复合材料原理09第10讲.ppt

复合材料原理 课程学科分类 材料学课程授课人 成来飞殷小玮超高温结构复合材料国防科技重点实验室2009 4 9 第十讲陶瓷基复合材料界面控制 1非氧化物界面材料2氧化物界面材料3界面对性能的影响 1 1裂纹界面偏转的三种途径 1非氧化物界面材料 FrankW Zok J Am Ceram Soc 89 11 3309 3324 2006 一般避免在非氧化物纤维上使用氧化物涂层而产生强界面结合 1 2非氧化物界面层材料体系 非氧化物界面层 层状结构界面层 多层复合界面层 热解碳 PyC 氮化硼 BN PyC BCx n PyC SiC n Ti3SiC2 1 非氧化物界面层材料 1 非氧化物界面层材料 热解碳PyC界面层 PyC石墨化程度很低 不是层状晶型结构 但呈层状分布主要问题是不抗氧化 1 2非氧化物界面层材料体系 层状结构 氮化硼BN界面层 1 非氧化物界面层材料 主要问题是抗氧化性能不高等 1 2非氧化物界面层材料体系 层状结构 1 非氧化物界面层材料 氮化硼BN界面层 1 2非氧化物界面层材料体系 层状结构 1 非氧化物界面层材料 Ti3SiC2界面层 主要问题是制备困难 损伤容限低等 1 2非氧化物界面层材料体系 层状结构 复合界面层不仅能提高抗氧化性 也能提高裂纹扩展阻力主要有BN C BN BN C Si3N4 SiC C SiC BN SiC等 1 非氧化物界面层材料 PyC SiC n界面层 1 2非氧化物界面层材料体系 多层复合 1 非氧化物界面层材料 1 2非氧化物界面层材料体系 多层复合 1 非氧化物界面层材料 PyC BCx n界面层 具有自愈合功能 抗氧化性能好 1 2非氧化物界面层材料体系 多层复合 2 氧化物界面层材料 氧化物界面层材料体系 2 1氧化物界面层材料体系 典型的有Nextel610或Nextel720 氧化铝 莫来石主要问题是抗压和层间性能较差 反应或烧结损伤增强体 2 氧化物界面层材料 Int J Appl Ceram Technol 2 2 141 149 2005 2 2非致密界面层 无界面多孔基体 2 氧化物界面层材料 2 2非致密界面层 无界面多孔基体 2 氧化物界面层材料 2 2非致密界面层 无界面多孔基体 典型涂层材料 Al2O3和ZrO2问题 颗粒直径越小 高温烧结趋势越大 2 氧化物界面层材料 c HaoLi J Am Ceram Soc 87 9 1726 1733 2004 2 2非致密界面层 多孔高熔点氧化物 2 氧化物界面层材料 隔断弱界面 基体活性掺杂组元可以在界面处富集 形成隔断弱界面 典型的阻断弱界面 掺杂氧化锶或者氧化钙的氧化铝基体 Na和P在SiC LAS玻璃陶瓷界面上富集 2 3致密界面层 不与氧化物纤维和氧化物基体发生热化学反应 氧化锡 氧化锆 氧化钛 钛酸锆 钛锡酸锆等主要问题是界面层容易分解和界面的脱粘强度过高 2 氧化物界面层材料 无反应氧化物界面 SnO2 2 3致密界面层 主要有云母 尖晶石和钙钛矿三类 云母类层状氧化物包括硅酸钾云母 KMg2 5 Si4O10 F2 和氟石金云母 KMg3 AlSi3O10 F2 等 存在的主要问题是与当前可用的纤维和基体是化学不相容的 尖晶石类层状氧化物与氧化铝是相容的 包括 氧化铝 Me1 Al11O17 和磁铁铅矿 Me2 Al12O19 其中 氧化铝的主要问题是热处理过程中碱离子的损失 而磁铁铅矿的主要问题是层状结构形成温度高于工业用多晶氧化物纤维强度降低的温度 而且钙有从界面扩散到基体的倾向 钙钛矿类层状氧化物作为界面层的研究起步较晚 主要包括铌酸钙钾 KCa2Nb3O10 和钛酸钕钡 BaNd2Ti3O10 2 氧化物界面层材料 层状氧化物界面层 KCa2Nb3O10 2 3致密界面层 典型的氧化物是镧系稀土磷酸盐 Me PO4 和难熔金属盐 ABO4 前者包括独居石和钪 钇和少量的镧系磷钇矿家族 后者包括钨酸盐 Me2 WO4 钼酸盐 钽酸盐和铌酸盐 存在的主要问题是如何获得化学计量比 2 氧化物界面层材料 非层状弱结合氧化物界面层 2 3致密界面层 2 氧化物界面层材料 Alumina aluminacontinuous fiberceramiccompositeafter5hofexposureat1200 C a uncoatedfibers b monazitecoatedfibers Lowhardnessofmonazite 5GPa FrankW Zok J Am Ceram Soc 89 11 3309 3324 2006 非层状弱结合氧化物界面层 2 3致密界面层 界面层对界面剪切强度的影响 有无界面层 3 界面层对性能的影响 2DSiC PyC SiC 0 30 60 的Push out 3 1非氧化物基复合材料 界面对不同纤维复合材料性能的影响 有无界面层 3 界面层对性能的影响 2DSiC PyC SiC 0 30 60 的拉伸强度 3 1非氧化物基复合材料 界面层结构对性能的影响 界面层 纤维 基体 界面结合强弱 3 界面层对性能的影响 不同界面结合强度2DSiC PyC SiC应力应变曲线 RogerR Naslain Int J Appl Ceram Technol 2 2 75 84 2005 WeakFM bonding StrongerFM bonding 基体裂纹密度高 基体裂纹密度低 3 1非氧化物基复合材料 3 界面层对性能的影响 纤维初始弱结合 tO 4MPa 短脱粘 低断裂应力 过长纤维拔出 低裂纹密度 宽裂纹开度 纤维处理强结合 tO 370MPa 长脱粘 高断裂应力 有限纤维拔出 高裂纹密度 窄裂纹开度 2D SiC Nicalon SiCwithdifferentinterphases 不同界面层对性能的影响 界面层 纤维 基体 界面结合强弱 3 1非氧化物基复合材料 不同B C界面层迷你SiC SiC复合材料应力应变曲线 界面成分与结构对性能的影响 3 界面层对性能的影响 I PyC II 8at B IV 20at B 3 1非氧化物基复合材料 2D C SiC 2D C SiC 3 界面层对性能的影响 界面厚度对复合材料性能影响 3 1非氧化物基复合材料 3D Hi Nicalon SiC的PyC界面形貌 a 氧化前 b 1000 C氧化后 界面氧化与界面结合 3 界面层对性能的影响 3 1非氧化物基复合材料 界面氧化与强度 3D Hi Nicalon SiC在空气介质氧化900min 3 界面层对性能的影响 3 1非氧化物基复合材料 Nextel SiC CVI 使用同一种界面层考察纤维种类对界面结合的影响 3 界面层对性能的影响 3 1非氧化物基复合材料 3 界面层对性能的影响 Hi Nicalon C SiC CVI C SiC CVI 使用同一种界面层考察纤维种类对界面结合的影响 3 1非氧化物基复合材料 3 界面层对性能的影响 3 1非氧化物基复合材料 Hi Nicalon C SiC CVI 3 界面层对性能的影响 C SiC CVI 使用同一种界面层考察纤维种类对界面结合的影响 3 1非氧化物基复合材料 如果使用相同的纤维考察不同界面层的影响 BN界面结合更强 强度更高 但位移更小C界面结合较弱 强度较低 但位移更大 3 界面层对性能的影响 Nextel SiC CVI 3 1非氧化物基复合材料 使用相同的纤维考察C和BN复合界面层的影响 3 界面层对性能的影响 C BN界面层能发生反应 复合界面层的效果并不好但C和SiC的多层复合界面层是目前发展的方向 Nextel SiC CVI 3 1非氧化物基复合材料 SiC SiC CVI 固定纤维和基体材料 考察界面层厚度的影响 0 2 m界面层太薄 0 42 m以上界面层厚度适中 0 63 m以上太厚 3 界面层对性能的影响 3 1非氧化物基复合材料 C B比例的确定应该综合考虑复合材料的力学性能和抗氧化性能在一定C B范围内 B的加入不会明显降低界面层的作用 但的确明显地提高了防氧化性能 SiC SiC CVI 3 界面层对性能的影响 3 1非氧化物基复合材料 不同界面氧化物复合材料 JaredH Weaver J Am Ceram Soc 90 4 1331 1333 2007 LaPO4 monazite 3 界面层对性能的影响 3 2氧化物基复合材料 不同多孔氧化物基体复合材料 Int J Appl Ceram Technol 2 2 141 149 2005 MechanicalPropertiesofAs ProcessedN610 MandN720 MCompositesin0 90 FiberOrientationatRoomTemperature N610 M NextelTM610 alumina mullite N720 M NextelTM720 mullite alumina mullite 3 界面层对性能的影响 3 2氧化物基复合材料 不同多孔氧化物基体复合材料 Quasi ductilefracturebehavior N720 MA Nextel720 mullite alumina N720 AS Nextel720 aluminosilicate 3 界面层对性能的影响 3 2氧化物基复合材料 不同多孔氧化物基体复合材料 3 界面层对性能的影响 3 2氧化物基复合材料 弱界面和多孔氧化物基体对性能的影响 Nextel610 Al2O3和Nextel610 LaPO4 Al2O3 3 界面层对性能的影响 3 2氧化物基复合材料 Nicalon 玻璃陶瓷 玻璃陶瓷在中低温 1200 以下 具有明显的优势其优点是 成型设备工艺简单 成本低 缺点是 只能制备形状简单的构件 强度相对较低 氧化物玻璃基体很容易与NicalonSiC纤维反应SiC O2 SiO2 C这一反应可以被利用制备界面层 3 界面层对性能的影响 3 2氧化物基复合材料 氧化物玻璃基体与NicalonSiC纤维还可能发生其他氧化反应 但由于需要气相产物扩散离开界面 因而其热力学趋向很大 但反应驱动力相对较小 因上述反应生成的SiO2在SiO2基玻璃中很容易溶入玻璃基体 反应的结果将在界面上生成C界面层或纤维的表面层 因而不需要预先制备界面层 这是玻璃陶瓷的最大优点 如果基体中S