陶瓷材料的增韌機(jī)理

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上陶瓷材料的增韌機(jī)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(duì)密度輕等許多優(yōu)良的性能。但它同時(shí)也具有致命的弱點(diǎn),即脆性,這一弱點(diǎn)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(qiáng)韌化問(wèn)題便成了研究的一個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題。陶瓷不具備像金屬那樣的塑性變形能力,在斷裂過(guò)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(méi)有其它吸收能量的機(jī)制,這就是陶瓷脆性的本質(zhì)原因。人們經(jīng)過(guò)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?cè)鲰g、顆粒增韌、納米復(fù)合陶瓷增韌、自增韌陶瓷等。這些增韌方法的實(shí)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

2、結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域顯示出強(qiáng)勁的競(jìng)爭(zhēng)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(shí)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(wú)非是兩種:材料變形和形成新的表面。對(duì)于脆性基體和纖維來(lái)說(shuō),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(lèi)材料的吸能,只能是增加斷裂表面,即增加裂紋的擴(kuò)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(lái)的脆性斷裂變成了非脆性斷裂。纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的增韌機(jī)制包括基體預(yù)壓縮應(yīng)力、裂紋擴(kuò)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(zhǎng)徑比且缺陷

3、很少的陶瓷小單晶,因而具有很高的強(qiáng)度,是一種非常理想的陶瓷基復(fù)合材料的增韌增強(qiáng)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(lái)石等。采用30%(體積分?jǐn)?shù))B2SiC晶須增強(qiáng)莫來(lái)石,在SPS燒結(jié)條件下材料強(qiáng)度比熱壓高10%左右,為570MPa,斷裂韌性為415MPa#m1/2，比純莫來(lái)石提高100%以上。王雙喜等10研究發(fā)現(xiàn),在2%(摩爾分?jǐn)?shù))Y2O32超細(xì)料中加入30%(體積分?jǐn)?shù))的SiC晶須,可以細(xì)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

4、剛度和韌性。1.3 相變?cè)鲰g相變?cè)鲰gZrO2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(lái)提高陶瓷材料的斷裂韌性和抗彎強(qiáng)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(lái)顯著提高脆性材料的韌性和強(qiáng)度,是復(fù)合材料和復(fù)合陶瓷中重要的增韌劑。近十年來(lái),具有各種性能的ZrO2陶瓷和以ZrO2為相變?cè)鲰g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(shí),要經(jīng)歷cytym的同質(zhì)異構(gòu)轉(zhuǎn)變,

5、其中tym會(huì)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(gè)特點(diǎn),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(jī)制一般認(rèn)為有應(yīng)力誘導(dǎo)相變?cè)鲰g、微裂紋增韌、壓縮表面韌化。在實(shí)際材料中究竟何種增韌機(jī)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?cè)诓牧现邪l(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(dá)到1170e時(shí)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(shí)伴隨體積膨脹,導(dǎo)致微裂紋閉合,從而韌化陶瓷,或者說(shuō)在裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)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,

6、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)某顆粒大于臨界尺寸時(shí),室溫四方相已轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕嗖⒃谄渲車(chē)幕w中形成微裂紋。當(dāng)主裂紋擴(kuò)展到ZrO2顆粒時(shí),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(qiáng)化陶瓷。ZrO2增韌Al2O3陶瓷刀具是典型的相變?cè)鲰g陶瓷,美國(guó)和瑞典研制的ZrO2增韌陶瓷刀片具有相當(dāng)高的刀刃強(qiáng)度和耐磨性,用于加工合金鋼時(shí),粗車(chē)速

7、度為313m/s,精車(chē)速度為15m/s。它可以在高于硬質(zhì)合金刀具45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(jiǎn)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(lèi)、粒徑、含量及基體材料選擇得當(dāng),仍有一定的韌化效果,同時(shí)會(huì)帶來(lái)高溫強(qiáng)度、高溫蠕變性能的改善。所以,顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料同樣受到重視,并開(kāi)展了有效的研究工作。從增韌機(jī)理上分,顆粒增韌分為非相變第二相顆粒增韌、延性顆粒增韌、納米顆粒增加。非相變第二相顆粒增韌主要是通過(guò)添加顆粒使基體和顆粒間產(chǎn)生彈性模量和熱膨脹失配來(lái)達(dá)到強(qiáng)化和增韌的目的,此外,基體和第二相顆粒的界面在很大程度上決定了增韌機(jī)制和強(qiáng)化效果,目前使用的較多的是氮化物和碳化物等顆粒。延性顆粒增韌是在脆性陶瓷基體中加入第二相延性顆粒來(lái)提高陶瓷的