陶瓷材料的強(qiáng)韌化

1、陶瓷材料的強(qiáng)韌化陶瓷材料的強(qiáng)韌化 姓名：霍延通學(xué)號(hào)：152085204007陶瓷材料的強(qiáng)韌化一、前言二、陶瓷材料的斷裂問題三、陶瓷材料的晶須法增韌四、陶瓷材料的相變?cè)鲰g五、陶瓷材料的纖維法增韌陶瓷材料的強(qiáng)韌化一、前言 現(xiàn)代陶瓷材料具有耐高溫、硬度高、耐磨損、耐腐蝕及相對(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)韌化問題便成了研究的一個(gè)重點(diǎn)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(jī)制，這就是陶瓷脆性的本質(zhì)原因。 陶瓷材料的強(qiáng)韌化人們經(jīng)

2、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?cè)鲰g、顆粒增韌、熱處理增韌等。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，使陶瓷材料在高溫結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域顯示出強(qiáng)勁的競(jìng)爭(zhēng)潛力。本章著重講述纖維增韌、晶須增韌、相變?cè)鲰g。陶瓷材料的強(qiáng)韌化二、陶瓷材料的斷裂問題陶瓷材料是離子鍵和共價(jià)鍵晶粒構(gòu)成的多晶材料，因抵抗裂紋孿生和發(fā)展的能力小，缺乏像金屬材料那樣具有塑性變形的能力，決定了其脆性本性，因此作為工程材料在應(yīng)用中受到很大限制。陶瓷材料脆性大，對(duì)內(nèi)部缺陷敏感，裂紋一經(jīng)產(chǎn)生往往就迅速擴(kuò)展，使材料呈現(xiàn)無預(yù)兆的災(zāi)難性突然斷裂。因此，陶瓷部件與金屬部件相比可靠性較差，這已成為影響陶瓷

3、材料推廣應(yīng)用的瓶頸。比如在電子工業(yè)中，陶瓷電容器、陶瓷封裝基片、壓電陶瓷和電致收縮陶瓷等已經(jīng)得到了迅速的發(fā)展，但是這些元器件在實(shí)際工作中與金屬的熱膨脹匹配問題一直令學(xué)者們憂慮，因?yàn)橐粋€(gè)較低的熱應(yīng)力就足以使陶瓷元器件產(chǎn)生脆性而影響整個(gè)部件的正常工作。同樣，盡管可以暢想將一些陶瓷部件用在發(fā)動(dòng)機(jī)中取代金屬陶瓷材料的強(qiáng)韌化部件大幅度地提高熱效率，但是在真正實(shí)施這一想法的過程中，人們卻變得十分謹(jǐn)慎，因?yàn)榇嘈缘奶沾刹牧夏芊袷艿米“l(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)的急冷急熱的考驗(yàn)，目前仍是一個(gè)令人忐忑不安的問題。因此，陶瓷的韌化成為陶瓷材料研究領(lǐng)域的核心課題。到目前為止，已經(jīng)探索出若干種韌化陶瓷的途徑，來解決陶瓷的脆性問

4、題。陶瓷材料的強(qiáng)韌化三、陶瓷材料的晶須法增韌陶瓷晶須是具有一定長(zhǎng)徑且缺陷很少的陶瓷小單晶，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。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%B2SiC晶須增強(qiáng)莫來石，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，比純莫來石提高100%以上。陶瓷材料的強(qiáng)韌化1、晶須的特性陶瓷材料的強(qiáng)韌化SiC晶須性質(zhì)陶瓷材料的強(qiáng)韌化陶瓷材料的強(qiáng)韌化2、SiC晶須的制備（1）三氯硅烷法（2）氣液固法陶瓷材料的強(qiáng)韌化（3）加

5、熱SiC塊（4）稻殼3、基質(zhì)和晶須的選擇考慮（1）化學(xué)相容性（2）彈性模量的匹配（3）熱膨脹系數(shù)的匹配陶瓷材料的強(qiáng)韌化4、陶瓷基質(zhì)-晶須復(fù)合材料的增強(qiáng)增韌機(jī)理（1）負(fù)荷傳遞機(jī)理（2）基質(zhì)的預(yù)應(yīng)力化（3）裂紋彎曲偏轉(zhuǎn)陶瓷材料的強(qiáng)韌化（4）晶須拔出（5）紋橋架效應(yīng)陶瓷材料的強(qiáng)韌化 四、陶瓷材料的相變?cè)鲰g相變?cè)鲰g的典型范例是ZrO2增韌。ZrO2晶粒具有3種同質(zhì)異構(gòu)體，即立方晶相、四方晶相和單斜晶相。在通常情況下，各相穩(wěn)定存在的大致溫度范圍是：立方晶相大于2300，四方晶相大于1100，單斜晶相小于1100。當(dāng)ZrO2分散在其他陶瓷基體中，在燒結(jié)溫度下，ZrO2顆粒一般以四方相存在。當(dāng)冷卻到某一溫度

6、時(shí)，即發(fā)生馬氏體相變，轉(zhuǎn)變成單斜ZrO2，并伴隨著一定的體積膨脹和晶粒形狀的變化。但是當(dāng)ZrO2顆粒彌散在其他陶瓷基體中，使他受到周圍基體的束縛時(shí)，它的相變也受到抑制，使其向低溫方向移動(dòng)。調(diào)整周圍基體的性質(zhì)，有可能使四方ZrO2保持到室溫。只有在基體受到外力作用，使基體陶瓷材料的強(qiáng)韌化對(duì)ZrO2顆粒的束縛作用松弛后，才觸發(fā)了它向單斜相轉(zhuǎn)變，從而達(dá)到相變?cè)鲰g的效果。1、相變?cè)鲰g條件采用ZrO2進(jìn)行相變?cè)鲰g的重要條件是保證材料中可相變的四方相有足夠高的體積分散。還應(yīng)考慮一下幾點(diǎn)：（1）四方ZrO2和基體間熱膨脹系數(shù)之差盡可能小。(2)ZrO2在室溫下保持四方相的臨界晶粒尺寸隨基陶瓷材料的強(qiáng)韌化質(zhì)性

7、質(zhì)而變化。（3）高的相變驅(qū)動(dòng)力如加入HfO2可以實(shí)現(xiàn)。（4）使顆粒尺寸分布變窄，顆粒間隙均勻。（5）基體有高的本證斷裂韌性和高的彈性模量。2、相變?cè)鲰g機(jī)制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、壓縮表面增韌。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)相變陶瓷材料的強(qiáng)韌化ZrO2在室溫下為單斜晶系，溫度達(dá)到1170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

8、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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)陶瓷材料的強(qiáng)韌化變?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，美國和瑞典研制的ZrO2增韌陶瓷刀片具有相當(dāng)高的刀刃

9、強(qiáng)度和耐磨性，用于加工合金鋼時(shí)，粗車速度為313m/s,精車速度為12m/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。陶瓷材料的強(qiáng)韌化五、陶瓷材料的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，吸收能量的方式無非是兩種：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收能，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)制包括纖

10、維脫粘、纖維拔出、纖維橋接、裂紋彎曲和偏轉(zhuǎn)。陶瓷材料的強(qiáng)韌化1、纖維脫粘每根纖維的脫粘能量Qp為：陶瓷材料的強(qiáng)韌化因此，纖維體積比大、Ic大（即界面強(qiáng)度弱，因Ic與界面應(yīng)力成反比），通過纖維脫粘達(dá)到的增韌效果最大。陶瓷材料的強(qiáng)韌化2、纖維拔出纖維首先脫粘才能拔出。纖維拔出會(huì)使裂紋尖端應(yīng)力松弛，從而減緩了裂紋的擴(kuò)展。纖維拔出需外力做功，因此起到增韌作用陶瓷材料的強(qiáng)韌化纖維拔出需做的功Qp：當(dāng)纖維發(fā)生斷裂，此時(shí)纖維的最大長(zhǎng)度為Ic/2，拔出每根纖維所做的最大功為陶瓷材料的強(qiáng)韌化纖維拔出與脫粘示意圖陶瓷材料的強(qiáng)韌化3、纖維橋接對(duì)于特定位向和分布的纖維裂紋很難偏轉(zhuǎn)，只能沿著原來的擴(kuò)展方向繼續(xù)擴(kuò)展。這時(shí)緊靠裂紋尖端處的纖維在裂紋兩岸搭起小橋，使裂紋兩岸產(chǎn)生一個(gè)壓應(yīng)力，以抵消外應(yīng)力對(duì)裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，從而起到增韌作用。陶瓷材料的強(qiáng)韌化4、裂紋彎曲和偏轉(zhuǎn)在擴(kuò)展裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)中的增強(qiáng)體會(huì)導(dǎo)致裂紋發(fā)生彎曲，從而干擾應(yīng)