讲陶瓷基复合材料的界面设计专业知识讲座

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• 由于热膨胀失配，低温下C/SiC的氧化更严重(下图)。
理论分析表明，增强体的直径越小，体积分数越低，界面结合强度越 低，界面热物理相容性越好。（设计原则）
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1.3 界面热化学相容性
由于在高温成形和服役的过程中很容易发生界面反应，陶瓷基复合材料的 界面热化学相容性很差。
界面反应可以分为两种：化学反应和固相烧结。
界面反应有三方面的后果：
一是产生强界面结合，降低断裂韧性；
二是损伤增强体，降低强度性能；
三是产生脆性界面相，即损伤纤维又加速界面裂纹扩展，降低强度和韧 性。
1.1 界面结合强度
根据强韧化原理，陶瓷基复合材料的强韧化需要合适的界面滑移与脱粘强 度，而界面滑移和脱粘强度与界面结合强度有关。界面结合强度越高，界 面滑移与脱粘强度也越高。
界面结合强度由机械结合、物理结合和化学结合三部分组成(下图)，其中界 面热化学反应产生的化学结合无疑是最强的。
即使不发生界面反应，陶瓷基复合材料也有强烈的强界面结合倾向。这是 由于制备温度高，热失配程度大，基体和增强体分子体积和晶格间距相近 等使得一方面可能发生界面烧结而使物理结合很强，另一方面可能产生高 径向压力而使机械结合很强。
1) 低模量—缓解热膨胀失配； 2) 低剪切强度—控制界面结合强度； 3) 与纤维和基体共有化学组元—防止界面化学反应。
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2. 陶瓷基复合材料的界面层
2.2 界面层与界面破坏
与增强体相比，低模量的界面层可以看作塑性体。当界面切应 力τi大于界面层的屈服剪切强度τy时
2. 陶瓷基复合材料的界面层
2.1 界面层的作用
依靠材料体系的选择使增强体和基体的界面满足界面热物理、界面热化学 和适当界面结合强度的条件很困难，使用界面层是解决陶瓷基复合材料界 面热膨胀失配、界面反应和界面强结合问题的最佳途径。
因此，陶瓷基复合材料的界面设计主要是界面层的设计。要同时解决这三 方面的问题，界面层必须满足下述基本条件：
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1.2 界面热物理相容性
对于陶瓷基复合材料，理想的状况是承载之前增强体受一定的张应力， 而使基体受一定的压应力，以提高基体的开裂应力。因此，从界面热物 理相容的角度讲增强体的热膨胀系数应该比基体稍大。
因此，陶瓷基复合材料应该避免发生界面反应。
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1.3 界面热化学相容性
• 界面化学反应可以分为固相反应和气相反应。发生固相反应后，增强体和基 体界面转变为界面区，包括一个界面相、两个界面和两个过渡层(下图)。
• 如果在增强体和基体之间预制与界面反应产物相同的界面层，不仅可以防止 界面反应，而且可以有效抑制界面扩散。由于界面层含有纤维和基体组元， 纤维和基体在界面层中的互扩散属于自扩散，而自扩散速度很低。
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裂纹在界面上的扩展是界面滑移的结果，而在界面层内的扩展是界面层屈服的 结果。显然，裂纹在界面层内的扩展阻力更大。如果界面的脱粘强度τd大于界 面层的屈服强度τy
τd > τy
则裂纹在界面层内扩展。
因此，界面屈服破坏比滑移破坏对陶瓷基复合材料的强韧化更有利。在没有界 面层的情况下，陶瓷基复合材料只能依靠界面滑移。在有界面层的情况下，陶 瓷基复合材料可以发生界面滑移，也可以发生界面屈服，并且可以通过界面层 厚度进行调整。
τi > τy 界面层内将发生屈服变形，增强体和基体组成屈服界面。屈服 界面增强体和界面的应力分布与滑移界面相似。
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2.2 界面层与界面破坏
由于界面层使陶瓷基复合材料的界面由增强体/基体界面转变为界面层Leabharlann Baidu增强体 和界面层/基体两种界面，裂纹在陶瓷基复合材料的界面扩展存在三种路径： 界面层-（增强体）纤维界面、界面层-基体界面和界面层内部。
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1. 陶瓷基复合材料界面问题
由于陶瓷基复合材料通常使用温度较高，界面 设计需要考虑： •界面结合强度 •界面热物理相容性 •界面热化学相容性
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2.3 影响界面结合强度的因素（界面）
1)界面层厚度
在界面层材料一定的情况下，界面结合强度与界面层厚度有关：
•界面层太薄，界面结合强度过高，复合材料呈脆性破坏； •界面层太厚，界面结合强度过低，复合材料呈剪切破坏； 随着界面层厚度增加，复合材料的韧性提高，但强度降低；因此界 面层厚度存在最佳取值范围。
但一般来说，陶瓷基复合材料的热膨胀失配程度通常比较严重：一方面，
高模量高强度增强体的热膨胀系数可能比基体小或与基体接近；另一方面
，可能在某一温度区间内匹配而在其它温度区间内失配。在低温下热膨胀 失配使增强体受压应力，基体受拉应力，而在高温下正好相反。
因此，增强体轴向的热膨胀失配严重时不仅使基体产生裂纹，而且损伤增 强体。低温下基体裂纹的存在使陶瓷基复合材料的抗环境性能下降而且对 温度梯度很敏感。
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课程安排
1、概论 2、陶瓷基复合材料的增韧原理及界面设计 3、颗粒弥散陶瓷基复合材料 4、纤维（晶须）增强基复合材料 5、C/C复合材料 6、功能陶瓷复合材料（仿生结构、吸波陶瓷、智能 陶瓷复合材料、纳米陶瓷复合材料） 7、功能陶瓷复合材料的发展趋势及应用