西安工业大学复合材料6

1、第六章第六章 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料Ceramic Matrix Composite (CMC) 6.1 6.1 概概 述述 陶器陶器：一般由黏土，在一般由黏土，在7001000烧烧成，结构疏松、有一定吸水率，不透明。成，结构疏松、有一定吸水率，不透明。瓷器瓷器；一般由高岭土，在；一般由高岭土，在12001400烧成，结构紧密、基本不吸水，烧成，结构紧密、基本不吸水，有一定透光性有一定透光性 传统陶瓷主要以天然矿物为原料传统陶瓷主要以天然矿物为原料 ，用于日用器皿、建筑、卫生制品，以及用于日用器皿、建筑、卫生制品，以及低压电瓷、耐腐蚀化学瓷等，但有同时低压电瓷、耐腐蚀化学瓷等，但有同时强

2、度低、耐热性和耐腐蚀性差等缺点。强度低、耐热性和耐腐蚀性差等缺点。传传统统陶陶瓷瓷半坡人面鱼纹盆半坡人面鱼纹盆 现代陶瓷现代陶瓷（又称（又称特种陶瓷特种陶瓷），是以微米、亚微米级的高纯），是以微米、亚微米级的高纯人工合成氧、碳、氮、硼、硅、硫等无机非金属化合物制成，人工合成氧、碳、氮、硼、硅、硫等无机非金属化合物制成，具有独特的力学、电学、磁学、光学、化学等性能，用于化具有独特的力学、电学、磁学、光学、化学等性能，用于化工、工、冶金、冶金、机械、电子、能源和一些新技术中。机械、电子、能源和一些新技术中。 但但其脆性大，耐热震性能差，而且陶瓷材料对裂纹、气孔其脆性大，耐热震性能差，而且陶瓷材料对

3、裂纹、气孔和夹杂等细微的缺陷很和夹杂等细微的缺陷很敏感，提高陶瓷韧性的主要途径：敏感，提高陶瓷韧性的主要途径： 提高陶瓷致密度，减少表面裂纹；提高陶瓷致密度，减少表面裂纹； 细化细化晶粒；晶粒； 加入具有增韧效果的成分，制成陶瓷加入具有增韧效果的成分，制成陶瓷基基复合材料。复合材料。6.2 6.2 陶瓷基复合材料的增韧陶瓷基复合材料的增韧6.2.16.2.1陶瓷基复合材料的断裂陶瓷基复合材料的断裂 纤维增强陶瓷复合材料的应力纤维增强陶瓷复合材料的应力应变曲线应变曲线应力强度因子应力强度因子aKYIbo - -曲线的第一个转折点表示基体产生裂纹的应力曲线的第一个转折点表示基体产生裂纹的应力0 0

4、； 当当0 0后曲线继续上升表示纤维桥联基体并使材料继续承后曲线继续上升表示纤维桥联基体并使材料继续承受载荷，即强韧化；受载荷，即强韧化； - -曲线的最高点表示与纤维断裂对应的应力曲线的最高点表示与纤维断裂对应的应力b； 随后的曲线下降表示纤维拔出直至复合材料断裂。随后的曲线下降表示纤维拔出直至复合材料断裂。6.2.26.2.2纤维陶瓷复合材料的增韧机制纤维陶瓷复合材料的增韧机制 纤维增强陶瓷复合材料的增韧机制包括：基体预压缩应力纤维增强陶瓷复合材料的增韧机制包括：基体预压缩应力、裂纹扩展受阻、纤维桥联、裂纹扩展受阻、纤维桥联、纤维拔出、纤维拔出、裂纹偏转、相变增韧裂纹偏转、相变增韧和微裂纹

5、增韧和微裂纹增韧。(1)(1)基体预压缩应力基体预压缩应力 当纤维的轴向热膨胀系数高于基体的热当纤维的轴向热膨胀系数高于基体的热膨胀系数膨胀系数( (f f m m) )时，复合材料由制备高温冷却至室温（或使时，复合材料由制备高温冷却至室温（或使用温度）后，基体会产生与纤维轴向平行的压缩内应力。用温度）后，基体会产生与纤维轴向平行的压缩内应力。 当复合材料承受纵向拉伸载荷时，此残余应力可以抵消一当复合材料承受纵向拉伸载荷时，此残余应力可以抵消一部分外加应力而延迟基体开裂。部分外加应力而延迟基体开裂。 (2)(2)裂纹扩展受阻裂纹扩展受阻 当纤维的断裂韧性比基体本身的断裂韧性当纤维的断裂韧性比基

6、体本身的断裂韧性大时，基体裂纹垂直于界面扩展至纤维，裂纹可以被纤维阻止大时，基体裂纹垂直于界面扩展至纤维，裂纹可以被纤维阻止甚至闭合。因为纤维受到的残余应力为拉应力，具有收缩趋势甚至闭合。因为纤维受到的残余应力为拉应力，具有收缩趋势，所以可使基体裂纹压缩并闭合，阻止了裂纹扩展。，所以可使基体裂纹压缩并闭合，阻止了裂纹扩展。 (3)(3)纤维桥联纤维桥联 在基体开裂后，纤维承受外加载荷，并在基在基体开裂后，纤维承受外加载荷，并在基体的裂纹面之间架纤维对基体产生使裂纹闭合的力，消耗体的裂纹面之间架纤维对基体产生使裂纹闭合的力，消耗外加载荷做功，从而增大材料的韧性。外加载荷做功，从而增大材料的韧性。

7、(a) (b) (c) (d) (f)陶瓷基复合材料中的裂纹偏转陶瓷基复合材料中的裂纹偏转(4)(4)裂纹偏转裂纹偏转 裂纹沿着结合较弱的纤维裂纹沿着结合较弱的纤维/ /基体界面弯折，基体界面弯折，偏离原来的扩展方向，即偏离与界面相垂直的方向，因而偏离原来的扩展方向，即偏离与界面相垂直的方向，因而使断裂路径增加。裂纹可以沿着界面偏转，或者虽然仍按使断裂路径增加。裂纹可以沿着界面偏转，或者虽然仍按原来方向扩展，但在越过纤维时产生了沿界面方向的分叉。原来方向扩展，但在越过纤维时产生了沿界面方向的分叉。(5)(5)纤维拔出纤维拔出 具有较高断裂韧性的纤维，当基体裂纹扩展至具有较高断裂韧性的纤维，当基

8、体裂纹扩展至纤维时，应力集中导致结合较弱的纤维与基体之间的界面解纤维时，应力集中导致结合较弱的纤维与基体之间的界面解离，在进一步应变时，将导致纤维在弱点处断裂，随后纤维离，在进一步应变时，将导致纤维在弱点处断裂，随后纤维的断头从基体中拔出。的断头从基体中拔出。(6)(6)相变增韧相变增韧 基体中裂纹尖基体中裂纹尖端的应力埸引起裂纹尖端附端的应力埸引起裂纹尖端附近的基体发生相变，亦称应近的基体发生相变，亦称应力诱导相变。当相变造成局力诱导相变。当相变造成局部基体的体积膨胀时，它会部基体的体积膨胀时，它会挤压裂纹使之闭合。四方氧挤压裂纹使之闭合。四方氧化锆化锆(t-ZrO2)(t-ZrO2)多晶体多晶体( (简记为简记为TZP)TZP)在应力诱导下相变为单在应力诱导下相变为单斜相氧化锆斜相氧化锆(t-ZrO2m-(t-ZrO2m-ZrO2)ZrO2)时，发生体积膨胀，从时，发生体积膨胀，从而产生增韧效果。而产生增韧效果。相变增韧相变增韧。(7)(7)微裂纹增韧机制微裂纹增韧机制 在基体中有随机分布的微裂纹或微裂纹区在基体中有随机分布的微裂纹或微裂纹区，使主裂纹遇到微裂纹或进入微裂纹区后，分化为一系列小裂，使主裂纹遇到微裂纹或进入微裂纹区后，分化为一系列小裂纹，形成许多新的断裂表面，从而吸收能量。这种微裂纹增韧纹，形成许多新的断裂表面，从而