工學(xué)陶瓷基復(fù)合材料導(dǎo)論4檢測(cè)與評(píng)價(jià)課件

1、陶瓷基復(fù)合材料導(dǎo)論主講：左成鋼湖南文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院4、檢測(cè)與評(píng)價(jià)陶瓷基復(fù)合材料具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如有優(yōu)良的耐熱性，在高溫下能保持高硬度、強(qiáng)度和耐磨性，而且化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性好，密度小等。這些特征是因?yàn)樽鳛榛w的陶瓷的化學(xué)結(jié)合更趨于離子鍵，其結(jié)合鍵能很強(qiáng)。另一方面，這種結(jié)合也使得材料不易發(fā)生變形，材料表現(xiàn)出脆性的特征。由于這一特征，使材料中能容許的缺陷的尺寸很小，強(qiáng)度偏差較大，而且容易斷裂，使材料在應(yīng)用上受到限制。所以檢測(cè)與評(píng)價(jià)對(duì)于陶瓷基復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，就顯得尤為重要 。4.1、力學(xué)性能 4.1.1、斷裂韌性材料的脆性可以用對(duì)裂紋開(kāi)始不穩(wěn)定擴(kuò)展的阻力來(lái)描述。材料中產(chǎn)生應(yīng)力并發(fā)生斷裂的現(xiàn)象，可以

2、用描述材料中裂紋附近應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的斷裂力學(xué)的參數(shù)（應(yīng)力強(qiáng)度因子K）來(lái)表達(dá)。當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到臨界值時(shí)，材料中存在的裂紋開(kāi)始不穩(wěn)定擴(kuò)展。在平面應(yīng)力狀態(tài)下，應(yīng)力強(qiáng)度因子記作KIC也稱為斷裂韌性。4.1.1.1、測(cè)試方法簡(jiǎn)介對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的斷裂韌性，有多種測(cè)試方法，測(cè)試方法應(yīng)滿足的條件為：（1）具有明確的理論意義；（2）能夠評(píng)價(jià)有工業(yè)利用價(jià)值的多種材料；（3）在不同的測(cè)量中可以得到偏差較小的數(shù)據(jù)；（4）簡(jiǎn)便；（5）能夠進(jìn)行高溫測(cè)量等。 A、單邊預(yù)制裂紋法 (SEPB 法、Single Edge Precracked Beam) 從長(zhǎng)方體試樣的一個(gè)面的中間部分，引入一個(gè)與試樣長(zhǎng)度方向垂直的貫通預(yù)裂紋至

3、試樣的中間。將此引入裂紋的試樣進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)至斷裂，測(cè)量加載，由預(yù)先引入的裂紋長(zhǎng)度、試樣尺寸以及彎曲試驗(yàn)的支點(diǎn)距離來(lái)求得平面應(yīng)變斷裂韌性 。該試驗(yàn)法相當(dāng)于金屬材料中的裂紋疲勞試驗(yàn)。由于試樣中導(dǎo)入了非常尖銳的裂紋，所以具有較明確的理論意義，而且測(cè)定值的偏差較小。圖4-1是SEPB法的試驗(yàn)流程與試驗(yàn)的詳細(xì)步驟。圖4-1 SEPB法的試驗(yàn)流程 在使用SEPB法時(shí)，為了能夠正確評(píng)價(jià)KIC有以下應(yīng)注意的事項(xiàng)：(1)預(yù)先導(dǎo)入的裂紋應(yīng)是pop-in裂紋(一次到達(dá)所定位置的不穩(wěn)定擴(kuò)展裂紋)；(2)預(yù)裂紋的形狀應(yīng)是Straight Through (直通式)，并達(dá)到所定的長(zhǎng)度，如果表示預(yù)裂紋頂端的線發(fā)生傾斜，

4、則對(duì)KIC的評(píng)價(jià)會(huì)偏低，而裂紋發(fā)生斜進(jìn)時(shí)，評(píng)價(jià)可能會(huì)偏髙。由KIC計(jì)算式適用范圍和與預(yù)裂紋面的殘余應(yīng)力的關(guān)系可知，預(yù)裂紋的長(zhǎng)度容許范圍應(yīng)是1.22.4 mm。如果充分注意了以上條 件，則可以得到偏差較小的的評(píng)價(jià)。表4-1是一些材料用SEPB法測(cè)量的例子。其中包括以晶須強(qiáng)化的陶瓷(WG-300)和顆粒分散強(qiáng)化陶瓷(STC50)等陶瓷基復(fù)合材料。可以看出，對(duì)于各類(lèi)材料的測(cè)定結(jié)果。KIC的偏差值都較小。 表4-1 SEPB法測(cè)量實(shí)例 B、壓痕法(IF 法、ID 法、Indentation Fracture) 壓痕法包含橋壓痕法(BI)、壓循環(huán)疲勞法(CC)、楔型壓入法(PW)等。壓痕法是使用維氏硬度

5、計(jì)壓頭在試樣的試驗(yàn)面上加載，測(cè)量所生成的壓痕及裂紋的長(zhǎng)度，然后根據(jù)加載、壓痕對(duì)角線的長(zhǎng)度、 裂紋長(zhǎng)度以及材料的彈性模量來(lái)求得斷裂韌性的一種方法。該方法的特點(diǎn)之一是在已知材料的彈性模量時(shí)，無(wú)需特意制作試樣。即可以進(jìn)行簡(jiǎn)便的測(cè)量，是一種適合于成品檢測(cè)的方法。但如果材料的彈性模量未知，則需要按要求測(cè)量彈性模量，此方法不再簡(jiǎn)便。 壓痕法的壓痕與裂紋的模式圖以及壓痕尺寸、裂紋長(zhǎng)度和斷 裂韌性之間的關(guān)系如圖4-2所示。關(guān)于KIC的計(jì)算公式，還有一些其它的提案，都是由試驗(yàn)算出的，其理論的完備性還有待于進(jìn)一步研究。 圖4-2 IF法的壓痕和裂紋E：彈性模量；P：壓痕壓力；a：壓痕長(zhǎng)度；C：裂紋長(zhǎng)度 使用壓痕法

6、時(shí)，有以下注意事項(xiàng)：(1)測(cè)定壓痕與裂紋的區(qū)域不發(fā)生剝離；(2)裂紋發(fā)生在壓痕的四角的對(duì)角線延長(zhǎng)線上；(3)相互垂直兩方向的裂紋長(zhǎng)度的差在平均裂紋長(zhǎng)度的10%以下；(4)裂紋的長(zhǎng)度是壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度的2.5倍以上。 C、單邊切口梁法(SENB 法、Single Edge Notched Beam) 單邊切口梁法是引入一個(gè)貫通的缺口，然后進(jìn)行彎曲斷裂試驗(yàn)。SENB法所測(cè)得的值與導(dǎo)入缺口的寬度有很大的關(guān)系。為了消除缺口效應(yīng)，所引入的缺口的寬度必須很小(數(shù)10m以下)。 D、CN 法(Chevron Notch) CN法是引入一個(gè)人字紋的缺口，然后進(jìn)行彎曲斷裂試驗(yàn)。在彎曲斷裂試驗(yàn)中，人字紋的缺口尖端應(yīng)

7、自動(dòng)形成裂紋的穩(wěn)定生長(zhǎng)。 但根據(jù)加工條件的差異，這種穩(wěn)定生長(zhǎng)未必能夠一定形成。另外，它不適用于隨裂紋的穩(wěn)定生長(zhǎng)對(duì)裂紋進(jìn)展阻力增大的材料。 E、CSF 法(Controlled Surface Flaw) CSF法是用金剛石壓頭對(duì)試樣的一個(gè)面加載，利用所產(chǎn)生的裂紋作為預(yù)裂紋，將殘余應(yīng)力去除后進(jìn)行彎曲斷裂試驗(yàn)。這種方法的缺點(diǎn)在于產(chǎn)生裂紋的形狀不穩(wěn)定，難以控制。 F、壓痕強(qiáng)度法(IS 法、Indentation Strength) 壓痕強(qiáng)度法與CSF法類(lèi)似，也是用金剛石壓頭加載產(chǎn)生預(yù)裂紋。所不同的是在施加壓力的狀態(tài)下進(jìn)行彎曲斷裂試驗(yàn)。其缺點(diǎn)在于所測(cè)得的值隨維氏壓頭的加壓條件而變化，而且壓痕附近的殘余

8、應(yīng)力的影響從理論上尚未解決。此外還有雙扭法(DT)、雙懸臂梁法(DCB)、山型缺口法 (CHV)和燒結(jié)前制裂法(MBS)等。圖4-3中將各種測(cè)試方法的結(jié)果做了比較。圖中的記號(hào)是研究結(jié)果的平均值。CN法測(cè)量結(jié)果的偏差較大，CSF法的適用范圍較小。SEPB法的測(cè)量結(jié)果偏差較小，所以被較為廣泛地采用。 圖4-3 各種方法測(cè)定KIC的結(jié)果 4. 1. 1. 2、高溫?cái)嗔秧g性的評(píng)價(jià) 陶瓷基復(fù)合材料是很有希望在高溫下使用的一種材料。因此對(duì)其斷裂韌性的測(cè)試與評(píng)價(jià)就不僅限于室溫，而且希望能有規(guī)格化的高溫測(cè)試與評(píng)價(jià)方法。室溫?cái)嗔秧g性的值不隨彎曲破壞 試驗(yàn)時(shí)的加載速度而變化，但在高溫下，幾乎所有的材料都表現(xiàn)出顯著

9、的依存性。這種依存性與試驗(yàn)方法無(wú)關(guān)，而是反應(yīng)了材料本身的性能。另外，一些非氧化物基的材料在大氣中進(jìn)行高溫測(cè)定時(shí)，可能會(huì)有裂紋面的氧化等，使測(cè)得的值偏高。 圖4-4為燒結(jié)Si3N4高溫測(cè)定的結(jié)果，為了防止裂紋面的氧化和熔化等，測(cè)量在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行。在兩種加載速度(0.5mm/ min和0.05mm/min)下進(jìn)行了測(cè)量。從圖中可知，當(dāng)溫度高于 1000時(shí)，表現(xiàn)出明顯的隨加載速度而變化。這是因?yàn)樵诟邷叵?，材料中的玻璃相發(fā)生了軟化和粘性流動(dòng)，引起了裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展。圖4-4 高溫下測(cè)定的燒結(jié)Si3N4的KIC 由于KIC隨加載速度而變化，所以在大的溫度范圍內(nèi)難以用一個(gè)斷裂韌性值來(lái)描述。在有些情況下，測(cè)

10、量值可能無(wú)效。所以有必要制訂出一個(gè)不依賴于材料種類(lèi)和試驗(yàn)溫度的測(cè)定條件。如果KIC隨加載速度而變化，當(dāng)材料斷裂時(shí)會(huì)出現(xiàn)宏觀的裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展，所以如果在試驗(yàn)斷面上沒(méi)有觀察到上述裂紋穩(wěn)定擴(kuò) 展，則可以認(rèn)為試驗(yàn)是有效的。 4.1.2、磨損 陶瓷基復(fù)合材料大多要求在苛刻的環(huán)境下具有耐久性。與此相對(duì)應(yīng)開(kāi)發(fā)了種種耐久性的評(píng)價(jià)方法。本節(jié)中將對(duì)其主要的幾種作簡(jiǎn)要的介紹。 4.1.2.1、 Ball on desk 法 固體與固體間的磨損試驗(yàn)有多種方法，一般根據(jù)測(cè)定的目的來(lái)選取。其中將球狀試樣強(qiáng)行壓在旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)試樣上的方法即 Ball on desk 法。該方法有以下特點(diǎn)：(1)試樣形狀簡(jiǎn)單，加工容易；(2)維持

11、一定的宏觀接觸；(3)可以在流體多種氣氛條件下測(cè)試等 。圖4-5 Ball on desk法測(cè)定磨損 負(fù)載主要由重錘添加。摩擦力由應(yīng)力計(jì)和力矩計(jì)測(cè)定。試驗(yàn)后球形試樣上形成了磨痕，在顯微鏡下觀察測(cè)量其直徑d，并按下式計(jì)算其磨損體積Wb： 式中，另一方面，圓盤(pán)試樣磨出直徑為D的凹下的圓周，其斷面積S可用接觸式表面測(cè)微計(jì)測(cè)量，然后按下式計(jì)算其磨損體積Wd： 雖然也可以從試樣重量的減少來(lái)計(jì)算磨損量，但是由于污染和對(duì)象材料的變化等往往不能得出正確的結(jié)果，以磨損的形狀來(lái)評(píng)價(jià)磨損量是十分有效的。磨損體積W應(yīng)與載荷P以及摩擦距離x成正比。因此可以用比磨損量WS來(lái)描述材料的磨損性能。 這里值得注意的是假定磨損進(jìn)

12、入了正常穩(wěn)定的狀態(tài)，初期的異常磨損應(yīng)加以排除。當(dāng)摩擦相對(duì)運(yùn)動(dòng)的面存在有硬質(zhì)的顆粒夾雜物時(shí)，對(duì)摩擦的影響不大，但使磨損大大增加。以軸承鋼作為球狀材料，幾種陶 瓷作為圓盤(pán)材料的試驗(yàn)結(jié)果表明：耐磨性能按照SiC、Si3N4、ZrO2、Al2O3的順序由好變差。 4.1.2.2、侵蝕法(沖蝕法、Erosion法) 沖蝕是指固體表面被高速運(yùn)動(dòng)的顆粒沖擊時(shí)受到的損傷。陶瓷基復(fù)合材料屬于脆性材料，在受到顆粒沖擊時(shí)表面會(huì)產(chǎn)生微裂紋，所以在磨損減小的同時(shí)，其力學(xué)性能也可能惡化。侵蝕法磨損試驗(yàn)受顆粒的形狀、密度等特性以及沖擊速度、角度、氣氛等多種因素的影響，所以應(yīng)該在盡可能寬的范圍進(jìn)行試驗(yàn)。下面是一種適合于小型試

13、樣和多種條件的方法。試驗(yàn)如圖4-6所示，從直徑為6mm的很細(xì)噴嘴用高壓氬氣等氣體噴射出SiC等顆粒，垂直于試樣表面進(jìn)行沖擊，接觸式表面粗糙度試驗(yàn)機(jī)的測(cè)量結(jié)果表明，試樣表面發(fā)生的磨損痕跡幾乎是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。 圖4-6 Erosion磨損試驗(yàn)示意圖 考察中央斷面的剖面圖，可以用高斯曲線近似如下：式中A和是常數(shù)，用最小二乘法求出A和，即可按下式求出 磨損體積： 用此法求出的磨損體積，與試樣的重量減少是一致的。 用SiC顆粒對(duì)一些陶瓷材料做了侵蝕磨損試驗(yàn)，結(jié)果如圖4-7所示。莫來(lái)石的磨損最多，隨后是A12O3， SiC的磨損量最少。將各類(lèi)材料的磨損量平均值與相應(yīng)的維氏硬度HV、斷裂韌性KIC做比較，發(fā)現(xiàn)H

14、V和KIC越大，磨損量越少。最小二乘法的結(jié)果表明，磨損體積與HV的2. 8次方成反比，與KIC的1. 0次方成反比。 圖4-7 一些陶瓷材料的SiC顆粒Erosion磨損試驗(yàn)結(jié)果 7.1.2.3、磨蝕法(Abrasion 法) 磨蝕是指物體表面移動(dòng)的粉體或漿狀物對(duì)物體的切削作用而引起的磨損。磨蝕法磨損試驗(yàn)是將粉漿與陶瓷球裝入容器內(nèi)進(jìn)行長(zhǎng)期球磨后測(cè)量磨損。試驗(yàn)結(jié)果表明，如果將球磨的初期除外，試樣的重量變化W/W與時(shí)間T之間幾乎是線性關(guān)系?？梢杂孟率接?jì)算磨損率R： 圖4-8為Al2O3球的球磨試驗(yàn)結(jié)果。采用不同的粉漿對(duì)不同的材料做了Abrasion法磨損試驗(yàn)。結(jié)果列在表4-2中?？偟内厔?shì)是AlN和

15、Al2O3的磨損率高，Si3N4和ZrO2的磨損率低。 圖4-8 Al2O3球的球磨試驗(yàn)結(jié)果表4-2 不同材料在不同粉漿中磨損率的比較 4.1.3、疲勞陶瓷復(fù)合材料在工業(yè)化使用中必然會(huì)遇到重復(fù)載荷下的持久性問(wèn)題。對(duì)于脆性材料，微小的缺陷可能產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，即使是沒(méi)有人工導(dǎo)入預(yù)裂紋的平滑材料，裂紋擴(kuò)展壽命也決定其疲勞壽命。因此，對(duì)于陶瓷復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，考慮其在交變載荷下的強(qiáng) 度，研究裂紋的擴(kuò)展是十分重要的。 4.1.3.1、疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)理以及影響因素 在重復(fù)交變的載荷下材料壽命的縮短或裂紋擴(kuò)展速度增大稱為疲勞。除氧化鋯以外的陶瓷，在疲勞時(shí)都發(fā)生沿晶界斷裂。在這種情況下會(huì)發(fā)生橋接現(xiàn)象，產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)

16、，使裂紋尖端的應(yīng)力小于外加載荷的計(jì)算值。此時(shí)裂紋尖端的應(yīng)力擴(kuò)大系數(shù)由下式給出：式中Ks即橋接所產(chǎn)生的應(yīng)力屏蔽效應(yīng)。將橋接部分摩擦破壞，就使得Ks減??；在Kmax一定的情況下，K就增大。不少學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，提出了疲勞損傷的機(jī)理。影響疲勞裂紋擴(kuò)展的因素主要行以下幾個(gè)方面。 (1)應(yīng)力比。應(yīng)力比是指最小應(yīng)力與最大應(yīng)力之比，R1， R=1.0時(shí)為靜載荷。R越小，交變載荷的振幅越大。(2)頻率。裂紋擴(kuò)展速度隨頻率的增大而增大。裂紋擴(kuò)展速度越小，該趨勢(shì)越嚴(yán)重。 (3)氣氛 。4.2、耐腐蝕性 陶瓷基復(fù)合材料的本身特性決定它要在一些腐蝕的環(huán)境下使用，因此，陶瓷的腐蝕是具有理論基礎(chǔ)和應(yīng)用兩方面意義的研究課

17、題。高溫腐蝕主要是指在高溫燃燒環(huán)境下的氣體腐蝕以及各類(lèi)雜質(zhì)引起的熔鹽腐蝕。水溶液腐蝕則包括高溫高壓水和水蒸汽腐蝕以及各類(lèi)酸、堿溶液的腐蝕。 腐蝕科學(xué)在陶瓷基復(fù)合材料中的地位與作用4.2.1、高溫腐蝕 作為高溫結(jié)構(gòu)材料的陶瓷基復(fù)合材料，硅基非氧化物(SiC、 Si3N4等)是最有希望的一類(lèi)。硅基非氧化物陶瓷在高溫氧化環(huán)境中主要的氧化形式有鈍態(tài)氧化(Passive Oxidation)、活性氧化 (Active Oxidation)和熔鹽腐蝕(Molten Salt Corrosion)等。 鈍態(tài)氧化和活性氧化屬于氣體氧化。研究這些基本氧化過(guò)程 的目的在于確定反應(yīng)控制機(jī)理和擴(kuò)散機(jī)理，對(duì)反應(yīng)過(guò)程實(shí)行

18、數(shù)學(xué)模型化，以控制氧化的進(jìn)行。其研究方法主要有以下幾點(diǎn) (1)測(cè)量厚度和重量隨時(shí)間的變化，確定是界面反應(yīng)控制(線性 關(guān)系)還是擴(kuò)散控制(拋物線關(guān)系)；(2)比較Si和SiC、Si3N4的氧化速率；(3)研究氧氣分壓對(duì)反應(yīng)速率的影響；(4)陶瓷/氧化膜，界面反應(yīng)生成氣體壓力的熱力學(xué)計(jì)算；(5)用XRD、SEM、EPMA等對(duì)氧化物薄膜進(jìn)行分析和觀察。其中測(cè)量氧化膜厚度和重量隨時(shí)間的變化是最佳的方法。 下面是用熱天平法測(cè)得的重量變化的結(jié)果 ，其反應(yīng)的曲線屬于典型的拋物線型。 典型的氧化膜重量變化曲線 陶瓷基復(fù)合材料在髙溫使用時(shí)最重要的一點(diǎn)就是把握其最高使用溫度。以SiC、Si3N4基材料為例，使用溫

19、度的限制因素主要有:(1) SiO2的熔點(diǎn)2000K，混入不純物時(shí)可能在更低的溫度軟化；(2)氧化速度，一般約1700K時(shí)氧化速度快得不能使用；(3)陶瓷/SiO2的反應(yīng) 熔鹽腐蝕是由不純物引起的，它的來(lái)源是燃料、金屬零件以及大氣中混入的不純物質(zhì) 。一旦這些熔鹽析出，則可能帶來(lái)較嚴(yán)重的腐蝕。陶瓷在高溫燃燒中的用途和環(huán)境因素4.2.1.1、碳化硅/氮化硅 (1)氧化環(huán)境下的環(huán)境持久性在高溫空氣發(fā)動(dòng)機(jī)中，主要關(guān)注的是材料在氧化氣氛下的環(huán)境持久性，兩種抗氧化性很強(qiáng)的材料是碳化硅(SiC)和氮化硅(Si3N4) 。這些材料的表面還有二氧化硅 (SiO2)層保護(hù)， SiO2在熱力學(xué)上非常穩(wěn)定 。SiC和

20、Si3N4材料具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度和抗熱震性，使得它們成為新一代先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的首選材料 。目前，工業(yè)先進(jìn)國(guó)家都正在致力于開(kāi)發(fā)汽車(chē)、發(fā)動(dòng)機(jī)的SiC和Si3N4陶瓷部件。 由于SiC材料可以通過(guò)多種途徑來(lái)制造，如CVD法、單晶法、 熱壓或燒結(jié)多晶法等，使得SiC表現(xiàn)出差別很大的抗氧化性。另外， 摻雜物如硼和碳也對(duì)它的氧化性有重要影響。 (2)熱腐蝕如果將SiC和Si3N4材料用在先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)上，那么，這些材料的熱腐蝕將是另一個(gè)值得研究的問(wèn)題。當(dāng)空氣或NaCl與燃料中SO3相遇時(shí)，會(huì)發(fā)生下列熱腐蝕反應(yīng) :在一定條件下，熔融的Na2SO4沉積在發(fā)動(dòng)機(jī)的熱-氣通道部件上，從而引起嚴(yán)重的腐蝕，這種現(xiàn)象在超

21、合金中也存在。 (3)高硫燃料和低硫燃料環(huán)境下的腐蝕采用熱力學(xué)可以評(píng)估硅基陶瓷的腐蝕條件。左圖表示在高硫燃料和低硫燃料中SiO2的腐蝕范圍。如上所述，硫酸鈉的沉淀會(huì)發(fā)生腐蝕，然后氧化層溶解形成液態(tài)產(chǎn)物，反應(yīng)過(guò)程如下：在高硫條件下如圖8-62(a)， SiO2不會(huì)溶解。但是在低硫情 況下，腐蝕會(huì)在9951030范圍內(nèi)發(fā)生。 以SiC和Si3N4為基體的復(fù)合材料的環(huán)境持久性比單質(zhì)材料要復(fù)雜得多，這主要是由于纖維與基體發(fā)生相互作用以及纖維涂層容易發(fā)生氧化。同時(shí)，基體中的孔洞和雜質(zhì)也增加了氧化過(guò)程。4.2.1.2、氧化鋁陶瓷和以氧化鋁為基體的復(fù)合材料 由于氧化鋁在高溫下能保持其強(qiáng)度且有極好的抗氧化性，

22、因此，這種陶瓷可以用于高溫結(jié)構(gòu)。Al2O3的熔點(diǎn)高(2024)，直到接近1740 時(shí)，它的氧化蒸氣壓仍很低。但是，單質(zhì)Al2O3對(duì)熱震損傷及高溫變形很敏感。用非氧化物晶須材料作為它的增強(qiáng)相可以克服這些不足。 4.2.1.3、以玻璃陶瓷為基體的復(fù)合材料 SiC纖維增強(qiáng)玻璃陶瓷是另一種可望應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)合材料。其基體材料是鋰鋁硅酸鹽(LAS)，晶型是-鋰輝石。 在成型過(guò)程中，纖維/基體界面形成一薄層碳，使這種材料具有很好的斷裂韌性。SiC/LAS復(fù)合材料的室溫強(qiáng)度可達(dá)900MPa， 1100時(shí)強(qiáng)度保留率為85%。但在8001100 之間，強(qiáng)度保留率僅為60%。這是因?yàn)樵诖藴囟确秶鷥?nèi)發(fā)生了纖維

23、碳涂層的氧化，在界面上還形成了無(wú)定形SiO2，使纖維與基體之間的粘接過(guò)強(qiáng)，從面導(dǎo)致復(fù)合材料的脆性斷裂和切口敏感性。在1000 時(shí)的強(qiáng)度僅為400MPa。 4.2.2、水溶液腐蝕 為了研究高溫高壓水對(duì)陶瓷的腐蝕，采用了以下試驗(yàn)方法：使用高壓釜，釜內(nèi)蒸餾水的體積為V，試樣的幾何表面積為A，取V/A = 10cm，在一定的條件下將試樣裝入聚四氟乙烯的包套，密封后放入釜內(nèi)。在靜的、密閉的環(huán)境中，100300 的平衡水蒸汽壓力下。進(jìn)行110天的試驗(yàn)。測(cè)量試驗(yàn)前后試樣 重量的變化，分析聚四氟乙烯包套內(nèi)腐蝕液的成分，利用SEM、 EPMA等對(duì)腐蝕生成物的形態(tài)進(jìn)行觀察，對(duì)膜的厚度進(jìn)行測(cè)定。據(jù)此對(duì)腐蝕性能評(píng)價(jià)。

24、即使是同一成分的陶瓷復(fù)合材料，由于其制造工藝的不同，在高溫水中的化學(xué)穩(wěn)定性也可能有很大的差異。工藝因素主要包括：(1)原材料粉末的合成方法；(2)燒結(jié)方法；(3)助燒劑對(duì)第二相顆粒晶界的有無(wú)、成分、結(jié)合狀態(tài)以及化學(xué)穩(wěn)定性等的影響。研究結(jié)果表明，氧化物系列陶瓷中的純度99.9%以上的 Al2O3、非氧化物系列陶瓷中添加B-C的SiC具有較好的耐腐蝕性。 對(duì)試驗(yàn)后的試樣，將水和腐蝕生成物用超聲波洗凈并選擇性地去除，直接觀察基體表面的腐蝕形態(tài)，可以得到具有腐蝕特征的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。這樣通過(guò)對(duì)腐蝕形態(tài)進(jìn)行實(shí)測(cè)來(lái)評(píng)價(jià)材料的環(huán)境強(qiáng)度和壽命是很重要的。為了使陶瓷基復(fù)合材料能在化學(xué)工業(yè)裝置等的使用中達(dá)到高性能、長(zhǎng)壽命的目的，考察其在50100較低溫度下的酸、堿溶液的腐蝕是十分重要的。這類(lèi)腐蝕的基本原理與熔鹽腐蝕基本相 同，可以從陶瓷相對(duì)于腐蝕液的酸度、鹽度等，進(jìn)行大體的預(yù)測(cè)。 4.2.3、腐蝕對(duì)力學(xué)性能的影響 給出在惡劣環(huán)境及荷重條件下保證其長(zhǎng)期使用耐久性的環(huán)境強(qiáng)度設(shè)計(jì)是研究結(jié)構(gòu)陶瓷腐蝕的目的。陶瓷屬于脆性材料，其強(qiáng)度受缺陷的尺寸所支配。使用環(huán)境下的腐蝕反應(yīng)，實(shí)質(zhì)上是隨時(shí)間的延長(zhǎng)，缺陷的生成和擴(kuò)展，從而使斷裂強(qiáng)度下降。所以對(duì)于陶瓷基復(fù)合材料