智能无机非金属材料

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3.2.3微波辐射使陶瓷材料内部裂纹愈合
微波加热原理：电磁波导致材料内部的可极化物质( 电子、离子、极化分子、空泛电荷等 )发生频繁反转或摩擦而发热。
微波加热的选择性 不同材料内部可极化物质的种类和数量不同， 微波诱导发热的难易程度就不同。如果材料中含有 不同类型的物质，其中某些组元的升温速度可能比 周围要快。
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3.1.2添加碳纤维的混凝土材料的自诊断
利用碳纤维拉伸形变时电阻的变化检测混凝土结构 内部的应力状态。 方法一： 将碳纤维与玻璃纤维组合形成的纤维束 包裹在树脂中，形成复合材料的“扎”， 埋入混凝土结构中。 在拉伸应力下，随加载增加，材料电阻逐渐升高， 当加载到材料强度的70％或形变达到允许形变量的 60％左右时，碳纤维断裂，电阻值出现急剧升高趋 势。 据此可以预测纤维束完全断裂前的状态，达到预警 的目的。
增韧机制：长纤维的复合、桥接、分散相的复合、增韧相的 拔出、相变增韧、晶体结构的微细化等。
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理想的自诊断方法：增韧机制与自诊断功能同时并存。
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3.1.1陶瓷基复合材料的自诊断
电检测技术 通过向绝缘的陶瓷基体中添加导电相 从而制成具有一定导电性的陶瓷基复合材 料的途径来实现。
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导电陶瓷基复合材料的导电机理
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方法二：将剪成 5mm左右的短碳纤维直接加入到混凝 土中，起到增强增韧效果。
循环拉伸载荷：拉伸时电阻值升高，卸载时 电阻值又下降回复到接近原始值。
压敏性：随压力的增大，材料电 阻率先减小然后又逐渐增大，可 很好的反映结构内应力场及裂纹 的产生、闭合、张开和扩展。
3.1.3利用线性电容的自诊断——介电检测
在人造材料中加入一些易扩散的物质或修复剂， 在材料出现损伤时，内部组分向损伤部位迁移，聚 集并结合成高硬度的新物质；或者损伤部位的修复 剂被释放出来进行修复，从而使损伤愈合。
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3.2.1高温下陶瓷涂层的自动成膜机制
在高温真空器件使用的不锈 钢中加入少量B和N元素； B和N元素在温度和压力作用 下向表层迁移扩散、聚集并 结合成一层致密的BN高温陶 瓷保护层；
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3.1 陶瓷及非金属材料的自诊断效应
自诊断：依靠材料内部的组分或结构的变化产生 的信号而自行检测、监测和诊断材料内 部的缺陷或裂纹的发展的方法。 诊断内容：应力状态、应变量、相变、缺陷或裂纹 发展过程等。 自诊断功能来源：导电相 ( 连续长纤维、分散增 韧相 ) 、晶界相、多层结构、 介电体、压电体等的应用。
式中：B为电子穿透效应的材料常数；△E为电导势垒， 是与基体性质有关的常数。 (2) 网络分布（粒子导电机理）
f (r, l, D)
式中：r为导电粒子间接触面半径；l为表征粒子分散 程度的特征长度；D为导电相的有效尺寸。 利用应变与电阻率的对应变化关系实现对材料内部应 力状态的诊断。
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晶须复合陶瓷材料的电学检测 （1）SiC晶须复合CaF2材料
高 温 下 铌 在 氮 化 硅 表 面 形 成 Nb2O5-NbO2Nb2O3-NbN的过渡氧化物层。
Nb2O5 NbO2 Nb2O3 NbN
空气 /O2
Si3N4+NbN
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这些氧化物为玻璃态，呈致密状覆盖在表面， 隔断氧气向内部侵入； 氧通过氧化层继续向内扩散时，氧将依次与 氧化层中价态较低的铌的氧化物或氮化物反 应，生成更高价态的氧化物，从而有效地阻 挡氧向深度扩散； Si3N4 和 NbN 与氧反应生成 N2 ，形成局部还原 环境，抑制氧化。 氧化层——类似人“掌茧”的功能
布设光纤网络——监测混凝土结构各部位的应力和变形， 实现分布式监测，对裂缝进行定位。
光纤机敏混凝土结构——一种具有强大自监测和自诊断 功能的智能结构。 应用：美国Schiessbergstrase大桥的桥面监测。
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3.2自修补自愈合材料
生物材料的自修复、自愈合：
树木 贝壳 手茧
人造材料的自修补、自愈合设计思路
隧道导电：电子跃过颗粒间隙绝缘基体构成的势 垒而形成电流通道。 粒子导电：当导电颗粒含量增加到一定程度，颗 粒间相互接触而形成导电粒子链，复合材料通过 颗粒网络导电。
导电模型
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(1) 分散分布（隧道导电机制） 材料的电阻率与导电相之间的有效距离ω和温度 T 之 间的关系：
expB expE / kT
利用非导电材料的介电参数与应力应变关系进行 自检测。 碳纤维增强塑料（CFRP） 交叠层合物
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3.1.4添加光纤的混凝土结构的自诊断
将光纤直接埋入混凝 土结构中 光在强度、相位、波长 及偏振等方面发生变化 结构因受力和温度变化 产生变形或裂缝 确定结构的应力、 变形或裂缝 光纤产生变形
实现结构应力、变形和 裂纹的自监测和自诊断
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实例：在氮化硅陶瓷中加入少量介电常数较大的 碳化钛和碳化铌等颗粒。 自愈合机制： 碳化物热膨胀系数较 大，晶粒也较大，受 力时材料内部的微细 裂纹易沿着碳化物晶 粒扩展。 碳化物颗粒优先加热， 温度高于周围基质氮 化硅和晶界，促使碳 化物颗粒向周围扩散 并愈合周围的微细裂 纹和孔隙。
当形变量达到最大许 可形变量的一半时，电阻 值呈现急剧增加的趋势， 这是断裂的前兆，由此显 示了裂纹预测的可能性。
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（2）SiC晶须复合Si3N4陶瓷 材料
体电阻值随拉力和 应变的增加而增加，并 且是可逆的。据此可以 预测陶瓷内部拉伸应力 的大小。 压力载荷的循环不能引 起电阻的明显变化。 用电阻值变化不能检测压 力破坏。
其成分和结构与基体材料呈 递变过渡状态，亲和性和相 容性好，结合牢固。
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3.2.2高温陶瓷的高温氧化自适应性
陶瓷材料在高温状态下的破坏
——组分高温氧化和表面裂纹纵深发展的 相互促进过程。
自修复思路：加入某种物质能够在高温下自动“流 入”裂纹并屏蔽内部组织与氧气的接 触
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实 例：在氮化硅陶瓷中加入少量NbN 自适应抗氧化机制：
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颗粒复合陶瓷材料的电学检测 Si3N4陶瓷中加入TiN颗粒： 用抗拉强度 50 ％的拉力进行加载实验，在载 荷除去后，残余电阻仍较明显。用残余电阻值可 估测材料的负载历史。
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层状复合陶瓷材料的电学检测 添加25％-30％导电TiN颗粒的氮化硅层与BN 层相间叠层，经压制、除碳及烧结而成。
通过检测其电阻值的变化能可靠地监测和预报材 料是否发生断裂。