提高无机材料强度及改善韧性的途径ppt课件

1、资料强度的本质是内部质点间的结合力。资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，弹性模量控制强度的主要参数有三个，弹性模量E、断裂外表能、断裂外表能和裂纹尺寸和裂纹尺寸c。E是非构造敏感的。是非构造敏感的。 单相资料的微观构造对单相资料的微观构造对的影响不大。的影响不大。因此，独一可以控制的是资料中的微裂纹。因此，独一可以控制的是资料中的微裂纹。微裂纹可以了解为各种缺陷的总和。所以，资料的强化主微裂纹可以了解为各种缺陷的总和。所以，资料的强化主要从消除缺陷以及阻止其开展思索。要从消除缺陷以及阻止其开展思索。微晶、高密度和高纯度微晶、高密度和高纯度微晶、高密度和高纯度陶瓷，如热

2、压工艺制备的氮化硅微晶、高密度和高纯度陶瓷，如热压工艺制备的氮化硅陶瓷，密度接近实际值，气孔率几乎为零。陶瓷，密度接近实际值，气孔率几乎为零。将块体资料制成细纤维，强度大约提高一个数量级，而制成晶将块体资料制成细纤维，强度大约提高一个数量级，而制成晶须那么提高两个数量级。晶须提高强度的主要须那么提高两个数量级。晶须提高强度的主要 缘由之一就是提缘由之一就是提高了晶体的完好性。晶须强度随晶须截面直径的添加而降低。高了晶体的完好性。晶须强度随晶须截面直径的添加而降低。提高抗裂才干与预加应力提高抗裂才干与预加应力人为地预加应力，在资料外表呵斥一层压应力层，可以提人为地预加应力，在资料外表呵斥一层压应

3、力层，可以提高资料的抗拉强度。高资料的抗拉强度。脆性断裂通常是在拉应力作用下，自外表开场断裂。假设脆性断裂通常是在拉应力作用下，自外表开场断裂。假设在外表预加一层压应力，外表遭到拉伸破坏之前首先要抑制在外表预加一层压应力，外表遭到拉伸破坏之前首先要抑制外表上的剩余压应力。外表上的剩余压应力。经过加热、冷却，在外表层中引入剩余压应力的过程叫做经过加热、冷却，在外表层中引入剩余压应力的过程叫做热韧化。钢化玻璃热韧化。钢化玻璃 及氧化铝及氧化铝 P93-94化学强化化学强化当热韧化无法到达更高的外表剩余应力时，采用化学强当热韧化无法到达更高的外表剩余应力时，采用化学强化，即离子交换的方法。化，即离子

4、交换的方法。经过改动外表化学组成，使外表的摩尔体积比内部大。经过改动外表化学组成，使外表的摩尔体积比内部大。由于外表体积膨大而遭到内部资料的限制，产生两向形状由于外表体积膨大而遭到内部资料的限制，产生两向形状的压应力。通常是用一种大的离子置换小的离子，压力的压应力。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层厚度在数百微米内 将外表抛光及化学处置以消除外表缺陷也能提高强度。将外表抛光及化学处置以消除外表缺陷也能提高强度。4. 相变增韧相变增韧利用多晶多相陶瓷中某些成分在不同温度的相变，从而增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。韧的效果，统称

5、为相变增韧。 ZrO2 P95在基体中，四方在基体中，四方ZrO2是高温稳定相，单斜是高温稳定相，单斜ZrO2是低温稳是低温稳定相。在低于相变温度的条件下，由于遭到基体约束力的定相。在低于相变温度的条件下，由于遭到基体约束力的抑制，未转化的四方抑制，未转化的四方ZrO2相坚持其介稳形状；当基体的相坚持其介稳形状；当基体的约束力在外力作用下减弱或消逝，粒子从高能态转化为低约束力在外力作用下减弱或消逝，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。收主裂纹扩展的能量。5. 弥散增韧弥散增韧在基体中参与在基体中参与

6、 (或原位生成或原位生成) 具有一定颗粒尺寸的微细粉料，具有一定颗粒尺寸的微细粉料，到达增韧的效果，称为弥散增韧。到达增韧的效果，称为弥散增韧。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，添加了断裂外表能，改善了韧形来吸收弹性应变能的释放，添加了断裂外表能，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性。后者多存在于基体的晶界中，以高弹性模量和高温强度添加复合资料的断裂外表能，特别是高温断裂韧性。添加复合资料的断裂外表能，特别是高温断裂韧性。 不同Si含量试样的断口SEM照片 (a) Pure

7、 B4C；(b) B4C-4wt.%Si；(c) B4C-8wt.%Si；(d) B4C-12wt.%Si B4C基复合资料的裂纹扩展 (a, b) Pure B4C；(c, d) B4C-8wt.%Si6. 纤维增韧纤维增韧在陶瓷中参与高弹性模量的纤维或晶须、纳米管等具有在陶瓷中参与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资料，受力时，由于纤维的强度及弹较高长径比的一维资料，受力时，由于纤维的强度及弹性模量高，大部分应力由纤维接受，减轻了陶瓷基体的负性模量高，大部分应力由纤维接受，减轻了陶瓷基体的负担，而且，纤维还可以阻止裂纹扩展。担，而且，纤维还可以阻止裂纹扩展。如用碳纤维加强

8、石英玻璃，抗弯强度为纯石英玻璃的如用碳纤维加强石英玻璃，抗弯强度为纯石英玻璃的12倍，倍，断裂功提高断裂功提高2-3个数量级。个数量级。纤维的强化作用取决于纤维与基体的性质、二者的结合强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陈列方式等。度以及纤维在基体中的陈列方式等。1) 应选择强度及弹性模量比基体高的纤维，使纤维尽能应选择强度及弹性模量比基体高的纤维，使纤维尽能够多地承当外加负荷。受力时，应变一样时，应力之比够多地承当外加负荷。受力时，应变一样时，应力之比等于弹性模量之比。等于弹性模量之比。2) 二者结合强度适当。二者结合强度适当。P963) 应力作用的方向应

9、与纤维平行，才干发扬纤维的作用。应力作用的方向应与纤维平行，才干发扬纤维的作用。4) 二者的热膨胀系数要匹配。最好是纤维的热膨胀系数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。复合资料烧结、冷却后纤维受拉，基体受略大于基体。复合资料烧结、冷却后纤维受拉，基体受压，起到预加应力的作用压，起到预加应力的作用5) 要思索高温时的化学相容性。不能在高温下发生降低要思索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响。纤维性能的化学反响。碳纳米管碳纳米管 (CNTs) 被以为是石墨烯片被以为是石墨烯片 (石墨的六角网格平石墨的六角网格平面面) 卷曲构成的中空碳笼管，而石墨烯片的碳

10、卷曲构成的中空碳笼管，而石墨烯片的碳-碳碳sp2杂化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。度和韧性。碳纳米管电池 寿命提高10倍实验测得实验测得MWNTs的杨氏弹性模量平均为的杨氏弹性模量平均为1.8 TPa，弯曲强，弯曲强度为度为14.2 GPa，抗拉强度约为钢的，抗拉强度约为钢的100倍，而密度却只需倍，而密度却只需钢的钢的1/71/6。CNTs可以接受可以接受100万个大气压的压力而不破万个大气压的压力而不破裂，能够是目前比强度和比刚度最高的资料，极有能够取裂，能够是目前比强度和比刚度最高的资料，极有能够取代目前亚微米级晶须增韧资料、纤维加强体资料而成为超代目前亚微米级晶须增韧资料、纤维加强体资料而成为超强资料。另外，强资料。另外，CNTs具有非常优良的电、热性能及力学具有非常优良的电、热性能及力学性能，已被广泛用作聚合物、金属、陶瓷等基体资料的改性能，已被广泛用作聚合物、金属、陶瓷等基体资料的改性及加强剂。性及加强剂