晶须增韧补强陶瓷基复合材料的若干关键技术研究_晶须定.pdf

一
汪长安等晶须增韧补强陶瓷基复合材料的若干关键技术研究!晶须定向排币工艺及其复合材料力学性能

晶须增韧补强陶瓷基复合材料的若干关键技术研究!
晶须定向排布工艺及其复合材料力学性能
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汪长安黄勇郭海李建保
清华大学材料科学与工程系北京%%%∋钓

摘要
研究了晶须定向排布工艺及其复合材料的力学性能。通过挤制成型,较好地完成了
晶须的一维定向排布或择优取向。结果表明,晶须定向排布能同时较大幅度地提高复合
材料的杭弯强度和断裂韧性,充分地发挥了晶须的增韧补强作用。
关键词(挤制成型,晶须定向排布,复合材料,力学性能

),
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∗口)二二

晶须增韧补强陶瓷基复合材料是一种重要的结构陶瓷材料,尤其在高温燃气轧机等高温、耐

。,
磨部件方面有着十分广阔的应用前景从#%年代起国内外材料科学工作者就对其高度重视并
取得了较大的研究进展。研究结果表明,采用晶须作为增韧体,能有效地提高陶瓷材料的强度、韧
性和可靠性,而且制备工艺简单易行,还可解决高温下增韧的问题+’〕。
关于晶须在所增韧的复合材料中择优地取向分布而使复合材料出现各向异性,早期的研究中

,,。,
就有报道例如,−./−012仁3口和玉利〔∃4等人都分别有过报道人们发现如果在制备过程中控制
晶须的方位,使其定向排布,则可使晶须复合材料在某些方位上获得非常高的力学性能。例如,通

,)
过挤制成型可以使晶须定向排布而且大大地改善了复合材料的力学性能56768等人川研究了用

,
挤制成型和热压烧结的方法制备9:;7<=>.;&?=>∃≅‘复合材料发现挤制成型可以使晶须呈现较

,,),
好的一维定向排布在晶须排布的方向上抗弯强度提高了%一Α%&Β1Χ可达到Δ3%Β1Χ以上
·。。,
断裂韧性也提高了9Β1ΧΕ‘?3ΦΓΧ7ΗΙϑ等人川也有类似的报道ΒΧ7ΗΙ>ϑ等人二∀二采用流延法

,,
Β>76Ε6Β等人川采用粉浆浇注法也完成了晶须定向排布而且都不同程度地提高了复合材料的
力学性能。我们也开展了晶须定向排布工艺以及对力学性能的影响方面的研究,现将研究结果作

。
一报道

、
二研究的思路及制备方法

)
晶须方位角与增韧机理
由于晶须尺寸很小,在通常情况下,晶须在基体中的方位不象长纤维那样有序地排列,而是

。
随机地分布,这样就得使晶须的增韧机制和作用过程非常复杂要想充分地发挥晶须的增韧补强
作用,大幅度地提高晶须增韧复合材料的力学性能,不仅要考虑各相之间的物性结合和界面行为
等复合材料的共性,增韧相的方位分布及相关的一系列问题也需要进一步研究。

∋∀∃计划资助项目
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高技术通讯∀##∃&%

在晶须补强陶瓷基复合材料中,晶须的增
韧作用主要来自于裂纹尖端后方裂纹面之间晶
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须的桥联行为根据对须补陶瓷基复合材−.叭
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料的断裂过程及断口的大量实验观察,我们对、、
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!型裂纹尖端后方晶须的受力行为进行了分−2∗#13456!

#
析阁。结果表明∀随着裂纹张口位移尽的增大

、一
晶须所受的最大拉应力∃%晶须基体界面所
受的最大剪&拉∋应力下、以及晶须根部附近基
体所受的拉应力()随着晶须在基体中的方位
−侧,8:
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角。的变化而产生不同的响应从而导致了增
9
。图晶须的增韧机制与方位角的关系
韧机制的方位角依赖性图∗显示了一个代表
性的晶须破坏模式与晶须方位角。的关系。从图∗中可以看出晶须破坏的三种模式∀随着裂纹张口

一
位移。的增大,如果。较大,晶须根部附近的基体因受晶须很大的撬曲力而首先破坏&3;569,
基体损坏模式∋<晶须在很小的−角范围内才可能拔出&3456一9,晶须拔出模式∋<在相当大的。
角范围内,晶须都是被拉断或折断&345:一!,晶须拉&折∋断模式∋,当然,晶须的破坏模式和

、、、。
增韧机理还受界面断裂能晶须基体和界面的强度比晶须的长径比等因素影响
根据以上分析可知,在晶须增韧机理中,一个重要的影响因素就是晶须的方位角,不同的晶

。
须方位角,晶须的受力状态不同,从而导致了不同的晶须破坏方式和增韧机制一般来说,对于
晶须的桥接和拔出机制,在复合材料受力断裂时,只有那些垂直于裂纹面的晶须才能起到较好的

。、
增韧补强作用,而倾斜的或平行于裂纹面的晶须所起的作用较小或不起作用因此,在晶须基
体界面结合适中的情况下,如果能使晶须朝同一方向排布,这样当材料在垂直于晶须排布方向受

。
力时,晶须将能够以较大的几率拔出或折断后拔出在拔出过程中,晶须将消耗大量的断裂功,而
起到较好的增韧补强作用。如果能实现晶须的定向排布或择优取向,那么有可能在人们期望的方
向上达到较好