提高无机材料强及改善韧性的途径学习教案

1、会计学1提高无机材料强及改善提高无机材料强及改善(gishn)韧性的途韧性的途径径第一页，共22页。2.提高抗裂能力与预加应力提高抗裂能力与预加应力3.人为地预加应力，在材料表面造成一层压应力层，可以提高材料的抗人为地预加应力，在材料表面造成一层压应力层，可以提高材料的抗拉强度。拉强度。4.脆性断裂通常是在拉应力作用下，自表面开始断裂。如果在表面预加脆性断裂通常是在拉应力作用下，自表面开始断裂。如果在表面预加一层压应力，表面受到拉伸破坏一层压应力，表面受到拉伸破坏(phui)之前首先要克服表面上的残余之前首先要克服表面上的残余压应力。压应力。5.通过加热、冷却，在表面层中引入残余压应力的过程叫

2、做热韧化。通过加热、冷却，在表面层中引入残余压应力的过程叫做热韧化。（钢化玻璃（钢化玻璃 及氧化铝及氧化铝 P93-94）第2页/共22页第二页，共22页。3.化学强化化学强化4.当热韧化无法达到更高的表面残余应力当热韧化无法达到更高的表面残余应力(yngl)时，采用化学强时，采用化学强化，即离子交换的办法。化，即离子交换的办法。5.通过改变表面化学组成，使表面的摩尔体积比内部大。由于表通过改变表面化学组成，使表面的摩尔体积比内部大。由于表面体积膨大而受到内部材料的限制，产生两向状态的压应力面体积膨大而受到内部材料的限制，产生两向状态的压应力(yngl)。（通常是用一种大的离子置换小的离子，压

3、力层厚度。（通常是用一种大的离子置换小的离子，压力层厚度在数百微米内在数百微米内 ）6.将表面抛光及化学处理以消除表面缺陷也能提高强度。将表面抛光及化学处理以消除表面缺陷也能提高强度。第3页/共22页第三页，共22页。4. 相变增韧相变增韧利用多晶多相陶瓷中某些成分利用多晶多相陶瓷中某些成分(chng fn)在不同温度的相变，在不同温度的相变，从而增韧的效果，统称为相变增韧。从而增韧的效果，统称为相变增韧。 （ZrO2 P95）在基体中，四方在基体中，四方ZrO2是高温稳定相，单斜是高温稳定相，单斜ZrO2是低温稳定是低温稳定相。在低于相变温度的条件下，由于受到基体约束力的抑制，相。在低于相变

4、温度的条件下，由于受到基体约束力的抑制，未转化的四方未转化的四方ZrO2相保持其介稳状态；当基体的约束力在相保持其介稳状态；当基体的约束力在外力作用下减弱或消失，粒子从高能态转化为低能态的单斜外力作用下减弱或消失，粒子从高能态转化为低能态的单斜相（发生相变），并在基体中引起微裂纹，吸收主裂纹扩展相（发生相变），并在基体中引起微裂纹，吸收主裂纹扩展的能量。的能量。第4页/共22页第四页，共22页。5. 弥散弥散(msn)增韧增韧在基体中加入在基体中加入 (或原位生成或原位生成) 具有一定颗粒尺寸的微细粉料，达具有一定颗粒尺寸的微细粉料，达到增韧的效果，称为弥散到增韧的效果，称为弥散(msn)增韧

5、。增韧。添加的粉末可以是金属粉末和陶瓷粉末。前者利用其塑性变形来添加的粉末可以是金属粉末和陶瓷粉末。前者利用其塑性变形来吸收弹性应变能的释放，增加了断裂表面能，改善了韧性。后者吸收弹性应变能的释放，增加了断裂表面能，改善了韧性。后者多存在于基体的晶界中，以高弹性模量和高温强度增加复合材料多存在于基体的晶界中，以高弹性模量和高温强度增加复合材料的断裂表面能，特别是高温断裂韧性。的断裂表面能，特别是高温断裂韧性。第5页/共22页第五页，共22页。第6页/共22页第六页，共22页。 不同(b tn)Si含量试样的断口SEM照片 (a) Pure B4C；(b) B4C-4wt.%Si；(c) B4C

6、-8wt.%Si；(d) B4C-12wt.%Si第7页/共22页第七页，共22页。 B4C基复合材料(f h ci lio)的裂纹扩展 (a, b) Pure B4C；(c, d) B4C-8wt.%Si第8页/共22页第八页，共22页。6. 纤维增韧纤维增韧在陶瓷中加入高弹性模量的纤维（或晶须、纳米管等具有较高长径在陶瓷中加入高弹性模量的纤维（或晶须、纳米管等具有较高长径比的一维材料），受力时，由于纤维的强度及弹性模量高，大部分比的一维材料），受力时，由于纤维的强度及弹性模量高，大部分应力由纤维承受，减轻应力由纤维承受，减轻(jinqng)了陶瓷基体的负担，而且，纤维还了陶瓷基体的负担，而

7、且，纤维还可以阻止裂纹扩展。可以阻止裂纹扩展。如用碳纤维增强石英玻璃，抗弯强度为纯石英玻璃的如用碳纤维增强石英玻璃，抗弯强度为纯石英玻璃的12倍，断裂功倍，断裂功提高提高2-3个数量级。个数量级。第9页/共22页第九页，共22页。纤维的强化作用取决于纤维与基体的性质、二者的结合强度纤维的强化作用取决于纤维与基体的性质、二者的结合强度(qingd)以及纤维在基体中的排列方式等。以及纤维在基体中的排列方式等。1) 应选择强度应选择强度(qingd)及弹性模量比基体高的纤维，使纤维及弹性模量比基体高的纤维，使纤维尽可能多地承担外加负荷。（受力时，应变相同时，应力之尽可能多地承担外加负荷。（受力时，应

8、变相同时，应力之比等于弹性模量之比）。比等于弹性模量之比）。2) 二者结合强度二者结合强度(qingd)适当。（适当。（P96）3) 应力作用的方向应与纤维平行，才能发挥纤维的作用。应力作用的方向应与纤维平行，才能发挥纤维的作用。第10页/共22页第十页，共22页。4) 二者的热膨胀系数要匹配。最好是纤维的热膨胀系数略大于二者的热膨胀系数要匹配。最好是纤维的热膨胀系数略大于基体。（复合材料烧结、冷却后纤维受拉，基体受压，起到预基体。（复合材料烧结、冷却后纤维受拉，基体受压，起到预加应力的作用）加应力的作用）5) 要考虑高温时的化学相容性。不能在高温下发生降低要考虑高温时的化学相容性。不能在高温

9、下发生降低(jingd)纤维性能的化学反应。纤维性能的化学反应。第11页/共22页第十一页，共22页。碳纳米管碳纳米管 (CNTs) 被认为是石墨烯片被认为是石墨烯片 (石墨的六角网格石墨的六角网格(wn )平面平面) 卷曲形成的中空碳笼管，而石墨烯片的碳卷曲形成的中空碳笼管，而石墨烯片的碳-碳碳sp2杂化共价键是自然杂化共价键是自然界中最强的化学键之一，因此具有很高的强度和韧性。界中最强的化学键之一，因此具有很高的强度和韧性。第12页/共22页第十二页，共22页。第13页/共22页第十三页，共22页。第14页/共22页第十四页，共22页。碳纳米管电池 寿命(shumng)提高10倍第15页/

10、共22页第十五页，共22页。实验测得实验测得MWNTs的杨氏弹性模量平均为的杨氏弹性模量平均为1.8 TPa，弯曲强度为，弯曲强度为14.2 GPa，抗拉强度约为钢的，抗拉强度约为钢的100倍，而密度却只有倍，而密度却只有(zhyu)钢的钢的1/71/6。CNTs可以承受可以承受100万个大气压的压力而不破裂，可能是目前比强度万个大气压的压力而不破裂，可能是目前比强度和比刚度最高的材料，极有可能取代目前亚微米级晶须增韧材料、和比刚度最高的材料，极有可能取代目前亚微米级晶须增韧材料、纤维增强体材料而成为超强材料。另外，纤维增强体材料而成为超强材料。另外，CNTs具有非常优异的电、具有非常优异的电、热性能及力学性能，已被广泛用作聚合物、金属、陶瓷等基体材料热性能及力学性能，已被广泛用作聚合物、金属、陶瓷等基体材料的改性及增强剂。的改性及增强剂。第16页/共22页第十六页，共22页。表面修饰剂PVP对未经硝酸处理MWCNTs形貌的影响(a) 原始(yunsh)MWCNTs；(b) 加入分散剂第17页/共22页第十七页，共22页。B4C-Si体系添加不同含量MWCNTs试样的断口(dunku)SEM照片 0 wt.% MWCNTs； (b) 1 wt.% MWCNTs；(c)