1、無機非金屬材料的智能化陶瓷及非金屬材料的自診斷效應陶瓷及非金屬材料的自診斷效應自修補自愈合陶瓷材料自修補自愈合陶瓷材料可相變氧化鋯材料及其應用可相變氧化鋯材料及其應用功能無機材料的智能化功能無機材料的智能化1 1 陶瓷及非金屬材料的自診斷效應陶瓷及非金屬材料的自診斷效應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、高強度的材料u優點：性能多樣；缺點：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：依靠材料內部的組分或結構的變化產生的 信號而進行診斷的方法。診斷內容：應力狀態、應變量、相變、缺陷或裂紋 發展過程等。增韌機制：長纖維的復合、橋接、分散相的復

2、合、 增韌相的拔出、相變增韌、晶體結構的 微細化等。理想自診斷方法：增韌機制與自診斷功能結合1.1 1.1 陶瓷基復合材料的自診斷電檢測技術：通過向絕緣的陶瓷基體中添加導電相從 而制成具有一定導電性的陶瓷基復合材 料的途徑來實現1.11 1.11 導電機理（1 1）滲流導電模型）滲流導電模型 導電閥值（CPT）：使非導電基質導電性能由絕緣轉 換為導通的導電相的臨界添加量CPT影響因素：導電相的形態、導電相的結構、基質 相的導電性和致密性等圖1 陶瓷中導電晶須的滲流閾值與長徑比關系圖2 陶瓷基質顆粒大小對于滲流閾值的影響（2 2）晶須復合陶瓷材料的非滲流導電模型）晶須復合陶瓷材料的非滲流導電模型

3、 導電機制：電子在電場中有穿透一定的導電勢壘的 效應材料電阻率與晶須空隙的有效寬度和溫度T之間的關系注：B為電子穿透效應的材料常數 E為電導勢壘本質：微小的形變可以導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性能的影響晶須的定向性T=平行于一定方向的晶須數/總晶須數注：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復合材料的電阻率與晶須T關系圖4 電阻率與晶須方位角的關系1.13 1.13 碳化硅晶須復合CaFCaF2 2材料的電學檢測 當形變量達到最大許可形變量的一半時，電阻值呈現急劇增加的趨勢,這是斷裂的前兆，由此顯示預測裂紋的

4、可能性圖5 CaF/10%SiCw陶瓷復合材料應力-變形-電阻變化1.14 1.14 碳化硅晶須復合SiNSiN4 4材料的電學檢測 體電阻值隨拉力和應變的增加而增加，并且是可逆的。據此可以預測陶瓷內部拉伸應力的大小。 壓力載荷的循環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陶瓷復合材料在拉伸應力下變形與電阻值的變化1.15 TiN1.15 TiN復合氮化硅的電學檢測陶瓷材料圖7 40%TiN/Si3N4陶瓷復合材料在加載下的變形及電阻變化 （a）未加TiN （b）加40%TiN 1應力變形關系 2變形電阻關系 在氮化硅加入40%TiN，材料在完全斷裂前，電

5、阻急劇增加用抗拉強度50%的拉力進行加載實驗，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載歷史。1.16 1.16 層狀氮化硅材料電學檢測 添加25% 30%導電TiN顆粒的氮化硅層與BN層相間疊層，徑壓制、除碳及燒結而成 通過檢測電阻值的變化能可靠地監測和預報材料是否發生斷裂1.2 1.2 添加碳纖維的混凝土材料的診斷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構內部的應力狀態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脂中，形成復合材料的“扎”，埋入混凝土中，達到增強增韌的效果u方法二：碳纖維剪短5mm,直接加入混凝土，達到增強

6、增韌的效果1.3 1.3 利用線性電容的自診斷利用線性電容的自診斷 介電檢介電檢測測u基本思想：利用非電導材料的介電參數與應力應變關系進行自檢測圖8 交疊層合物受拉力時應力-應變曲線、電容-應變曲線、損耗-應變曲線2 2 自修補自愈合陶瓷材料自修補自愈合陶瓷材料u基本思想：材料和構件能夠自動適應環境，在受到損傷時，自行愈合2.1 2.1 金屬表面傷痕的愈合機理金屬表面傷痕的愈合機理氧化膜氧化膜手繭的形成：在緊握鐵柄手掌表面，形成裂紋龜裂，此時體內分泌膠質，填充龜裂，慢慢形成手繭。手工勞動越多，手繭越厚，保護手掌不易磨損金屬鋁：形成致密的氧化鋁的保護膜，防止進一步氧化鋼鐵：當金屬Cr含量達12%

7、時，表面生成氧化膜2.2 2.2 高溫下陶瓷涂層自動成膜機制高溫下陶瓷涂層自動成膜機制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散，聚集在表層特點：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性高溫陶瓷的高溫氧化自適應性問題來源：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展的相互促進解決思路：加入某種物質能夠在高溫下自動“流入”裂紋并屏蔽內部組織與氧氣的接觸實踐操作：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，致密狀覆蓋在表面2.4 2.4 微波輻射使陶瓷材料內部裂紋愈合微波輻射使陶瓷材

8、料內部裂紋愈合u微波加熱機理：電磁波導致材料內部的可極化物質（電子、離子、極化分子等）發生頻繁反轉或摩擦而發熱 自愈合機制碳化物熱膨脹系數較大，晶粒也較大，受力時材料內部的微細裂紋沿著碳化物晶粒擴展碳化物顆粒優先加熱，溫度高于周圍基質氮化硅和晶界，促使碳化物顆粒向周圍擴散并愈合周圍的微細裂紋和空隙圖9 微波輻射下陶瓷材料強度的自回復效果3 3 變色玻璃變色玻璃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的AgCl微晶。當紫外線輻射時，離子Ag+還原成原子Ag。此時銀原子團簇影響光的入射，產生深色效應；在沒有紫外線照射時，Ag原子還原為Ag+,原子團簇解體，鏡片褪色。 光致變色材料光致變色材料u有機化合物；uZn、Cd、Hg和Ag的一些無機化合物；u變色機理：這些材料的原子或分子有兩種狀