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纳米陶瓷的主要增韧机理

日期: 2019-04-23
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纳米陶瓷是纳米材料的一个分支,是指平均晶粒尺寸小于100nm的陶瓷材料。具有塑性强、硬度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨的性能。


在陶瓷基体中引入纳米分散相进行复合,能使材料的力学性能得到极大的改善。纳米陶瓷的增韧有改善陶瓷的力学性能,提高陶瓷稳定性等的作用。其主要增韧机理有以下几种。


裂纹偏转


裂纹偏转增韧是裂纹非平面断裂效应的一种增韧方式。当纳米颗粒与基体间存在热膨胀系数差异时,残余热应力会导致瓷体中的扩展裂纹发生偏转,使得裂纹扩展路径延长,有利于材料韧性的提高。


裂纹偏转方向与纳米颗粒和基体间热膨胀系数的相对大小有关。当基体的热膨胀系数较大时,裂纹向纳米颗粒扩展,如果纳米颗粒本身及其与基体间的结合强度足够大,纳米颗粒此时甚至可以对裂纹起到钉扎的作用;当基体的热膨胀系数较小时,扩展裂纹趋向于沿切向绕过纳米颗粒。


裂纹扩展到达晶须时,被迫沿晶须偏转,这意味着裂纹的前行路径更长,裂纹尖端的应力强度减少,裂纹偏转的角度越大,能量释放效率就越低,增韧效果就越好,断裂韧性就提高。如图a、b所示。图b表示:①裂纹和晶须相遇;②裂纹弯曲向前③在晶须前面相接④形成新的裂纹前沿并留下裂纹。

纳米陶瓷的主要增韧机理

a裂纹沿晶须轴向扩展


纳米陶瓷的主要增韧机理

b裂纹沿晶须纵向扩展


裂纹桥联


裂纹桥联是一种裂纹尖端尾部效应,是发生在裂纹尖端后方由补强剂连接裂纹的两个表面并提供一个使两个裂纹面相互靠近的应力,即闭合应力,这样导致应力强度因子随裂纹扩展而增加。即裂纹绕过扩展过程中遇上晶须时,裂纹有可能发生穿晶破坏,也有可能出现互锁现象,即裂纹绕过晶须并形成摩擦桥。


在晶须复合陶瓷基材料和粗晶Al2O3陶瓷及Si3N4中,由于晶须、Al2O3粗颗粒对裂纹表面的桥连作用,使材料表现出强烈的R-曲线效应,由此导致材料韧性的显著改善。在纳米陶瓷中,由于纳米颗粒尺寸很小,纳米颗粒对于裂纹的桥联作用只能发生在裂纹尖端的局部小区域。此时纳米颗粒虽然不能明显提高R-曲线上的韧性平台值,但却可以使R-曲线在短的裂纹扩展上出现陡然上升情况。由于R-曲线上某点处切线的斜率代表材料此时的强度,纳米复相陶瓷R-曲线在短裂纹扩展上长度上的陡然上升可以使其强度得到明显提高。


在脆性陶瓷基体中加入延性粒子能够明显提高材料的断裂韧性。一般情况下,延性粒子指的是金属粒子。金属粒子的弹性应变使裂纹桥联成为金属陶瓷中最有效的增韧机制。当裂纹扩展到陶瓷/金属界面时,由于延性金属颗粒和脆性基体的变形能力不同,引起裂纹局部钝化,某些裂纹段被迫穿过粒子,而形成被拉长的金属颗粒联桥。


纳米陶瓷的主要增韧机理

桥联增韧示意图


颗粒拔出


拔出效应是指当裂纹扩展遇到高强度晶须时,在裂纹尖端附近晶须与基体界面上存在较大的剪切应力,该应力极易造成晶须与界面的分离开裂,晶须可以从基体中拔出,因界面摩擦而消耗外界载荷的能量而达到增韧的目的。


同时晶须从基体中拔出会产生微裂纹来吸收更多的能量。当晶须取向与裂纹表面呈较大角度时,由基体转向晶须的力在二者界面上产生的剪切力达到了基体的剪切屈服强度,但未达到晶须的剪切曲度强度时,晶须不会被剪断而会从基体中被拔出。使用长径比高的晶须增韧聚合物基复合材料,晶须对增韧主要贡献就是来源于裂纹扩展过程中晶须拔出所消耗的能量。


当晶须与基质的界面剪切应力很低,而晶须的长度较大(>100µm),强度较高时,拔出效应显著。随着界面剪切应力增大,界面摩擦力大,拔出效应降低,当界面剪切应力足够大时,作用在晶须上的剪切强度可能引起晶须断裂而无拔出效应。


纳米颗粒增韧机理


日本研究人员把纳米颗粒增韧的机理归纳为:①组织的细微化作用。抑制晶粒成长和减轻异常晶粒的成长;②残余应力的产生使晶粒内破坏成为主要形式;③控制弹性模量E和热膨胀系数α等来改善强度和韧性等;④晶内纳米粒子使基体颗粒内部形成次界面,并同晶界纳米相一样具有钉扎位错的作用。


研究人员用氧化铝和碳化硅超细粉合成的高强度纳米复相陶瓷在1100℃时强度超过1500Mpa,并认为获得超强度、超韧性结构陶瓷的主要方法是采用微米和纳米混杂的复合技术。


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