2.9 提高无机材料强度及改善韧性的途径
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2.9 提高无机材料强度及改善韧性的途径
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E、断裂表面能 和裂纹尺寸c。 E是非结构敏感的。 单相材料的微观结构对的影响不大。 因此，唯一可以控制的是材料中的微裂纹。
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。
性及增强剂。
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
B4C-Si体系添加不同含量MWCNTs试样的断口SEM照片 (a) 0 wt.% MWCNTs； (b) 1 wt.% MWCNTs； (b) (c) 2 wt.% MWCNTs；(d) 3 wt.% MWCNTs
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。 （ZrO2 P95）
在基体中，四方ZrO2是高温稳定相，单斜ZrO2是低温稳
定相。在低于相Leabharlann Baidu温度的条件下，由于受到基体约束力的
抑制，未转化的四方ZrO2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，粒子从高能态转化为低 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。
5. 弥散增韧
在基体中加入 (或原位生成) 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。
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
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。
Fracture toughness (MPa∙m1/2)
Pure B4C
85.1
175
4.25
B4C-4wt.%Si
94.3
283
4.37
B4C-8wt.%Si
99.0
354
5.04
B4C-12wt.%Si
99.0
302
4.76
不同Si含量试样的断口SEM照片 (a) Pure B4C；(b) B4C-4wt.%Si； 图 3. 1 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
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。
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
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
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。
4. 相变增韧
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 提高2-3个数量级。
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。
1) 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。（受力时，应变相同时，应力之比等于弹
性模量之比）。
2) 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。
表 3. 1 不同 Si 含量试样的相对密度及力学性能 Table 3. 1 Relative densities and mechanical properties of B4C based specimens
Relative density (%)
Flexural strength (MPa)
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。
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
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 韧化。（钢化玻璃 及氧化铝 P93-94）
3.化学强化
4) 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。（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）
5) 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。
碳纳米管 (CNTs) 被认为是石墨烯片 (石墨的六角网格平
面) 卷曲形成的中空碳笼管，而石墨烯片的碳-碳sp2杂化
(c) B4C-8wt.%Si；(d) B4C-12wt.%Si
B4C基复合材料的裂纹扩展 (a, b) Pure B4C；(c, d) B4C-8wt.%Si
6. 纤维增韧
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
长径比的一维材料），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 且，纤维还可以阻止裂纹扩展。
作业：P106 1, 2, 6
1.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 瓷，密度接近理论值，气孔率几乎为零。
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 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。
2.提高抗裂能力与预加应力
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。
碳纳米管电池 寿命提高10倍
实验测得MWNTs的杨氏弹性模量平均为1.8 TPa，弯曲强 度为14.2 GPa，抗拉强度约为钢的100倍，而密度却只有
钢的1/7~1/6。CNTs可以承受100万个大气压的压力而不破
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 强材料。另外，CNTs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
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E、断裂表面能 和裂纹尺寸c。 E是非结构敏感的。 单相材料的微观结构对的影响不大。 因此，唯一可以控制的是材料中的微裂纹。
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。
性及增强剂。
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
B4C-Si体系添加不同含量MWCNTs试样的断口SEM照片 (a) 0 wt.% MWCNTs； (b) 1 wt.% MWCNTs； (b) (c) 2 wt.% MWCNTs；(d) 3 wt.% MWCNTs
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。 （ZrO2 P95）
在基体中，四方ZrO2是高温稳定相，单斜ZrO2是低温稳
定相。在低于相Leabharlann Baidu温度的条件下，由于受到基体约束力的
抑制，未转化的四方ZrO2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，粒子从高能态转化为低 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。
5. 弥散增韧
在基体中加入 (或原位生成) 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。
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
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。
Fracture toughness (MPa∙m1/2)
Pure B4C
85.1
175
4.25
B4C-4wt.%Si
94.3
283
4.37
B4C-8wt.%Si
99.0
354
5.04
B4C-12wt.%Si
99.0
302
4.76
不同Si含量试样的断口SEM照片 (a) Pure B4C；(b) B4C-4wt.%Si； 图 3. 1 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
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。
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
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
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。
4. 相变增韧
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 提高2-3个数量级。
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。
1) 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。（受力时，应变相同时，应力之比等于弹
性模量之比）。
2) 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。
表 3. 1 不同 Si 含量试样的相对密度及力学性能 Table 3. 1 Relative densities and mechanical properties of B4C based specimens
Relative density (%)
Flexural strength (MPa)
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。
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
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 韧化。（钢化玻璃 及氧化铝 P93-94）
3.化学强化
4) 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。（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）
5) 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。
碳纳米管 (CNTs) 被认为是石墨烯片 (石墨的六角网格平
面) 卷曲形成的中空碳笼管，而石墨烯片的碳-碳sp2杂化
(c) B4C-8wt.%Si；(d) B4C-12wt.%Si
B4C基复合材料的裂纹扩展 (a, b) Pure B4C；(c, d) B4C-8wt.%Si
6. 纤维增韧
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
长径比的一维材料），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 且，纤维还可以阻止裂纹扩展。
作业：P106 1, 2, 6
1.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 瓷，密度接近理论值，气孔率几乎为零。
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 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。
2.提高抗裂能力与预加应力
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。
碳纳米管电池 寿命提高10倍
实验测得MWNTs的杨氏弹性模量平均为1.8 TPa，弯曲强 度为14.2 GPa，抗拉强度约为钢的100倍，而密度却只有
钢的1/7~1/6。CNTs可以承受100万个大气压的压力而不破
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 强材料。另外，CNTs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