复合材料细观力学性能

1、陶瓷纳米复合材料的细观力学性能分析一.导言纳米材料是尺度为L 100nm的超粒子，是指经过压制、烧结、溅射而形成的冷凝固体。它是80年代刚发展起来的先进材料，在美国材料科学会上被誉为“21世纪最有前途的材料”。因此，受到发达国家的高度重视，在高新技术发展计划中，针对这一新材料领域投入了相当多的人力和物力1。陶瓷材料是具有高硬度、耐磨性、耐高温性、耐蚀性等其他材料无法比拟的优良性能的有希望的结构材料，但脆性问题极大地限制了陶瓷材料的应用发展，为了进一步改善其隔热性和强度，正在进行陶瓷复合材料的研究。陶瓷纳米复合材料是最近发展起来的陶瓷复合材料，在复合体系中至少有一相是纳米尺寸2，3。二.纳米陶瓷

2、复合材料的分类在新的纳米陶瓷复合材料中，每个阶段或至少一个阶段在一维中是纳米级，根据分散相可以分为晶体内型、晶界型、晶界型、晶体内/晶界混合型、纳米/纳米型。如图1所示。纳米色散相在气体相晶粒内部呈晶体内形分布。纳米色散相在气体晶界中呈晶界型分布。在实际制造中，很难获得简单的纳米晶内或纳米晶界中的纳米复合物，主要是晶体内/晶体间复合物。(莎士比亚、纳米、纳米、纳米、纳米、纳米、纳米、纳米)纳米/纳米复合陶瓷材料的所有相晶粒都是纳米级的。纳米/纳米复合陶瓷材料具有超塑性4等新性能，对粉末性能和烧结工艺要求很高。图2-1纳米陶瓷复合材料的分类三.纳米陶瓷复合材料的力学性能3.1 Al2O3粉末对纳

3、米陶瓷复合材料的影响为了改善纳米陶瓷复合材料的力学性能，探讨了添加了多种粒子和含量的Al2O3粉末对纳米陶瓷复合材料微观结构和力学性能的影响。实验采用真空热压烧结工艺制备了ZrO2纳米陶瓷复合材料，添加了Al2O3等金属粉末。混合粉在球磨48h和真空干燥24h后准备。烧结温度为1450C，压力为30MPa，保温1h时，使用真空热压烧结工艺，以干燥混合粉为样品准备。制作的样品厚度约为5mm，切割、粗糙、抛光、研磨和抛光后，制作3mm4mm30mm的标准样品。在INSTRON-5569英寸电子万能材料试验机中，使用三点弯曲方法测量材料，使用样品的弯曲强度、跨距ESEM、负载速度0.5mm/min、

4、HV-120维硬度计测量材料的硬度、负载196N、压缩15s、压痕方法。如图1所示，纳米陶瓷复合材料的弯曲强度和断裂韧性均明显高于未添加Al2O3粉末的材料，随着纳米Al2O3体积分数的增加，纳米陶瓷复合材料的断裂韧性和硬度也增加，但弯曲强度在(Al2O3)达到15%时明显下降。实验结果表明，纳米AL2O3具有高硬度。随着纳米Al2O3体积分数的增加，材料的短韧性和硬度可以大大提高。少量添加纳米al2o 3(5%和10%)可以显着提高材料的弯曲强度，但是(Al2O3)继续增加到15%，弯曲强度开始大幅下降6图3-1纳米Al2O3含量不同的陶瓷复合材料力学性能纳米复合陶瓷材料的力学性能提高的主要

5、原因是。(1)纳米陶瓷复合材料的四重相-单斜相变具有马氏体相变的特点，是陶瓷弯曲强度和断裂韧性高的主要原因。少量体积分数为5%或10%的Al2O3形成陶瓷和固溶体，加速材料的致密化，促进烧结。(Al2O3)的体积分数提高到15%，可能发生相变作用的四中伤-短射含量减少太多，相变作用减弱，力学性能下降。(2) Al2O3的硬度最高为21GPa，因此添加纳米Al2O3可以有效地提高材料的硬度。(3)如图1a所示，添加纳米Al2O3有助于提高纳米陶瓷复合材料的烧结密度。但是(Al2O3增加到15%时，复合陶瓷材料的相对密度下降。(4)纳米Al2O3的加入对氧化烟气产生颗粒强化效果，通过钉扎作用阻止气

6、体内部颗粒的电位移动和晶界滑动，限制晶界的运动，从而抑制晶界的生长，起到晶粒细化强韧化作用。从5%增加到15%的过程中颗粒分析：随着纳米Al2O3体积分数的增加，纳米陶瓷复合材料中的粒子逐渐增大，这可能是由于烧结过程中异常生长的Al2O3粒子增加，削弱了氧化锆粒子的限制作用。纳米陶瓷复合材料有利于材料的强化，因为通过晶体团和晶体团混合型绝热模式，由晶体团消耗的绝热可能高于晶体团。3.2碳纳米管的添加对纳米陶瓷复合材料力学性能的影响碳纳米管的轴向强度和韧性很高，因此理想的SWNT的强度大约是钢的100倍，超过1.0TPa，理论上估计最高伸长达20%，被称为“超级纤维”，因此经常用作复合材料的加强

7、体。Siegel等在氧化铝气体中添加了10vol%的多壁碳纳米管，使其绝热韧性比纯氧化铝提高了24%。准备了Jeong-WookAn等碳纳米管/氧化铝复合材料，研究结果表明碳纳米管可以提高氧化铝陶瓷的性能。赞等巴拉兹等柳学健等也在碳纳米管增强复相陶瓷方面进行了8研究。对纳米Si3N4陶瓷力学性能的影响：断裂韧性：图2显示了碳纳米管添加量对CNTs-Si3N4纳米复相陶瓷破裂韧性的影响。随着碳纳米管含量的增加，该复相陶瓷的破裂韧性首先上升，然后降低，可见碳纳米管添加量为4wt%时达到最大值。碳纳米管可以看作是“超级纤维”，因此碳纳米管对陶瓷气体的强化机制类似于纤维强化机制。本实验中，碳纳米管强化

8、Si3N4陶瓷的机制主要是拔出碳纳米管，碳纳米管的韧性高，气体裂纹扩展遇到碳纳米管时，由于应力集中，产生了弱碳纳米管/基态界面分析。变形进一步增加，碳纳米管断裂，断裂部分从气体中拔出。碳纳米管从气体中拔出时，通过界面摩擦吸收能量，增加材料的断裂和韧性。另一方面，裂纹偏转强化和碳纳米管桥强化8。图3-2碳纳米管含量对断裂韧性的影响碳纳米管的添加量必须在一定范围内，如果碳纳米管的含量在6wt%以上，则可以在图3的单端形体中观察多个碳纳米管的局部再结合。这种骨料的装载能力很有限，相当于气体中微米大小的缺陷。此外，这种疏松的团聚在气体和碳纳米管之间的结合处制造了孔，使材料的致密化受阻，使密度下降。凝聚

9、体被破坏和拔出时，需要克服碳纳米管之间的作用力，消耗一些绝热能量，但这种作用非常有限，其负作用超出了碳纳米管的强化效果，降低了材料的单韧性9。弯曲强度和硬度：碳纳米管的添加量影响纳米氮化硅陶瓷的抗折强度和硬度，如图3所示。从弯曲强度曲线可以看出，添加少量碳纳米管可以提高氮化硅陶瓷的弯曲强度，碳纳米管在添加2wt%时的弯曲强度最高。但是当碳纳米管含量大于6wt%时，该复相陶瓷的弯曲强度低于纯纳米氮化硅陶瓷的弯曲强度。碳纳米管的添加能否提高复合材料的强度，关系到其自身的力学性能和在气体中的分布状态。碳纳米管的强度和弹性系数很高，因此在碳纳米管含量低的时候(2wt%)，它很好地分散在气体中，大部分以

10、单碳纳米管的形式存在，成为Si3N4陶瓷的加强体，可以提高复合强度。随着碳纳米管含量的增加，在气体中的分散性变差，碳纳米管含量达到4wt%时，在末端产生小块，这些小块结构疏松，就像气体中出现缺陷，材料的强度对缺陷非常敏感，强化效果变差，弯曲强度开始下降。随着碳纳米管含量的进一步提高，复合材料的密度明显下降，弯曲强度相应降低，低于纯纳米氮化硅陶瓷9。图3-3碳纳米管含量对弯曲强度和硬度的影响图3的硬度图表明，当碳纳米管含量为2wt%时，硬度稍高，然后随着碳纳米管添加量的增加，纳米复相陶瓷的硬度逐渐降低。这表明，碳纳米管含量为2wt%时，由于碳纳米管的强化效果，硬度略有增加。但是，随着碳纳米管的添

11、加量的进一步增加，碳纳米管的再结合，复合材料的密度下降，聚集的碳纳米管切断氮化硅气体的连续性，显着降低材料的硬度9。 Ti(C，N)基金属陶瓷力学性能的影响：CNTs添加量不同的基于Ti(C，N)的金属陶瓷的硬度如图4所示。如图4所示，金属陶瓷的硬度随着CNTs添加量的增加首先增加，然后减少。CNTs添加量为0.5%时，基于Ti(C，N)的金属陶瓷的硬度达到最大值(91.9 HRA)。CNTs添加量为0.8%会降低金属陶瓷的硬度。这种现象与样品的孔隙和碳纳米管的性能有关。表1列出了根据国际标准ISO/BIS4505测量的样品的间隙。如表1所示，随着含氧量高的碳纳米管的添加，样品的孔隙率增加。这

12、是因为烧结样品中氧含量升高，润湿性变差。金属陶瓷的孔缝增加会降低材料的硬度，碳纳米管与钻石具有相当高的硬度，弥补了孔缝增加所产生的硬度减少。当碳纳米管的添加量低于0.5%时，由于样品孔间隙较小，材料的硬度仍然提高。添加量为0.8%时，烧结时不能干净地去除试样中的氧气，使孔间隙变大的幅度变大，碳纳米管本身在一定程度上凝聚在一起，随着添加碳纳米管的硬度提高，材料的硬度不足以弥补硬度的减少，因此材料的硬度降低了10。图3-4碳纳米管的添加量对金属陶瓷硬度的影响表3-1金属陶瓷的多孔性CNTs附加量对基于Ti(C，N)的金属陶瓷弯曲强度的影响如图5所示。如图5所示，CNTs添加量为0.5%时，基于Ti

13、(C，N)的金属陶瓷的弯曲强度达到了最大值(2180.7 MPa)，CNTs样品的弯曲强度提高了14.1%。CNTs添加量为0.8%时，金属陶瓷的弯曲强度明显降低。添加一定量的CNTs会提高金属陶瓷的弯曲强度，主要与组织和孔隙率的变化有关。如上分析所示，添加CNTs可以有效地微调金属陶瓷中的粒子。根据Hall-Petch关系，添加CNTs的金属陶瓷的平均结晶度降低，起到细颗粒增强作用，提高弯曲强度。但是，当CNTs添加量达到0.8%时，弯曲强度明显降低。这是由于样品的孔间隙大幅度增加而产生的11。图3-5碳纳米管的添加量对金属陶瓷弯曲强度的影响CNTs添加量对基于Ti(C，N)的金属陶瓷的断裂

14、韧性的影响如图6所示。如图6所示，金属陶瓷的破坏韧性随着CNTs添加量的增加，首先增加，然后降低。CNTs添加量为0.5%时，Ti(C，N)基金属陶瓷的绝热韧性达到了最大值(14.7 MPam1/2)，比没有CNTs样品的绝热韧性增加了18.5%。CNTs添加量为0.8%时金属陶瓷的破坏韧性急剧下降11。图3-6碳纳米管的添加量对金属陶瓷断裂韧性的影响碳纳米管增强MoSi2的力学性能研究：难熔化的金属间化合物二氧化钼(MoSi2)具有熔点(2030)、良好的抗氧化性、适当的密度，特别是温度上升时强度不会下降的宝贵R特性，这一迷人的高温物理化学特性已经引起了国际材料界的高度关注。MoSi2具有良

15、好的力学性能。常温下断裂强度f为560 MPa，韦伯斯特硬度Hv为10.6 GPa，断裂韧性KIC为2.25 MPam1/2。MoSi2的机械性质的缺点是室温坚硬、脆、强度高。纯MoSi2材料的主要隔热方式是结晶团，部分地区按晶体断裂。1250C以上高温可塑性良好，但强度低，容易发生蠕变。因此，要提高MoSi2的力学性能，必须采用低温强化和高温强化方法。以十二烷磺酸钠(C12H25SO3Na)为分散剂，将碳纳米管放入含有分散剂的乙醇溶液中，通过超声波进行物理分散，然后球磨，有效解决碳纳米管的分散问题。根据碳纳米管在其他陶瓷材料中强化的含量参考，选定CNTs/MoSi2的摩尔比在0.128-0.

16、953之间。采用单边切割梁三点弯曲折断法(SENB法)测试断裂韧性。范例大小为2 mm4 mm22 mm。图7是CNTs含量不同的CNTs/MoSi2复合材料的破裂韧性。如果CNTs的质量分数低于5%，则表明添加CNTs复合材料的单韧性比纯MoSi2高。添加了3% CNTs的CNTs/MoSi2复合材料的断裂韧性为4.60MPam1/2，大约是纯MoSi2的2.25 MPam1/2的1倍以上。说明CNTs的加入提高了MoSi2材料的断裂韧性12。图3-7碳纳米管含量不同的复合材料的断裂韧性四。陶瓷基复合材料的正交布置单轴拉伸行为连续纤维增强陶瓷基复合材料继承了陶瓷材料的高温特性，同时克服了陶瓷材料容易破碎故障的缺点，提高了实效性变形。单向陶瓷基复合材料在单轴拉伸载荷下将应力应变曲线分为初始弹性段、基础裂纹-界面解吸段和纤维失效段3个阶段13。实验采用微力学方法，正交研究了纳米陶瓷复合材料的单轴拉伸应力-应变行为。正交铺设陶瓷基复合材料，由于单轴拉伸载荷下90层的存在，应力应变曲线分为4个阶段，初始载荷下复合材料内部没有损伤，应力应变曲线是线性的。随着应力的增加，90层的横向裂纹首先出现，随着载荷的增加，横向裂纹数逐渐饱和，90层的横向裂纹导致应力应变曲线初级偏转。90层侧裂纹达到饱和后，部分侧裂纹扩展到0层，0层基床裂纹，纤维/基床界面解吸，随着载荷的增加，基床裂纹密度逐渐