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陶瓷脆性的可改善性
來源:粉體網  發布時間:2018/8/8 8:44:56  點擊:1702

陶瓷材料的脆性是物質的化學鍵合性質和它的顯微結構所決定的,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,增韌的主要機理有以下幾種。

1、相變增韌

相變增韌是一種有效的補強、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,從而達到補強、增韌的效果,這統稱為相變增韌。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合材料中,裂紋附近高應力的作用導致四方相ZrO2晶粒(t相)轉變為單斜相(m相),這種馬氏體相變所產生的晶格體膨脹和剪切在裂紋形成屏蔽,減緩裂紋應力集中,阻止裂紋擴展,從而提高了材料的斷裂性。目前,相變增韌已成為結構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理。

2、裂紋偏轉

裂紋偏轉機理源于在基體/分散相界面上圍繞分散相粒子的應力場,該應力場也是由于彈性模量或熱膨脹系數的差異而引起的。由于存在局部的張應力和壓應力,裂縫擴展時,必然選擇局部的張應力區域而不會進入壓應力區域,裂紋發生偏轉,改變擴展路徑,產生彎曲、傾斜和扭曲,形成非平面裂紋面;裂紋擴展路徑延長,消耗更多的裂紋擴展能,從而起到增韌作用(如圖)。


裂紋偏轉程度越大,增韌效果越好。具體來說,增韌效果與補強效果的形狀、位置及周圍的應力場有關。補強劑為具有較大長徑比的棒狀顆粒時增韌效果,在適當的范圍內增加補強劑的含量有利于提高增韌效果。

3、裂紋彎曲

當異質相顆粒足夠強時,基體中擴展的裂紋在遇到異質相顆粒時將不能輕易穿過該顆粒,從而可能在該顆粒之間發生彎曲。此時,要使裂紋擺脫顆粒的釘扎繼續向前擴展,必須進一步提高裂紋擴展驅動力,從而起到增韌作用(如圖)。


4、裂紋橋聯

當纖維、晶須或金屬顆粒作為第二相時,由于顆粒尺寸長度較大(金屬會發生形變),裂紋有時不是靠偏移或彎曲繞過異質相顆粒,而是直接穿過顆粒,此時顆粒起到裂紋橋聯的作用,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陡然上升的情況。對金屬/陶瓷基復合材料來說,金屬顆粒的彈性拉長使裂紋橋聯是金屬陶瓷中的有效增韌機制。當裂紋擴展到陶瓷/金屬界面時,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,即在這個過程中金屬相將發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受阻,從而提高了材料的強度和韌性。當金屬顆粒作為異質相時,金屬顆粒在裂紋擴展應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。當異質相為鐵電或壓電相時,電疇在裂紋應力的作用下轉向或產生壓電效應時,也會消耗一定量的機械能,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的機理(如圖)。

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