提高无机材料强度及改善韧性的途径.ppt

2.9提高无机材料强度及改善韧性的途径材料强度的本质是内部质点间的结合力。控制强度的主要参数有三个，弹性模量E、断裂表面能?和裂纹尺寸c。E是非结构敏感的。单相材料的微观结构对?的影响不大。因此，唯一可以控制的是材料中的微裂纹。微晶、高密度和高纯度微晶、高密度和高纯度陶瓷，如热压工艺制备的氮化硅陶瓷，密度接近理论值，气孔率几乎为零。微裂纹可以理解为各种缺陷的总和。所以，材料的强化主要从消除缺陷以及阻止其发展考虑。将块体材料制成细纤维，强度大约提高一个数量级，而制成晶须则提高两个数量级。晶须提高强度的主要原因之一就是提高了晶体的完整性。晶须强度随晶须截面直径的增加而降低。010203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。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，表面受到拉伸破坏之前首先要克服表面上的残余压应力。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。（钢化玻璃及氧化铝P93-94）提高抗裂能力与预加应力当热韧化无法达到更高的表面残余应力时，采用化学强化，即离子交换的办法。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。（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）将表面抛光及化学处理以消除表面缺陷也能提高强度。010203化学强化利用多晶多相陶瓷中某些成分在不同温度的相变，从而增韧的效果，统称为相变增韧。（ZrO2P95）01在基体中，四方ZrO2是高温稳定相，单斜ZrO2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，未转化的四方ZrO2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。024.相变增韧02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。01在基体中加入(或原位生成)具有一定颗粒尺寸的微细粉料，达到增韧的效果，称为弥散增韧。5.弥散增韧B4C-8wt.%Si；(d)B4C-12wt.%Si不同Si含量试样的断口SEM照片(a)PureB4C；(b)B4C-4wt.%Si；B4C基复合材料的裂纹扩展(a,b)PureB4C；(c,d)B4C-8wt.%Si如用碳纤维增强石英玻璃，抗弯强度为纯石英玻璃的12倍，断裂功提高2-3个数量级。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，大部分应力由纤维承受，减轻了陶瓷基体的负担，而且，纤维还可以阻止裂纹扩展。0102016.纤维增韧纤维的强化作用取决于纤维与基体的性质、二者的结合强度以及纤维在基体中的排列方式等。01应选择强度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，应力之比等于弹性模量之比）。02二者结合强度适当。（P96）03应力作用的方向应与纤维平行，才能发挥纤维的作用。04二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，起到预加应力的作用）01要考虑高温时的化学相容性。不能在高温下发生降低纤维性能的化学反应。02碳纳米管(CNTs)被认为是石墨烯片(石墨的六角网格平面)卷曲形成的中空碳笼管，而石墨烯片的碳-碳sp2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。碳纳米管电池寿命提高10倍实验测得MWNTs的杨氏弹性模量平均为1.8TPa，弯曲强度为14.2GPa，抗拉强度约为钢的100倍，而密度却只有钢的1/7~1/6。CNTs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，CNTs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、陶瓷等基体材料的改性及增强剂。