陶瓷基体材料和高性能陶瓷基复合材料2011教学文案.ppt

7 陶瓷基体和高性能陶瓷基复合材料
7 陶瓷基体和高性能陶瓷基复合材料
高性能复合材料的陶瓷基体材料
高性能陶瓷基复合材料
高性能复合材料的陶瓷基体材料(ceramic matrix ma）。
陶瓷的强度（Strength of Ceramic）
改善陶瓷强度的两个途径
改善断裂韧性KⅠc的方法
改善陶瓷强度的两个途径（Two ways to improve strength）
①下降裂纹长度（c）
固体内含有裂纹是材料微观结构的本征特性（intrinsic features of microstructural ），因为材料中的微观夹杂、气孔和微裂纹等缺陷都可能成为裂纹源;
在材料结构服役期间，对表面裂纹如划伤、擦伤十分敏感（sensitive to surface damage in service）
改善陶瓷强度的两个途径
②提高断裂韧性（KⅠ c）
主要是通过各种机制来增加裂纹的扩展阻力（resistance to crack propagation），从而消耗能量，达到提高KⅠ c的目的；
通过选择增强体的种类、形态、数量、尺寸和位向等各种结构因素来改善KⅠ c 。
通过基体的相变效应来增加韧性。
改善断裂韧性KⅠc的方法（Methods to improve KⅠc）
(1) 消耗能量机制（Energy release mechanism）
裂纹偏转或裂纹分叉（crack deflection or branching)；
裂纹被桥联（crack bridging）；
相变增韧（phase transformation）。
改善断裂韧性KⅠc的方法(1)消耗能量机制
图7-1 纤维增强陶瓷基复合材料的裂纹偏转和桥联（Crack Deflection and Bridging of the Fiber Reinforced CMCs）
图7-2 纤维增强陶瓷基复合材料的增韧机制：纤维拔出、界面解离、裂纹桥联。
改善断裂韧性KⅠc的方法(2)各种结构影响因素
(2)各种结构影响因素（miscellaneous）
①组元的体积分数；
②第二相的形态，即颗粒状、片状或纤维状；
③第二相组元的尺寸，即直径、长度和长径比；
④纤维轴相对于加载方向的取向。
改善断裂韧性KⅠc的方法（3）相变增韧
（3）相变增韧（Phase Transformation）
基体中裂纹尖端的应力场引起裂纹尖端附近的基体发生相变，亦称应力诱导相变，当相变造成体积膨胀时，它会挤压裂纹使之闭合。从而改善断裂韧性。
氧化锆（ZrO2）具有相变增韧特点。
相变增韧不是高温增韧机制。
陶瓷和玻璃陶瓷的晶体结构
现代陶瓷的晶体结构
玻璃相
间隙相和固溶体
现代陶瓷的晶体结构(Crystal structure of Modern Ceramic)
陶瓷的显微结构由结晶相和玻璃相组成，其比例随品种而异。现代陶瓷晶体结构主要包括：
简单立方结构
密排立方结构
密排六方结构
晶胞中的间隙有5种：立方体间隙、八面体间隙、四面体间隙、三角形间隙和哑铃形间隙。
图7-3 晶胞中的间隙形式
现代陶瓷的晶体结构（1）简单立方
（1）简单立方（simple cubic）***化铯（CsCl ）结构
Cl-和Cs+各自构成立方点阵，并相互占据对方的六面体（立方体）间隙。
简单立方结构的陶瓷不常见。
属于简单立方（CsCl型）结构的陶瓷主要有：CsBr、CsI、CsCl、RbI（常压下不存在）。
图7-4 CsCl型晶体结构
现代陶瓷的晶体结构（2）密排立方结构
（2）密排立方（Close packed cubic）结构
密排立方结构包括：
***化钠型（NaCl type）
闪锌矿（立方硫化锌）型[(cubic ZnS) type]
萤石（***化钙）型[fluorite (CaF2) type]
逆萤石型（athwart fluorite type）
尖晶石型[spineles type(AB2O4)]
-方石英型(- cristobalite type）
现代陶瓷的晶体结构（2）密排立方结构
1）NaCl型的结构
Cl-（半径大）呈面心立方点阵；
Na+占据面心立方的八面体间隙。
属于NaCl型的结构陶瓷主要有：MgO、CaO、FeO、NiO、MnO、BaO、CdO、TiN、LaN、SiN、CrN、ZrN、TiC、NaCl。
图7-5 密