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【技术】氧化铝陶瓷材料增韧方法简介

日期: 2018-10-22
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1
层状结构增韧



天然材料如竹子、贝壳等,综合性能很好,是因其结构呈层状分布。人们从这些天然结构得到启示,采用仿生结构来改善陶瓷材料的脆性,提高其韧性。


层状复合陶瓷材料是由多层材料组成。各层的弹性模量、线胀系数不同,进而导致层间产生宏观应力,在表面产生压应力。受到外力作用时,能最大限度地吸收应变能,并且使裂纹沿界面产生反复偏转、拐折。以此达到提高表面性能和整体韧性的目的。




例如:Al2O3/Ni层状陶瓷,利用镍的线胀系数约为氧化铝的)倍,在Al2O3层产生应压力,裂纹偏转能力大,所以该材料有较好的韧性。




层状陶瓷是一新型材料,前景广阔,但其缺点主要是弱夹层会降低材料强度,平行和垂直于夹层方向的性质差别较大,呈各向异性。所以业内专家提出了采用强夹层的思路,制备出了ZTA/ Al2O3强夹层,冲击韧性达10 Mpa.m1/2以上,是ZTA材料的2.8倍,Al2O3陶瓷的5.6倍。一些科学家通过计算机对层状复合陶瓷进行了模拟,发现如果软层材料的强度太高、太低都会降低整体韧性,而提高硬、软层层厚和弹性模量之比,硬层均匀性均可提高陶瓷韧性。这为层状增韧陶瓷提供了一定的研究思路和优化途径。




2
纤维复合增韧




研究表明,连续纤维对陶瓷的增韧效率较其他增韧方法大,是迄今为止陶瓷系列所能达到的最高韧性,可以达20Mpa.m1/2左右,因此是改善陶瓷材料脆性非常有效的途径。


该方法把强度、弹性模量较高的纤维分散在陶瓷基体中。复合材料在外力作用下,一部分载荷由纤维承担,以此来减轻基体本身的负荷。而且,基体中的纤维在承受力大于其强度发生断裂时,纤维产生拔出机制。此外,这些纤维在基体中也存在裂纹桥联、偏转来阻止裂纹的扩展。这3种增韧机制共同作用使陶瓷材料的韧性提高很多。


目前,用于Al2O3陶瓷的纤维主要有碳纤维、碳化硅纤维、硅酸铝纤维等多种。研究发现,提高纤维的长径比可提高增韧效果。在纤维的使用形式上,采用纤维,的三维编织物增韧效果较好。与纤维类似,目前采用晶须增韧Al2O3瓷的也较多,效果也很好。因晶须是以单晶结构生长、直径极小(通常小于3 um)的短纤维。其晶体缺陷少,原子排列高度有序,强度接近相邻原子间成键力的理论值。理论和实践证明,把它应用于陶瓷的增韧,对提高韧性有一定作用。如把碳化硅晶须(体积分数可达20%~30%)引入Al2O3基陶瓷中,段韧性可达8~8.5 Mpa.m1/2。


晶须增韧的机制除了拔出、裂纹偏转、裂纹桥联、钉扎等机制外,自身强度高也是一个原因。因此在理论上,提高晶须强度、降低其弹性模量,提高长径比能提高增韧效果。纤维、晶须增韧Al2O3瓷的缺点就是混合均匀性很难保证




3
自增韧




所谓自增韧,就是在一定的工艺条件下,生长出增韧、增强相。它在一定程度上消除了基体相与增韧相在物理或化学上的不相容性,而保证了基体相与增韧相的热力学稳定性。


对于Al2O3陶瓷而言,异向生长晶粒增韧Al2O3成为克服氧化铝瓷脆性的研究热点。其主要机理是通过工艺措施,控制Al2O3晶粒的生长方向,使其沿某些晶面优势生长成棒状、长柱状,起到类似晶须的增韧作用。在受到外来载荷时,裂纹尾部产生桥联方式;而且这些异向生长的Al2O3也会产生拔出、裂纹偏转等增韧机制,而使整个氧化铝陶瓷的韧性得到提高。




4
相变增韧




这是研究比较早而且普遍的一种增韧方。它是人为地在材料中造成大量的极细裂纹,以吸收能量、阻止裂纹扩展。其中主要集中在ZrO2的的马氏体相变研究上,比较成功的有ZTA,ZTM等陶瓷材料。ZrO2弥散在Al2O3基体中,由于二者的线胀系数不同,冷却时,ZrO2颗粒受到压应力,相变受阻。而后,在材料受到外力作用时,ZrO2颗粒上的压力得到松弛,四方相转变为单斜相,体积膨胀后在基体中产生微裂纹,而吸收主裂纹的能量,达到增韧效果。这就是应力诱导相变增韧机制。


在增韧机理中,除了ZrO2的诱导相变机制外,相变产生体积膨胀,在裂纹区域向不发生相变区挤压现象,使裂纹呈闭合趋势,扩展困难,也可以提高韧性。部分研究人员用体积分数为10%~30%的ZrO2制备ZTA陶瓷时发现,ZrO2用量在体积分数为20%时增韧效果最好。




小结:




陶瓷增韧技术在未来的很长一段时间都将是材料界的热点技术。陶瓷材料固有的高强度、耐高温、低膨胀系数等特性如果能够再结合高韧性,那将是材料界梦寐以求的高性能材料,运用领域极为广泛。


【技术】氧化铝陶瓷材料增韧方法简介

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