陶瓷基 CMC 新材料 十二五 复合材料

2009.No.1　　　　　　　　　　　　　　　　陶

瓷　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 17

受压缩热残余应力,基体受拉伸热残余应力。这种热残余拉伸应力在材料使用时将叠加于外加拉伸载荷,对材料的强度不利。如果σa>σmu,材料在冷却过程中就可能垂直于纤维轴向形成微裂纹网络,使材料的性能大大降低。如果αm<αfa,则σa为负值,纤维受热残余拉伸应力,基体受压应力。这个应力可能抵消外加拉伸载荷,。但如果该应力过大,。

mαfr,r,-基体界面则裂过程中难以形成纤维“脱粘”“、拔出”等吸能机制,对材料性能的提高不利。如果αm<αfr,则σr为负,那么界面受拉应力,适当的拉应力是有益的。

4)材料应满足结构的特殊要求,但组元之间不能

1　CFCC的选材原则

[8]

1)陶瓷基体和纤维应该满足结构件的使用环境要

求。使用环境包括:工作最低温度、最高温度、湿度、工作介质的腐蚀性等。

2)陶瓷基体和纤维间弹性模量的匹配。当复合材

料承受负载时,其应力和弹性模量服从加和原则σ　　　　　　　　c=σfVf+σmVm

Ec=EfVf+EmVm

Vf+Vm[4]

。(1)

,E为弹性模量。、纤维、基体。

在复合材料断裂前,基体和纤维其应变是一致的:ε　　　　　Em=σc=εm=εf=σmΠfΠEf

(2)

发生明显的化学反应、溶解和严重的扩散。而且在满足性能要求的前提下,成本尽可能低。

对于脆性基体复合材料,当基体的应变大于其临界断裂应变时基体发生断裂。由于基体的弹性变形非常小,所以在基体断裂瞬间,纤维并未充分发挥作用。假设基体断裂时,它所承担的应力分量全部转移给纤维。此时复合材料所承担的应力由式(1)和式(2)可得:

σ　　　　　　c=σmu[1+Vf(

Ef

-1)]Em

2　CFCC的增韧机制

任何固体材料在载荷作用下,吸收能量的方式只有两种:材料变形和形成新的表面

[9]

。对于脆性的陶

(3)

瓷材料而言,材料只能发生很小的变形,只能增加断裂表面,增加裂纹的扩展路径来消耗能量。对于CFCC其增韧机理主要包括因模量差异而引起的载荷转移、微裂纹增韧、裂纹偏转、纤维脱粘和纤维拔出等

[10]

式中下标mu和f分别代表基体和纤维断裂。从式(3)可看出,对于脆性基体复合材料,如果基体的断裂应变小于纤维的断裂应变,要想提高复合材料的强度,必须Ef大于Em,选择高模量的纤维。这时EfΠEm越大,复合材料的强度越高。如果Ef小于Em,基体不仅得不到强化,反而会降低。

3)陶瓷基体和纤维的热膨胀系数的匹配。复合材

。

在轴向力作用下,CFCC断裂包括3个阶段(如图1(a)所示):OA段,此段应力水平较低,材料处于线弹性阶段。在A点开始出现线性偏离,A点为基体的极限强度,基体开始出现裂纹。AB段,随着应力的提高裂纹越来越多、越来越大

[15]

。在B点处复合材料内部纤维

料组元之间必须要满足物理化学相容性,其中最重要αα的就是热膨胀系数的匹配。设αm、fa、fr分别代表基体、纤维轴向和纤维径向热膨胀系数的平衡值。则基体所承受的应力:

σ　　　轴向　　a=(αm-αfa)ΔTEmσ　　　径向　　r=(αm-αfr)ΔTEm体的弹性模量。

α如果α复合材料冷却后纤维m>fa,则σa为正值。

(4)(5)

开始断裂,即B点为CFCC的极限强度。与单相的陶瓷材料相比(如图1(b)所示),虽然单相陶瓷的极限强度可能大于CFCC的极限强度,但是其应变值却远远小于CFCC的应变值,因此CFCC的断裂功远大于单相陶瓷的断裂功。BC段,随着应力的继续增加,纤维和基体脱粘,伴随着纤维的断裂和拔出(如图2所示)。在轴向力作用下,CFCC的断裂包括:基体开裂、纤维断裂、纤维脱粘、纤维拔出和纤维断裂等复杂过程。因此对于CFCC而言,纤维拔出和纤维桥接是主要的增韧

式中ΔT为应力驰豫温度与室温之差值,Em为基