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氧化铝陶瓷材料增韧方法简介

文章出处:wzfb1234 人气:发表时间:2017-08-16 09:45

 氧化铝陶瓷材料增韧方法简介

    氧化铝陶瓷(属于精密陶瓷的一种)材料的结构属于刚玉型,其本身具有离子键的特性,使得滑移系统远没有金属那么多,这导致其缺乏一定的韧性、塑性。所以表现出的断裂韧性较低,这大 大地限制了氧化铝陶瓷的广泛应用。
    本文对当前的氧化铝陶瓷的增韧方法及其主要机理做一个简要的介绍,以期给读者带来一些陶瓷增韧技术的基础知识。
 
氧化铝陶瓷的常用增韧方法
 
   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。
   
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