[發明專利]復合結構預存應力筋增強陶瓷基復合材料及其制造方法

有效

• 申請號: 201210129460.5
• 申請日: 2012-04-28
• 公開（公告）號: CN102659441A
• 公開（公告）日: 2012-09-12
• 發明（設計）人: 王子國;李顯方;武井祥
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C04B35/80
• 分類號: C04B35/80;C04B35/622
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所 43114
• 代理人: 鄧建輝

技術領域

本發明涉及一種復合結構預存應力筋增強陶瓷基復合材料，本發明還涉及該復合結構預存應力筋增強陶瓷基復合材料的制造方法，通過復合結構預存應力筋自身的錨固解除，給陶瓷基體提供預應力。

背景技術

陶瓷材料正是由于它的耐高溫、抗氧化、高耐磨、硬度大、耐腐蝕、抗壓強度高等眾多優異性能，使得陶瓷在當今世界里可謂是無處不在，其在航空航天、機械、電子、能源等軍事、民用行業都有它不可替代的貢獻和作用，然而，陶瓷的致命弱點就是脆性很大，抗拉強度非常低，其對裂紋、氣孔、雜質等缺陷特別敏感，大大限制了它在眾多領域的應用。因此廣大專家學者前仆后繼、不懈努力地去研究改善陶瓷的脆性、提高其抗拉強度、增加其使用的可靠性延長其服役期限，比如通過控制陶瓷的晶粒大小、應用相變機理改善其韌性，還有在陶瓷基體加入晶須、增強顆粒等物增韌，但增韌效果不佳，增韌后的陶瓷基復合材料斷裂韌度K_IC一般不超過12MPam1^/2而采用高強度、高韌性的纖維增強陶瓷基復合材料的斷裂韌度K_IC在20MPam^1/2左右，有些連續纖維增韌的陶瓷復合材料的斷裂韌度K_IC可超過30MPam^1/2，因此其斷裂韌度和比例極限應力相比前面所述的增韌途徑來說確實有了很大的提高^【1】。雖然像連續纖維作為增強體在目前看來增韌效果最好，但還是解決不了其所增強的陶瓷基過早開裂這一問題。

當該材料構件受力時，隨著荷載增加，陶瓷基體首先開裂，此時纖維增強體的應力很小，其還遠沒達到自己的強度，而對那些彈性模量不夠高的纖維增強體更加明顯了。陶瓷基體開裂后嚴重影響構件的耐久性、安全性，因此其后的受力性能受到很大的影響。由于陶瓷其本質上的脆性還是很大地限制了該種增韌途徑的增韌效果，就是使用相當高彈性模量的增強纖維，也是很難改變此種劣勢。因此我們如何改變這種劣勢？可不可以利用預應力法？

在連續纖維增韌的陶瓷復合材料增韌機理中，增強體引入的目的就是發揮其優越的抗拉性能，在構件中承受主要的拉應力，為了防止基體過早開裂，為何不在復合材料構件采用預應力效應，預先使陶瓷基體受到壓縮應力，即在復合材料成型過程中讓增強體給陶瓷基體預壓，當陶瓷基體受到張力時，必須先超過預加的壓縮應力，從而增加了陶瓷基體受張力而開裂的應變量。這樣利用了陶瓷超大的抗壓強度，彌補陶瓷基體的脆性，很好的增加復合材料構件的韌性、整體性、耐久性。

文獻^【2】顯示，在對纖維增強體或者增韌陶瓷的設計當中，增強體與基體兩者除了化學上要具有相容性，在物理上也要相容。在物理相容性方面有彈性模量和線脹系數，增強體與基體的彈性模量要匹配，盡量使增強體的彈模大于基體的彈模，其目的就是多讓增強體受力。而對于線脹系數方面，增強體的線脹系數要大于陶瓷基體的線脹系數，其目的就是在復合材料成型溫度以下時，增強體可給基體帶來預壓應力，這樣有利于所選擇的整個復合材料的性能。由材料線脹系數差獲得的預應力的方法，在這里暫且稱其為線脹系數差法。因此復合材料溫度越低，增強體對陶瓷基體的預應力就越大。目前連續纖維增強陶瓷基復合材料主要采用碳纖維，碳纖維的線脹系數一般小于1.1×10^-6K^-1以下，而陶瓷的線脹系數大于2.0×10^-6K^-1，該復合材料的成形溫度一般超過1000℃，這就意味著兩者在成形溫度下復合后，當復合材料溫度低于此溫度時，碳纖維就會給陶瓷基體施加拉應力，只要溫度降到一定程度后，線脹系數差造成的溫度應力超過陶瓷基體的極限抗拉應力，該復合材料就會開裂，導致材料的可靠性等一系列的性能降低。比如日本東麗公司T300碳纖維，其軸線線脹系數為1×10^-6K^-1，強度為3.53GPa，彈性模量為230GPa^【3】。復合材料中陶瓷基體與碳纖維的體積分數為1∶1，假設陶瓷的線脹系數為0，當復合材料的溫度下降1000℃，就是受壓的陶瓷基體不受壓變形，其溫度應力約為230MPa，只有其強度的6.5％左右，因此由線脹系數差法給陶瓷基體施加的預壓力過小，更何況陶瓷基體的線脹系數都大于0，這樣預壓應力就更小了。再者，用線脹系數差來提供預應力，這種途徑很難控制，更何況當溫度接近復合材料成型溫度時，其預應力就會慢慢消失，預應力增韌或者增加強度效果隨之消失。當溫度超過復合材料成型溫度時，增強體就會讓陶瓷基體出現拉應力，加速基體的開裂，導致復合材料性能下降。