增韧原理

增韧原理复合材料在受冲击载荷时材料发生破坏（断裂），其韧性大小取决于材料吸收冲击能量大小和抵抗裂纹扩展的能力。在复合材料中，增强材料与基体在增韧上是如何起作用的呢？经过分析及研究，提出了许多复合材料的增韧机制，可以应用到复合材料，特别时CMC的设计中，要根据基体与增强材料的性质和性能考虑不同的增韧方法。主要增韧机制有：●纤维的拔出、脱粘、纤维搭桥增韧●颗粒增韧●微裂纹增韧●相变增韧●层状结构增韧★增韧原理●纤维的拔出（Debonding）每根纤维的脱粘能量Qp为：因此，纤维体积比大、lc大（即界面强度弱，因lc与界面应力成反比），通过纤维脱粘达到的增韧效果最大。●纤维拔出（Pull–out）纤维首先脱粘才能拔出。纤维拔出会使裂纹尖端应力松弛，从而减缓了裂纹的扩展。纤维拔出需外力做功，因此起到增韧作用纤维拔出需做的功Qp:Qp=平均力距离=dl2/2当纤维发生断裂，此时纤维的最大长度为lc/2，拔出每根纤维所做的最大功为：Qp=dlc2/8=d2fulc/16Qp/Qp=fu/3Ef因Effu，所以纤维拔出能总大于纤维脱粘能，纤维拔出的增韧效果要比纤维脱粘更强。因此，纤维拔出是更重要的增韧机理。●纤维桥接（FiberBridge）对于特定位向和分布的纤维，裂纹很难偏转，只能沿着原来的扩展方向继续扩展。这时紧靠裂纹尖端处的纤维并未断裂，而是在裂纹两岸搭起小桥，使两岸连在一起。这会在裂纹表面产生一个压应力，以抵消外加应力的作用，从而使裂纹难以进一步扩展，起到增韧作用。随着裂纹的扩展，裂纹生长的阻力增加，直到在裂纹尖端形成一定数量的纤维搭桥区。这时达到一稳态韧化●微裂纹增韧颗粒与基体膨胀系数αp和αm，在颗粒与基体之间可能造成热膨胀系数失配（Δα=αp–αm），颗粒受力。当Δα0，颗粒受压应力，基体受拉应力，裂纹通过基体扩展；当Δα0，颗粒受拉应力，基体受压应力，裂纹通过颗粒扩展（穿晶）；但也有可能裂纹绕过颗粒在颗粒与基体界面扩展（沿晶）。不管何种情况，裂纹均增加了扩展的路径，因此增加了裂纹扩展的阻力，消耗了能量（新的表面），提高了材料的韧性。●裂纹偏转和裂纹桥联增韧裂纹桥联是一种裂纹尾部效应。它发生在裂纹尖端，靠桥联元（剂）连接裂纹的两个表面并提供一个使裂纹面相互靠近的应力，即闭合应力，这样导致强度因子随裂纹扩展而增加。裂纹桥联可能穿晶破坏，也有可能出现互锁现象，即裂纹绕过桥联元沿晶发展（裂纹偏转）并形成摩擦桥。裂纹桥联增韧值与桥联元（剂）粒径的平方根成正比。●延性颗粒增韧在脆性陶瓷基体中加入第二相延性颗粒能明显提高材料的断裂韧性。其增韧机理包括由于裂纹尖端形成的塑性变形区导致裂纹尖端屏蔽以及由延性颗粒形成的延性裂纹桥。当基体与延性颗粒的和E值相等时，利用延性裂纹桥可达最佳增韧效果。但当和E值相差足够大时，裂纹发生偏转绕过金属颗粒，增韧效果较差。●相变增韧所谓“相变增韧”，实际上也是利用微裂纹增韧，即利用所谓的增韧相产生相变，由于相变丝引起的膨胀，从而引起基体相产生微裂纹。相变增韧的典型例子是ZrO2增韧。由于ZrO2存在两种晶型：四方相（t）和单斜相(m)，当ZrO2由四方相转变为单斜相时，具有马氏体相变特征，伴随产生有3～5％的体积膨胀。相变温度大多处于陶瓷材料的烧结温度范围，如基体是Al2O3，加入ZrO2，相变引起体积变化，造成应力，引起基体产生微裂纹，微裂纹的出现，就增加了Al2O3材料的韧性（相应的，材料的强度有所下降）。氧化锆增韧陶瓷有三种：❋部分稳定ZrO2陶瓷（PSZ）❋四方ZrO2多晶陶瓷（TZP）❋ZrO2增韧陶瓷（ZTC）（如ZrO2增韧氧化铝陶瓷、ZTA）应力诱导相变增韧●裂纹弯曲（Crackbowing）和偏转在扩展裂纹尖端应力场中的增强体会导致裂纹发生弯曲，从而干扰应力场，导致基体的应力强度降低，起到阻碍裂纹扩展的作用。随着增强体长径比和体积比增加，裂纹弯曲增韧效果增加。●裂纹弯曲（Crackbowing）和偏转在颗粒和短纤维（晶须）增强复合材料起到使裂纹中，裂纹扩展时会发生偏转，从而增加复合材料（MMC、CMC）的韧性。如果在复合材料（CMC）中预先存在有微裂纹，则这些微裂纹同样起到引导裂纹发生偏转的作用，从而增加复合材料的韧性。增强体的长径比越大，裂纹偏转增韧效果就越好●层状结构增韧裂纹扩展路径的改变，可以明显的增加材料的韧性，但对于脆性材料的陶瓷，效果仍不理想。人们发现，同样为陶瓷材料的贝壳（羟基磷灰石）具有较为理想的韧性，其结构为层状。受这种结构的启发，在复合材料结构设计中，将材料制备成层状，每层厚度达微米级，目前已有的为亚微米，材料的韧性有了明显的提高。利用贝壳结构设计Si3N4/BN层状复合材料的断裂时裂纹扩展路径