-168 北京科技大学学·报 Vol.22 No.2 高密高强石墨，测出来的膨胀系数比80%C层的 面都有龟背状裂纹.6层的还有层间裂纹， 大 由图9可知，在样品冷却时，表面受到张应 2.4梯度材料开裂的原因分析与S型成分分布函 力，容易引起开裂.B,C-SiC层开裂的原因是B,C- 数设计 SC层线膨胀系数大（图8），在烧结过程中受张 当成分分布曲线为直线（幂=1）时，6层或 应力，而且B,C-SiC一端的弹性模量也大得多 11层(80%B.C-20%SiC)/x%C(体积分数)(=0.2， (图6)，所以应该减缓B,C-SiC端的成分变化.C 0.4,,1或=0.1,0.2，…，1)梯度材料热压后2个表 层强度低（图5），C端成分变化也要缓和.两端 8 6 B.C-20%SiC -*一20%C 6 -a一40%C e 0 3 550℃ 2 --60%C 。80%C -·-100%C 0 0 200 400 600 800 0 20 4060 80100 t/℃ p./% 图7温度对平均线膨胀系数的影响 图8550℃平均线膨胀系数随0：的变化 Fig.7 The effect of temperature on linear expansivity Fig.8 The effect of on linear expansivity at 550 C te 压 压 7. 拉 ↓ te 表面加热 表面冷却 图9样品冷却或加热时的应力状态(1。一中心温度；1，一表面温度；1.一平均温度) Fig.9 The surface stress of sample with heating or cooling 成分都缓和，成分分布曲线为S型（式1，图10）. 20%时，11层的成分分布曲线如图10所示 造成层间裂纹的原因是梯度层太少，成分 100 分布梯度太大.层间裂纹在60%C层和80%C层 80 之间，这是因为这2层间线膨胀系数落差较大 S-Type (n) (图8)，冷却过程中产生了较大的热应力.因此 60 应该增加梯度层数，以减缓60%C层和80%C层 40 间的成分变化 p.=(x/d2 S型的成分分布函数如式(1)： 20 p=(2x/6 2 青=0,0.5 0 0 0.2 0.40.6 0.81.0 [2x1-芳 (>0)(1) x16 p=1-2 方-0.5，，1 图10第1层为p.=20%的11层S型(=2)成分分布曲线 式中：p为其中一个相的体积分数：x为离表面的 Fig.10 S-type compositional distribution funetion of 11 layers FGMs of first layer 9.=20% 相对距离；6为FGM样品的厚度：n是指数，它是 梯度变化特征的一个参数.当n=2,第1层p.为 S型11层B,C-20%SiC/C(体积分数)梯度材 料热压后无裂纹，一个试条抗弯强度为189一 1 6 8 - 北 京 科 技 大 学 学 报 V心1 . 2 2 N 0 . 2 高密高强 石墨 , 测 出 来的膨 胀系数 比 80 % C 层 的 大 . .2 4 梯度材料开 裂的原 因分析与 S 型成分 分布函 数设计 当 成分分 布 曲线为直线 ( 幂 n 二 1) 时 , 6 层 或 1 1 层 ( 8 0 % B 4 C 一 2 0% S IC ) x/ % C ( 体积 分数 ) (厂 0 . 2 , .0 4 , … , 1 或= 0 . 1 , .0 2 , … , l) 梯度材 料热压后 2 个 表 面都有龟 背状裂 纹 . 6 层 的还有层 间 裂纹 . 由 图 9 可 知 , 在样 品 冷却 时 , 表 面受到 张 应 力 , 容易引起开裂 . B 4 C 一 is C 层开 裂的原 因是 B 4 C - S IC 层 线膨胀系 数大 ( 图 8) , 在烧 结过程 中受张 应力 , 而 且 B 4 C 一 is C 一端 的弹性模 量也 大得 多 ( 图 6 ) , 所 以应该减缓 B 4 C 一 is C 端 的成 分变化 . C 层 强 度低 ( 图 5) , C 端成分变 化也 要 缓和 . 两 端 B 4 C 一 2 0% SIC 一 一\ J 斗气j, 了 `, 1 一1 甲一9O x \仍ù 月斗 异,一O x \名 6 0% C 8 0% C 一 今 一 , 10 0% C 0 2 00 4 0 0 t / ℃ 图 7 温 度 对平 均线 膨胀 系 数 的影 响 F ig · 7 T h e e fe e t o f t e m P e r a t u r e o n l i n e a r e x P a n s iv i t y O L - - - - - -- - - J - -一 一— - 匕- - - - 一一 ~ 一一 — ~ 二一一一一一一一二 0 2 0 4 0 6 0 8 0 10 0 切 。 / % 图 8 5 5 0 ℃ 平均 线膨 胀系数 随职 。 的变化 F i g · 8 T h e e fe e t o f 职 。 o n li n e a r e x P a n s i v i ty a t 5 5 0 ℃ \ / \ / \ 、 、 ` / 压 t 拉 4 / \ / \ 牛 势 表 面加 热 表面 冷却 图 9 样 品 冷却 或 加热 时 的应 力状 态 (t 。一 中心温 度; t 一表 面温 度 ; t 。一平 均温度 ) F ig · 9 T h e s u r af e e s t r e s s o f s a m P l e w i t h h e a t i n g o r e o o li n g 成分 都缓和 , 成 分分布 曲 线为 S 型 (式 1 , 图 1 0) . 造成 层 间裂 纹 的原因 是 梯 度层太 少 , 成 分 分布梯度 太大 . 层 间裂纹在 60 % C 层 和 80 % C 层 之 间 , 这 是 因为 这 2 层 间 线膨胀 系数落差 较 大 (图 8) , 冷却 过程 中产 生 了较 大 的热 应力 . 因 此 应 该 增加 梯度层 数 , 以减 缓 60 % C 层 和 80 % C 层 间的成分变化 . S 型 的成分分布 函 数如式 ( 1 ) : 2 0 % 时 , n 层 的成 分分布 曲线 如图 10 所示 . 204608 0 岁\ , 冬 , _ (Z x /占) n W 一 一一只 - ` 一 孕= 0 . . … 0 . 5 口 少叮 厂2 又 ( l 一 兽) O ( n > 0 ) ( 1) 沪= l 一 一 一丁 - — 毛= 0 . 5 . . … 1 0 式 中 : 尹为其 中一 个相 的 体积分数 ; x 为离表面 的 相 对距 离 ; 咨为 F G M 样 品 的厚度 ; n 是 指数 , 它是 梯度变 化特征 的一个参 数 . 当 n = 2 , 第 1 层沪 。 为 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 x 总 图 1 0 第 1 层 为 p 。 = 20 % 的 n 层 S 型 ( n = 2) 成分分布 曲线 F ig · 1 0 5 一 yt P e e o m P o s i t i o n a l di s t r i b u t i o n fu n c ti o n o f 1 1 l a y e r s F G M s o f if r s t l a y e r p 。 = 2 0 0/ S 型 1 1 层 B 4 C 一 2 0 % S IC /C ( 体积 分数 ) 梯度材 料 热压 后 无 裂纹 , 一 个 试 条抗 弯 强 度 为 18 9