陶瓷百科
陶瓷脆性的可改善性 |
來源:粉體網(wǎng) 發(fā)布時(shí)間:2018/8/8 8:44:56 點(diǎn)擊:1564 |
陶瓷材料的脆性是物質(zhì)的化學(xué)鍵合性質(zhì)和它的顯微結(jié)構(gòu)所決定的,因此要解決它并不是一件容易的事。但是可以通過一定的途徑來減緩它對材料的損害,以改善陶瓷材料的性能,這習(xí)慣上稱為改善陶瓷的脆性。陶瓷材料的脆性是可以在很大程度上得到改善的,增韌的主要機(jī)理有以下幾種。 1、相變增韌 相變增韌是一種有效的補(bǔ)強(qiáng)、增韌方法,它是利用多晶多相陶瓷中某些相組分在不同溫度的相變,從而達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)、增韌的效果,這統(tǒng)稱為相變增韌。在ZrO2四方相多晶體或以四方相ZrO2為第二相顆粒的陶瓷基復(fù)合材料中,裂紋附近高應(yīng)力的作用導(dǎo)致四方相ZrO2晶粒(t相)轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕啵╩相),這種馬氏體相變所產(chǎn)生的晶格體膨脹和剪切在裂紋形成屏蔽,減緩裂紋應(yīng)力集中,阻止裂紋擴(kuò)展,從而提高了材料的斷裂性。目前,相變增韌已成為結(jié)構(gòu)陶瓷增韌的主要手段之一,也是研究的較為成熟的一種增韌機(jī)理。 2、裂紋偏轉(zhuǎn) 裂紋偏轉(zhuǎn)機(jī)理源于在基體/分散相界面上圍繞分散相粒子的應(yīng)力場,該應(yīng)力場也是由于彈性模量或熱膨脹系數(shù)的差異而引起的。由于存在局部的張應(yīng)力和壓應(yīng)力,裂縫擴(kuò)展時(shí),必然選擇局部的張應(yīng)力區(qū)域而不會進(jìn)入壓應(yīng)力區(qū)域,裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn),改變擴(kuò)展路徑,產(chǎn)生彎曲、傾斜和扭曲,形成非平面裂紋面;裂紋擴(kuò)展路徑延長,消耗更多的裂紋擴(kuò)展能,從而起到增韌作用(如圖)。
裂紋偏轉(zhuǎn)程度越大,增韌效果越好。具體來說,增韌效果與補(bǔ)強(qiáng)效果的形狀、位置及周圍的應(yīng)力場有關(guān)。補(bǔ)強(qiáng)劑為具有較大長徑比的棒狀顆粒時(shí)增韌效果,在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)增加補(bǔ)強(qiáng)劑的含量有利于提高增韌效果。 3、裂紋彎曲 當(dāng)異質(zhì)相顆粒足夠強(qiáng)時(shí),基體中擴(kuò)展的裂紋在遇到異質(zhì)相顆粒時(shí)將不能輕易穿過該顆粒,從而可能在該顆粒之間發(fā)生彎曲。此時(shí),要使裂紋擺脫顆粒的釘扎繼續(xù)向前擴(kuò)展,必須進(jìn)一步提高裂紋擴(kuò)展驅(qū)動力,從而起到增韌作用(如圖)。
4、裂紋橋聯(lián) 當(dāng)纖維、晶須或金屬顆粒作為第二相時(shí),由于顆粒尺寸長度較大(金屬會發(fā)生形變),裂紋有時(shí)不是靠偏移或彎曲繞過異質(zhì)相顆粒,而是直接穿過顆粒,此時(shí)顆粒起到裂紋橋聯(lián)的作用,可以明顯提高R-曲線上的韌性平臺。對于顆粒狀的納米材料,雖然R-曲線上的韌性平臺改變不大,但卻可以使R-曲線在短的裂紋長度上出現(xiàn)陡然上升的情況。對金屬/陶瓷基復(fù)合材料來說,金屬顆粒的彈性拉長使裂紋橋聯(lián)是金屬陶瓷中的有效增韌機(jī)制。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到陶瓷/金屬界面時(shí),由于延性金屬顆粒和脆性基體的形變能力不同,引起裂紋局部鈍化,某些裂紋段被迫穿過顆粒,而被拉長的金屬顆粒起橋聯(lián)作用(如圖)。
延性顆粒的彈性形變有助于金屬陶瓷韌性的提高,即在這個(gè)過程中金屬相將發(fā)生塑性變形并消耗很多的能量,從而提高了材料的韌性。 5、纖維(或晶須)與微顆粒增韌 在基體中摻入高強(qiáng)度、高韌性的纖維或高韌性的金屬微粒,可使宏觀裂紋在穿過纖維或微粒時(shí)受阻,從而提高了材料的強(qiáng)度和韌性。當(dāng)金屬顆粒作為異質(zhì)相時(shí),金屬顆粒在裂紋擴(kuò)展應(yīng)力作用下的塑性變過程可以消耗大量能量,從而提高材料的斷裂韌性。當(dāng)異質(zhì)相為鐵電或壓電相時(shí),電疇在裂紋應(yīng)力的作用下轉(zhuǎn)向或產(chǎn)生壓電效應(yīng)時(shí),也會消耗一定量的機(jī)械能,同樣可以起到增韌作用。另外晶須的脫黏、拔出作用也是晶須增強(qiáng)的機(jī)理(如圖)。 |
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