提高无机材料强度及改善韧性的途径课件

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1、提高无机材料强度及改善韧性的途径课件材料强度的本质是内部质点间的结合力。材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、断裂表面能、断裂表面能 和裂纹尺寸和裂纹尺寸c。E是非结构敏感的。是非结构敏感的。 单相材料的微观结构对单相材料的微观结构对 的影响不大。的影响不大。因此，唯一可以控制的是材料中的微裂纹。因此，唯一可以控制的是材料中的微裂纹。提高无机材料强度及改善韧性的途径课件微裂纹可以理解为各种缺陷的总和。所以，材料的强化主微裂纹可以理解为各种缺陷的总和。所以，材料的强化主要从消除缺陷以及阻止其发展考虑。要从消除缺陷以及阻止其发展

2、考虑。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，如热压工艺制备的氮化硅陶微晶、高密度和高纯度陶瓷，如热压工艺制备的氮化硅陶瓷，密度接近理论值，气孔率几乎为零。瓷，密度接近理论值，气孔率几乎为零。提高无机材料强度及改善韧性的途径课件将块体材料制成细纤维，强度大约提高一个数量级，而制成晶将块体材料制成细纤维，强度大约提高一个数量级，而制成晶须则提高两个数量级。晶须提高强度的主要须则提高两个数量级。晶须提高强度的主要 原因之一就是提高原因之一就是提高了晶体的完整性。晶须强度随晶须截面直径的增加而降低。了晶体的完整性。晶须强度随晶须截面直径的增加而降低。提高无机材料强度及改善韧

3、性的途径课件提高抗裂能力与预加应力提高抗裂能力与预加应力人为地预加应力，在材料表面造成一层压应力层，可以提高人为地预加应力，在材料表面造成一层压应力层，可以提高材料的抗拉强度。材料的抗拉强度。脆性断裂通常是在拉应力作用下，自表面开始断裂。如果在脆性断裂通常是在拉应力作用下，自表面开始断裂。如果在表面预加一层压应力，表面受到拉伸破坏之前首先要克服表表面预加一层压应力，表面受到拉伸破坏之前首先要克服表面上的残余压应力。面上的残余压应力。通过加热、冷却，在表面层中引入残余压应力的过程叫做热通过加热、冷却，在表面层中引入残余压应力的过程叫做热韧化。韧化。（钢化玻璃（钢化玻璃 及氧化铝及氧化铝 P93-

4、94）提高无机材料强度及改善韧性的途径课件化学强化化学强化当热韧化无法达到更高的表面残余应力时，采用化学强化，当热韧化无法达到更高的表面残余应力时，采用化学强化，即离子交换的办法。即离子交换的办法。通过改变表面化学组成，使表面的摩尔体积比内部大。由通过改变表面化学组成，使表面的摩尔体积比内部大。由于表面体积膨大而受到内部材料的限制，产生两向状态的于表面体积膨大而受到内部材料的限制，产生两向状态的压应力。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（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百微米内 ）将表面抛光及化学处理以消除表面缺陷也能提高强度。将表面抛光及化学处

5、理以消除表面缺陷也能提高强度。提高无机材料强度及改善韧性的途径课件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，由于受到基体约束力的定相。在低于相变温度的条件下，由于受到基体约束力的抑制，未转化的四方抑制，未转化的四方ZrO2相保持其介稳状态；当基体的相保持其介稳状态；当基体的约束力在外力作用下减弱或消失，粒子从高能态转化

6、为低约束力在外力作用下减弱或消失，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。提高无机材料强度及改善韧性的途径课件5. 弥散增韧弥散增韧在基体中加入在基体中加入 (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，达到增韧的效果，称为弥散增韧。达到增韧的效果，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，增加了断裂表面能，改善了韧形来吸收弹性应变能的释放

7、，增加了断裂表面能，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增加复合材料的断裂表面能，特别是高温断裂韧性。增加复合材料的断裂表面能，特别是高温断裂韧性。提高无机材料强度及改善韧性的途径课件提高无机材料强度及改善韧性的途径课件 不同Si含量试样的断口SEM照片 (a) Pure B4C；(b) B4C-4wt.%Si；(c) B4C-8wt.%Si；(d) B4C-12wt.%Si提高无机材料强度及改善韧性的途径课件 B4C基复合材料的裂纹扩展 (a, b) Pure B4C；(c, d) B4C-8wt.%Si提高无机材料

8、强度及改善韧性的途径课件6. 纤维增韧纤维增韧在陶瓷中加入高弹性模量的纤维在陶瓷中加入高弹性模量的纤维（或晶须、纳米管等具有较高（或晶须、纳米管等具有较高长径比的一维材料）长径比的一维材料），受力时，由于纤维的强度及弹性模量，受力时，由于纤维的强度及弹性模量高，大部分应力由纤维承受，减轻了陶瓷基体的负担，而高，大部分应力由纤维承受，减轻了陶瓷基体的负担，而且，纤维还可以阻止裂纹扩展。且，纤维还可以阻止裂纹扩展。如用碳纤维增强石英玻璃，抗弯强度为纯石英玻璃的如用碳纤维增强石英玻璃，抗弯强度为纯石英玻璃的12倍，断裂功提倍，断裂功提高高2-3个数量级。个数量级。提高无机材料强度及改善韧性的途径课件

9、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排列方式等。度以及纤维在基体中的排列方式等。1) 应选择强度及弹性模量比基体高的纤维，使纤维尽可应选择强度及弹性模量比基体高的纤维，使纤维尽可能多地承担外加负荷。能多地承担外加负荷。（受力时，应变相同时，应力之比等于弹（受力时，应变相同时，应力之比等于弹性模量之比）。性模量之比）。2) 二者结合强度适当。二者结合强度适当。（P96）3) 应力作用的方向应与纤维平行，才能发挥纤维的作用。应力作用的方向应与纤维平行，才能发挥纤维的作用。提高无机材料强度及改善韧性的途径课件4) 二

10、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。略大于基体。（复合材料烧结、冷却后纤维受拉，基体受压，起（复合材料烧结、冷却后纤维受拉，基体受压，起到预加应力的作用）到预加应力的作用）5) 要考虑高温时的化学相容性。不能在高温下发生降低要考虑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应。纤维性能的化学反应。提高无机材料强度及改善韧性的途径课件碳纳米管碳纳米管 (CNTs) 被认为是石墨烯片被认为是石墨烯片 (石墨的六角网格平石墨的六角网格平面面) 卷曲形成的中空碳笼管，而石墨烯片的碳卷曲形成的中空碳笼管，而石墨烯片的碳-碳碳s

11、p2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。提高无机材料强度及改善韧性的途径课件提高无机材料强度及改善韧性的途径课件提高无机材料强度及改善韧性的途径课件碳纳米管电池 寿命提高10倍提高无机材料强度及改善韧性的途径课件实验测得实验测得MWNTs的的杨氏弹性杨氏弹性模量平均为模量平均为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，而密度却只有倍，而密度却只有钢的钢的1/71/6。CNTs可以承受可以承受100万个大气压的压力而不破万个大气压的压力而不破裂，可

12、能是目前比强度和比刚度最高的材料，极有可能取裂，可能是目前比强度和比刚度最高的材料，极有可能取代目前亚微米级晶须增韧材料、纤维增强体材料而成为超代目前亚微米级晶须增韧材料、纤维增强体材料而成为超强材料。另外，强材料。另外，CNTs具有非常优异的电、热性能及力学具有非常优异的电、热性能及力学性能，已被广泛用作聚合物、金属、陶瓷等基体材料的改性能，已被广泛用作聚合物、金属、陶瓷等基体材料的改性及增强剂性及增强剂。提高无机材料强度及改善韧性的途径课件表面修饰剂PVP对未经硝酸处理MWCNTs形貌的影响(a) 原始MWCNTs；(b) 加入分散剂提高无机材料强度及改善韧性的途径课件B4C-Si体系添加不同含量MWCNTs试样的断口SEM照片 0 wt.% MWCNTs； (b) 1 wt.% MWCNTs；(a) (c) 2 wt.% MWCNTs；(d) 3 wt.% MWCNTs提高无机材料强度及改善韧性的途径课件提高无机材料强度及改善韧性的途径课件提高无机材料强度及改善韧性的途径课件作业：作业：P106 1, 2, 6