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陶瓷韧性(理论、方法与应用)

陶瓷材料具有较高的熔点、高硬度、高耐磨性、抗氧化和其他优势,可用作结构材料、工具材料和功能材料。在?中 ,普通的[受欢迎的**氧化铝等陶瓷材料、氧化锆、氧化硅、金刚砂、氮化硅等,广泛应用于航空航天、汽车、生物医学、电子、机械、设备等工业。现在,陶瓷材料的脆性是制约陶瓷材料发展的主要因素之一,类似此坚韧—成为陶瓷材料研究领域的核心问题。所以,为什么陶瓷材料这么脆??

自明之理,金属材料容易发生塑性变形,原因是金属键没有方向性。在陶瓷材料中,,原子间的结合键是共价键和离子键,共价键具有明显的方向性和饱和性,当离子键接近同数离子时,离子键的排斥力很大,类似此,主要由离子晶体和共价晶体组成的陶瓷,主要由离子晶体和共价晶体组成,滑移系统很少,断裂通常发生在滑移发生之前。这是陶瓷材料室温脆性的根本原因。

在[由]Griffith理论,固体材料的断裂强度主要取决于材料的三个基本性能参数:弹性模量 E 、断口表面能 γ 以及临界裂纹尺寸 c[1]。

影响陶瓷材料断裂强度的几个主要因素

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材料的韧性可以用断裂韧性的值来表示。从断裂力学的角度,增强陶瓷材料韧性的关键是:提高陶瓷材料抗裂纹扩展的能力;减缓裂纹前端应力集中效应[2]。也,使用**制备和加工工艺也可以提高陶瓷材料的韧性。现在,陶瓷材料的韧性机制主要有六种:相变韧性;微裂纹韧性;裂缝挠度与桥梁;须 /线韧性;畴转换与孪晶韧性;自增韧。真的,陶瓷材料中通常存在多种韧性机制,这是上述机制的叠加,也就是说,合作的坚韧不拔。下面详细介绍了常用的韧性机理及其在陶瓷材料中的应用。

1. 相变韧性

简介:相变韧性,通过第 两相相变消耗了裂纹扩展所需的大量能量,引起裂缝前端应力松弛,阻碍裂纹的进一步扩展。全部,相变引起体积膨胀使周围的基体被压缩,导致其他裂缝关闭,从而提高断裂韧性和强度。这种相变韧性也称为应力诱导相变、相变诱导韧性。

氧化锆的利用(ZrO2)氧化锆陶瓷的马氏体时效转变大大提高了氧化锆陶瓷的韧性,是迄今为止最成功的韧性方法之一。简单ZrO2晶体具有单斜相(m)、方相(t)立方相(c)三种结构。随着温度的变化,发生了随后的异构化转变:

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在冷却过程中,t→m相变伴随着4 - 5%体积膨胀,我知道我在说什么ZrO2陶瓷在冷却过程中容易断裂。最后,被 ZrO2将适当的金额添加到CaO、MgO、Y2O3和CeO等稳定器,控制加热和冷却条件,高温相(t也许c也许者两者兼而有之)部分在室温,形式部分稳定ZrO2,氧化锆陶瓷的韧性有了很大的提高。

在ZrO2四面体多晶(TZP)也许者四面八方ZrO2含第二相颗粒的陶瓷基复合材料(类似PSZ,ZTA)中,裂纹前端高应力在附着体中的作用导致四面体相ZrO2晶粒转变(t→m相变),裂纹马氏体相变引起的晶格膨胀和剪切前端形屏蔽,释放裂缝前端膨胀的动力,从而提高了材料的断裂韧性。

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应力诱导相变理论示意图

应用:ZrO2增韧陶瓷材料是现在应用最广泛的氧化物陶瓷材料之一,广泛应用于机械、电子、石油、化学工业、航天、避免、仪表、工具、生物工程和医疗器械等工业。部分稳定的氧化锆具有较低的热导率、强韧性好、低弹性模量、抗热震和高工作温度(1100 °C)和其他优势,可用于制造发动机和内燃机的零件。ZrO2增韧陶瓷在内燃机上的应用是非常成功的。因为工作温度高,所以利用ZrO2制作陶瓷绝缘内燃机可以节省散热器、泵和冷却管等部件,从而提高内燃机的热效率。氧化锆陶瓷是非磁性的、不导电、无锈、耐磨,类似此,它在生物医学仪器和工具领域得到了广泛的应用。部分稳定的氧化锆可以用来制造人造骨、人工关节及人造牙齿等,ZrO2陶瓷刀片具有很高的边缘强度和耐磨性,可用于合金钢的加工。也,部分稳定氧化锆型结构陶瓷,类似光纤连接器、套管和跳线等,已广泛应用于市场。

2. 微裂纹韧性

简介:微裂纹韧性产生的根本原因是裂纹扩展路径的增加,也就是说,它改善了材料的断裂过程,裂纹扩展需要克服表面所能做的更多的功。微裂纹韧性是陶瓷常用的增韧机理之一,陶瓷基体相与分散相,温度变化引起的热膨胀差异也许相变引起的体积差异,会有分散的微裂纹,当导致断裂的主裂纹扩展时,这些均匀分布的微裂纹将导致主裂纹分叉,使主裂纹扩展路径不均匀,膨胀过程中的表面能增加,从而阻碍了裂纹的快速扩展,提高材料的韧性[3]。

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ZTA微裂纹模型

应用:现在,微裂纹韧性的主要陶瓷材料类似下:ZrO2增韧氧化铝陶瓷(ZTA)[4]。ZTA微裂纹的韧性和相变有两种机制,微裂纹可分为球形颗粒裂纹和颗粒相变应变诱发裂纹两种类型。ZTA复合陶瓷具有优良的耐蚀性、抗热震性、高强韧性,陶瓷工具可用于铸铁和合金的加工、耐磨陶瓷球和生物医学材料,类似牙齿等。

3. 裂缝挠度与桥梁

简介:通过陶瓷基体,高强度、高韧性第二相粒子的分散也许运动,使裂纹在扩展过程中扩展,由于分散相粒子的阻碍,裂纹前端会沿着粒子弯曲。其他,当残余压应力发生在分散相颗粒与基体相界面附近时,产生残余压应力,当裂纹遇到分散的粒子时,,最初的进展方向将发生变化。颗粒和基体的热膨胀系数是决定韧性效果的主要因素。裂缝桥通常发生在裂缝中前端,依靠桥梁单元将裂纹的两个表面连接起来,并在两个界面之间产生闭合应力,结果表明,强度因子随裂纹扩展而增大。裂缝桥可能发生穿晶破坏,裂缝也有可能绕过桥梁单元的晶粒发展和偏转。裂纹桥的韧性与桥接单元粒径的平方根成正比。复合材料中的微裂纹也会导致主裂纹在扩展过程中产生挠度,提高复合材料韧性。

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裂缝挠度与桥梁理论图

现在,添加到陶瓷基体中的第二相颗粒通常是强度较高的氮化物和碳化物陶瓷颗粒。塑性好的金属颗粒作为第二相颗粒,也能提高脆性陶瓷基体的韧性。金属粒子作为韧性第二相引入到陶瓷基体中,不仅可以提高陶瓷的烧结性能,它还可以在许多方面阻碍裂纹在陶瓷中的扩展,提高了复合材料的抗弯强度和断裂韧性。有两种韧性机制:

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裂纹前端中华人民共和国华侨联合会赴中华人民共和国华侨联合会办理手续

(1)扩展裂纹的上、下表面在裂纹内前端后方在一定距离内被完整的粒子钉住,粒子通过阻止裂纹的张开来减少裂纹前端应力强度因子,这样才能使它变硬。

(2)裂纹扩展过程中颗粒的塑性变形,消耗宏观裂纹扩展的驱动力。

在上述两种机制中,,粒子桥的机制起着一定的作用[5]。

应用:在Al2O3也许Si3N4添加到同一材料的陶瓷基体中SiC和TiC由颗粒和其他颗粒制成的陶瓷工具已被广泛使用。裂缝挠度和桥梁韧性不受温度限制,全部,可以避免微裂纹对材料的变质作用,它是高温结构陶瓷潜在的韧性方法之一[6]。

4. 须 /线韧性

简介:实践证明/线的强韧性可以大大提高材料的强度和韧性,它被认为是一种很有前途的高温结构陶瓷的韧性机制。须 /线的性能和线与陶瓷基体的界面结合是影响线韧性的主要因素。在陶瓷基体中添加高强度高韧性须 /线,使宏观裂纹通过须 /光纤阻塞,从而提高陶瓷材料的强度和韧性。其韧性机理类似下::陶瓷基须 /线脱粘、拔掉插头和桥。

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线韧性理论示意图

(1)当线也许须 与基体有较弱的附着力时,晶粒的断裂强度超过裂纹的扩展应力时,裂缝会偏离原来的和沿须 /线与基体结合面的扩展,致须/线—基体界面脱粘,阻碍裂纹扩展;

(2)须 /当线变短也许断裂时,线/裂纹扩展过程中须 的剥离与拔出,须 /线的断裂和拔出会引起裂纹前端应力松弛,减缓裂纹扩展,消耗裂纹扩展的能量;

(3)陶瓷基须 /光纤产生桥时间,它的两端将容纳两个开裂的表面,也就是说,在裂纹表面产生压应力,抵消部分外部压力的影响,避免裂纹进一步扩展。

应用:现在常用的须 /线材料是SiC、Si3N4和Al2O3和其他材料,陶瓷基体通常是Al2O3、ZrO2、Si3N4还有莫莱希等。线韧性陶瓷有两种主要用途:要求高强度、高硬度高温结构稳定材料;隔热 、高温空气过滤材料、金属增强材料,适用于航空航天和化学工业。线韧性陶瓷材料制成的零件可用于爆破箱、保险丝和封条等,光增强线的结构也可用于飞机发动机的设计。

碳线增强石英基复合材料是最有效的应用实例之一。添加到石英基质中25 vol%碳线复合材料,其强度和韧性明显提高,具有优异的机械冲击和抗热震性能,并在我国航天技术中得到了成功的应用。

连续碳线韧性SiC复合材料,不仅有很强的力量,断裂韧性很高,它是空间技术中一种非常有用的材料[7]。碳纳米管-陶瓷基复合材料,除了具有优异的力学性能,它还具有优良的热性能和电学性能

5. 畴转换与孪晶韧性

简介:畴转换和孪晶韧性是在结构陶瓷中加入压电陶瓷作为第二相,为了达到强韧化的目的。在裂纹扩展过程中,陶瓷基体中的压电第二相不只是桥梁和偏转裂纹,压电效应和畴偏转也消耗了裂纹扩展的驱动力,这样才能变硬。类似此,压电增韧陶瓷,在裂纹、桥梁和挠度后,韧性被去除,裂纹扩展的能量也可以通过三种方式释放出来:利用压电效应将机械能转化为电能;铁电相应力相变的能量消耗;应力作用下压电第二相畴壁运动改善复合材料断裂韧性的研究[8]。

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压电陶瓷颗粒韧性理论图

应用:这个方法在BaTiO3/Al2O3、Nd2Ti2O2/Al2O3和LaTaO3/Al2O3该复合陶瓷具有良好的韧性。BaTiO3/Al2O3是最典型的案例之一。但BaTiO3当含量高时,增韧相与基体反应,生成大量杂项阶段,相反,复合材料的断裂韧性下降,类似此,这种韧性方法的关键在于铁电相和基体的共存。

6. 自增韧

简介:自增韧,又称原位韧性,也就是说,在陶瓷基体中加入可形成第二相的原料,形成条件和反应过程的控制,直接通过高温化学反应也许相变过程,均匀分布的须 在基体中生长、高宽比晶圆形貌增强材料,陶瓷复合材料的形成。自增韧的韧性机理与须 相似./线韧性的影响,主要是通过自生补强的提取、桥梁与裂缝的挠度机理。该方法可以克服第二相增韧过程中两相间的不相容性、不等分布问题,类似此,复合材料的强度和韧性都比第二相增韧的材料高。

应用:自增韧在陶瓷复合材料中有着广泛的应用,包括Si3N4、Sialon、Al-Zr-C、Ti-B-C、SiC、Al2O3、ZrB2/ZrC0.6/Zr材料及玻璃陶瓷等。自增韧复合陶瓷材料及外线、须 增韧陶瓷复合材料的比较,优点是你不必先准备线也许胡须,降低了制备成本;也,在烧结过程中,线和须 不会受到损伤,矩阵与矩阵的界面较好。自增韧陶瓷复合材料的断裂韧性普遍提高.,但断裂强度会下降。


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