纳微米双相颗粒增强陶瓷基复合材料力学性能的数值模拟
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于显 微 结构 及 制备 工 艺都 较 为复 杂 ， 目前 对 纳 微 米 双 相 颗 粒 增 强 复 合 材 料 力 学 特 性 的 研 究 还 没 有 得 到
可靠 的理 论 和实验 结 果 。 计算 机模 拟 ” “ 已经是 自然 科学在 “ 验 ” “ 实 和 解析 理论 ” 以外 的第 三分 支 ， 能够 以
关 键 词 ： 微 米 颗粒 ； 相 陶 瓷 ； 面 应 力 ； 粒 分 布 模 型 ； 质 化 法 纳 复 界 颗 均
中图分类号 ： ＴＢ３ Ｏ３ ２． ４ 文 献 标 志码 ： Ａ
陶 瓷基 复合 材 料 （ ＣＭＣ ） ｓ 因其 高强 度 、 抗腐 蚀 、 高温 和 低 密 度等 特 点 ， 耐 已成 为 一 种很 有 发 展 前 景 的结 构材 料 。 陶瓷 材料 的硬脆 性 限制 了其在 许 多技 术领域 的应用 。 了提 高 陶瓷材 料 的韧性 和 强 度 ， 但 为 科学 工作 者 研究 了短纤 维 、 续纤 维 及其 织 物 和编 织 体等 增 强 相 改善 陶瓷 材 料 的增 强增 韧 机 制ｕ ｊ颗 连 ，
收 稿 日期 ： ０ ９ １ － ０ ２ ０ — ０３
基 金 项 目 ： 家 自然 科 学 基 金 资 助项 目 （Ｏ ７ Ｏ ７ ＡＯ Ｏ Ｏ ）教 育部 留 学 回 国基 金 资 助 项 目（ ０ ８ ９ ）佛 山 市 科 技 专 项 国 １７ ２ ４ ／ ２ ２ ６ ； ２０８０ ； 基 金 资 助 项 目（０ ７ ５ Ｂ ２００５ ）
摘 要 ： 包 晶 型 （ 米 颗 粒 包 围 微 米 颗 粒 ） 内 晶 型 （ 米 颗 粒嵌 于 微 米 颗 粒 中 ） 以 纳 和 纳 ２种 分 布 状 态 的 特 征 体 积 单 元 为研 究对 象 ． 用 整 体一 部 均 质 化方 法 从 数 值 分 析 的角 度 计 算 了 复 相 陶瓷 材 料 中 纳 米 颗 粒 与 微 米 颗 粒 的排 列 利 局 方 式 、 积 比 、 径 比 、 面 特 征 等 纳 微 观结 构 特 性对 纳微 米 颗 粒 增 强 陶 瓷基 复合 材料 有 效 弹 性 模 量 的 影 响 。 体 粒 界 结 果 表 明 纳 微 米 颗粒 呈 包 晶 型 分 布 状 态 时 ， 随体 积百 分 比 的增 加 ， 效 模 量 增 大 较 为 显 著 ； 矩 形 特 征 体 积 单 元 有 与 相比 。 边 形情况估算 有效弹性模 量偏高 ； 微米颗粒粒径 比越小 ， 粒分 布越均匀 ． 六 纳 颗 有效 弹 性 模 量 越 大 ： 观 微
粒增 强 陶瓷基 复合 材 料也 是研 究 的焦 点之 一＿ 。 粒复合 增强 的 效果 主要 决定 于颗粒 的物 理 、 学 和结 ５ 颗 ］ 化 晶学 性能 及其 形状 和 尺寸 。 去人 们 习惯采 用微 米级 的颗粒 复合 ， 效果 不显 著 。 理等 人［ 采 用纳 米 过 但 李 ６
颗粒 复合 时 ， 得到 了较 为显 著 的增韧 补 强效 果 ， ｉａａｒ Ｎｉ ｒＯ 等人 在 Ａｌ 体 中加 入 ５ 的 ＳＣ 纳米 尺 寸 ｈ ］ 基 Ｏ ｉ 颗粒 ， 其抗 弯 强度 从 ３ ０Ｍｐ 使 ５ ａ提 高 到约 １ ０Ｇｐ ， 且韧 性 也有 一定 的提 高趋 势 ， 一 步证 明 了颗 粒 ． ａ 而 进 的尺寸大 小对 陶瓷 材 料 的增强 增韧 效 果有 较大 的影 响 。随后 又有 研 究者 推断 如果 在 陶瓷 基 体 中同 时 引 入微 米 和纳 米颗粒 ， 两 种颗 粒相 互补 充 、 同作用 ， 使 协 就有 可 能制 备 出超 强 、 韧 的高性 能 陶瓷材 料 。 由 超
Ｍ ａ Ｏ１ ｙ２ ０
文 章 编 号 ：０ ８ ０ １ ２ １ ０ － ０ ７０ １ ０ — １ （ ０ ０） ３ ０ ３ － ７ ７
wk.baidu.com
纳 微 米 双 相 颗 粒 增 强 陶瓷 基 复 合 材 料 力 学 性 能 的 数 值 模 拟
胡 金 山 ， 文 亮 杨 虹 。罗 冬 梅。 朱 ， ，
第 ２ ８卷第 ３ 期
２１ ０ ０年 ５月
．
佛 山科 学技 术学 院学报 （ 自然科 学版 ）
１ ｕ ｎ ｌ ｆＦ ｓ ａ ｉｅ ｓｔ （ ｔ ｒ ｌＳ ｉｎ ｅＥｄｔｏ ｏ ｒ ａ ｏ ｈ ｎ Ｕｎ ｖ ｒｉｙ Ｎａ ｕ ａ ｃｅ ｃ ｉ ｎ） ｏ ｉ
Ｖ ｏ ． ８ ＮＯ． １２ ３
（ ．兰 州 交通 大 学 土 木 工 程 学 院 ． 肃 兰 州 ７ ０ ７ ；． 南理 工 大 学 土 木 与 交通 学 院 ． 东 广 州 ５ ０ ４ １ 甘 ３ ００ ２ 华 广 ｌ６ １
３ 佛 山科 学技 术 学 院 土 木 工 程 与 建 筑 系 ， 东 佛 山 ， ２ ０ ０ ． 广 ５８ ０ ）
颗 粒 与 基 体 间 的界 面损 伤 比 纳 观 颗 粒 与 基 体 的界 面损 伤更 易 于 导 致 材 料 的有 效 刚 度 降 低 。从 晶 粒 细 化 特 征 及
显 微 结 构 等 因 素 解 释合 理 的 纳 微 观 复 相 颗 粒 分 布 对 陶瓷 基 复合 材 料 的 有 效 弹 性 模 量 的 改 善 效 应 。
一
种 与传 统 方法稍 微 不 同的 方式 提 出问题 和解 决 问题 。 般 来说 ， 料结 构 和性 能 的计算 机模 拟 可 以 分 一 材
成两 类 ： 连续 体模 型 和原 子论 模型 。原子 论模 型所 涉及 的材 料 常常 是单 个原 子 的聚集 体 ， 中每 一个 原 其 子 都 是独 立 的研 究单 元 ， 分子 动 力 学 （ 如 ＭＤ） 法 ＿和 Ｍｏ ｔ Ｃ ｒ ＭＣ）９ 方 ８ ｎｅ ａｌ ｏ（ Ｌ 方法 。由 于计 算技 术 的 限 制， 模拟 的速 度 和精 度都 还无 法达 到计 算 要求 。与此相 比 ， 连续 体模 拟 的有 限元 方法 在材 料 的力 学 性 能
可靠 的理 论 和实验 结 果 。 计算 机模 拟 ” “ 已经是 自然 科学在 “ 验 ” “ 实 和 解析 理论 ” 以外 的第 三分 支 ， 能够 以
关 键 词 ： 微 米 颗粒 ； 相 陶 瓷 ； 面 应 力 ； 粒 分 布 模 型 ； 质 化 法 纳 复 界 颗 均
中图分类号 ： ＴＢ３ Ｏ３ ２． ４ 文 献 标 志码 ： Ａ
陶 瓷基 复合 材 料 （ ＣＭＣ ） ｓ 因其 高强 度 、 抗腐 蚀 、 高温 和 低 密 度等 特 点 ， 耐 已成 为 一 种很 有 发 展 前 景 的结 构材 料 。 陶瓷 材料 的硬脆 性 限制 了其在 许 多技 术领域 的应用 。 了提 高 陶瓷材 料 的韧性 和 强 度 ， 但 为 科学 工作 者 研究 了短纤 维 、 续纤 维 及其 织 物 和编 织 体等 增 强 相 改善 陶瓷 材 料 的增 强增 韧 机 制ｕ ｊ颗 连 ，
收 稿 日期 ： ０ ９ １ － ０ ２ ０ — ０３
基 金 项 目 ： 家 自然 科 学 基 金 资 助项 目 （Ｏ ７ Ｏ ７ ＡＯ Ｏ Ｏ ）教 育部 留 学 回 国基 金 资 助 项 目（ ０ ８ ９ ）佛 山 市 科 技 专 项 国 １７ ２ ４ ／ ２ ２ ６ ； ２０８０ ； 基 金 资 助 项 目（０ ７ ５ Ｂ ２００５ ）
摘 要 ： 包 晶 型 （ 米 颗 粒 包 围 微 米 颗 粒 ） 内 晶 型 （ 米 颗 粒嵌 于 微 米 颗 粒 中 ） 以 纳 和 纳 ２种 分 布 状 态 的 特 征 体 积 单 元 为研 究对 象 ． 用 整 体一 部 均 质 化方 法 从 数 值 分 析 的角 度 计 算 了 复 相 陶瓷 材 料 中 纳 米 颗 粒 与 微 米 颗 粒 的排 列 利 局 方 式 、 积 比 、 径 比 、 面 特 征 等 纳 微 观结 构 特 性对 纳微 米 颗 粒 增 强 陶 瓷基 复合 材料 有 效 弹 性 模 量 的 影 响 。 体 粒 界 结 果 表 明 纳 微 米 颗粒 呈 包 晶 型 分 布 状 态 时 ， 随体 积百 分 比 的增 加 ， 效 模 量 增 大 较 为 显 著 ； 矩 形 特 征 体 积 单 元 有 与 相比 。 边 形情况估算 有效弹性模 量偏高 ； 微米颗粒粒径 比越小 ， 粒分 布越均匀 ． 六 纳 颗 有效 弹 性 模 量 越 大 ： 观 微
粒增 强 陶瓷基 复合 材 料也 是研 究 的焦 点之 一＿ 。 粒复合 增强 的 效果 主要 决定 于颗粒 的物 理 、 学 和结 ５ 颗 ］ 化 晶学 性能 及其 形状 和 尺寸 。 去人 们 习惯采 用微 米级 的颗粒 复合 ， 效果 不显 著 。 理等 人［ 采 用纳 米 过 但 李 ６
颗粒 复合 时 ， 得到 了较 为显 著 的增韧 补 强效 果 ， ｉａａｒ Ｎｉ ｒＯ 等人 在 Ａｌ 体 中加 入 ５ 的 ＳＣ 纳米 尺 寸 ｈ ］ 基 Ｏ ｉ 颗粒 ， 其抗 弯 强度 从 ３ ０Ｍｐ 使 ５ ａ提 高 到约 １ ０Ｇｐ ， 且韧 性 也有 一定 的提 高趋 势 ， 一 步证 明 了颗 粒 ． ａ 而 进 的尺寸大 小对 陶瓷 材 料 的增强 增韧 效 果有 较大 的影 响 。随后 又有 研 究者 推断 如果 在 陶瓷 基 体 中同 时 引 入微 米 和纳 米颗粒 ， 两 种颗 粒相 互补 充 、 同作用 ， 使 协 就有 可 能制 备 出超 强 、 韧 的高性 能 陶瓷材 料 。 由 超
Ｍ ａ Ｏ１ ｙ２ ０
文 章 编 号 ：０ ８ ０ １ ２ １ ０ － ０ ７０ １ ０ — １ （ ０ ０） ３ ０ ３ － ７ ７
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纳 微 米 双 相 颗 粒 增 强 陶瓷 基 复 合 材 料 力 学 性 能 的 数 值 模 拟
胡 金 山 ， 文 亮 杨 虹 。罗 冬 梅。 朱 ， ，
第 ２ ８卷第 ３ 期
２１ ０ ０年 ５月
．
佛 山科 学技 术学 院学报 （ 自然科 学版 ）
１ ｕ ｎ ｌ ｆＦ ｓ ａ ｉｅ ｓｔ （ ｔ ｒ ｌＳ ｉｎ ｅＥｄｔｏ ｏ ｒ ａ ｏ ｈ ｎ Ｕｎ ｖ ｒｉｙ Ｎａ ｕ ａ ｃｅ ｃ ｉ ｎ） ｏ ｉ
Ｖ ｏ ． ８ ＮＯ． １２ ３
（ ．兰 州 交通 大 学 土 木 工 程 学 院 ． 肃 兰 州 ７ ０ ７ ；． 南理 工 大 学 土 木 与 交通 学 院 ． 东 广 州 ５ ０ ４ １ 甘 ３ ００ ２ 华 广 ｌ６ １
３ 佛 山科 学技 术 学 院 土 木 工 程 与 建 筑 系 ， 东 佛 山 ， ２ ０ ０ ． 广 ５８ ０ ）
颗 粒 与 基 体 间 的界 面损 伤 比 纳 观 颗 粒 与 基 体 的界 面损 伤更 易 于 导 致 材 料 的有 效 刚 度 降 低 。从 晶 粒 细 化 特 征 及
显 微 结 构 等 因 素 解 释合 理 的 纳 微 观 复 相 颗 粒 分 布 对 陶瓷 基 复合 材 料 的 有 效 弹 性 模 量 的 改 善 效 应 。
一
种 与传 统 方法稍 微 不 同的 方式 提 出问题 和解 决 问题 。 般 来说 ， 料结 构 和性 能 的计算 机模 拟 可 以 分 一 材
成两 类 ： 连续 体模 型 和原 子论 模型 。原子 论模 型所 涉及 的材 料 常常 是单 个原 子 的聚集 体 ， 中每 一个 原 其 子 都 是独 立 的研 究单 元 ， 分子 动 力 学 （ 如 ＭＤ） 法 ＿和 Ｍｏ ｔ Ｃ ｒ ＭＣ）９ 方 ８ ｎｅ ａｌ ｏ（ Ｌ 方法 。由 于计 算技 术 的 限 制， 模拟 的速 度 和精 度都 还无 法达 到计 算 要求 。与此相 比 ， 连续 体模 拟 的有 限元 方法 在材 料 的力 学 性 能