第四部分-无机复合与生物材料.ppt

第四部分 无机复合与生物材料 9.1 概 述 9.1.1 复合材料的分类 9.1.2 复合材料的特点 9.2.1 复合原理 9.2.2 陶瓷基粒子复合材料（p-CMC） 9.3.1 纤维的强化增韧机理 9.3.2 f-CMC 常用纤维 9.3.4 应用例——SiC 纤维f-CMC （SiC纤维由在钨丝上沉积SiC制得） 9.4 陶瓷基晶须复合材料（w-CMC） 与f-CMC 相比，w-CMC 在制备工 艺上较方便，且已有高品质SiC Si3N4 晶须工业产品, 使w-CMC 的大规模的制备和应用成为可能 9.4.1 晶须强化增韧的机理 w-CMC中，晶须产生强化增韧作用的前 提是晶须能有效分担载荷，为此，1）晶 须要均匀分散在陶瓷基体中；2）晶须和 基体的界面结合必须足够强，以保证载 荷的转移和基体的断裂延伸率大于晶须 w-CMC中，强化增韧主要是靠裂纹的偏 折和晶须的拔出： 导致裂纹 偏折的增 强相形状 不同，增 韧效果亦 明显不同 当裂纹尖端的应力场使两相界面结合变 得足够弱，就会产生晶须拔出现象。同 时，在裂纹尖端处，晶须的桥联作用使 应力集中显著降低，亦使基体得以增韧 9.4.2 晶须强化增韧的条件 （1）αm αw 这种条件下，w-CMC制备冷却时，两 相界面的晶须侧受压应力，基体侧则 为张应力，从而使界面获得力学结合 反之若αw αm ，则无有效界面结合 （2）晶须的半径 R Rc 即使满足条件（1）, 若基体侧的张 应力过大，基体侧产生的微裂纹也将 有损于界面结合。防止微裂纹产生的 的条件是晶须半径须小于某一临界值 基体的断裂韧性 泊松比 烧结温度与室温差值 晶须与基体的线膨胀系数差值 （3）晶须分散均匀 晶须若分散不均，将严重影响整体 烧结过程：在晶须聚集区，会形成 气孔和大缺陷；而在缺少晶须的区 域，也不会有晶须的强化增韧作用 因此，晶须分散对f- CMC 至关重要 * * 复合材料 无机生物材料 第九章 无机复合材料 ★ 概 述 ★ 粒子改性复合材料 ★ 陶瓷基纤维复合材料 ★ 陶瓷基晶须复合材料 ★ 碳/碳复合材料 ★ 梯度功能复合材料 材料复合的目的是为提高和改善材料的综合性能 复合材料已成为当今材料研究和应用领域的热点 复合材料通常包括基体相和增强相，基体相为连 续相，将改善性能的增强相固结成一体，是传递 应力的主体；增强相则往往起到承受应力（结构 复合材料）和显示功能（功能复合材料）的作用 复合材料既能保持原组成材料的重要特性，又可 通过复合效应产生原组分不具备的许多优良性能 复合材料三要素 增强相材料状态 基体材料 复合方式 复合材料分类 1. 比强度和比模量高 2. 抗疲劳性能好 碳纤维复合材料 玻璃纤维复合材料 基材 不但增强相本身的优异抗疲劳性能会使 复合材料增益（碳纤维复合材料），增 强相与基体相的界面往往也能有效阻止 初发疲劳裂纹的扩展 (如玻纤复合材料) 疲劳次数 3. 高温性能好 含高熔点增强材料的复合材料其 高温下的强度和模量往往也较高 氧化铝晶须 碳纤维 硼纤维 钠玻璃纤维 SiC纤维 钨纤维 4. 减振性能好 复合材料为多相体系，其大量的 界面对振动有反射吸收作用，不 易产生共振，故振动波在复合材 料中的衰减快，提高了减振性能 9.2 粒子改性复合材料 这类复合材料主要是基体承受载荷 在基体中呈高度分散状态的增强相 粒子，可阻碍聚合物中大分子链的 运动；阻止金属产生位错；屏蔽陶 瓷裂纹，以此起到强化基体的作用 粒子增强复合材料的密度满足混合律 ρc＝∑fiρi＝ f1ρ1＋ f2ρ2＋···＋ fnρn 粒子增强复合材料的力学性质则不仅受构成相的性质支配，而且强烈依赖于复合产生的叠加、结构、界面等复合效应。对于立方体粒子增强的复合材料，模量近似为 添加一种或一种以上异相粒子是陶瓷采用最多的强化增韧改性方法，特点是工艺简单，粒子尺寸及分布容易控制，成效明显 1. 力学性能影响因素 弥散粒子与基体的界面结合状态 弥散相增强粒子与基体间的性能 匹配情况，即热膨胀系数、弹性 模量和韧性（断裂能）等的区别 几何因素，如弥散粒子大小、形 状、体积比、分散状态、位置等 2. 强化增韧机理 （1） dpdm 基体（m）和弥散相（p）晶粒尺寸（d）和热膨 胀系数（α）匹配不同， 强化增韧机制亦不同 可能的机制是裂纹的偏折或分枝 （2） dpdm 可能的机制是对裂纹的钉扎效应 若两相的界面结合不强，弥散相将与基体解离 裂纹尖端遇到这种解理面，应力集中得以分散 裂纹可终止或绕过弥散相前进； （3） αp