06-07 智能无机非金属材料

课件

06 智能无机非金属材料

课件

本节内容6.1 陶瓷及非金属材料的自诊断效应 6.2 自修补自愈合材料 6.3 氧化锆增韧陶瓷 6.4 功能无机材料的智能化—敏感陶瓷 (湿敏、气敏、光敏，热敏、压敏、磁敏及离子敏 感陶瓷)

课件

前言陶瓷材料：指氧化物、碳化物、氮化物以及硼化 物等非金属类耐高温、高强度的材料 特点：性能多样性，缺点：脆性和使用可靠性低 陶瓷材料智能化主要目的：就是改善陶瓷的脆性， 比较理想的方法就是增韧机制和自诊断同时进行 在线诊断技术：主要测量应变、相变、裂纹萌生 和扩展，其中测量应变主要有光导纤维、压电材 料、磁致伸缩材料、SMA等等 陶瓷：添加导电体(测量电流或者电阻变化)进 行在线电检测技术

课件

6.1 陶瓷及非金属材料的自诊断效应自诊断：依靠材料内部的组分或结构的变化产生 的信号而自行检测、监测和诊断材料内 部的缺陷或裂纹的发展的方法. 诊断内容：应力状态、应变量、相变、缺陷或裂纹 发展过程等。 自诊断功能来源：导电相(连续长纤维、分散增 韧相)、晶界相、多层结构、 介电体、压电体等的应用。增韧机制：长纤维的复合、桥接、分散相的复合、增韧相的 拔出、相变增韧、晶体结构的微细化等。

理想的自诊断方法：增韧机制与自诊断功能同时并存。

课件

课件

6.1.1陶瓷基复合材料的自诊断

电检测技术 通过向绝缘的陶瓷基体中添加导电相 从而制成具有一定导电性的陶瓷基复合材 料的途径来实现。

课件

导电陶瓷基复合材料的导电机理隧道导电：电子跃过 颗粒间隙绝缘基体构 成的势垒而形成电流 通道. 粒子导电：当导电颗 粒含量增加到一定程 度，颗粒间相互接触 而形成导电粒子链， 复合材料通过颗粒网 络导电。cm Logρ/Ω·

Volume fraction of Ag/%

课件

导电模型

(1) 分散分布(隧道导电机制) 材料的电阻率与导电相之间的有效距离ω和温度T之 间的关系： exp B exp E / kT

式中：B为电子穿透效应的材料常数；△E为电导势垒， 是与基体性质有关的常数。 (2) 网络分布(粒子导电机理) f (r, l, D)

式中：r为导电粒子间接触面半径；l为表征粒子分散 程度的特征长度； D为导电相的有效尺寸。 利用应变与电阻率的对应变化关系实现对材料内部应 力状态的诊断。

课件

晶须复合陶瓷材料的电学检测 (1)SiC晶须复合CaF2材料

当形变量达到最大许 可形变量的一半时，电阻 值呈现急剧增加的趋势， 这是断裂的前兆，由此显 示了裂纹预测的可能性。

课件

(2)SiC晶须复合Si3N4陶瓷 材料体电阻值随拉力和 应变的增加而增加，并 且是可逆的。据此可以 预测陶瓷内部拉伸应力 的大小。 压

力载荷的循环不能引 起电阻的明显变化。 用电阻值变化不能检测压 力破坏。

课件

颗粒复合陶瓷材料的电学检测 Si3N4陶瓷中加入TiN颗粒： 用抗拉强度50%的拉力进行加载实验，在载 荷除去后，残余电阻仍较明显。用残余电阻值可 估测材料的负载历史。

课件

层状复合陶瓷材料的电学检测 添加25%-30%导电TiN颗粒的氮化硅层与BN 层相间叠层，经压制、除碳及烧结而成。

通过检测其电阻值的变化能可靠地监测和预报材 料是否发生断裂。

课件

6.1.2添加碳纤维的混凝土材料的自诊断利用碳纤维拉伸形变时电阻的变化检测混凝土结构 内部的应力状态。 方法一： 将碳纤维与玻璃纤维组合形成的纤维束 包裹在树脂中，形成复合材料的“扎”, 埋入混凝土结构中。 在拉伸应力下，随加载增加，材料电阻逐渐升高， 当加载到材料强度的70%或形变达到允许形变量的 60%左右时，碳纤维断裂，电阻值出现急剧升高趋 势。 据此可以预测纤维束完全断裂前的状态，达到预警 的目的。

课件

方法二：将剪成5mm左右的短碳纤维直接加入到混凝 土中，起到增强增韧效果。循环拉伸载荷：拉伸时电阻值升高，卸载时 电阻值又下降回复到接近原始值。

压敏性：随压力的增大，材料电 阻率先减小然后又逐渐增大，可 很好的反映结构内应力场及裂纹 的产生、闭合、张开和扩展。

课件

6.1.3利用线性电容的自诊断——介电检测利用非导电材料的介电参数与应力应变关系进行 自检测。 碳纤维增强塑料(CFRP) 交叠层合物

课件

6.1.4添加光纤的混凝土结构的自诊断将光纤直接埋入混凝 土结构中 光在强度、相位、波长 及偏振等方面发生变化 结构因受力和温度变化 产生变形或裂缝 确定结构的应力、 变形或裂缝 光纤产生变形

实现结构应力、变形和 裂纹的自监测和自诊断

布设光纤网络——监测混凝土结构各部位的应力和变形， 实现分布式监测，对裂缝进行定位。光纤机敏混凝土结构——一种具有强大自监测和自诊断 功能的智能结构。 应用：美国Schiessbergstrase大桥的桥面监测。