陶瓷基復合材料
編輯在材料科學中,陶瓷基復合材料 (CMC) 是復合材料的一個子組,也是陶瓷的一個子組。 它們由嵌入陶瓷基體中的陶瓷纖維組成。 纖維和基體均可由任何陶瓷材料組成,其中碳和碳纖維也可被視為陶瓷材料。
簡介
編輯開發 CMC 的動機是為了克服與氧化鋁、碳化硅、氮化鋁、氮化硅或氧化鋯等傳統技術陶瓷相關的問題——由于小缺陷或劃痕引發的裂紋,它們在機械或熱機械載荷下容易破裂。 與玻璃一樣,抗裂性非常低。 為了增加抗裂性或斷裂韌性,將顆粒(所謂的單晶晶須或片晶)嵌入基質中。 但改進有限,僅在部分陶瓷刀具上得到應用。 到目前為止,只有長的多股纖維的整合才顯著提高了抗裂性、伸長率和抗熱震性,并產生了一些新的應用。 陶瓷基復合材料 (CMC) 中使用的增強材料用于增強組合材料系統的斷裂韌性,同時仍然利用陶瓷基體固有的高強度和楊氏模量。 最常見的增強材料是連續長度的陶瓷纖維,其彈性模量通常略低于基體。 這種纖維的功能作用是 (1) 增加微裂紋在基體中擴展的 CMC 應力,從而增加裂紋擴展過程中消耗的能量; 然后 (2) 當在較高應力(比例極限應力,PLS)下開始在 CMC 上形成貫穿厚度的裂紋時,在不破裂的情況下橋接這些裂紋,從而為 CMC 提供高極限抗拉強度(UTS)。 這樣,陶瓷纖維增強材料不僅增加了復合結構對裂紋擴展的初始抵抗力,而且還使 CMC 避免了整體陶瓷特有的突然脆性破壞。 這種行為不同于聚合物基復合材料 (PMC) 和金屬基復合材料 (MMC) 中陶瓷纖維的行為,后者由于這些基體具有更高的失效應變能力,因此纖維通常會先于基體斷裂。
碳(C)、特種碳化硅(SiC)、氧化鋁(Al2O3)和莫來石(Al2O3?SiO2) 纖維最常用于 CMC。 基體材料通常是相同的,即C、SiC、氧化鋁和莫來石。 在某些陶瓷系統中,包括 SiC 和氮化硅,異常晶粒生長的過程可能會導致微觀結構在更細的圓形晶粒矩陣中表現出細長的大晶粒。 AGG 衍生的微觀結構由于細長晶粒的裂紋橋接和裂紋偏轉而表現出增韌,這可以被認為是原位生產的纖維增強。 最近,研究人員研究了超高溫陶瓷 (UHTC) 作為新型 CMC 中的陶瓷基體,即所謂的超高溫陶瓷基復合材料 (UHTCMC) 或超高溫陶瓷復合材料 (UHTCC)。< /sub>
通常,CMC 名稱包括纖維類型/基質類型的組合。 例如,C/C 代表碳纖維增強碳(碳/碳),或 C/SiC 代表碳纖維增強碳化硅。 有時包括制造工藝,采用液體聚合物滲透 (LPI) 工藝(見下文)制造的 C/SiC 復合材料縮寫為 LPI-C/SiC。
重要的商用 CMC 是 C/C、C/SiC、SiC/SiC 和 Al2O3/Al2O3。 它們與傳統陶瓷的不同之處在于以下特性,詳情如下:
制造
編輯制造過程通常包括以下三個步驟:
- 纖維的鋪設和固定,形狀像所需的組件
- 基質材料的滲透
- 最終機加工,如果需要,還可以進行進一步處理,例如對固有孔隙率進行涂層或浸漬。
所有 CMC 的xxx步和最后一步幾乎相同:在xxx步中,纖維(通常稱為粗紗)使用纖維增強塑料材料中使用的技術進行排列和固定。
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