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活性炭知識
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炭纖維增強陶瓷基復合材料增韌機制
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| 發布時間：
2022/7/6 |
炭纖維增強陶瓷基復合材料增韌機制
炭纖維增強陶瓷基復合材料的增韌機理主要包括因模量不同引起的基體預壓縮應力、裂紋擴展受阻、纖維拔出、纖維橋聯及相變微裂紋增韌等。
(1)基體預壓縮應力
當纖維的軸向熱膨脹系數高于基體的熱膨脹系數時，復合材料由制備時的高溫冷卻至室溫(或使用溫度)后，基體會產生與纖維軸平行的壓縮應力。當復合材料承受縱向拉伸載荷時，此殘余應力可以抵消一部分外加應力而延遲基體開裂。
(2)裂紋擴展受阻
當纖維的斷裂韌性比基體的斷裂韌性大時，基體中產生的裂紋垂直于界面擴展至纖維，裂紋可以被纖維阻止甚至閉合。因為纖維受到的殘余應力為拉應力，具有收縮趨勢，所以可使基體裂紋壓縮并閉合，阻止了裂紋的擴展。
(3)纖維拔出
對于具有較高斷裂韌性的纖維，當基體裂紋擴展到纖維時，應力集中導致結合較弱的纖維與基體之問的界面解離，在進一步應變時，將導致纖維在弱點處斷裂，隨后纖維的斷頭從基體中拔出。
(4)纖維橋聯
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。橋聯的纖維對基體產生使裂紋閉合的力，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力場引起裂紋尖端附近的基體發生相變，亦稱為應力誘導相變。當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
裂紋沿著結合較弱的纖維／基體界面彎折，偏離原來的擴展方向，即偏離與界面相垂直的方向，因而使斷裂路徑增加達到增韌效果。
應變圖14典型炭纖維增強陶瓷基復合材料的應力一應變曲線
實際增韌過程中往往是幾種增韌機理同時起作用，而不是某個單獨機理，應根據實際情況來選擇具體的增韌機理。
圖14為典型炭纖維增強陶瓷基復合材料的應力一應變曲線，與普通陶瓷的斷裂過程明顯不同，表現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：
?、貽A段：為線性彈性區，在此階段應力水平較低，復合材料處于線彈性狀態，當應力達到A點時，由于基體所受應力超過基體極限強度，基體出現裂紋，使復合材料的應力一應變曲線開始偏離線性。
?、贏B段：應力隨應變的增大而增大，基體裂紋越來越大，當應力達到最高點B點時，夏合材料內部纖維開始斷裂，因此3點為復合材料的極限強度。與單相陶瓷材料相比（單相陶瓷材料應力-應變曲線如圖4. 15所示），復合材料的極限強度有時可能低于單相陶瓷材料的極限強度，但應力為極限強度時，復合材料 的應變値卻遠大于革相陶瓷材料的應變位.即矩合材料的斷裂功遠大于單相陶，材料的斷裂功。
?、跙C段：到達B點之后，材料的 低弱層破壞，當應變進一步増大時材料各層依次破壞，此階段對應于纖維脫 黏、纖維斷裂和纖維拔出等過程，宜至 材料最終斷裂。
圖16為纖維増強陶瓷基復合材料増韌過程示意圖。
由圖可見， 在軸向應力作用下，纖維增強陶瓷基復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展、纖維脫黏、 纖維斷裂和纖維拔出等復雜過程。
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