770 无机材料学报 12卷 2层状结构陶瓷复合材料的增韧等力学现象及其机理 21弱界面结合的层状结构陶瓷复合材料 Cleg2注意到自然界中石决明鱼的贝壳由多层厚度约1的文石组成,层与层之间 由蛋白质软体连接.由于这种特殊的结构,使得石决明贝壳表现出比文石单晶高十倍的抗 弯强度及韧性 受此启发,他们将SiC粉末、作为烧结助剂的硼粉与PⅤA的水溶液混合成面团状,滚 压成厚度为200m薄片,在薄片上涂一层石是,用石墨的好处是,即使在高温下石墨也不 与SC反应.把多层该材料叠压在一起,厚度2m、50×50mm正方.经过1c/min升温到 450°C热解,驱除有机物,在2040°C氬气中烧结30min,材料最终密度达理论密度的98% 作为比较,用相同工艺制备了SiC单相材料,密度也为98%TD. SiC单相材料及层状材料的强度分别为50MPa及⑥3MPa B开槽试样的三点抗弯实验中(图1,单相SC材料显出一般的开始线弹性行为然后 界应力σe突然断裂,巾 Griffith公式 K1c:断裂韧性;Y:几何因子;C:槽深度.计算出K1c为3GMPa12 而层状复合材料在表现线弹性后,当 开槽裂纹达到与单相材料中的临界裂纹相 同应力强度时,裂纹开始扩展(图2中A 点),当裂纹到达一个界面时,沿界面发生 偏转,裂纹向下一层中的扩展就中止了.实 际测量的载荷继续上升.下一层中产生的 新临界裂纹再扩展,载荷达到最高点后(图 图1层状材料开槽试样三点抗弯实验示意图 2中B点),试样分阶段断裂,用B点处载 Fig. I Schematic diagram of three-point bend test 荷值巾(1)式计算得到的层状复合材料的断 of a notched laminate material 裂韧性为15MPam1/2 从图2可见,层状材料不再象单相材料在载荷达到最大值时突然断裂,而是分阶段地 台阶状断裂.这在实际应用中或许可用在彻底破坏前发出信号 图2中载荷-位移曲线下的面积即是材料的断裂功,因为裂纹的扩展是非突然断裂性 的,实验载荷所作的功都被用来扩展裂纹,而不是转化为试样的动能1(通常试样会被弹 飞),得到的断裂功为4625J1-2,最高可达6700m-2,这已经是稍高于松木的断裂功 但Cegg指出,这种计算方法只是表明裂纹在材料中扩展的困难性,而不是精确值·因为实 际上复合材料中,当裂纹发生偏转时,断裂功的计算是很困难的1 单相材料的断裂功可从断裂韧性算出 取泊松比4=0.13814,用测量的Kc=3 MPa-ll11/2及弹性模量E=450GPa,代入得到单 相材料的断裂功为28Jm-2.由此,层状复合材料中裂纹扩展需要的能量比单相材料中的高 100倍以上 201994-2009ChinaAcademicJoumalElectroniepUblishingHouseAllrightsreservedhttp:/hnn.cnkinet© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 无 机 材 料 学 报 卷 层状 结 构 陶瓷 复合 材 料 的 增 韧 等 力学现 象 及 其机理 弱界面 结 合的层 状 结构陶 瓷复合材料 比 ” 注意 到 自然界 中石 决 明 鱼 的 贝壳 由多层 厚度 约 、 的文石 组成 , 层与层之 间 由蛋 白质软体连 接 由于 这 种特殊 的结构 , 使 得 石 决 明 贝壳表现 出 比文石 单 晶高十倍的抗 弯强度及韧性 受此 启发 , 他 们将 粉末 、 作为烧结 助 剂的 硼 粉与 的水溶液混 合成面 团状 , 滚 压成 厚度为 拼 薄片 , 在薄片上 涂 一层 石 墨 , 用 石 墨 的好处 是 , 即使在高温下石 墨也不 与 反 应 把多层 该材料叠 压在 一起 , 厚度 、 飞 正 方 · 经过 “ 升温到 热 解 , 驱 除有机物 , 在 “ 氢 气 中烧结 川 , 材料最 终密度达理 论 密度的 作 为 比较 , 用相 同工艺 制 备 了 单相 材料 , 密度 也 为 单相 材料及 层 状材料 的 强度 分 别 为 ‘ 及 几 在开槽试样 的三点抗 弯实 验 中 图 , 单 相 材料显 出一般 的开 始 线弹性行为 , 然后 在 临界 应力 。。 突然断裂 , 由 公式 口 , , 井共 丫 断 裂韧性 几 何 因 子 槽 深度 计算 出 为 · , , “ 而 层 状复 合材 料在 表 现 线弹性后 , 当 图 层 状材料开槽试样三 点抗弯实验示 意 图 一 ‘ 一 一 一。 一 一 一 二‘ 开 槽 裂 纹 达 到 与 单相 材料 中的临界裂纹相 同 应 力 强 度 时 , 裂纹 开 始 扩 展 图 中 点 , 当裂纹到 达 一个 界 面时 , 沿界面发生 偏转 , 裂纹 向下一 层 中的扩展就中止 了 实 际 测 量 的载 荷继 续 上 升 下一 层 中产生的 新 临界 裂纹再扩展 , 载荷达到最高点后 图 中 点 , 试 样分阶段 断裂 , 用 点处载 荷值 由 式计算得 到 的层状复合材料的断 裂韧性 为 ‘ 从 图 可见 , 层 状 材料不 再象单相材 料在 载荷达 到 最 大值时突 然 断裂 , 而是分阶段地 台 阶状断裂 这 在 实 际 应用 中或 许可用 在彻 底破 坏前 发 出信号 图 中载荷 一 位 移 曲线下 的面 积 即是 材料 的断 裂功 , 因 为裂纹 的扩展 是 非突然断裂性 的 , 实验 载荷所作 的功都被 用 来扩 展 裂纹 , 而 不 是 转化 为试 样 的动 能 ‘ 通 常试样会被弹 飞 , 得到 的断裂功 为 , 一 “ , 最 高 可达 厂“ , 这 已 经是 稍高于 松木 的断裂功 · 但 指 出 , 这 种计算方法只是表 明裂纹在 材料 中扩展 的困难性 , 而 不是精确值 因为实 际 上复合材料 中 , 当裂纹发生偏转时 , 断裂功 的计算是很 困难的 单相材料的断裂功可从 断裂韧性算 出 】 一 ‘ 取 泊松 比 ’ 【‘叼 , 用 测 量 的 · ,‘ 及 弹性 模量 , 代入得到单 相材料的断裂功 为 一 “ 由此 , 层 状复合材料 中裂 纹扩 展 需 要 的能量 比单相材料中的高 倍 以上