陶瓷材料的强韧化方法概述.doc

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陶瓷材料的强韧化方法概述鉴于本人在研究生阶段的研究方向与陶瓷材料有关，故本篇所选择的主要内容为陶瓷材料的强韧化方法。与传统材料相比陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损等优异特性，但它也存在脆性大、易断裂的缺点，从而大大限制了陶瓷材料在实际生产中的应用。因此改善陶瓷材料的脆性、增大强度、提高其在实际应用中的可靠性成为其能否广泛应用的关键。近年来，陶瓷材料的强韧化课题已经受到国内学者的高度重视。目前已有的强韧化主要措施如下所述。1、氧化锆相变增韧：当材料受到外力作用时，裂纹扩展到亚稳的t-ZrO2粒子，这会促发t-ZrO2粒子向m-ZrO2的相变，由此产生的相变应力又会反作用于裂纹尖端，降低尖端的应力集中程度，减缓或完全抑制了裂纹的扩展，从而提高断裂韧性；2、微裂纹增韧：由于温度变化引起的热膨胀差或相变引起的体积差会在陶瓷基体相和分散相之间产生的弥散均布裂纹。当导致断裂的主裂纹扩展时，这些均匀分布的微裂纹会促使主裂纹分叉，使得其扩展路径变得曲折，增加了扩展过程的表面能，从而使裂纹快速扩展受到了阻碍，增加了材料的韧性；3、裂纹偏转增韧：在发生裂纹偏转时，裂纹平面会在垂直于施加张应力方向上重新取向，这就意味着裂纹扩展路径将被增长。同时，由于裂纹平面不再垂直于张应力方向而使得裂纹尖端的应力降低，因而可以增大材料的韧性；4、裂纹弯曲增韧：在裂纹扩展过程中，如果遇到基体相中存在的断裂能更大的第二相增强剂就会被其阻止，裂纹前沿如需继续扩展便要越过第二障碍相而形成裂纹弯曲。这也会使裂纹快速扩展受到了阻碍，从而增加材料的韧性；5、裂纹桥接增韧：所谓的裂纹桥接是指由增强元连接扩展裂纹的两表面形成裂纹闭合力而导致脆性基体材料增韧的方法。其增强元可分为两种：一种为刚性第二相，另一种则是韧性第二相；6、韧性相增韧：韧性相会在裂纹扩展中起到附加吸收能量的作用，这就使得裂纹进一步扩展所需的能量远远超过形成新裂纹表面所需的净热力学表面能。同时裂纹尖端高应力区的屈服流动使应力集中得以部分的消除，抑制了原先所能达到的临界状态，相应的提高了材料的抗断裂能力；7、纤维、晶须增韧： 纤维和晶须具有高弹性和高强度，当它作为第二相弥散于陶瓷基体构成复合材料时，纤维或晶须能为基体分担大部分外加应力而产生强化。纤维和晶须的存在也使得裂纹扩展途径出现弯曲从而使断裂能增加。此外在裂纹尖端附近由于应力集中，纤维或晶须也可能从基体中拔出。拔出时以拔出功的形式消耗部分能量，同时在尖端后部，部分未拔出或未断裂的纤维或晶须则起到了桥接的作用。而且在裂纹尖端，由于应力集中可使基体和纤维或晶须发生脱粘。以上种种现象都能够使材料的韧性得到提高；8、表面参与压应力增韧：由于陶瓷断裂往往始于表面裂纹，而表面残余压应力则能有效的阻止表面裂纹的扩展，因此该种方法也能起到增韧的作用。在实际应用中，河南理工大学的张明等人从纤维（晶须）增韧的机理出发，对以SiCw为晶须增韧后的ZrO2陶瓷复合材料增韧进行了研究。在文中作者指出SiCw/ZrO2陶瓷复合材料的晶须增韧机理有两种，即晶须的裂纹转向机制和拔出桥连机制。在实验观察中发现SiCw/ZrO2陶瓷复合材料(Y2O3摩尔分数为8%)的断裂韧性随晶须含量的增加而提高，如下表所示。表中ΔKd为裂纹偏转对于断裂韧性贡献量，而ΔKb则为晶须桥联对于断裂韧性贡献量，ΔK*和ΔK则分别为复合材料断裂韧性的理论计算值和实际测量值。SiCw/ZrO2陶瓷复合材料的断裂韧性表SiCw体积分数（%）预测值测量值ΔKdΔKbΔK*ΔK03.43100.7950.624.644.26~4.58201.0471.025.254.51~5.25301.1921.385.775.64~5.92由于材料中不可避免的会出现一定的缺陷，因此其实际测量值必然会比预测值低。从上表中可以看出，在添加晶须后，材料断裂韧性的理论值逐步提高，而实际测量值也有显著的上升。作者指出，虽然该实验中材料的断裂韧性受到晶须的裂纹转向和拔出桥连两种不同机制的影响，但是以上两种机制对增韧的贡献均随晶须含量而增加。由此可见，纤维、晶须增韧是一种理想的陶瓷材料增韧方法。附：本文参考文献：张明，赵波，刘传绍等.SiCw/ZrO2陶瓷复合材料晶须增韧机理与效果预测研究[J].新技术新工艺,2006,12:64-66