智能材料-陶瓷

null智能无机非金属材料智能无机非金属材料概述 陶瓷及非金属材料的自诊断效应 自修补自愈合陶瓷材料 可相变氧化锆材料及其应用null 一、陶瓷基复合材料的自诊断效应 1、材料内部结构与缺陷的诊断 外部诊断方法：仪器诊断(红外热成像技术） 耗时，成本高，不能实时诊断与检测 内部诊断方法： 定义：依靠材料内部组分、结构与性能变化产生的信号变化进行诊断的方法 诊断内容：应力状态、应变量、相变状态、缺陷、裂纹 2、材料的在线检测技术： 非常重要, 如桥梁的突然折断, 房屋的突然倒塌null3、应变测量的材料 应变丝: 尺寸变化伴有电阻值的变化。 例: 黄铜或金属铝制成的应变丝, 拉伸伸展可达10%以上,电阻值增加20%. 光导纤维: 形变时,穿过内部的光通量会减少. 压电材料、电（磁）致伸缩材料: 应变时, 单位体积内的电偶极子的运动发生变化, 从而导致电阻的变化. 压阻材料: 在非导体的基质(如有机物)中加入导电的充填剂(如金属粉、碳粉或者碳纤维），在拉力或压力作用下，充填剂之间的距离和接触面积发生变化，从而导致电阻变化。null4、本章重点：添加导体的在线电检测技术与材料 探测用导体材料的选择 陶瓷材料：高温制备，选用耐高温的半导性碳化硅晶须 水泥结构：常温成型，选用低成本的导电纤维等,如高强度的碳纤维 本节重点内容：两种材料的自诊断效应 碳化硅复合陶瓷材料 碳纤维复合水泥材料 陶瓷材料的缺陷 脆性大：易碎裂，不耐冲击能量 使用可靠性低：不可预测的材料破坏 陶瓷材料的智能化目的： 改善陶瓷材料的脆性 增韧 实时监测，自诊断理想状况是两者并存null 5、增韧机制、自诊断功能 增韧机制 长纤维的复合、桥接 相变增韧 晶体结构的微细化 实现自诊断功能的材料 导电相：连续长纤维、分散增韧相 多层结构 介电体 压电体null陶瓷基复合材料的自诊断效应陶瓷基复合材料的自诊断效应一、 陶瓷材料的导电机理 1、渗流导电模型 氧化铝、氮化硅陶瓷材料一般不导电，加入一定量的导电物质 常用的导电物质：TiN、TiC颗粒，SiC纤维及碳纤维 导电阈值（CPT）：使非导电基质由绝缘相变为导电相的临界添加量：这个含量实际上对应导电纤维或者晶须的直接搭接 CPT值的影响因素： 导电相的形态（大小，长径比）、 导电相的结构（排布状况：无序、层状、线状） 基质相的导电性和致密度nullnull晶须含量的最优化A、获得最优的增韧与导电性能：晶须导电相含量高：高含量较好！ B、获得最优的材料制备工艺与性能：超过20%（质量）时，材料不易致密化，性能下降：含量不能太高 C、实际材料：晶须含量略低于渗流值的含量范围（保证高强度、高韧性），同时加入等轴TiN、TiC导电颗粒（满足渗流值，保证断裂检测）不 一 致 ！null2、非渗流导电模型 渗流导电模型的缺陷：当导电相含量低于阈值时，绝缘陶瓷也能产生电学导通现象。 可能的导电机制：电子的穿透效应（电子在电场中有穿透一定的导电势垒的效应，陶瓷材料中的导电势垒是绝缘体的基质材料）导电不需要导电相的直接搭接！null晶须含量的最优化A、非渗流模型的导电数学模型: exp(B)exp(EkT） B、结果：材料电阻率随晶须的间距的增大或随温度降低而呈指数增加！ C、实际检测应用： 应力 应变 晶须间距变化 电阻率明显变化null 二、晶须定向性及其影响 1、陶瓷中的晶须排布特征：一定的定向排列 2、定向排列程度 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 征指标：定向度T（0T1） 晶须定向度T=平行某一方向的晶须数量/总的晶须数量 null三、碳化硅晶须复合CaF2材料的电学检测 1、静态加载：材料形变与导电性的关系 A、材料组成与电阻： 1）添加3%体积含量的碳化硅（直径0.5微米，长度10微米）晶须，萤石陶瓷电阻下降5个数量级 2）添加10%体积含量的碳化硅晶须，则材料的断裂韧性大大提高，断裂面发生晶须拔出现象 B、静态（单次加载）的应力-应变曲线：总应变量为7%。应变量达到一半时，电阻值呈现急剧增加的趋势，这是断裂的前兆，可用做材料预测。null2、动态加载：材料寿命预测 A、动态（疲劳试验）断裂与应变累积 ： 1）加载强度为70%， 周期为40秒 2）循环次数：85次后断裂 3）材料形变分快速形变与累积形变两个阶段，对应的电阻变化为初期快速升高，中期累积与后期的再次升高三个阶段。 B）寿命预测：第三个阶段的电阻变化预示了检测断裂前兆。由此可用来进行预测。null四、碳化硅晶须增强Si3N4陶瓷复合材料的电学检测 1、拉伸应力加载：可预测材料寿命（电阻率反映应变值）null2、挤压应力加载：不可预测材料寿命（电阻率不能反 映材料应变）null 五、TiN复合Si3N4陶瓷的电学检测 1、40%体积比TiN加入后，复合陶瓷材料具有自检测功能自检测功能 A、材料破坏的自检测：电阻率反映应变值，且在断裂前急剧增加 B、材料负载历史的自检测：残余电阻值的高低进行判断null 五、层状Si3N4陶瓷的电学检测 1、（强层间结合）层状材料具有高韧性与自检测特性结构：氮化硅层（厚度100um）和BN层（10-20um）相间叠层，经压制，除碳及烧结而成。 氮化硅主层添加导电TiN颗粒量达到25-30%，层状材料变为导体材料，电阻率大约10-2Ω.m。 间层加入一定量的Al2O3或Si3N4粉末，间层结合强度大大改善，整个材料的强度也显著提高。nulla: 间层只有BN相， 层间结合强度中等nullb: 间层有Si3N4与BN相 ，层间结合最强c: 间层只有Al2O3 相，层间结合最弱碳纤维混凝土材料的自诊断碳纤维混凝土材料的自诊断1、纤维传感器纤维传感器检测示意图null 2、传感器的电阻-加载曲线电阻-加载特性 A、当加载达到材料强度的70%或者形变达到容许量的60%左右时，电阻值出现急剧升高的趋势。 B、循环受力时，材料的电阻显示逐渐升高的履历曲线 null3、纤维特性的影响结果 A、通过碳纤维的选择，可以预测纤维束完全断裂前的状态,达到预警的目的. B、玻璃纤维的作用： 1）碳纤维断裂后的增强作用， 2）成本低，抗侯性好。自修补自愈合陶瓷材料自修补自愈合陶瓷材料一、金属表面伤痕的愈合机理-氧化膜的形成（被动性） 1、氧化膜形成与作用 金属铝：氧化膜保护的最典型代表 表面氧化后形成致密氧化铝膜 氧化铝膜内氧扩散系数非常低，阻止内部金属铝的进一步氧化 不锈钢：钢铁中加入12%铬 表面形成了一层耐腐蚀的氧化膜，起保护作用 2、氧化膜的特性与作用 特性： 性能稳定 膜内氧扩散系数很低（阻断内部材料的进一步氧化） 作用 材料保护膜（保护内部材料不被氧化，腐蚀）null二、人的手茧形成机制 生物材料提供的思路 手茧形成过程 表皮：皮肤摩擦 破裂、裂纹 龟裂 内皮：内部分泌胶质 填充龟裂 形成较高硬度的手茧 机制：内部物质扩散到表面，形成新的保护性物质 三、材料保护思路（主动性） 内部物质扩散形成保护膜 1、材料制备：材料内部加入容易扩散的元素或物质 2、材料破坏与保护： 表面破坏、形成裂纹 内部物质向表层扩散 在裂纹处富集形成高硬度的新物质 3、保护物质作用 新物质阻止了表面裂纹向纵深发展。nullA、材料：钛铝合金 B、添加元素：易氧化元素 C、实际应用： 高温下，氧化物自动填充表面伤口与裂纹高温使用的发动机材料null四、高温陶瓷涂层的自动成膜机制材料：不锈钢中加入少量的B和N元素 高温条件下： B和N元素在温度与压力作用下，向表层扩散 扩散物质在表层聚集，形成致密的BN高温陶瓷保护涂层 高温陶瓷涂层结构特征 从母体材料中“自生”而成 成分与结构与基体材料呈现连续的、递变过渡状态 具有非常高的亲和性、相容性、结合强度 涂层优势：解决了金属表面陶瓷涂层容易剥落的难题（键性，膨胀系数不相容）null 五、高温陶瓷的高温氧化自适应性 1、代表性材料：氮化硅陶瓷（发动机的侯选材料） 2、研究目标： 1）提高材料韧性（难点）； 2）高温不失强（高温高强度）; 改善晶界相结构 。如：HONG et al, J. Euro.Cer.Soc. 22(4), 527-534, 2002(1400℃强度基本不降低，东大工作结果，已被他人引用6篇次) 3）高温破损时：自我诊断与自我修补功能 3、破损机制与修补： 破损机制：高温氧化 表面形成微裂纹 氧向内扩散导致氧化继续进行 此过程继续发展导致破损扩大 材料劣化。 破损修补：自动流入表面氧化产生的裂纹处，阻止氧的扩散null4、氮化硅陶瓷高温破损修补研究： 普通氮化硅陶瓷： 氮化硅陶瓷表面氧化 氧化硅层 氧化硅层结晶化 体积收缩 表面形成微裂纹 氧化进一步发生 材料组成：加入少量的Nb化合物 材料性能：有效地阻止了1000℃下高温下的氧化 抗氧化性能起因：铌化合物在氮化硅表面形成NbC-Nb2O3-NbO2-Nb2O5的梯度过渡氧化物层 呈玻璃态且致密地覆盖在表面 有效地隔断氧向材料内部的扩散 提高抗氧化性能。null六、微波辐射愈合陶瓷材料内部裂纹机制（李健保的研究工作） 1、微波特点： 能量密度大的电磁波，可使物质快速升温加热 加热机制与选择性： 材料内部的可极化物质（电子、离子、极化分子、空泛电荷等）发生频繁反转或摩擦而发热 材料不同，微波诱导发热的难易程度就不同 微波加热的选择性 2、利用微波辐射的氮化硅材料设计 材料中加入少量介电常数比较大的碳化钛和碳化铌等颗粒 碳化物优先加热,向周围扩散并愈合周围的微细裂纹和孔隙.null研究结果： 500℃高温淬火导致强度下降 微波辐射后，强度恢复到初始水平 愈合机制： 碳化物的热膨胀系数较大，晶粒也较大 受力时，材料内部的微细裂纹容易沿着碳化物晶粒扩展 微波辐射时，碳化物热膨胀，裂纹得到愈合，材料性能恢复null七、自愈合混凝土的研究 1、建筑物裂纹状况：大量存在，对抗震、安全不利 2、自愈合混凝土： 材料制备途径： 埋入粘结剂：在裂纹处释放，将裂纹修补好 粘结剂填入中空玻璃纤维，长时间发挥作用，null 愈合作用 提高开裂部分的强度，增强延性弯曲的能力 （低模量粘结剂）改善建筑结构的阻尼特性 （高模量粘结剂）获得横向强度 复合方法: 粘接剂填充到玻璃纤维中 玻璃纤维用水溶性胶粘接成束 平直铺入混凝土中 混合过程中,水将胶溶化,纤维分散开 5.3 可相变氧化锆材料及应用5.3 可相变氧化锆材料及应用1、ZrO2有3种变体 :单斜、四方、立方氧化锆相变特征3、1100-1200℃左右发生单斜-四方相变 2、2380℃左右发生四方-立方相变 四方相单斜相的相变为无扩散的马氏体相变体积膨胀约4.5-7%形状记忆 陶瓷增韧自诊断自修复nullA、用途：技术管的密封外套管 B、密封工艺过程： 先陶瓷内管加工到紧密贴牢金属管尺寸； 机械方法扩展陶瓷管； 套在金属管上； 加热陶瓷管； 陶瓷套管收缩，与金属管紧密接触一、氧化锆形状记忆陶瓷应用二、陶瓷智能增韧二、陶瓷智能增韧相变体积变化效应，微裂纹增韧机制 相变吸收能量，相变增韧机制（应力诱导相变增韧）烧成冷却时体积膨胀对基体产生压应力1）阻止主要裂纹的扩展2）吸收主裂纹能量，使之偏转1）马氏体相变温度可随颗粒所受压力与颗粒大小变化2）相变温度可调节到室温发生 韧性：材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。增 韧 机 理null颗粒度对相变温度、四方相含量的影响null溶于ZrO2中的其他掺杂物或多或少减小ZrO2的相变自由能差，降低马氏体相变温度 为防止ZrO2制品开裂，加入稳定剂抑制相变 常用的稳定剂：CaO, MgO, Y2O3, CeO2等 原因：添加剂的引入，使ZrO2晶体出现微局部带电的组成和结构缺陷，并在缺陷的附近，出现了显著的晶格场畸变压应力，会抑制晶型转变。因此，在降温过程中，立方晶型便可能不再转变为四方或单斜晶型，而成为介稳的晶相保留下来，避免了体积效应的产生，生成了所谓立方晶型的稳定ZrO2。掺杂物对相变温度的影响null基体晶粒内t-ZrO2最难相变 晶粒之间或晶界处次之 t-ZrO2晶粒堆积处最易相变 基体中所处的位置对相变温度的影响null氧化锆增韧陶瓷（ZTC）的智能化响应机制外力作用 迅速作出反应 产生相变 提高强度与韧性null温度对氧化锆增韧陶瓷效果的影响温度增加 四方相的稳定性越高 向单斜相转变的化学驱动力减小 增韧作用也随之减少null利用相变产生微结构/特性 变化（如晶体结构、导热率、导电率等）实现材料的自诊断激光加热 升温速率和冷却速率 测定导热性能 评价材料的老化程度三、自诊断null对氧化锆受压力产生的裂纹，300℃热处理50小时后，可以再弥合，实现了材料的自修复。 体积膨胀补偿了裂纹空隙，只实现部分修复。四、自修复