陶瓷材料的增韌機理

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1、周燚3110707046光電1102陶瓷材料的增韌機理引言:現(xiàn)代陶瓷材料具有耐高溫、硬度高、耐磨損、而腐蝕及相對密度輕等許多優(yōu)良的性能。但它同時也具有致命的弱點,即脆性,這一弱點正是目前陶瓷材料的使用受到很大限制的主要原因。因此,陶瓷材料的強韌化問題便成了研究的一個重點問題。陶瓷不具備像金屬那樣的塑性變形能力,在斷裂過程中除了產(chǎn)生新的斷裂表面需要吸收表面能以外,幾乎沒有其它吸收能量的機制,這就是陶瓷脆性的本質(zhì)原因。人們經(jīng)過多年努力,已探索出若干韌化陶瓷的途徑,包括纖維增韌、晶須增韌、相變增韌、顆粒增韌、納米復(fù)合陶瓷增韌、自增韌陶

2、瓷等。這些增韌方法的實施,使陶瓷材料的韌性得到了較大的提高,使陶瓷材料在高溫結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域顯示出強勁的競爭潛力。增韌原理：1.1纖維增韌為了提高復(fù)合材料的韌性,必須盡可能提高材料斷裂時消耗的能量。任何固體材料在載荷作用下(靜態(tài)或沖擊),吸收能量的方式無非是兩種:材料變形和形成新的表面。對于脆性基體和纖維來說,允許的變形很小,因此變形吸收的斷裂能也很少。為了提高這類材料的吸能,只能是增加斷裂表面,即增加裂紋的擴展路徑。纖維的引入不僅提高了陶瓷材料的韌性,更重要的是使陶瓷材料的斷裂行為發(fā)生了根本性變化,由原來的脆性斷裂變成了非脆性斷裂

3、。纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的增韌機制包括基體預(yù)壓縮應(yīng)力、裂紋擴展受阻、纖維拔出、纖維橋聯(lián)、裂紋。1.2晶須增韌陶瓷晶須是具有一定長徑比且缺陷很少的陶瓷小單晶,因而具有很高的強度,是一種非常理想的陶瓷基復(fù)合材料的增韌增強體[8]。陶瓷晶須目前常用的有SiC晶須,Si3N4晶須和Al2O3晶須?；w常用的有ZrO2,Si3N4,SiO2,Al2O3和莫來石等。采用30%(體積分數(shù))B2SiC晶須增強莫來石,在SPS燒結(jié)條件下材料強度比熱壓高10%左右,為570MPa,斷裂韌性為415MPa#m1/2，周燚3110707046光電110

4、2比純莫來石提高100%以上。王雙喜等[10]研究發(fā)現(xiàn),在2%(摩爾分數(shù))Y2O32超細料中加入30%(體積分數(shù))的SiC晶須,可以細化2Y2ZrO2材料的晶粒,并且使材料的斷裂方式由沿晶斷裂為主變?yōu)榇┚嗔褳橹鞯幕旌蠑嗔?從而顯著提高了復(fù)合材料的剛度和韌性。1.3?相變增韌相變增韌ZrO2陶瓷是一種極有發(fā)展前途的新型結(jié)構(gòu)陶瓷,其主要是利用ZrO2相變特性來提高陶瓷材料的斷裂韌性和抗彎強度,使其具有優(yōu)良的力學(xué)性能,低的導(dǎo)熱系數(shù)和良好的抗熱震性。它還可以用來顯著提高脆性材料的韌性和強度,是復(fù)合材料和復(fù)合陶瓷中重要的增韌劑。近十年來

5、,具有各種性能的ZrO2陶瓷和以ZrO2為相變增韌物質(zhì)的復(fù)合陶瓷迅速發(fā)展,在工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的許多領(lǐng)域獲得了日益廣泛的應(yīng)用。ZrO2在常壓及不同的溫度下,具有立方(c2ZrO2)、四方(t2ZrO2)及單斜(m2ZrO2)等3種不同的晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)ZrO2從高溫冷卻到室溫時,要經(jīng)歷cytym的同質(zhì)異構(gòu)轉(zhuǎn)變,其中tym會產(chǎn)生3%~5%的體積膨脹和7%~8%的剪切應(yīng)變,由于ZrO2自身馬氏體轉(zhuǎn)變的這個特點,引起顯著裂紋韌化和殘余應(yīng)力韌化,可使韌性得到顯著提高。ZrO2的增韌機制一般認為有應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌、微裂紋增韌、壓縮表面韌化。在實際

6、材料中究竟何種增韌機制起主導(dǎo)作用,在很大程度上取決于四方相向單斜相馬氏體相變的程度高低及相變在材料中發(fā)生的部位。(1)應(yīng)力誘導(dǎo)相變ZrO2在室溫下為單斜晶系,溫度達到1170e時轉(zhuǎn)化為亞穩(wěn)態(tài)四方晶型,在應(yīng)力作用下可誘發(fā)相變重新回到單斜晶,此時伴隨體積膨脹,導(dǎo)致微裂紋閉合,從而韌化陶瓷,或者說在裂紋尖端應(yīng)力場的作用下ZrO2粒子發(fā)生四方-單斜相變而吸收了能量,即外力做了功,從而提高了斷裂韌性。這就是應(yīng)力誘導(dǎo)相變。(2)微裂紋增韌周燚3110707046光電1102不同基體中室溫下ZrO2顆粒保持四方相的臨界尺寸不同,當(dāng)某顆粒大于臨

7、界尺寸時,室溫四方相已轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕嗖⒃谄渲車幕w中形成微裂紋。當(dāng)主裂紋擴展到ZrO2顆粒時,這種均勻分布的微裂紋可以緩和主裂紋尖端的應(yīng)力集中或使主裂紋分叉而吸收能量,這就是ZrO2的微裂紋增韌。(3)壓縮表面韌化研磨相變韌化ZrO2的表面,可以使表面層的四方相ZrO2顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕?并產(chǎn)生體積膨脹,形成壓縮表面層,從而強化陶瓷。ZrO2增韌Al2O3陶瓷刀具是典型的相變增韌陶瓷,美國和瑞典研制的ZrO2增韌陶瓷刀片具有相當(dāng)高的刀刃強度和耐磨性,用于加工合金鋼時,粗車速度為313m/s,精車速度為15m/s。它可以在高于硬質(zhì)合

8、金刀具4~5倍的切削速度下加工高溫合金。1.4顆粒增韌用顆粒作為增韌劑,制備顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料,其原料的均勻分散及燒結(jié)致密化都比短纖維及晶須復(fù)合材料簡便易行。因此,盡管顆粒的增韌效果不如晶須與纖維,但如顆粒種類、粒徑、含量及基體材料選擇得當(dāng),仍有一定的韌化效