解结合 基体润湿增强体材料，相互之间发生原子扩散和溶解形成结 合 反应结合 基体与增强体发生化学反应在界而形成化合物 基体与增强体化学反应并通过扩散发生元素交换 交换反应结合 混合结合 以上几种界面的组合 西安建筑科技大学硕士学位论文 .目.，巴曰里. 根 据 复 合 材 料 中 界 面 相 应 起 的 作 用 ， 对 复 合 材 料 界 面 相 有 如 下 要 求 : ( 1 ) 界 面 相 与 纤 维 和 基 体 之 间 具 有 化 学 和 物 理 相 容 性。 介 于 纤 维 和 基 体 之 间 的 界 面 相 既 不 能 与 纤 维 或 基 体 发 生 有 害 的 化 学 反 应 ， 也 不 能 在 纤 维 与 界 面 相 或 基 体 与 界 面 相 之 间 产 生 较 大 的 内 应 力 。 因 此 界 面 相 与 纤 维 和 基 体 之 间 的 化 学 稳 定 性 以 及 界 面 相 与 纤 维 和 基 体 之 间 的 热膨胀系数匹配是首先应考虑的因素。 ( 2 ) 高 温 稳 定 性。 由 于 陶瓷 基 复 合 材 料中 绝 大多 数 使 用 温 度 较高， 这类 材料的 界 面 相 在 高 温 下 的 稳 定 性非 常重 要。 故 要 求 界 面 相 在高 温下不 会出 现组 织 和结 构 变化而引 起界 面 相 的 作用失效， 进而影响整个材料的性能。 ( 3 ) 界面相与纤 维和基体的 润湿。 虽然纤维涂层是人为引 入的 界面相， 但是， 它既 可以 以 非晶 体形式存在， 也可以以晶体形式存在. 如果界面相与纤维和基体之间的界面结合适中， 则它在生成时将润湿纤维和基体， 获得适当的界面结合，反之，如果界面相与纤维和基体不 润湿， 不利于界面结合。理想的界面相与纤维或基体的化学成分相同而结构不同。这种界面 相因化学成分与纤维或基体相同而不易与基体和纤维分离，但由于界面相与纤维和基体的结 构不同，因此具有不同于纤维和基体的性能。 ( 4 ) 界面相必须具有低的剪切强度。 因为界面区是预定使基体裂纹发生偏转的地方， 因 此界面相的剪切强度一定要适当 低， 否则界面处不易发生解离， 裂纹无法在界面处发生偏转， 复合材料仍会脆性断裂。 ( 5 )界面相必须具有一定厚度。 此外，在纤维陶瓷基复合材料中通过人为的界面来控制材料的性能，界面控制方法有以 下几类叭 a .增强体表面改性 这是一种利用化学手段控制界面的方法，主要的目的是防止增强体 ( 纤维)与基体之间 的反 应， 从而获得最佳的力学性能。如 在纤维表面以c v d法或p v d法进行氮化硼 ( b n ) 或碳涂层的方法等。 改 变强化体表面的性质的另一个目 的是改变纤维与基体间的结合力。 b .向基体中添加特定元素 基体中 添加元素的目 的 是为了 促 进 烧结， 使纤维与基体发生 适度的 反应以 控制界面 状态。 如s i c 纤维强 化玻 璃陶瓷 ( l a s ) 中， 采 用通常的l a s 成分 基体， 在晶 化处理时， 会 在界 面 产 生 裂 纹， 而 添 加 百 分 之 几的n b 时， 热 处 理时 会 发生 反 应， 界 面 形 成n b c 相， 获 得 最 佳 界 面， 从而达到高韧化的目的。 c .强化体表面涂层 强 化 体 表 面 涂 层的目 的 是 防 止 成 型 过 程中 纤 维 与 基 体 的 反 应: 调 节 界 面 剪 切 破 坏 能 量 以 提 高 剪 切 强 度 ; 形 成 阻 碍 扩散 的 覆 盖 层 ， 保 护 纤 维 不 受 化 学 侵 袭 。 常 用 涂 层 材 料 有c . b n . 西安建筑科技大学硕士学位论文 s i , b等多种。 表面涂层主要运用c v d . p v d . 溶胶一凝胶法 ( s o l - g e l ) . 喷镀、喷射等技 术方法。 1 . 2 . 5纤维陶瓷墓复合材料的断裂 纤维引入到陶瓷基体中，使陶瓷材料的断裂行为发生了 根本性变化，由原来的脆性断裂 变为非脆性断裂。 纤维陶瓷基复合材料的断裂首先是由材料中固有的缺陷开始的，各种断裂情形如下12 l , ( 幼 纤维与脆性基体作为整体的断裂; ( 2 ) 纤维被拉断后，由于界面结合较弱，纤维断头从基体内拔出。图 1 . 1 0列出一根纤 维拔出时，纤维载荷与位移之间的关系(3 ) 界面未完全妇 离时的安落 / lpi - e 异百鹅决 后的桩出 暇离进行 ( 有，不对的非峨形韶分) s ti c k 一 s l i p ( 界时的，移) 心匆娜姗布 位移与 彼出长度相对应 倪移 d 图1 . 1 0 一根纤维拔出时，纤维载荷与位移之间的关系图 图 中 观察 道德锯齿 状的 部分 成为界面 滑移( s t ic k s l i p ) ， 这是因 为纤维与 基体之间 形成凹 凸，使得界面的滑动得以发生。 ( 3 ) 主裂纹跨过纤维传播，而纤维不受损伤， 形成裂纹桥的断裂形式; ( 4 ) 基体内 部的 微裂纹跨过纤维构成微小 裂纹桥; ( 5 ) 纤维的 韧性断裂; ( 6 )纤维在某缺陷处断开，使基体产生微小的裂纹; ( 7 ) 主 裂纹顶 端。 y 作用下引 起的基体 塑性 变形分布; ( 8 )主裂纹顶端剪应力引起的基体塑性变形分布; ( 9 ) 主裂纹顶端作用下基体内或界面内的纵向裂纹: 西安建筑科技大学硕士学位论文 uo )层间硬化。 当然，对于一种复合材料其占优势的断裂形式仅是其中的一种或几种。 对于单向短纤维增强复合材料，复合材料的 强度与短纤维的长度存在一定的关系。短纤 维的长度不同，其破坏机理也不同14 1 。如图1 . 1 1 所示。 ( a )纤维较短但长度均一 ( b ) 纤维长 度不一致 图1 . 1 1 两种短纤 维复合 材料破坏模式 短纤维很短时 ( 图a ) , 裂纹总是在纤维端部萌生， 然后裂纹绕过周围纤维而导致复合材 料的断裂，这一过程并不导致纤维的断裂。很显然，纤维并未起到作用。当 纤维较长时 ( 图 b ) ， 纤维顶端的微裂纹将导 致周围 纤维的断裂， 进而导致复合材料的 破坏。 陶瓷基复合材料在轴向 应力作用下的断裂过程包括基体开裂、基体裂纹逐渐增加、纤维 断裂、纤维与基体解离和纤维从基体中拔出等。纤维从基体中的拔出主要考虑的是拔出功 w p ，我 们 希 望 在 保 持 一 定 强 度下 纤 维 直 径 趋 于 细 小 ， 纤 维 与 基 体 之 间 的 结 合 要 适中 ， 求 出 最 大 的琳。 图1 . 1 2 为c m c能 量 消 耗 示 意 图 。 放率g j 与纤维断裂能量释放率g ;。 比 值小于 其裂纹张开与应力之间的关系见图1 . 1 4 . 纤维与基体之间界面解离要求界面断裂能量释 1 / 4 ， 这样界面解离先于纤维断裂， 详见图1 . 1 3 , 求纤维要具有较高的强度。 在c mc中，过多的纤维断裂是不希望的，这就要 复合材料在断裂中能量吸收过程如表1 . 8 所示。 弄1 .8纤 维 陶 瓷 基 复 合 材 料 断 裂 中 的 能 量 吸 收 项目 纤维拔出 纤维脱粘 容 应力重新分布 裂纹桥 纤维拔出 过程中必破坏纤维与基体问 界面需吸收的能量 纤维与基体 之间由于剪切力大大增加而造成界面脱粘12 0j 纤维断裂后， 纤 维所受的 载荷转 移至基体， 引 起基体内 应力的 重新 分介 茸形成伴 睛纤fi t 柑 出与应 为重新 仆布 基 体 塑 性 变 形 当 脆 性 纤 维 粘 结 在 韧 性 基 体 中 时 ， x m e w w , a 体由于受力增大， 产生塑性变形， 的纤维产生断裂， 基 然后产作局部颈缩，最后全部裂开 西安建筑科技大学硕士学位论文 纤维拔出 人 纤维 断裂 图1 . 1 2 c m c 能量消耗示意图 星fi tt 5 1s h !- - - - - 一 /3 喇 各 口 p 赵 一 图1 . 1 3 纤维解离示意图 图1 . 1 4 裂纹张开与应力之间的关系 1 . 3纤维陶瓷基复合材料的分散和成型方法 1 . 3 . t分散方法 纤维均匀分散于陶瓷基体中是制造纤维陶瓷基复合材料的前提条件，只有纤维均匀分散 到基质中，这种复合材料才能起到良 好的效果。现有的分散方法如表1 .9 所示。 西安建筑科技大学硕士学位论文 表 1 .9 纤维分散方法 分散性质!分散方法名称容 干式球磨分散法 机械方法 湿式球磨分散法 高速搅拌法 物理方法超声波分散法 化学方法湿法分散 机械物理结合 机械物理脚复 合法 利用球磨机将纤维与粉科共同混磨达到分散 利用球磨机将纤维和粉料加水或化学溶剂混成泥 浆共同混磨达到分散 利用电 动搅扦机高速搅拌使纤维与粉料混合达到 分散的目的 利用超声波将纤维分散于基体中 在不同浓度的分散液中加入一定量的纤维，连续 搅拌一定时间，然后静置 高速搅拌和超声振动结合，促进分散 高速搅拌、 超声振动及球磨机滚动结合 具体的例子如:b n纤维补强s i a lo n陶瓷时， 纤维放于有机溶剂中分散，高速搅拌后再 超声波分散，然后与基料混合搅拌，再烘干;如用甘油作分散剂，乙醇做稀释剂，在搅拌作 用下，短纤维完全均匀分散在溶剂中，然后加入粉末，并施以持续搅拌，使粉末也均匀分布 在溶剂中，用减压抽滤法去掉溶剂。 一般评价纤维分散度的标准121: ( 1 ) 沉 积密度 纤 维长径比 一 定时， 分散 度高， 沉积密 度大; ( 2 ) 沉降时间 纤维分散度高则沉降时间长; ( 3 ) 在纤维长径比、 基本颗粒尺寸一定， 并在相同的成型条件下， 测定其密度， 致密度 高，则纤维分布均匀; ( 4 )用光学显微镜、s e m直接观察纤维的分散及在基体中的。 1 . 3 . 2 成型方法12 1 4 2 陶瓷基复合材料的成型方法有四类:第一类是传统的混合方法和粘结液浸溃方法。如短 纤维和晶须增强复合材料多 采用直接混合然后固化的方法: 纤维增强玻璃和玻璃 一陶瓷基材 料加工采用粘合液浸渍方法预成形， 然后热压固化。 但这种技术对耐热基体就不太适合，因 为过高的热压温度易使纤维受氧化和产生损伤。第二类是化学合成技术。如溶胶一凝胶方法 和高聚物先驱体热解工艺方法。加工温度比第一种技术低。第三类是熔融浸润方法。它与金 属 基、聚合物基复合材料的常规加工方法相似，这也要求陶瓷基体熔点不能太高。第四类是 西安建筑科技大学硕士学位论文 化 学 反 应 形 式的 方 法， 有 化学气 相 沉 积 ( c v d ) 、 化学 气 相 浸 润 ( c v n 和 反 应结 合 法。 这 类 技术 的缺陷 是形成结构的速率低。 上述各种方法都要求有一定的温度以固化陶瓷， 普遍的问题是增强体与基体间界面结合 情况难以 控制，在工艺过程中易发生界面反应使增强体退化、而这正是高性能陶瓷基复合材 料的关键因素。 此外， 这些技术过程复杂， 仍需要简化，降低成本。表1 . 1 0 列出了陶瓷基复 合材料现有的成型方法和优缺点。 表1 . 1 0各类成型方 法的 优缺点 a tj 方 法一示一 点- - -一 一 一! 一丽一 该- 无压烧结法 工艺简单， 设备容易制造， 成本低， 易于制备复杂 形状制品和批量生产，适应于工业化生产 热压烧结法 烧结温度低， 保温时间短， 能获得高致密度、 高性 能的复合材料;材料性能的重复性好， 使用可靠， 控制热