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1、下一代陶瓷材料所面临的严峻考验已有1人参与hwweven: 金币+5, 感谢分享资讯2013-11-13 21:34用于制造超音速喷气发动机和下一代燃气涡轮发动机所需的先进陶瓷复合材料要承受更高的工作温度，但是实时分析航空航天材料在超高温度下的力学性能依旧是一项难题。美国能源部下属劳伦斯伯克利国家实验室（以下简称伯克利实验室）的研究人员却开发出了这样的测试设备，它能够在可控载荷和超高温度环境下对陶瓷复合材料进行实时的CT扫描。伯克利实验室的先进光源中心拥有高能X射线和紫外线光源，在这里工作的科学家制作了一台装备X射线的力学拉伸试验平台，这个平台可以实时显示在温度高达1750oC下施加拉伸载荷时
2、显微裂纹的扩展。这使得工程师可以计算陶瓷复合材料在极端工作环境下结构或力学失效的风险，从而使材料的性能和安全性得以改善。在伯克利实验室领导这项研究的材料科学家Robert Ritchie解释道：“我们的原位超高温拉伸试验台和ALS8.3.2线站的X射线相结合，使我们能够获得先进陶瓷复合材料在前所未有的高温条件下的力学性能数据，这些测量数据，结合了直观的3D图像和载荷下的定量损伤数据，可以为准确预测陶瓷复合材料的结构完整性和安全寿命提供重要的信息。”Ritchie任职于伯克利实验室材料科学分部和加州大学伯克利分校材料科学与工程系。他已经在Nature Materials杂志上发表了关于这项研究工
3、作的论文，他是该论文的通讯作者。这篇论文的题目是Real-time quantitative imaging of failure events in materials under load at temperatures above 1,600C。这篇文章的其他作者包括：Hrishikesh Bale，Abdel Haboub，Alastair MacDowell，James Nasiatka，Dilworth Parkinson，Brian Cox和David Marshall。黏土制成的陶瓷被用作建筑材料已经有数千年的历史，因其耐水性，耐腐蚀性，抗氧化性和最重要的耐热性而著称。黏土所能
4、承受的温度能熔化大多数的金属。然而，传统的陶瓷也存在严重的缺陷，即脆性。如今在极端结构中应用的先进陶瓷更加的强硬。他们已经用陶瓷纤维增强形成复合材料，并能沿着天然材料（比如骨骼和贝壳）的线形进行构造。陶瓷复合材料制成的喷气或涡轮燃气发动机的重量将大大的小于今天的发动机，并能在更高的温度下工作。这将转化为更高的燃油效率并减小污染。尽管陶瓷复合材料和它的粘土祖先相比更难断裂，但是细小的裂纹可以在他们复杂的显微组织中萌生和生长，并造成潜在的灾难性问题。Ritchie说：“像骨头和贝壳一样，陶瓷复合材料通过复杂性来增强，用有层次的，混合的显微组织阻止局部损伤的扩张，防止的致命大裂纹的形成，这是典型脆性
5、材料的特征。但是，成分的复杂性使安全使用的问题变得复杂。对于陶瓷复合材料在超高温条件的应用，尤其是环境中有腐蚀性物质时必须远离材料，这种情况下相对小的裂纹，即使是微米数量级，都是不可以接受的。”究竟怎么通过定制陶瓷复合材料的显微组织来预防微裂纹？无论对于追求成分和体系最优化的材料科学家，还是对于必须预测失效的设计工程师都是一个核心问题，Ritchie表示回答这个问题唯一可靠的方式就是通过在超高温下测量数据。ALS8.3.2线站由一个6特斯拉的超导弯曲磁体供电，用来进行X射线显微层析，这是一种固态的3D无损成像技术，分辨率接近1微米。在独特的拉伸试验平台的帮助下，Ritchie和他的同事可以在惰
6、性气体或者活泼气体氛围中保持原位超高温环境，并同时获得样品显微组织的实时三维图像。在他们发表的论文中，Ritchie和他的合作者描述了在足够的分辨率条件下获取碳化硅陶瓷复合材料样品显微组织的3D图像，并观察在不同载荷下微裂纹以及其他形式的内部损伤形成。Ritchie说：“我们的测试结果提供了陶瓷复合材料内部潜在失效机制的重要信息，这些信可以用来优化复合陶瓷材料的性能。通过直接的、实时的、无损的实验观察验证理论数据模型，可以极大的促进我们的认识，并有助于促进陶瓷复合材料的技术创新。”科普一下复合材料挥泪天使:标题高亮 2011-05-24 11:33zhaozhilei(金币+1): 科普帖子
7、2011-05-24 23:35:53复合材料(Composite materials)，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。分类复合材料是一种混合物。在很多领域都发挥了很大的作用，代替了很多传统的材料。复合材料按其组成
8、分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。按其结构特点又分为：纤维复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。夹层复合材料。由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。混杂复合材料。由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内/层间混杂和超混杂复
9、合材料。 60年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，先后研制和生产了以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等）为增强材料的复合材料，其比强度大于4106厘米（cm），比模量大于4108cm。为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别，将这种复合材料称为先进复合材料。按基体材料不同，先进复合材料分为树脂基、金属基和陶瓷基复合材料。其使用温度分别达250350、3501200和1200以上。先进复合材料除作为结构材料外，还可用作功能材料，如梯度复第五代战机复合材料合材料(材料的化学和结晶学组成、结构、空隙等在空间连续梯变的功能复合材料)、机敏复合材料（具有感觉、处理和执行功能
10、，能适应环境变化的功能复合材料）、仿生复合材料、隐身复合材料等。性能：复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。石墨纤维与树脂复合可得到膨胀系数几乎等于零的材料。纤维增强材料的另一个特点是各向异性，因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500时仍能保持足够的强度和模量。碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨损，可用作发动机风扇叶片。碳化硅纤维与陶瓷复
11、合，再生树脂复合材料使用温度可达1500，比超合金涡轮叶片的使用温度（1100）高得多。碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨，构成耐烧蚀材料，已用于航天器、火箭导弹和原子能反应堆中。非金属基复合材料由于密度小，用于汽车和飞机可减轻重量、提高速度、节约能源。用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承载能力与重量大5倍多的钢片弹簧相当。成型方法：复合材料的成型方法按基体材料不同各异。树脂基复合材料的成型方法较多，有手糊成型、喷射成型、纤维缠绕成型、模压成型、拉挤成型、RTM成型、热压罐成型、隔膜成型、迁移成复合材料电缆支架型、反应注射成型、软膜膨胀成型、冲压成型等。金属基复合材料成型方法分为固相成型法和液相成型法。前者是在低于基体熔点温度下，通过施加压力实现成型，包括扩散焊接、粉末冶金、热轧、热拔、热等静压和爆炸焊接等。后者是将基体熔化后，充填到增强体材料中，包括传统铸造、真空吸铸、真空反压铸造、挤压铸造及喷铸等、陶瓷基复合材料的成型方法主要有固相烧结、化学气相浸渗成型、化学气相沉积成型等。来源：百度百科
