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1、斗 1 9 9 7 年7 月 熏庆大学学报( 自 糯科学版) 第2 0卷第 期 J o u r n = I 。 C h o n g q i n g Un i v e r s i t y ( Na t u r a l S c i e n c e E d i t i o n ) Vo I 2 0 4 J u 1 1 9 9 7 硅酸铝纤维陶瓷基复合材料的性能研究 赍嘏 Ch e rt胖 W e i we n工学 Xu e j i a n岁， 06 3 0 0 4 4 S 0 B e i X Hu ， ， 一 ( 重庆大学赍嘏综台利用工程研兖中心 t庆 重庆大学化工学院 第一佯耆 岁， 女 崩研 馥
2、士) 用 x 摘要研究了硅酸铝纤维加入量对陶瓷基复合材料强度和抗热震稳定性的影响。利 强增韧机理和断裂机理作了理论探讨。 硅酸铝纤维 抗热震性 l 74 2 2 AB S TR AC T I n t h i s p a p e r ， v i a t h e s t u d y o f e f f e c t o f a l u mi n i u m s i l i c a t e f i b e r a d d i t i v e s o N t h e s t r e n g t h a n d t he r e s i s t a n c e t o t h e r ma l s h o
3、 c k of t he c e r a mi c ma t r i x c o mp o s i t e s ， u s i n g x - r a y s ， SE A me t ho d s ， t h e fib e r s t o u g h e n i n g a n d r e i n f o r c e me n t me c h a n i s m ， f r a c t u r e me c h a n i s m a r e d i s c u s s e d K E Y WO R D S c e r a m i c m a t r i x com p o d t e s
4、 t r e n g t ha l u m i n i u m si l i c a t e f i ber s r e s i s t a n c e t o t he r ma l s h o c k 0 引 言 为了改善陶瓷材料的脆性性质， 提高其强度和韧性， 用高性能纤维增强陶瓷以获得高强 度和高韧性的复合材料是陶瓷领域的发展方向。纤维增强陶瓷基复合材料是一种具有高强 度、 高抗氧化性能、 耐高温、 耐磨损以及热震稳定性较好的新材料。为了达到纤维增强的目 的， 纤维与基体材料间必须满足两个条件 ” t 首先是起增强作用的纤维弹性系数必须高于陶 瓷基体的弹性系数 其次是纤维与基体之间必须
5、是相容的。由于这些条件的限制， 从改进强 度性能方面发展金属纤维陶瓷基复合材料， 希望不大， 只有陶瓷纤维陶瓷基复合材 料对强度的增强和其他性能的改善起到显著的作用 。 鉴于此， 我们进行了硅酸铝纤维陶瓷 基复合材料的研究。 笔者从实际应用的需要出发， 为获得能在中温下( 1 0 0 0 “C) 长期使用， 具有高强度、 高抗 热震稳定性的材料， 选择 A 1 ： O a s io t 系统氧化物为基质相的基本组分， 与基质相的化学组 成相匹配的硅酸铝纤维作为增强改性剂， 通过纤维加入对陶瓷基复合材料强度、 热震稳定性 等性能影响的研究， 对纤维的增强增韧机理及断裂机理作了理论探讨， 为改善陶
6、瓷基复合材 料的性能提供了理论依据。 收文日 期1 9 9 B 0 9 - 2 7 第2 O 卷第 期 阵 菇 等： 硅砖铅鲆雏陶瓷基复奋材抖的性能研究 l 硅酸铝纤维的性能 硅酸铝纤维是 A l ： o | 一 S iO 系统的玻璃熔 融物在聚冷条件下形成的玻璃体 其化学组 成和物理性质见表 1 所示。 从热力学观点看， 硅酸铝纤维这种玻璃 体处于一种亚稳状态。 当温度条件具备时， 玻 璃会部分转向结晶态 ， 并伴随着放热和体积 收缩。图l 为选用硅酸铝纤维的差热分析曲 】 8 0 l 9 B D 1 O 圈 l 硅酸铝纤维的差热分析曲线 线。从曲线上可以看出， 9 8 0 时有一放热峰，
7、这是由放出结晶热引起的， 该峰值温度是莫来 石生成温度。 表 1 硅酸铝纤维的化学组成及物理性质 2 纤维加人对复合材料性能的影响 2 1 对强度影响 纤维作为增强材料早已用于金属材料、 塑料、 混凝土和耐火材料上， 并且取得了明显效 果。 硅酸铝纤维作为增强组成部分， 其加入量不能超过 2 0 ( 指与基料的重量百分比) ， 否则 就成为骨料。设计一组试验， 结合粘土加入量不变， 纤维按 0 2 0 加入， 经成型， 烧结后分 别测定其强度值， 结果见表 2 所示。 表 2 纤维加人量对材料强度影响 纤维加入量( ) O 6 口 l 2 1 6 抗折强度( M P a ) 9 5 9 8 从
8、表中可以看出， 随着纤维的加入， 材料的强度得以提高， 但当纤维加入量达到一定时 ( 1 0 左右) ， 材料的强度则随纤维进一步加入而降低。为了更进一步研究纤维的增强作用， 在调节纤维加入量的同时， 改变结合粘土的加入量， 寻找结合粘土和纤维的最佳配合比例， 最大限度地发挥纤维的增强作用。设计一组试验， 结合粘土加入量选择 2 0 ， l 5 ， 1 0 ， 5 ， 纤维对应为5 ， l 2 ， 1 5 ， 2 0 ， 其结果如图2 所示。 从图中可以看出， 结合粘土含量增加时， 制品的强度增加， 且随着纤维加入量的增加， 材 料强度相应增加， 强度达到最大值的点向纤维增加的方向移动。当达到
9、最大值时， 强度降低 也较平缓。 因此， 可以得出这样的结论 只有在结合粘土有足够数量时， 才能显现出纤维的有 5 0 重庆大学学报( 自 端科学版) 效增强作甩。 2 2 对热震性影响 由于纤维具有分散裂纹和拉伸效果， 有 助于防止基体中裂纹的扩展， 提高材料的抗 热震性。 为了定量说明材料抗热震性大小， 用 材料经受 5 次冷热震循环破坏后， 强度残余 率( e p 原始抗折强度和 5 次热震后强度残余 值的比 值) 大小来判断。强度残余率越大， 材 料的抗热震性越好 反之， 则越差。对第一组 试验， 在测定原始抗折强度的基础上， 分别再 测定 5 次热震后强度残余值， 测定结果见囤 3
10、所示。 从圈中可以看出， 虽然材料的强度和 5 次热震后的残余强度值在达到最高点后， 都 不同程度地呈下降趋势， 但材料的抗热震性 ( 从强度残余率体现) 则随纤维的加入始终呈 上升趋势。 这说明， 纤维的加入能有效地提高 材料的抗热震性。 2 3 对导热系数和体积密度的影响 硅酸铝纤维作为一种良好的隔热保温材 料( 在 7 0 0 时) 的导热系数仅为 0 1 5 O 1 9 w ( m K ) 将纤维均匀分散在陶瓷基体中， 度 而降低材料的导热系数和体积密是提高 材料隔热性、 保温性的较为有效的方法 纤维 加入量越多， 材料的隔热性越好。 表 3 列出了 纤维的加入对材料体积密度和导热系数
11、的影 响。 翻2 结合粘土加入量对强度影响 注； 横坐标中的标值为纤维加入量的 2 翻中教宇为结合粘土加入量的 圉3 皇 f 维加入对材料强度和热震性影响 l 原始强度l 2 5 孜热震后残余 抗折强度I 3 强度残余率( 用q 表示) 注- 横坐标中的标值为纤维加入量的 表 3 纤维加人对材料体积密度和导热系数的影响 从表中可以看出， 随纤维的加入， 舸品的体积密度降低， 导热系数降低更为明显 当纤维 加入量为 l 2 时t 体积密度降低 8 ， 导热系数却减少了6 1 7 说明通过加入纤维来提高 材 料的 隔 热 性， 降 低 导热 系 数 是一 种 行 之 有 效的 方 法 2 对制品组
12、织的影响 为了进一步研究纤维加入对制品组织的影响， 将纤维加入量为0 ， l 2 的试样分别在美 第2 0 卷第 期 陈 蓓 等 硅酸铝纤维陶瓷基复台材料的性能研究 5 1 国A M R A Y电镜和 日 本 D M a x 一 1 2 0 0 全自动 x 射线衍射仪上进行分析 结果如图 d 、 图 5 和 图 6 所示。 从图中可以看出， 纤维在复合材料基体中呈无规则分散状分布， 不加纤维制品的组织是 由骨料颗粒和孔洞组成， 加 1 2 纤维制品的组织是由骨科颗粒、 孔洞和无规则交叉分布的 网络状纤维组成。 纤维较均匀地分布在基体中， 且与基体颗粒有较好的接触。 交叉分布的纤 维网络对裂纹扩
13、展起到抑制作用。因此这种结构对材料韧性的增加是有利的。但当纤维加 入量过多( l 2 ) 时， 由于作为基体骨科量减少致使材料强度降低， 所以纤维加入对材料强 度增加只在一定范围内起作用。 一 _ 圈 纤维加入量对制品显做组织的影响 2 O | 口 驯 ( ) 6 0 圈5 不加纤维试样的x - r a 圈 * 石英相s i 0 l I 雕玉相A 1 t O I l o一莫来石相3 A 1 t O 2 s -o t 从图中可以看出， 不加纤维的制品， 组织中只出现石英相和少量刚玉相， 石英相的相对 吉量较多。加入 l 2 纤维的制品中， 除石英相外， 刚玉相出现量增多， 同时还有少量莫来石 晶
14、相出现。这说明纤维的加入， 引入少量莫来石相和刚玉相。莫来石晶体热膨胀系数较小 ( a =5 3 1 0 K ) ， 高温体积稳定性较好， 它的形成对整个制品的热震稳定性和体积稳定 性起良好的作用。 刚玉相的膨胀系数 =6 1 9 1 0 K - 。 ， 与莫来石较接近， 只有石英膨胀系 5 2 重庆大学学报( 自 然科学版) 1 9 9 7 芷 图 6 1 2 纤维试样的 x - r a y s 图 石英相S i O z ,； 刚玉棚A Z 2 0 ( 卜一莫来石相3 J l O ， 2 S IO t 数a ：1 3 2 X1 O 。K - 1 的一半， 两相之间热膨胀系数不匹配， 受到热应
15、力时在石英相周围易 形成裂纹， 反复的热震， 使得裂纹扩展而导致最后材料断裂。 而刚玉相和莫来石相之问膨胀 系数相匹配， 且相互交织成较致密的网络状结构， 能起到较强的增韧作用。 因此， 从材料组织 来说， 加入纤维后， 材料的石英相下降， 莫来石和刚玉相增加， 从而增强制品的热震稳定性。 3 纤维陶瓷基复合材料增韧增强断裂机理探讨 从上面的实验结果及分析可以看出， 适量陶瓷纤维的加入能提高材料的强度和热震稳 定性。关于纤维增强陶瓷基复台材料补强增韧机理已有不少解释， 归纳起来有负荷传递、 基 质硬应力化、 裂纹偏转、 拨出效应和架桥效应等 。 纤维的补强增韧是一个非常复杂的过程， 在不同条件下其补强增韧机理不同。 我们认为， 纤维的增强是通过界面效应取得的。 纤维的 特性和纤维基体界面结合状况对材料的性质起决定性作用材料的断裂主要是应力在 各种界面包括缺蹈、 晶界和畴界所形成的界面， 是上应力积聚的结果。纤维表面的析晶 和界面两边陶瓷相的。 弥台 作用， 阻止了基体裂纹的进一步扩展， 同时叉不影响热冲
