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炭纤维增强陶瓷基复合材料增韧机制

发布时间： 2022/7/6

　　 炭纤维增强陶瓷基复合材料增韧机制
　　炭纤维增强陶瓷基复合材料的增韧机理主要包括因模量不同引起的基体预压缩应力、裂纹扩展受阻、纤维拔出、纤维桥联及相变微裂纹增韧等。
　　(1)基体预压缩应力
　　当纤维的轴向热膨胀系数高于基体的热膨胀系数时，复合材料由制备时的高温冷却至室温(或使用温度)后，基体会产生与纤维轴平行的压缩应力。当复合材料承受纵向拉伸载荷时，此残余应力可以抵消一部分外加应力而延迟基体开裂。
　　(2)裂纹扩展受阻
　　当纤维的断裂韧性比基体的断裂韧性大时，基体中产生的裂纹垂直于界面扩展至纤维，裂纹可以被纤维阻止甚至闭合。因为纤维受到的残余应力为拉应力，具有收缩趋势，所以可使基体裂纹压缩并闭合，阻止了裂纹的扩展。
　　(3)纤维拔出
　　对于具有较高断裂韧性的纤维，当基体裂纹扩展到纤维时，应力集中导致结合较弱的纤维与基体之问的界面解离，在进一步应变时，将导致纤维在弱点处断裂，随后纤维的断头从基体中拔出。
　　(4)纤维桥联
　　在基体开裂后，纤维受外加载荷，并在基体的裂纹面之间架桥。桥联的纤维对基体产生使裂纹闭合的力，消耗外加载荷做功，从而增大材料的韧性。
　　(5)相变增韧和微裂纹增韧
　　基体中裂纹尖端的应力场引起裂纹尖端附近的基体发生相变，亦称为应力诱导相变。当相变造成局部基体的体积膨胀时，它会挤压裂纹使之闭合。
　　(6)裂纹偏转
　　裂纹沿着结合较弱的纤维／基体界面弯折，偏离原来的扩展方向，即偏离与界面相垂直的方向，因而使断裂路径增加达到增韧效果。
　　

　　应变图14典型炭纤维增强陶瓷基复合材料的应力一应变曲线
　　实际增韧过程中往往是几种增韧机理同时起作用，而不是某个单独机理，应根据实际情况来选择具体的增韧机理。
　　图14为典型炭纤维增强陶瓷基复合材料的应力一应变曲线，与普通陶瓷的断裂过程明显不同，表现为塑性变形的非线弹性特征。其断裂的过程可以分为3个阶段：
　　①OA段：为线性弹性区，在此阶段应力水平较低，复合材料处于线弹性状态，当应力达到A点时，由于基体所受应力超过基体极限强度，基体出现裂纹，使复合材料的应力一应变曲线开始偏离线性。
　　②AB段：应力随应变的增大而增大，基体裂纹越来越大，当应力达到最高点B点时，夏合材料内部纤维开始断裂，因此3点为复合材料的极限强度。与单相陶瓷材料相比（单相陶瓷材料应力-应变曲线如图4. 15所示），复合材料的极限强度有时可能低于单相陶瓷材料的极限强度，但应力为极限强度时，复合材料的应变値却远大于革相陶瓷材料的应变位.即矩合材料的断裂功远大于单相陶，材料的断裂功。
　　③BC段：到达B点之后，材料的低弱层破坏，当应变进一步増大时材料各层依次破坏，此阶段对应于纤维脱黏、纤维断裂和纤维拔出等过程，宜至材料最终断裂。
　　

　　图16为纤维増强陶瓷基复合材料増韧过程示意图。
　　由图可见，在轴向应力作用下，纤维增强陶瓷基复合材料的断裂包含基体开裂、基体裂纹逐渐向纤维与基体间界面扩展、纤维脱黏、纤维断裂和纤维拔出等复杂过程。
　　