无机非金属材料的智能化

1、无机非金属材料的智能化陶瓷及非金属材料的自诊断效应陶瓷及非金属材料的自诊断效应自修补自愈合陶瓷材料自修补自愈合陶瓷材料可相变氧化锆材料及其应用可相变氧化锆材料及其应用功能无机材料的智能化功能无机材料的智能化1 1 陶瓷及非金属材料的自诊断效应陶瓷及非金属材料的自诊断效应u陶瓷材料：氧化物、碳化物、氮化物以及硼化物 等非金属类耐高温、高强度的材料u优点：性能多样；缺点：性脆和使用可靠性低u陶瓷材料智能化目的：改善脆性，提高使用可靠性自诊断：依靠材料内部的组分或结构的变化产生的 信号而进行诊断的方法。诊断内容：应力状态、应变量、相变、缺陷或裂纹 发展过程等。增韧机制：长纤维的复合、桥接、分散相的复

2、合、 增韧相的拔出、相变增韧、晶体结构的 微细化等。理想自诊断方法：增韧机制与自诊断功能结合1.1 1.1 陶瓷基复合材料的自诊断电检测技术：通过向绝缘的陶瓷基体中添加导电相从 而制成具有一定导电性的陶瓷基复合材 料的途径来实现1.11 1.11 导电机理（1 1）渗流导电模型）渗流导电模型 导电阀值（CPT）：使非导电基质导电性能由绝缘转 换为导通的导电相的临界添加量CPT影响因素：导电相的形态、导电相的结构、基质 相的导电性和致密性等图1 陶瓷中导电晶须的渗流阈值与长径比关系图2 陶瓷基质颗粒大小对于渗流阈值的影响（2 2）晶须复合陶瓷材料的非渗流导电模型）晶须复合陶瓷材料的非渗流导电模型

3、 导电机制：电子在电场中有穿透一定的导电势垒的 效应材料电阻率与晶须空隙的有效宽度和温度T之间的关系注：B为电子穿透效应的材料常数 E为电导势垒本质：微小的形变可以导致可检测电阻值的变化1.12 1.12 晶须的定向性及其对电学性能的影响晶须的定向性T=平行于一定方向的晶须数/总晶须数注：一般0 T 1 T=0晶须定向度 T=1晶须完全按一维定向排布图3 SiCw/Si3N4复合材料的电阻率与晶须T关系图4 电阻率与晶须方位角的关系1.13 1.13 碳化硅晶须复合CaFCaF2 2材料的电学检测 当形变量达到最大许可形变量的一半时，电阻值呈现急剧增加的趋势,这是断裂的前兆，由此显示预测裂纹的

4、可能性图5 CaF/10%SiCw陶瓷复合材料应力-变形-电阻变化1.14 1.14 碳化硅晶须复合SiNSiN4 4材料的电学检测 体电阻值随拉力和应变的增加而增加，并且是可逆的。据此可以预测陶瓷内部拉伸应力的大小。 压力载荷的循环不能引起电阻的明显变化 用电阻值变化不能检测压力破坏图6 SiCw/Si3N4陶瓷复合材料在拉伸应力下变形与电阻值的变化1.15 TiN1.15 TiN复合氮化硅的电学检测陶瓷材料图7 40%TiN/Si3N4陶瓷复合材料在加载下的变形及电阻变化 （a）未加TiN （b）加40%TiN 1应力变形关系 2变形电阻关系 在氮化硅加入40%TiN，材料在完全断裂前，电

5、阻急剧增加用抗拉强度50%的拉力进行加载实验，在载荷去除后，残余阻值比较明显。用残余电阻可以估测材料的负载历史。1.16 1.16 层状氮化硅材料电学检测 添加25% 30%导电TiN颗粒的氮化硅层与BN层相间叠层，径压制、除碳及烧结而成 通过检测电阻值的变化能可靠地监测和预报材料是否发生断裂1.2 1.2 添加碳纤维的混凝土材料的诊断添加碳纤维的混凝土材料的诊断u基本思想：利用碳纤维拉伸变形时电阻的变化检测混凝土结构内部的应力状态u方法一：将碳纤维和玻璃纤维组合形成的纤维束包裹在数脂中，形成复合材料的“扎”，埋入混凝土中，达到增强增韧的效果u方法二：碳纤维剪短5mm,直接加入混凝土，达到增强

6、增韧的效果1.3 1.3 利用线性电容的自诊断利用线性电容的自诊断 介电检介电检测测u基本思想：利用非电导材料的介电参数与应力应变关系进行自检测图8 交叠层合物受拉力时应力-应变曲线、电容-应变曲线、损耗-应变曲线2 2 自修补自愈合陶瓷材料自修补自愈合陶瓷材料u基本思想：材料和构件能够自动适应环境，在受到损伤时，自行愈合2.1 2.1 金属表面伤痕的愈合机理金属表面伤痕的愈合机理氧化膜氧化膜手茧的形成：在紧握铁柄手掌表面，形成裂纹龟裂，此时体内分泌胶质，填充龟裂，慢慢形成手茧。手工劳动越多，手茧越厚，保护手掌不易磨损金属铝：形成致密的氧化铝的保护膜，防止进一步氧化钢铁：当金属Cr含量达12%

7、时，表面生成氧化膜2.2 2.2 高温下陶瓷涂层自动成膜机制高温下陶瓷涂层自动成膜机制BN的形成：在高温真空器件使用的不锈钢加入少量B和N，B和N在高温、压力作用下向表层扩散，聚集在表层特点：很好的亲和性和相容性2.3 2.3 高温陶瓷的高温氧化自适应性高温陶瓷的高温氧化自适应性问题来源：陶瓷材料在高温下的破坏组分高温氧化和表面裂纹纵深发展的相互促进解决思路：加入某种物质能够在高温下自动“流入”裂纹并屏蔽内部组织与氧气的接触实践操作：铌在氮化硅表面的形成NbNb2O3NbO2Nb2O3的过渡层氧化物。此氧化物玻璃态，致密状覆盖在表面2.4 2.4 微波辐射使陶瓷材料内部裂纹愈合微波辐射使陶瓷材

8、料内部裂纹愈合u微波加热机理：电磁波导致材料内部的可极化物质（电子、离子、极化分子等）发生频繁反转或摩擦而发热 自愈合机制碳化物热膨胀系数较大，晶粒也较大，受力时材料内部的微细裂纹沿着碳化物晶粒扩展碳化物颗粒优先加热，温度高于周围基质氮化硅和晶界，促使碳化物颗粒向周围扩散并愈合周围的微细裂纹和空隙图9 微波辐射下陶瓷材料强度的自回复效果3 3 变色玻璃变色玻璃u类型：光致变色、电致变色、热致变色等u光致变色原理：在某些玻璃组成中添加了很细的AgCl微晶。当紫外线辐射时，离子Ag+还原成原子Ag。此时银原子团簇影响光的入射，产生深色效应；在没有紫外线照射时，Ag原子还原为Ag+,原子团簇解体，镜片褪色。 光致变色材料光致变色材料u有机化合物；uZn、Cd、Hg和Ag的一些无机化合物；u变色机理：这些材料的原子或分子有两种状