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陶瓷基复合材料加工工艺(陶瓷基复合材料的研究热点)

陶瓷基复合材料加工工艺(陶瓷基复合材料的研究热点) 陶瓷基复合材料界面问题的探讨

陶瓷复合材料中两相(增强体和基体)之间的界面是一个表面。通常复合材料中的界面面积很大,增强体与基体的界面没有达到热力学平衡。

接口分类(根据不同的性能要求)

从晶体学的角度来看,有三种界面:共格、半共格和非共格。

非活性界面

增强相直接与基体结合形成原子键共格界面和半共格界面,有时形成非晶格界面。

优点:界面结合强度高,提高复合材料的强度。

中间反应层界面

存在于增韧相与基体之间,将二者结合起来。

优点:界面层一般为低熔点共晶相,有利于复合材料的致密化。这种界面增韧相与基体没有固定的取向关系。

界面特征

陶瓷基复合材料往往是在高温下制备的,由于增强体与基体之间的原子扩散,更容易在界面形成固溶体和化合物。此时的界面是一个具有一定厚度的反应区,可以很好地与基体和增强体结合,但通常是脆性的。由于加入的纤维截面多为圆形,界面反应层通常为空中心圆柱体,其厚度可以控制。

第一个临界厚度:当反应层达到一定厚度时,复合材料的抗拉强度开始下降,此时反应层的厚度。

第二临界厚度:如果反应层的厚度继续增加,材料的强度也会降低,直到达到一定的强度,这就是反应层的厚度。

我们以氮化硅陶瓷为例,看看不同界面的特点。

碳纤维增韧氮化硅

成型工艺对界面结构的影响:

①无压烧结工艺:C与Si反应严重,扫描电镜可观察到非常粗糙的纤维表面,纤维周围有空间隙;

②高温等静压工艺:较低的压力和温度使反应受到抑制,界面上没有反应,没有裂纹和空间隙,是一种理想的物理结合。

碳化硅晶须增韧氮化硅

通过反应、无压烧结或高温等静压可以获得无界面反应的复合材料;

①反应烧结和无压烧结:随着SiC晶须含量的增加,材料的密度降低,导致强度降低;

②高温等静压工艺:不出现上述情况。

陶瓷基复合材料的界面结合

界面结合有多种方式(粘合、粘接或粘贴等。),如静电键合、机械键合、润湿键合、反应键合等。对于陶瓷基复合材料,界面结合主要有两种类型:机械结合和化学结合。

机械粘合:

由于基体收缩大,冷却收缩后基体包裹增强相,产生压应力。

机械结合是通过渗透、高温扩散等方式使基体渗透或浸入增强纤维表面而形成的。

机械结合是低能弱结合,其界面强度低于化学结合。

化学键合:

通过原子或分子的扩散,在界面上形成固溶体或化合物,这就是化学键合。

界面的功能

图1界面强度对材料的影响

陶瓷基复合材料的界面应满足:

强度足以传递轴向载荷并具有高横向强度;

弱到足以引起沿界面的横向裂纹和裂纹偏转,直到纤维被拔出。

因此,陶瓷基复合材料的界面应该有一个最佳的界面强度。

强界面粘结往往导致脆性破坏,裂纹在复合材料的任何部位形成并迅速扩展到复合材料的横截面,导致平面断裂。这是因为纤维的弹性模量并不比基体高多少,所以强界面结合不会在断裂过程中产生额外的能量消耗。

如果界面结合较弱,当基体中的裂纹扩展到纤维时,会导致界面脱粘、裂纹偏转、裂纹桥联、纤维断裂,最终纤维拔出。所有这些过程都需要吸收能量,从而提高复合材料的断裂韧性。

为了实现弱界面,颗粒、晶须或纤维的表面往往镀有一层化合物或碳,这些化合物或碳容易被剪切和断裂,从而形成界面相。

界面的改进

为了获得最佳的界面结合强度,希望避免界面化学反应或尽量减小界面化学反应的程度和范围。

其实除了增强剂和基体的选择,在制备和材料服役过程中能形成热力学稳定的界面,就是纤维表面涂层处理。

图2纤维表面涂层对材料的影响

(a)没有纤维涂层;b和c:纤维涂层)

纤维表面涂层处理可以保护纤维,纤维表面双涂层处理是最常用的方法。其中,内涂层可以满足粘结和滑动的要求,外涂层可以防止纤维力学性能在较高温度下的退化。

 
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