[发明专利]复合结构预存应力筋增强陶瓷基复合材料及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合结构预存应力筋增强陶瓷基复合材料，本发明还涉及该复合结构预存应力筋增强陶瓷基复合材料的制造方法，通过复合结构预存应力筋自身的锚固解除，给陶瓷基体提供预应力。

背景技术

陶瓷材料正是由于它的耐高温、抗氧化、高耐磨、硬度大、耐腐蚀、抗压强度高等众多优异性能，使得陶瓷在当今世界里可谓是无处不在，其在航空航天、机械、电子、能源等军事、民用行业都有它不可替代的贡献和作用，然而，陶瓷的致命弱点就是脆性很大，抗拉强度非常低，其对裂纹、气孔、杂质等缺陷特别敏感，大大限制了它在众多领域的应用。因此广大专家学者前仆后继、不懈努力地去研究改善陶瓷的脆性、提高其抗拉强度、增加其使用的可靠性延长其服役期限，比如通过控制陶瓷的晶粒大小、应用相变机理改善其韧性，还有在陶瓷基体加入晶须、增强颗粒等物增韧，但增韧效果不佳，增韧后的陶瓷基复合材料断裂韧度K_IC一般不超过12MPam1^/2而采用高强度、高韧性的纤维增强陶瓷基复合材料的断裂韧度K_IC在20MPam^1/2左右，有些连续纤维增韧的陶瓷复合材料的断裂韧度K_IC可超过30MPam^1/2，因此其断裂韧度和比例极限应力相比前面所述的增韧途径来说确实有了很大的提高^【1】。虽然像连续纤维作为增强体在目前看来增韧效果最好，但还是解决不了其所增强的陶瓷基过早开裂这一问题。

当该材料构件受力时，随着荷载增加，陶瓷基体首先开裂，此时纤维增强体的应力很小，其还远没达到自己的强度，而对那些弹性模量不够高的纤维增强体更加明显了。陶瓷基体开裂后严重影响构件的耐久性、安全性，因此其后的受力性能受到很大的影响。由于陶瓷其本质上的脆性还是很大地限制了该种增韧途径的增韧效果，就是使用相当高弹性模量的增强纤维，也是很难改变此种劣势。因此我们如何改变这种劣势？可不可以利用预应力法？

在连续纤维增韧的陶瓷复合材料增韧机理中，增强体引入的目的就是发挥其优越的抗拉性能，在构件中承受主要的拉应力，为了防止基体过早开裂，为何不在复合材料构件采用预应力效应，预先使陶瓷基体受到压缩应力，即在复合材料成型过程中让增强体给陶瓷基体预压，当陶瓷基体受到张力时，必须先超过预加的压缩应力，从而增加了陶瓷基体受张力而开裂的应变量。这样利用了陶瓷超大的抗压强度，弥补陶瓷基体的脆性，很好的增加复合材料构件的韧性、整体性、耐久性。

文献^【2】显示，在对纤维增强体或者增韧陶瓷的设计当中，增强体与基体两者除了化学上要具有相容性，在物理上也要相容。在物理相容性方面有弹性模量和线胀系数，增强体与基体的弹性模量要匹配，尽量使增强体的弹模大于基体的弹模，其目的就是多让增强体受力。而对于线胀系数方面，增强体的线胀系数要大于陶瓷基体的线胀系数，其目的就是在复合材料成型温度以下时，增强体可给基体带来预压应力，这样有利于所选择的整个复合材料的性能。由材料线胀系数差获得的预应力的方法，在这里暂且称其为线胀系数差法。因此复合材料温度越低，增强体对陶瓷基体的预应力就越大。目前连续纤维增强陶瓷基复合材料主要采用碳纤维，碳纤维的线胀系数一般小于1.1×10^-6K^-1以下，而陶瓷的线胀系数大于2.0×10^-6K^-1，该复合材料的成形温度一般超过1000℃，这就意味着两者在成形温度下复合后，当复合材料温度低于此温度时，碳纤维就会给陶瓷基体施加拉应力，只要温度降到一定程度后，线胀系数差造成的温度应力超过陶瓷基体的极限抗拉应力，该复合材料就会开裂，导致材料的可靠性等一系列的性能降低。比如日本东丽公司T300碳纤维，其轴线线胀系数为1×10^-6K^-1，强度为3.53GPa，弹性模量为230GPa^【3】。复合材料中陶瓷基体与碳纤维的体积分数为1∶1，假设陶瓷的线胀系数为0，当复合材料的温度下降1000℃，就是受压的陶瓷基体不受压变形，其温度应力约为230MPa，只有其强度的6.5％左右，因此由线胀系数差法给陶瓷基体施加的预压力过小，更何况陶瓷基体的线胀系数都大于0，这样预压应力就更小了。再者，用线胀系数差来提供预应力，这种途径很难控制，更何况当温度接近复合材料成型温度时，其预应力就会慢慢消失，预应力增韧或者增加强度效果随之消失。当温度超过复合材料成型温度时，增强体就会让陶瓷基体出现拉应力，加速基体的开裂，导致复合材料性能下降。