陶瓷基復(fù)合材料1

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1、,,,,,,,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級(jí),,第三級(jí),,第四級(jí),,第五級(jí),,,*,,Chapter 6,陶瓷基復(fù)合材料,,,(Ceramic-Matrix Composites),,,CMC,無(wú)機(jī)非金屬材料概論,C.6,復(fù)合材料,,無(wú)機(jī)非金屬材料概論,C.6,復(fù)合材料,聚合物、金屬、陶瓷的工作溫度極限,,,,O,ne relatively complex composite material is the,modern ski,. In this illustration, a cross-section of a high-performance,snow

2、ski,, are shown the various components. The function of each component is noted, as well as the material that is used in its construction.,,無(wú)機(jī)非金屬材料概論,C.6,復(fù)合材料,,無(wú)機(jī)非金屬材料概論,C.6,復(fù)合材料,§6.1,,概 述,,,1.,何謂復(fù)合材料？,,是由有機(jī)高分子、無(wú)機(jī)非金屬或金屬等不同材料,,通過(guò)復(fù)合工藝組合而成的。,,,復(fù)合材料是多相材料。它主要包括基體相和增強(qiáng)相。,,2.,基體相的作用：,,基體相是一種連續(xù)相材料，它把增強(qiáng)相材料固結(jié)成

3、一體，,,并起著傳遞應(yīng)力的作用；,,,,3.,增強(qiáng)相的作用：,,增強(qiáng)相起承受應(yīng)力,(,結(jié)構(gòu)復(fù)合材料,),和顯示功能,,(,功能復(fù)合材料,),的作用。,,,無(wú)機(jī)非金屬材料概論,C.6,復(fù)合材料,4.,為何要使用復(fù)合材料？,,與一般材料的簡(jiǎn)單混合有本質(zhì)的區(qū)別，合理的材料設(shè)計(jì)，可使復(fù)合材料既能保持原組成材料的重要特色，,,又通過(guò)復(fù)合效應(yīng)使各組分的性能互相補(bǔ)充，獲得原組分不具備的許多優(yōu)良性能。,,,,例如，金屬與陶瓷各有特點(diǎn)，金屬及其合金的熱穩(wěn)定性好，延展性和韌性好，但在高溫下易氧化和蠕變，高溫強(qiáng)度低，抗腐蝕能力差；陶瓷耐火度高，耐腐蝕性強(qiáng)，抗氧化，但脆性大，熱穩(wěn)定性不好。,,,,金屬陶瓷就是把二者結(jié)

4、合成整體，集二者之優(yōu)點(diǎn)，使之具有高硬度、高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損和膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)，用以制作工具材料、結(jié)構(gòu)材料、耐熱耐腐蝕材料。,,無(wú)機(jī)非金屬材料概論,C.6,復(fù)合材料,5.,復(fù)合材料的種類：,,,,復(fù)合材料的種類繁多，分類方法亦不統(tǒng)一。,,,,按性能分類：,,結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、功能復(fù)合材料,,,,a.,結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是作為承力結(jié)構(gòu)使用的材料，,,基本上由能承受荷載的增強(qiáng)相與能連接增強(qiáng)體,,成為整體材料同時(shí)又起傳遞力作用的基體組元構(gòu)成。,,無(wú)機(jī)非金屬材料概論,C.6,復(fù)合材料,增強(qiáng)相包括各種玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金屬以及天然纖維、織物、晶須、片材和顆粒等，基體相則有高聚物,(,樹(shù)脂,),、

5、金屬、陶瓷、玻璃、碳和水泥等。,,結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的特點(diǎn)：可根據(jù)材料在使用中受力的要求進(jìn)行組元選材設(shè)計(jì)，更重要的是還可進(jìn)行復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即增強(qiáng)相排布設(shè)計(jì)，能合理地滿足特殊要求并節(jié)約用材。,,,,,b.,功能復(fù)合材料：具有某種特殊的物理或化學(xué)特性，,,可根據(jù)其功能來(lái)分類，如導(dǎo)電、磁性、阻尼、摩擦、換能等。,,功能復(fù)合材料一般由功能體組元,(,增強(qiáng)相,),和基體組元,(,基體相,),組成，基體相不僅起到構(gòu)成整體的作用，而且能產(chǎn)生協(xié)同或加強(qiáng)功能的作用。,,無(wú)機(jī)非金屬材料概論,C.6,復(fù)合材料,按制造成本和性能高低分類：,,復(fù)合材料還可分為常用和先進(jìn)兩類。,,常用復(fù)合材料,如玻璃鋼便是用玻璃纖維等性能較低

6、的增強(qiáng)相與普通高聚物,(,樹(shù)脂,),構(gòu)成 。,,價(jià)格低廉，得以大量發(fā)展，廣泛用于船舶、車輛、化工管道和貯罐、建筑結(jié)構(gòu)、體育用品等，可代替鋼材。,,,,先進(jìn)復(fù)合材料：,,高性能增強(qiáng)相,(,如碳纖維、芳綸等,),與高性能耐熱高聚物構(gòu)成的復(fù)合材料，后來(lái)又把金屬基、陶瓷基和碳,(,石墨,),基以及功能復(fù)合材料包括在內(nèi)。,,無(wú)機(jī)非金屬材料概論,C.6,復(fù)合材料,它們的性能優(yōu)良，但價(jià)格相對(duì)較高，主要用于國(guó)防工業(yè)、航空航天、精密機(jī)械、深潛器、機(jī)器人結(jié)構(gòu)件和高檔體育用品等。,,按基體相的材料種類分類，,,分為金屬基復(fù)合材料，,,陶瓷基復(fù)合材料，,,水泥基復(fù)合材料，,,塑料基復(fù)合材料，,,橡膠基復(fù)合材料等。,,

7、無(wú)機(jī)非金屬材料概論,C.6,復(fù)合材料,FIGURE 15.2,A classification scheme for the various composite types discussed in this chapter.,,無(wú)機(jī)非金屬材料概論,C.6,復(fù)合材料,Types of composite based on the form of reinforcement,,無(wú)機(jī)非金屬材料概論,C.6,復(fù)合材料,Schematic illustration of principle of composite microstructures,,無(wú)機(jī)非金屬材料概論,C.6,復(fù)合材料,FIGURE

8、15.8,,Schematic representations of (,a,),,continuous and aligned, (,b,),discontinous,and,,aligned, and (c) discontinuous and randomly oriented,fiberreinforced,composites.,,無(wú)機(jī)非金屬材料概論,C.6,復(fù)合材料,,無(wú)機(jī)非金屬材料概論,C.6,復(fù)合材料,,無(wú)機(jī)非金屬材料概論,C.6,復(fù)合材料,,無(wú)機(jī)非金屬材料概論,C.6,復(fù)合材料,FIGURE 15.11,,Schematic demonstration of,,transfo

9、rmation toughening.,,(,a,) A crack prior to inducement of,,the ZrO2 particle phase transformation. (,b,) Crack arrestment due to the stress-induced phase transformation.,,,一、陶瓷基復(fù)合材料概述,,特種陶瓷具有優(yōu)秀的力學(xué)性能、耐磨性好、硬度高及耐腐蝕性好等特點(diǎn)，但其脆性大，耐熱震性能差，而且陶瓷材料對(duì)裂紋、氣孔和夾雜等細(xì)微的缺陷很敏感。,,陶瓷基復(fù)合材料使材料的韌性大大改善，同時(shí)其強(qiáng)度、模量有了提高。,圖,,1,陶瓷基復(fù)合材

10、料的力,–,位移曲線,,,一、陶瓷基復(fù)合材料概述,,顆粒,增韌陶瓷基復(fù)合材料的彈性模量和強(qiáng)度均較整體陶瓷材料提高，但力,–,位移曲線形狀不發(fā)生變化；,,而,纖維,陶瓷基復(fù)合材料不僅使其彈性模量和強(qiáng)度大大提高，而且還改變了力,–,位移曲線的形狀。,纖維,陶瓷基復(fù)合材料在斷裂前吸收了大量的斷裂能量，使韌性得以大幅度提高。,圖,10 – 1,陶瓷基復(fù)合材料的力,–,位移曲線,,,表,1,不同金屬、陶瓷基體和陶瓷基復(fù)合材料的斷裂韌性比較,,材 料,整體陶瓷,,顆 粒 增 韌,,相 變 增 韌,,,,Al,B,2,B,O,B,3,B,SiC,Al,B,2,B,O,B,3,B,/TiC,S

11、i,B,3,B,N,B,4,B,/TiC,ZrO,B,2,B,/MgO,ZrO,B,2,B,/Y,B,2,B,O,B,3,B,ZrO,B,2,B,/ Al,B,2,B,O,3,B,斷裂韌性,,MPa/m,P,1/2,P,2.7~4.2,4.5~,,6.0,4.2~4.5,4. 5,9~12,6 ~ 9,6.5~15,裂紋尺寸,,大小,,,?,m,1.3~36,41~74,36~41,41,165~ 292,74~165,86~459,,材 料,晶須增韌,纖 維 增 韌,,,,,SiC/Al,2,O,3,SiC,/,硼硅玻璃,SiC,/,鋰鋁硅玻璃,鋁,鋼,斷裂韌性,,MPa/m,P,

12、1/2,P,8 ~10,15~25,15~25,33~44,44~66,裂紋尺寸,,大小,,,?,m,131~204,,,,,表,1,不同金屬、陶瓷基體和陶瓷基復(fù)合材料的斷裂韌性比較,,,二、陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝,,1,、粉末冶金法,,原料（陶瓷粉末、增強(qiáng)劑、粘結(jié)劑和助燒劑）,?,均勻混合（球磨、超聲等）,?,冷壓成形,?,（熱壓）燒結(jié)。,,關(guān)鍵是均勻混合和燒結(jié)過(guò)程防止體積收縮而產(chǎn)生裂紋。,,二、陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝,,2,、漿體法（濕態(tài)法）,,混合體中各組元保持散凝狀，即在漿體中呈彌散分布。這可通過(guò)調(diào)整水溶液的,pH,值來(lái)實(shí)現(xiàn)。,,對(duì)漿體進(jìn)行超聲波震動(dòng)攪拌則可進(jìn)一步改善彌散性。彌散的

13、漿體可直接澆鑄成型或熱（冷）壓后燒結(jié)成型。適用于顆粒、晶須和短纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。,圖,10 – 2,漿體法制備,,陶瓷基復(fù)合材料示意圖,,3,、反應(yīng)燒結(jié)法（圖,10-3,）,,用此方法制備陶瓷基復(fù)合材料，除基體材料幾乎無(wú)收縮外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：,,增強(qiáng)劑的體積比可以相當(dāng)大；,,可用多種連續(xù)纖維預(yù)制體；,,大多數(shù)陶瓷基復(fù)合材料的反應(yīng)燒結(jié)溫度低于陶瓷的燒結(jié)溫度，因此可避免纖維的損傷。,,此方法最大的缺點(diǎn)是高氣孔率難以避免。,圖,10 –3,反應(yīng)燒結(jié)法制備,SiC/Si3N4,,基復(fù)合材料工藝流程,,4,、液態(tài)浸漬法（圖,10- 4,）,用此方法制備陶瓷基復(fù)合材料，化學(xué)反應(yīng)、熔體粘度、熔體對(duì)增

14、強(qiáng)材料的浸潤(rùn)性是首要考慮的問(wèn)題，這些因素直接影響著材料的性能。,,陶瓷熔體可通過(guò)毛細(xì)作用滲入增強(qiáng)劑預(yù)制體的孔隙 。施加壓力或抽真空將有利于浸漬過(guò)程。,圖,10-4,液態(tài)浸漬法制備陶瓷基復(fù)合材料示意圖,,5,、直接氧化法,,按部件形狀制備增強(qiáng)體預(yù)制體，將隔板放在其表面上以阻止基體材料的生長(zhǎng)。,,熔化的金屬在氧氣的作用下發(fā)生直接氧化反應(yīng)形成所需的反應(yīng)產(chǎn)物。,,由于在氧化產(chǎn)物中的空隙管道的液吸作用 ，熔化金屬會(huì)連續(xù)不斷地供給到生長(zhǎng)前沿。,,,Al +,空氣,?,,Al,2,O,3,,Al +,氮?dú)??,,AlN,,圖,10-5,直接氧化法制備陶瓷基復(fù)合材料示意圖,,6,、溶膠,–,凝膠（,Sol –

15、 Gel,）法,,溶膠（,Sol,）是由于化學(xué)反應(yīng)沉積而產(chǎn)生的微小顆粒（直徑,?,100nm,）的懸浮液；凝膠（,Gel,）是水分減少的溶膠，即比溶膠粘度大的膠體。,,,Sol – Gel,法 是指金屬有機(jī)或無(wú)機(jī)化合物經(jīng)溶液、溶膠、凝膠等過(guò)程而固化，再經(jīng)熱處理生成氧化物或其它化合物固體的方法。該方法可控制材料的微觀結(jié)構(gòu)，使均勻性達(dá)到微米、納米甚至分子量級(jí)水平。,,,Sol – Gel,法制備,SiO,2,陶瓷原理如下：,,,Si(OR),4,+ 4H,2,O,?,Si(OH),4,+ 4ROH,,Si(OH),4,,?,SiO,2,+ 2H,2,O,,圖,10 - 6,溶膠,–,凝膠法制備陶

16、瓷基復(fù)合材料示意圖,,6,、溶膠,–,凝膠（,Sol – Gel,）法,溶膠,–,凝膠法也可以采用漿體浸漬法制備增強(qiáng)相預(yù)制體。,,溶膠,–,凝膠法的優(yōu)點(diǎn)是基體成分容易控制，復(fù)合材料的均勻性好，加工溫度較低。,,其缺點(diǎn)是所制的復(fù)合材料收縮率大，導(dǎo)致基體經(jīng)常發(fā)生開(kāi)裂。,圖,10-7,溶膠,–,凝膠法制備,,纖維陶瓷基復(fù)合材料示意圖,,7,、化學(xué)氣相浸漬（,CVI,）法,用,CVI,法可制備硅化物、碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等陶瓷基復(fù)合材料。由于制備溫度比較低，不需外加壓力。因此材料內(nèi)部殘余應(yīng)力小，纖維幾乎不受損傷。,,如可在,800~1200,?,C,制備,SiC,陶瓷。,,其缺點(diǎn)是生長(zhǎng)周期長(zhǎng)

17、、效率低、成本高、材料的致密度低等。,圖,10 - 8 ICVI,法制備纖維陶瓷基復(fù)合材料示意圖,,三、陶瓷基復(fù)合材料的界面和界面設(shè)計(jì),,1,、界面的粘結(jié)形式,,（,1,）機(jī)械結(jié)合,,（,2,）化學(xué)結(jié)合,,陶瓷基復(fù)合材料往往在高溫下制備，由于增強(qiáng)體與基體的原子擴(kuò)散，在界面上更易形成固溶體和化合物。此時(shí)其界面是具有一定厚度的反應(yīng)區(qū)，它與基體和增強(qiáng)體都能較好的結(jié)合，但通常是脆性的。,,若增強(qiáng)體與基體在高溫時(shí)不發(fā)生反應(yīng)，那么在冷卻下來(lái)時(shí)，陶瓷的收縮大于增強(qiáng)體，由此產(chǎn)生的徑向壓應(yīng)力,?,與界面剪切應(yīng)力,?,?,有關(guān)：,?,,=,?,,?,?,,，,?,為摩擦系數(shù)，一般取,0.1~0.6,。,,2

18、,、界面的作用,陶瓷基復(fù)合材料的界面一方面應(yīng),強(qiáng),到足以傳遞軸向載荷并具有高的橫向強(qiáng)度；另一方面要,弱,到足以沿界面發(fā)生橫向裂紋及裂紋偏轉(zhuǎn)直到纖維的拔出。因此，陶瓷基復(fù)合材料界面要有一個(gè)最佳的界面強(qiáng)度。,,強(qiáng),的界面粘結(jié)往往導(dǎo)致脆性破壞，裂紋在復(fù)合材料的任一部位形成并迅速擴(kuò)展至復(fù)合材料的橫截面，導(dǎo)致平面斷裂。這是由于纖維的彈性模量不是大大高于基體，因此在斷裂過(guò)程中，強(qiáng)界面結(jié)合不產(chǎn)生額外的能量消耗。,圖,10 - 10,陶瓷基復(fù)合材料界面示意圖,,2,、界面的作用,若界面結(jié)合較,弱,，當(dāng)基體中的裂紋擴(kuò)展至纖維時(shí)，將導(dǎo)致界面脫粘，發(fā)生裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋搭橋、纖維斷裂以至于最后纖維拔出。所有這些過(guò)程都要

19、吸收能量，從而提高復(fù)合材料的斷裂韌性（圖,10-10,）。,圖,10 - 10,陶瓷基復(fù)合材料界面示意圖,,3,、界面性能的改善,為了獲得最佳界面結(jié)合強(qiáng)度，希望避免界面化學(xué)反應(yīng)或盡量降低界面的化學(xué)反應(yīng)程度和范圍。,,實(shí)際當(dāng)中除選擇增強(qiáng)劑和基體在制備和材料服役期間能形成熱動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的界面外，就是纖維表面涂層處理。包括,C,、,SiC,、,BN,、,ZrO,2,,和,SnO,2,等。,,纖維表面涂層處理對(duì)纖維還可起到保護(hù)作用。纖維表面雙層涂層處理是最常用的方法。其中里面的涂層以達(dá)到鍵接及滑移的要求，而外部涂層在較高溫度下防止纖維機(jī)械性能降解。,,四、陶瓷基復(fù)合材料的性能,1,、室溫力學(xué)性能,,1,

20、）拉伸強(qiáng)度和彈性模量,,對(duì)陶瓷基復(fù)合材料來(lái)說(shuō)陶瓷基體的失效應(yīng)變低于纖維的失效應(yīng)變，因此最初的失效往往是基體中晶體缺陷引起的開(kāi)裂。材料的拉伸失效有兩種：,,第一：突然失效。如纖維強(qiáng)度較低，界面結(jié)合強(qiáng)度高，基體較裂紋穿過(guò)纖維擴(kuò)展，導(dǎo)致突然失效。,,第二：如果纖維較強(qiáng)，界面結(jié)合較弱，基體裂紋沿著纖維擴(kuò)展。纖維失效前纖維,/,基體界面在基體的裂紋尖端和尾部脫粘。,圖,10-11,纖維陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)力,-,應(yīng)變曲線示意圖,,2,）斷裂韌性,纖維拔出與裂紋偏轉(zhuǎn)是復(fù)合材料韌性提高的主要機(jī)制。纖維含量增加，阻止裂紋擴(kuò)展的勢(shì)壘增加，斷裂韌性增加。但當(dāng)纖維含量超過(guò)一定量時(shí)，纖維局部分布不均，相對(duì)密度降低，氣孔率

21、增加，其抗彎強(qiáng)度反而降低（圖,10-12,）。,圖,10-12 C,F,/ LAS,的斷裂韌性和彎曲強(qiáng)度隨纖維含量的變化,,2,、高溫力學(xué)性能,1,）強(qiáng)度,室溫下，復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度比基體材料高約,10,倍，彈性模量提高約,2,倍。復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度至,700℃,保持不變，然后強(qiáng)度隨溫度升高而急劇增加；但彈性模量卻隨著溫度升高從室溫的,137GPa,降到,850℃,的,80,GPa,。,,1,）強(qiáng)度,隨溫度升高，基體陶瓷的斷裂韌性呈下降趨勢(shì)，而復(fù)合材料的,K,IC,卻保持不變；在大于,1000℃,之后，,K,IC,呈上升趨勢(shì)。,,SiC,W,的加入增加了韌性及斷裂功被歸功于裂紋橋聯(lián)和纖維

22、拔出增韌機(jī)制。,,,2,）蠕變,對(duì)單晶陶瓷，通常發(fā)生純位錯(cuò)蠕變；對(duì)多晶陶瓷則晶界滑移，晶粒及晶界上空位運(yùn)動(dòng)和位錯(cuò)機(jī)制控制蠕變過(guò)程。大多數(shù)陶瓷纖維并不大幅度地改善抗蠕變性能，因?yàn)樵S多纖維的蠕變速率比對(duì)應(yīng)的陶瓷的蠕變速率要大得多。,圖,10-23,SiC,顆粒,/ZTP,陶瓷的高溫蠕變性能,,3,）熱沖擊性（熱震性）,大多數(shù)陶瓷在經(jīng)受劇烈的冷熱變化時(shí)，容易發(fā)生開(kāi)裂而破壞。陶瓷基復(fù)合材料改善了材料的抗熱震性。,,在,Al,2,O,3,中加入,20Vol%,的,SiC,晶須后，不僅強(qiáng)度提高了一倍，而且抗熱震性得到明顯提高。,,在鋯剛玉莫來(lái)石中加入,10-30,Vol,%,的,BN,顆粒后，使臨界熱震性

23、溫度從,400℃,提高到,700℃,。,,五、增韌機(jī)理,,1\,顆粒增韌,,（,1,）非相變第二相顆粒增韌,,,1,）微裂紋增韌,,影響第二相顆粒增韌效果的主要因素是基體與第二相顆粒的彈性模量、熱膨脹系數(shù)以及兩相的化學(xué)相容性。其中化學(xué)相容性是復(fù)合的前提。兩相間不能有過(guò)度的化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)保證具有合適的界面結(jié)合強(qiáng)度。彈性模量只在材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生微觀應(yīng)力再分布效應(yīng)；熱膨脹系數(shù)失配在第二相顆粒及周圍基體內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力場(chǎng)是陶瓷得到增韌的主要根源。,圖,10-24,,,2,）裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋橋聯(lián)增韌,,裂紋偏轉(zhuǎn)是一種裂紋尖端效應(yīng)，是指裂紋擴(kuò)展過(guò)程中當(dāng)裂紋遇上偏轉(zhuǎn)元（如增強(qiáng)相、界面等）時(shí)所發(fā)生的傾斜和偏

24、轉(zhuǎn)。 裂紋橋聯(lián)是一種裂紋尾部效應(yīng)。它發(fā)生在裂紋尖端，靠橋聯(lián)元（劑）連接裂紋的兩個(gè)表面并提供一個(gè)使裂紋面相互靠近的應(yīng)力，即閉合應(yīng)力，這樣導(dǎo)致強(qiáng)度因子隨裂紋擴(kuò)展而增加。裂紋橋聯(lián)可能穿晶破壞，也有可能出現(xiàn)互鎖現(xiàn)象，即裂紋繞過(guò)橋聯(lián)元沿晶發(fā)展（裂紋偏轉(zhuǎn)）并形成摩擦橋（圖,10-26,）。裂紋橋聯(lián)增韌值與橋聯(lián)元（劑）粒徑的平方根成正比。,,圖,10-26,裂紋偏轉(zhuǎn)機(jī)理,,（,2,）延性顆粒增韌,,在脆性陶瓷基體中加入第二相延性顆粒能明顯提高材料的斷裂韌性。其增韌機(jī)理包括由于裂紋尖端形成的塑性變形區(qū)導(dǎo)致裂紋尖端屏蔽以及由延性顆粒形成的延性裂紋橋。當(dāng)基體與延性顆粒的,?,和,E,值相等時(shí)，利用延性裂紋橋可達(dá)

25、最佳增韌效果。但當(dāng),?,和,E,值相差足夠大時(shí)，裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)繞過(guò)金屬顆粒，增韌效果較差。,,（,3,）納米顆粒增強(qiáng)增韌,,,將納米顆粒加入到陶瓷中時(shí)，材料的強(qiáng)度和韌性大大改善。增強(qiáng)顆粒與基體顆粒的尺寸匹配與殘余應(yīng)力是納米復(fù)合材料中的重要增強(qiáng)、增韌機(jī)理。,,,（,4,）相變?cè)鲰g,,,當(dāng)將氧化鋯顆粒加入其它陶瓷基體中時(shí)，氧化鋯的相變使陶瓷的韌性增加。,,單斜相,(m) ZrO,2,，,,,1170,?,C,?,,四方相,(t ) ZrO,2,；,,,2370,?,C,?,,立方相,ZrO,2,。,,,t-m,轉(zhuǎn)變具有馬氏體的特征，伴隨有,3-5%,的體積膨脹。這一相變溫度正處在室溫與燒結(jié)溫度之間，

26、對(duì)材料的韌性和強(qiáng)度有很大影響。,ZrO,2,發(fā)生,t-m,相變時(shí)體積膨脹，使基體產(chǎn)生微裂紋，增加了材料的韌性，但使強(qiáng)度有所下降 （圖,10-27,）。,圖,10 – 27 ZTA,性能隨,ZrO2,體積含量的變化,,（,4,）相變?cè)鲰g,,如在,ZTA,（,ZrO,2,/ Al,2,O,3,）中加入某些穩(wěn)定氧化物（如,Y,2,O,3,等），則會(huì)抑制,ZrO,2,的,t-m,相變。當(dāng)從制備溫度冷卻下來(lái)時(shí)，通過(guò)控制晶粒尺寸，可以制備出全部為四方相,(t) ZrO,2,組成的氧化鋯多晶陶瓷（,Y-TZP,）。此時(shí)四方,ZrO,2,處于亞穩(wěn)態(tài)，當(dāng)材料受外力作用時(shí)，在應(yīng)力的誘導(dǎo)下，發(fā)生,t-m,相變。相

27、變吸收能量而阻礙裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展，因而不但提高了材料的強(qiáng)度而且提高了韌性（圖,10-28,、,29,）。,,由應(yīng)力誘導(dǎo)相變?cè)鲰g的韌性增量為：,,?,K = 0.3,??,,?,z,E,m,r,0,1/2,；,,其中,r,0,為相變區(qū)的寬度；,?,z,為復(fù)合材料中亞穩(wěn)態(tài),ZrO,2,顆粒的體積分?jǐn)?shù)；,??,為伴隨相變產(chǎn)生的體積應(yīng)變，,E,m,為基體的彈性模量。,,（,4,）相變?cè)鲰g,,圖,10-27,相變?cè)鲰g示意圖,,圖,10-28 ZTA,中應(yīng)力誘變韌化導(dǎo)致性能隨,ZrO,2,體積含量的變化,,2,、纖維、晶須增韌,（,1,）裂紋彎曲（,Crackbowing,）和偏轉(zhuǎn),,圖,10-29,裂紋

28、彎曲韌化機(jī)理,,在擴(kuò)展裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)中的增強(qiáng)體會(huì)導(dǎo)致裂紋發(fā)生彎曲，從而干擾應(yīng)力場(chǎng)，導(dǎo)致基體的應(yīng)力強(qiáng)度降低，起到阻礙裂紋擴(kuò)展的作用。隨著增強(qiáng)體長(zhǎng)徑比和體積比增加，裂紋彎曲增韌效果增加。,,另外，由于纖維周圍的應(yīng)力場(chǎng)，基體中的裂紋一般難以穿過(guò)纖維，而仍按原來(lái)的擴(kuò)展方向繼續(xù)擴(kuò)展。,,（,1,）裂紋彎曲（,Crackbowing,）和偏轉(zhuǎn),,一般認(rèn)為，裂紋偏轉(zhuǎn)增韌主要是由于裂紋扭轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)機(jī)制起作用。裂紋偏轉(zhuǎn)主要是由于增強(qiáng)體與裂紋之間的相互作用而產(chǎn)生。如在顆粒增強(qiáng)中由于增強(qiáng)體和基體之間的彈性模量或熱膨脹系數(shù)的不同產(chǎn)生殘余應(yīng)力場(chǎng)，則會(huì)引起裂紋偏轉(zhuǎn)。增強(qiáng)體的長(zhǎng)徑比越大，裂紋偏轉(zhuǎn)增韌效果就越好（圖,10-30

29、c,）。,圖,10-30,裂紋偏轉(zhuǎn)增韌原理,,a,：裂紋傾斜偏轉(zhuǎn)；,b,：裂紋扭轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)；,,c,：增強(qiáng)劑長(zhǎng)徑比對(duì)裂紋扭轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)的影響。,,（,2,）脫粘（,Debonding,）,,,復(fù)合材料在纖維脫粘后產(chǎn)生了新的表面，因此需要能量。,圖,10-31,纖維脫粘,,（,3,）纖維拔出（,Pull – out,）,,纖維拔出是指靠近裂紋尖端的纖維在外應(yīng)力作用下沿著它和基體的界面滑出的現(xiàn)象。纖維首先脫粘才能拔出。纖維拔出會(huì)使裂紋尖端應(yīng)力松弛，從而減緩了裂紋的擴(kuò)展。纖維拔出需外力做功，因此起到增韌作用（圖,10-32,）。纖維拔出需做的功,Q,p,等于拔出纖維時(shí)克服的阻力乘以纖維拔出的距離：,,（,4,）纖維橋接（,Fiber Bridge,）,,對(duì)于特定位向和分布的纖維，裂紋很難偏轉(zhuǎn)，只能沿著原來(lái)的擴(kuò)展方向繼續(xù)擴(kuò)展。這時(shí)緊靠裂紋尖端處的纖維并未斷裂，而是在裂紋兩岸搭起小橋（圖,10-33,），使兩岸連在一起。這會(huì)在裂紋表面產(chǎn)生一個(gè)壓應(yīng)力，以抵消外加應(yīng)力的作用，從而使裂紋難以進(jìn)一步擴(kuò)展，起到增韌作用。隨著裂紋的擴(kuò)展，裂紋生長(zhǎng)的阻力增加，直到在裂紋尖端形成一定數(shù)量的纖維搭橋區(qū)。這時(shí)達(dá)到一穩(wěn)態(tài)韌化（圖,10-34,）。,,圖,10-33,纖維搭橋,,,