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液压行业新贵族:新型复合式材料
航空设备公司联合研制的斜轴式水压泵,其斜盘副和柱塞副均采用了工程陶瓷
和碳纤维增强塑料的组合结构;德国汉堡工业大学试制的轴向柱塞泵中的滑靴、缸体和斜盘全部使用了陶瓷等。从上述的应用情况来看,陶瓷多数与不锈钢或工程塑料组成摩擦副,较少单独使用,且使用陶瓷的元件尺寸也较小。脆性是现有工程陶瓷在应用时的最大弱点,限制了它在高速高压条件下的使用。离子键和共价健的微观组织结构使之不易在受力时发生类似金属中的晶间滑移;相反,在工程陶瓷成形制作过程中形成的大量气孔夹杂、错位和微观断裂纹等缺陷将成为应力集中源。当元件的尺寸增大时,各种缺陷与之俱增,元件的可靠性也随之降低。工程陶瓷较之金属和高分子材料的弯曲强度和抗冲击强度低得多,使之也不宜用于工况存在振动冲击下的元件。由于陶瓷的各主要力学性能参数具有概率分布特性,所以金属的设计准则不再适用于陶瓷,而可靠性设计和模糊设计等现代设计方法更具实用价值。还有一个限制工程陶瓷应用的因素是它的加工工艺性。陶瓷元件一般是通过制模及高温烧结成形后,再进行机械加工制成,因此难以制做结构形状复杂的零件,硬而脆的特点使之难于用普通的机械加工装备加工,增加了其制造成本。

要解决陶瓷脆性问题,须对陶瓷进行增韧。提高其韧性的方法有:(1)微裂纹:在一个大的裂纹尖端有一些微裂纹,它们可以引起微裂纹的分叉,使应变能量从相对集中到逐渐扩散,这样在主裂纹尖端的应力强度就会减少,因为扩展一系列裂纹所需应力要大于扩展单一裂纹所需的应力,所以这些微裂纹起到了增韧作用。

 

(2)颗粒增韧:在不发生相变的颗粒和裂纹面之间相互作用可以导致增韧,这种相互作用包括:在两个粒子之间导致裂纹移位,裂纹在粒子处发生偏转。

 

(3)相变增韧:在裂纹尖端的第二相粒子通过相变产生一种切变和膨胀,然后减小集中在裂纹尖端的拉伸应力。在含有部分稳定的氧化锆粒子的氧化铝复合材料中,氧化锆粒子的相变会引起体积变化而达到增韧效果。

 

(4)晶须和纤维增韧:晶须和长纤维作为增强材料在陶瓷基复合材料的破坏过程中发挥了能量吸收功能。

 

纤维增强陶瓷基复合材料是以纤维作增强体,3纤维增韧陶瓷把纤维与陶瓷基体通过一定的复合工艺结合在一起而形成材料的总称。与普通陶瓷相比,这类复合材料具有高强度、高韧性、优异的热稳定性和化学稳定性,是一类新型结构材料。纤维增韧是解决陶瓷脆性的主要办法之一,因此陶瓷基复合材料越来越受到人们的重视。

 

纤维增韧机制,即纤维强化被认为是提高陶瓷韧性最有效和最有前途的方法之一。纤维的强度一般比基体高得多,所以它对基体具有强化作用,同时纤维具有显著阻碍裂纹扩展的能力,从而提高了材料的韧性。

 

对典型纤维陶瓷基材料断裂行为的研究表明,材料的断裂过程一般为基体中出现裂纹、纤维与基体发生界面解离、纤维断裂和拔出。根据以上的失效机制,可采用桥联增韧、裂纹偏转和纤维拔出等三种增强的方式。

 

桥联增韧是指当基体出现裂纹后,纤维像“桥梁”一样,牵拉两裂纹面,以抵抗外力,阻止裂纹进一步扩展,从而提高材料的韧性和强度。此外,桥联也是高温增韧补强的重要条件之一。

 

当裂纹遇到弹性模量比基体大的纤维时,裂纹会偏离原来的前进方向,沿纤维与基体的结合面(引起纤维与基体界面发生解离)或在基体内扩展,这种改变了方向的非平面裂纹具有比平面裂纹更大的表面积和表面能,因而可以吸收更多的断裂功,从而起到增韧的作用;裂纹偏转增韧机制也是高温增韧的一种有效方法。

 

拔出效应是指纤维在外力作用下从基体中拔出时,靠界面摩擦吸收断裂功而增韧。拔出效应不随温度的升高而变化,因此这也是一种有效的高温增韧机制。

 

颗粒增强陶瓷复合材料的弹性模量及强度都较整体陶瓷有所提高,但力-位移曲线形状不发生变化;而纤维陶瓷增强复合材料不仅使弹性模量及强度大大提高,而且还改变了力-位移曲线的形状。

 

总之,纤维增强陶瓷复合材料在断裂前吸收了大量的断裂能量,使韧性得以大幅度提高。很明显连续纤维的增韧效果最佳,晶须的相变增韧和颗粒增韧次之。无论是纤维、晶须还是颗粒增韧均使断裂韧性较整体陶瓷有较大提高。

 

碳纤维材料具有强度和弹性模量高、减震性好、以及良好的导热性能。用碳纤维与陶瓷组成复合材料能大幅度地提高断裂功和抗热震性能,改善陶瓷脆性。而陶瓷又保护了碳纤维,因而具有很高的高温强度和弹性模量。经过碳纤维增强的陶瓷复合材料,其抗冲击强度比纯陶瓷提高10倍以上,抗弯强度也可提高5~10倍。而脆性缺点得到了大大的改善,同时其导热性能也得到了很大的提高,在摩擦时不易灼伤对偶面。这一点对于与工程塑料配合使用时尤为重要。

 

陶瓷基复合材料的制造方法有:热加工法、用有机金属化合物作为前驱体,在高温下分解生成陶瓷法、带式浇铸法、自然烧结法、直接氧化法等。

 

采用直接氧化法其具有工艺简单、价廉、产品低温性能优越等特点。是当前最有希望的陶瓷基复合材料的制备工艺之一,并可产生高温陶瓷基复合材料。而简科、林红吉等研究的用先驱体转化法(PIP)制备低成本碳纤维增强陶瓷基复合材料,由于成型工艺简单、制备温度较低等特点而受到关注。

 

低成本是陶瓷基复合材料的一个发展趋势,只有解决了陶瓷基复合材料的制造成本问题,才能使其更广泛地应用于水压传动中。

 

经过碳纤维增强的陶瓷,无论在耐机械冲击性,还是在耐热冲击性方面都有了极大的提高,这在很大程度上克服了陶瓷的脆性,同时又保持了陶瓷原有的许多优异性能。从而扩大了工业陶瓷的应用范围。提高了其在水压传动中的使用寿命。

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