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活性炭知識
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炭纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料增韌機(jī)制
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| 發(fā)布時間：
2022/7/6 |
炭纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料增韌機(jī)制
炭纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的增韌機(jī)理主要包括因模量不同引起的基體預(yù)壓縮應(yīng)力、裂紋擴(kuò)展受阻、纖維拔出、纖維橋聯(lián)及相變微裂紋增韌等。
(1)基體預(yù)壓縮應(yīng)力
當(dāng)纖維的軸向熱膨脹系數(shù)高于基體的熱膨脹系數(shù)時，復(fù)合材料由制備時的高溫冷卻至室溫(或使用溫度)后，基體會產(chǎn)生與纖維軸平行的壓縮應(yīng)力。當(dāng)復(fù)合材料承受縱向拉伸載荷時，此殘余應(yīng)力可以抵消一部分外加應(yīng)力而延遲基體開裂。
(2)裂紋擴(kuò)展受阻
當(dāng)纖維的斷裂韌性比基體的斷裂韌性大時，基體中產(chǎn)生的裂紋垂直于界面擴(kuò)展至纖維，裂紋可以被纖維阻止甚至閉合。因為纖維受到的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，具有收縮趨勢，所以可使基體裂紋壓縮并閉合，阻止了裂紋的擴(kuò)展。
(3)纖維拔出
對于具有較高斷裂韌性的纖維，當(dāng)基體裂紋擴(kuò)展到纖維時，應(yīng)力集中導(dǎo)致結(jié)合較弱的纖維與基體之問的界面解離，在進(jìn)一步應(yīng)變時，將導(dǎo)致纖維在弱點(diǎn)處斷裂，隨后纖維的斷頭從基體中拔出。
(4)纖維橋聯(lián)
在基體開裂后，纖維受外加載荷，并在基體的裂紋面之間架橋。橋聯(lián)的纖維對基體產(chǎn)生使裂紋閉合的力，消耗外加載荷做功，從而增大材料的韌性。
(5)相變增韌和微裂紋增韌
基體中裂紋尖端的應(yīng)力場引起裂紋尖端附近的基體發(fā)生相變，亦稱為應(yīng)力誘導(dǎo)相變。當(dāng)相變造成局部基體的體積膨脹時，它會擠壓裂紋使之閉合。
(6)裂紋偏轉(zhuǎn)
裂紋沿著結(jié)合較弱的纖維／基體界面彎折，偏離原來的擴(kuò)展方向，即偏離與界面相垂直的方向，因而使斷裂路徑增加達(dá)到增韌效果。
應(yīng)變圖14典型炭纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)力一應(yīng)變曲線
實(shí)際增韌過程中往往是幾種增韌機(jī)理同時起作用，而不是某個單獨(dú)機(jī)理，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來選擇具體的增韌機(jī)理。
圖14為典型炭纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)力一應(yīng)變曲線，與普通陶瓷的斷裂過程明顯不同，表現(xiàn)為塑性變形的非線彈性特征。其斷裂的過程可以分為3個階段：
①OA段：為線性彈性區(qū)，在此階段應(yīng)力水平較低，復(fù)合材料處于線彈性狀態(tài)，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到A點(diǎn)時，由于基體所受應(yīng)力超過基體極限強(qiáng)度，基體出現(xiàn)裂紋，使復(fù)合材料的應(yīng)力一應(yīng)變曲線開始偏離線性。
?、贏B段：應(yīng)力隨應(yīng)變的增大而增大，基體裂紋越來越大，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到最高點(diǎn)B點(diǎn)時，夏合材料內(nèi)部纖維開始斷裂，因此3點(diǎn)為復(fù)合材料的極限強(qiáng)度。與單相陶瓷材料相比（單相陶瓷材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4. 15所示），復(fù)合材料的極限強(qiáng)度有時可能低于單相陶瓷材料的極限強(qiáng)度，但應(yīng)力為極限強(qiáng)度時，復(fù)合材料 的應(yīng)變値卻遠(yuǎn)大于革相陶瓷材料的應(yīng)變位.即矩合材料的斷裂功遠(yuǎn)大于單相陶，材料的斷裂功。
?、跙C段：到達(dá)B點(diǎn)之后，材料的 低弱層破壞，當(dāng)應(yīng)變進(jìn)一步増大時材料各層依次破壞，此階段對應(yīng)于纖維脫 黏、纖維斷裂和纖維拔出等過程，宜至 材料最終斷裂。
圖16為纖維増強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料増韌過程示意圖。
由圖可見， 在軸向應(yīng)力作用下，纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的斷裂包含基體開裂、基體裂紋逐漸向纖維與基體間界面擴(kuò)展、纖維脫黏、 纖維斷裂和纖維拔出等復(fù)雜過程。
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