9讲仿生结构.pptx

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9讲仿生结构

2016-2017 秋季学期研究生课程陶瓷基复合材料Ceramic-matrix Composites仿生结构陶瓷基复合材料2016. 9.1~11.2高韧性仿生结构陶瓷基复合材料随着材料学界对陶瓷基复合材料(CMCs)的进一步深入研究,人们逐步发现,按照目前的研究思路,要得到更高的使用性能,材料的结构和成分就必须趋于更加复杂而难以控制,而简便的工艺和成分很难得到很高的性能。人们从对自然界的认识中可以看到,自然界的生物材料几乎毫无例外地都是简单组分、复杂结构的材料,经过亿万年的物竞天择,已经形成了很多天然合理的结构,仅仅通过简单组分的精密组合,就可以获得复合互补、功能适应和损伤愈合等优异特性。高韧性仿生结构陶瓷基复合材料竹材是典型的长纤维增强复合材料,其增强体纤维有不同的尺度与升角的分布,使其拉伸、弯曲和压缩强度及模量可以发挥最大的效果(上图)。在贝壳珍珠层中,无机质霰(xiàn)石的含量高达99%,但是通过不到1%的有机质将不同尺寸的霰石晶片按特殊的层状结构粘接起来,形成了层状结构的复合材料,其断裂功却比纯霰石高出3000倍以上(下图)。高韧性仿生结构陶瓷基复合材料因此,基于对自然界中一些生物材料的特殊组织结构的启发,在材料的设计和研究中,引入了仿生结构设计的思想,通过“简单组成、复杂结构”的精细组合,制备具有特殊结构而不是特殊组分的CMCs,从理论上也可获得类似生物材料的一些特性,实现材料的高韧性、抗破坏及使用可靠性等特性。陶瓷材料的仿生结构设计,从很大程度上改善了陶瓷材料的脆性本质,为陶瓷材料的强韧化提供了一条崭新的研究和设计思路。Structure of Bamboo and treeInterfacial layerMatrix fiberFibrous monolithic ceramics仿生结构设计的思想(1)纤维独石结构(Fibrous monolithic structure) 纤维状的胞体按照一定方式排布1988年Coblenz提出了纤维独石结构设计的思想1993年Baskaran率先完成了这种陶瓷材料的制备,制备了SiC/C纤维独石结构复合材料。这种材料的断裂功可以达到1340J/m2以上,比常规的SiC陶瓷提高了十几倍。1994年清华大学黄勇教授课题组,制备和研究了Si3N4/BN纤维独石结构陶瓷材料,断裂韧性高达20MPa?m1/2以上,断裂功高达4000 J/m2以上。 matrix layerInterfacial layermatrix layerStructure of NacreLaminated structure ceramics(2)层状结构(Laminated or layered structure) 层状陶瓷复合材料(Laminated Ceramic Matrix Composites,LCMC)W.J. Clegg于1990年在《Nature》上发表了关于SiC/C层状复合材料的报道。其断裂韧性可以达到15 MPa?m1/2,断裂功更可高达4625 J/m2,是常规SiC陶瓷材料的几十倍。Claussen等重复了ZrO2体系的层状结构,同样获得了较高的韧性和上升的阻力曲线行为。S.M.Hsu等人对Si3N4体系的层状陶瓷进行了研究,实测的断裂功可以达到6500 J/m2以上,1994年,清华大学黄勇教授课题组研究了Si3N4/BN层状结构陶瓷复合材料,其表观断裂韧性高达28MPa?m1/2,断裂功高达4000J/m2,比常规的Si3N4材料分别提高了数倍和数十倍。 1. 仿生结构陶瓷材料的设计要点仿生结构设计主要是仿照天然生物材料的结构特征, 利用不同结构单元之间的相互作用和相互耦合, 达到优势互补、提高材料的断裂韧性和抗破坏能力,从而提高材料的使用可靠性。高韧性陶瓷材料的仿生结构设计思路如下:1) 简单组成、复杂结构;2) 引入弱界面层,使得裂纹在弱界面层中反复偏折,消耗大量的断裂能;3) 非均质设计、精细结构。1. 仿生结构陶瓷材料的设计要点 纤维独石结构陶瓷复合材料模拟竹子的纤维结构特征。先将粉体制成陶瓷纤维的前驱体,然后在其表面涂覆一定厚度的隔离层,再压制烧结而成。它具备优异的常温力学性能,特别是高的断裂韧性与断裂功。层状结构陶瓷复合材料是模拟贝壳珍珠层的层状结构,用基体陶瓷层(如Si3N4)模拟珍珠层霰石晶片,用弱结合的界面层(如BN)模拟有机质层。这两类仿生结构陶瓷材料一个共同的特征是:将陶瓷粉料制成结构单元(纤维或层片),然后在结构单元表面涂覆一层隔离层,再排列烧结而成。因而结构单元和隔离层的基本性质、几何尺寸、界面结合状态以及二者之间的物理和化学相容性等因素都明显地影响仿生结构陶瓷最终的力学性能,其基本的影响因素可归纳为三类:工艺参数、结构参数和几何参数。1

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