智能、陶瓷
乐投体育平台智能材料-陶瓷
作者: admin 来源: 未知 发布时间:2020-04-13 09:57

  智能材料-陶瓷_自然科学_专业资料。智能材料与智能系统(5) 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 智能材料与智能系统(5) 一、陶瓷基复合材

  智能材料与智能系统(5) 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 智能材料与智能系统(5) 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 智能材料与智能系统(5) ? 3、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。 智能材料与智能系统(5) ? 4、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 ? 实时监测,自诊断 增韧 理想状况是 两者并存 智能材料与智能系统(5) 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 智能材料与智能系统(5) 智能材料与智能系统(5) 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)、乐投体育平台 ? 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 智能材料与智能系统(5) 智能材料与智能系统(5) 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 ! 智能材料与智能系统(5) ? 2、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。 导电不需要导电相的直接搭接! ? 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) 智能材料与智能系统(5) 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 智能材料与智能系统(5) 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 智能材料与智能系统(5) 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%。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。 智能材料与智能系统(5) ? 2、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。 智能材料与智能系统(5) 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) 智能材料与智能系统(5) ? 2、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) 智能材料与智能系统(5) 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 智能材料与智能系统(5) 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。 智能材料与智能系统(5) a: 间层只有BN相, 层间结合强度中等 智能材料与智能系统(5) b: 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 智能材料与智能系统(5) 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 智能材料与智能系统(5) ? 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 智能材料与智能系统(5) ? 3、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。 智能材料与智能系统(5) 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) 智能材料与智能系统(5) 二、人的手茧形成机制 ? 手茧形成过程 生物材料提供的思路 ? 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。 智能材料与智能系统(5) 高温使用的发动机材料 A、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 智能材料与智能系统(5) ? 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 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 ? 高温陶瓷涂层结构特征 ? ? ? ? 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) 智能材料与智能系统(5) 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 智能材料与智能系统(5) ? 4、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-NbO2Nb2O5的梯度过渡氧化物层 有效地隔断氧向材料内部的扩散 呈玻璃态且致密地覆盖在表面 提高抗氧化性能。 智能材料与智能系统(5) 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. 智能材料与智能系统(5) ? 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 智能材料与智能系统(5) ? 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, 智能材料与智能系统(5) ? 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 智能材料与智能系统(5) 5.3 可相变氧化锆材料及应用 氧化锆相变特征 1、ZrO2有3种变体 :单斜、四方、立方 2、2380℃左右发生四方-立方相变 3、1100-1200℃左右发生单斜-四方相变 四方相?单斜相的相变 为无扩散的马氏体相变 形状记忆 陶瓷增韧 体积膨胀约4.5-7% 自诊断 自修复 智能材料与智能系统(5) 应用 一、氧化锆形状记忆陶瓷 A、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 智能材料与智能系统(5) 二、陶瓷智能增韧 韧性:材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。 ? 相变体积变化效应,微裂纹增韧机制 烧成冷却时体积膨胀对基体产生压应力 增 韧 机 理 1)阻止主要裂纹的扩展 2)吸收主裂纹能量,使之偏转 ? 相变吸收能量,相变增韧机制 (应力诱导相变增韧) 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 智能材料与智能系统(5) 颗粒度对相变温度、四方相含量的影响 智能材料与智能系统(5) 掺杂物对相变温度的影响 ? 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。 智能材料与智能系统(5) 基体中所处的位置对相变温度的影响 ? 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 智能材料与智能系统(5) 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 智能材料与智能系统(5) 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 智能材料与智能系统(5) 三、自诊断 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 智能材料与智能系统(5) 四、自修复 ? 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。乐投体育官网

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