無機(jī)非金屬材料的智能化

1、無機(jī)非金屬材料的智能化 陶瓷及非金屬材料的自診斷效應(yīng)陶瓷及非金屬材料的自診斷效應(yīng) 自修補(bǔ)自愈合陶瓷材料自修補(bǔ)自愈合陶瓷材料 可相變氧化鋯材料及其應(yīng)用可相變氧化鋯材料及其應(yīng)用 功能無機(jī)材料的智能化功能無機(jī)材料的智能化 1 1 陶瓷及非金屬材料的自診斷效應(yīng) u陶瓷材料：氧化物、碳化物、氮化物以及硼化物 等非金屬類耐高溫、高強(qiáng)度的材料 u優(yōu)點(diǎn)：性能多樣；缺點(diǎn)：性脆和使用可靠性低 u陶瓷材料智能化目的：改善脆性，提高使用可靠 性 自診斷：依靠材料內(nèi)部的組分或結(jié)構(gòu)的變化產(chǎn)生的 信號而進(jìn)行診斷的方法。 診斷內(nèi)容：應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)變量、相變、缺陷或裂紋 發(fā)展過程等。 增韌機(jī)制：長纖維的復(fù)合、橋接、分散相的復(fù)合、

2、 增韌相的拔出、相變增韌、晶體結(jié)構(gòu)的 微細(xì)化等。 理想自診斷方法：增韌機(jī)制與自診斷功能結(jié)合 1.1 1.1 陶瓷基復(fù)合材料的自診斷 電檢測技術(shù)：通過向絕緣的陶瓷基體中添加導(dǎo)電相從 而制成具有一定導(dǎo)電性的陶瓷基復(fù)合材 料的途徑來實(shí)現(xiàn) 1.11 1.11 導(dǎo)電機(jī)理 （1 1）滲流導(dǎo)電模型）滲流導(dǎo)電模型 導(dǎo)電閥值（CPT）：使非導(dǎo)電基質(zhì)導(dǎo)電性能由絕緣轉(zhuǎn) 換為導(dǎo)通的導(dǎo)電相的臨界添加量 CPT影響因素：導(dǎo)電相的形態(tài)、導(dǎo)電相的結(jié)構(gòu)、基質(zhì) 相的導(dǎo)電性和致密性等 圖1 陶瓷中導(dǎo)電晶須的滲流閾值與長徑比關(guān)系 圖2 陶瓷基質(zhì)顆粒大小對于滲流閾值的影響 （2 2）晶須復(fù)合陶瓷材料的非滲流導(dǎo)電模型）晶須復(fù)合陶瓷材料的

3、非滲流導(dǎo)電模型 導(dǎo)電機(jī)制：電子在電場中有穿透一定的導(dǎo)電勢壘的 效應(yīng) 材料電阻率與晶須空隙的有效寬度和溫度T之間 的關(guān)系 注：B為電子穿透效應(yīng)的材料常數(shù) E為電導(dǎo)勢壘 本質(zhì)：微小的形變可以導(dǎo)致可檢測電阻值的變化 1.12 1.12 晶須的定向性及其對電學(xué)性能的影響 晶須的定向性T=平行于一定方向的晶須數(shù)/總晶須數(shù) 注：一般0 T 1 T=0晶須定向度 T=1晶須完全按一維定向排布 圖3 SiCw/Si3N4復(fù)合材料的電阻率與晶須T關(guān)系 圖4 電阻率與晶須方位角的關(guān)系 1.13 1.13 碳化硅晶須復(fù)合CaFCaF2 2材料的電學(xué)檢測 當(dāng)形變量達(dá)到 最大許可形變量的 一半時，電阻值呈 現(xiàn)急劇增加的

4、趨勢, 這是斷裂的前兆， 由此顯示預(yù)測裂紋 的可能性 圖5 CaF/10%SiCw陶瓷復(fù)合材料應(yīng)力-變形-電阻變化 1.14 1.14 碳化硅晶須復(fù)合SiNSiN4 4材料的電學(xué)檢測 體電阻值隨拉力和應(yīng)變的增加而增加，并且是 可逆的。據(jù)此可以預(yù)測陶瓷內(nèi)部拉伸應(yīng)力的大小。 壓力載荷的循環(huán)不能引起電阻的明顯變化 用電阻值變化不能檢測壓力破壞 圖6 SiCw/Si3N4陶瓷復(fù)合材料在拉伸應(yīng)力下變形與電阻值的變化 1.15 TiN1.15 TiN復(fù)合氮化硅的電學(xué)檢測陶瓷材料 圖7 40%TiN/Si3N4陶瓷復(fù)合材料在加載下的變形及電阻變化 （a）未加TiN （b）加40%TiN 1應(yīng)力變形關(guān)系 2變

5、形電阻關(guān)系 在氮化硅加入40%TiN，材料在完全斷裂前，電阻急 劇增加用抗拉強(qiáng)度50%的拉力進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，在載荷去除 后，殘余阻值比較明顯。用殘余電阻可以估測材料的負(fù) 載歷史。 1.16 1.16 層狀氮化硅材料電學(xué)檢測 添加25% 30%導(dǎo)電TiN顆粒的氮化硅層與BN層相間 疊層，徑壓制、除碳及燒結(jié)而成 通過檢測電阻值的變化能可靠地監(jiān)測和預(yù)報材料是 否發(fā)生斷裂 1.2 1.2 添加碳纖維的混凝土材料的診斷 u基本思想：利用碳纖維拉伸變形時電阻的變化檢測混凝土 結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài) u方法一：將碳纖維和玻璃纖維組合形成的纖維束包裹在數(shù) 脂中，形成復(fù)合材料的“扎”，埋入混凝土中，達(dá)到增強(qiáng) 增韌的效

6、果 u方法二：碳纖維剪短5mm,直接加入混凝土，達(dá)到增強(qiáng)增韌 的效果 1.3 1.3 利用線性電容的自診斷 介電檢測 u基本思想：利用非電導(dǎo)材料的介電參數(shù)與應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn) 行自檢測 圖8 交疊層合物受拉力時應(yīng)力-應(yīng)變曲線、電容-應(yīng)變曲線、損耗-應(yīng)變曲線 2 2 自修補(bǔ)自愈合陶瓷材料 u基本思想：材料和構(gòu)件能夠自動適應(yīng)環(huán)境，在受到損傷時， 自行愈合 2.1 2.1 金屬表面?zhèn)鄣挠蠙C(jī)理氧化膜 手繭的形成：在緊握鐵柄手掌表面，形成裂紋龜裂，此 時體內(nèi)分泌膠質(zhì)，填充龜裂，慢慢形成手繭。手工勞動越 多，手繭越厚，保護(hù)手掌不易磨損 金屬鋁：形成致密的氧化鋁的保護(hù)膜，防止進(jìn)一步氧化 鋼鐵：當(dāng)金屬Cr含量

7、達(dá)12%時，表面生成氧化膜 2.2 2.2 高溫下陶瓷涂層自動成膜機(jī)制 BN的形成：在高溫真空器件使用的不銹鋼加入少量B和N， B和N在高溫、壓力作用下向表層擴(kuò)散，聚集在表層 特點(diǎn)：很好的親和性和相容性 2.3 2.3 高溫陶瓷的高溫氧化自適應(yīng)性 問題來源：陶瓷材料在高溫下的破壞組分高溫氧化和表 面裂紋縱深發(fā)展的相互促進(jìn) 解決思路：加入某種物質(zhì)能夠在高溫下自動“流入”裂紋 并屏蔽內(nèi)部組織與氧氣的接觸 實(shí)踐操作：鈮在氮化硅表面的形成NbNb2O3NbO2Nb2O3 的過渡層氧化物。此氧化物玻璃態(tài)，致密狀覆蓋在表面 2.4 2.4 微波輻射使陶瓷材料內(nèi)部裂紋愈合 u微波加熱機(jī)理：電磁波導(dǎo)致材料內(nèi)部

8、的可極化物質(zhì)（電子、 離子、極化分子等）發(fā)生頻繁反轉(zhuǎn)或摩擦而發(fā)熱 自愈合機(jī)制 碳化物熱膨脹系數(shù)較大，晶粒也較大，受力時材料內(nèi)部的 微細(xì)裂紋沿著碳化物晶粒擴(kuò)展 碳化物顆粒優(yōu)先加熱，溫度高于周圍基質(zhì)氮化硅和晶界， 促使碳化物顆粒向周圍擴(kuò)散并愈合周圍的微細(xì)裂紋和空隙 圖9 微波輻射下陶瓷材料強(qiáng)度的自回復(fù)效果 3 3 變色玻璃 u類型：光致變色、電致變色、熱致變色等 u光致變色原理：在某些玻璃組成中添加了很細(xì)的AgCl微晶。 當(dāng)紫外線輻射時，離子Ag+還原成原子Ag。此時銀原子團(tuán) 簇影響光的入射，產(chǎn)生深色效應(yīng)；在沒有紫外線照射時， Ag原子還原為Ag+,原子團(tuán)簇解體，鏡片褪色。 光致變色材料 u有機(jī)化合物； uZn、Cd、Hg和Ag的一些無機(jī)化合物； u變色機(jī)理：這些材料的原子或分子有兩種