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还在苦恼陶瓷太脆?该了解一下陶瓷增韧原理了
2020年08月14日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:421
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作为一种很耐揍的工程材料,结构陶瓷由于具有很高的强度和硬度,优良的耐热性,低的热传导性与热膨胀性以及很高的耐磨性、抗氧化能力,常常被用于制造发动机中的耐热件,化工设备中的耐腐蚀件及密封件,切削刀具的刀片材料以及航天飞机的外壳陶瓷材料

不过陶瓷材料都是由离子键或共价键组成的多晶体结构材料,键强高、键能大,内部缺乏能促使材料变形的滑移系统,难以发生弹性形变和塑性形变,再加上制备过程中陶瓷材料表面和内部不可避免的存在缺陷,一旦受到外加载荷,它们都有可能构成裂纹源,应力就会在这些裂纹的尖端集中,从而裂纹失稳扩展导致脆性断裂。

因此在几乎所有工程应用中,断裂韧性都是需要考虑的重要材料属性,这样才能使系统或部件在设计上能够承受其使用寿命内的预期冲击。

陶瓷的断裂形式

裂纹的产生原因主要很大程度上取决于材料本身,尤其是其微观结构。出现在陶瓷试样上的裂纹在二维空间上有:沿晶断裂、穿晶断裂,在三维空间上有韧窝断裂。

穿晶断裂

穿晶断裂是裂纹在晶粒的内部进行扩展。穿晶断裂一般是韧性断裂,当其内部积累了大量的位错时晶粒本身的强度下降,进而导致裂纹在晶粒的内部产生。

沿晶断裂

沿晶断裂发生时,其裂纹扩展的路径是沿着晶界的方向,这主要是由于晶界处有大量的脆性相或者是硬度较高的杂质粒子,会在晶界处形成缺陷,使其强度下降从而形成裂纹,并沿着强度较低的方向进行扩展。如下图所示它是完全脆性的断裂。

韧窝断裂

韧窝是金属塑性断裂断口显微形貌的显著特征,但在研究陶瓷的高温断口的微观形貌中也发现了相似的韧窝结构。它是按显微孔洞聚合机理,在其受到载荷的作用下发生断裂而形成的。当材料发生韧性断裂时先形成显微撕裂或显微孔洞,它们总是发生在连续变形受阻的地方,例如在受载物体的固溶体(基体)、晶界、亚晶界、位错堆积以及柱状晶界面等地方。当荷载继续增加时,显微孔洞长大,同时连接部分拉长,从而形成一个断裂表面。断口上的韧窝大小、数量等微观花样与形成速度和断裂发展速度有关。通过韧窝深度及其表观特征,可以估计在发生断裂时,微观组织局部的塑性变形程度。若形成蜂窝状的细小韧窝,则说明微观塑性变形量不大。相反,侧壁有折皱纹理的深韧窝,表明塑性变形起重要作用。

韧窝断裂

陶瓷增韧的原理

目前主要有如下几种陶瓷材料增韧方法:纤维补强;颗粒弥散增韧;自增韧;氧化锆自增韧;纳米陶瓷增韧;纳米复合增韧。由于陶瓷的断裂是由裂纹扩展导致的,所以这些工艺的本质就是阻止裂纹的扩展,所用到的原理有:1)分散裂纹尖端应力;2)消耗裂纹扩展的能量,增大裂纹扩展所需克服的能垒;3)转换裂纹扩展的能量。

①拉脱/桥接效应——纤维、晶须增韧原理

下图中,在紧靠裂纹尖端的晶体,由于变形而给裂纹表面加上了闭合应力,抵消裂纹尖端的外应力,钝化裂纹扩展,从而起到了增韧作用;此外,裂纹扩展时,柱状晶体的拔出时也要克服摩擦力,也会起到增韧的作用。

裂纹桥接示意图

②裂纹弯曲转向—颗粒、纤维晶须增韧、自增韧原理

下图中,由于柱状晶的存在,导致裂纹发生偏转,改变和增加了裂纹扩展的路径,从而钝化裂纹增加了裂纹扩展阻力。同上,裂纹扩展时柱状晶体也会与基体间有摩擦力的作用,消耗外加载荷的能量,有利于陶瓷材料断裂韧性的改善。

裂纹偏转示意图

③相转变增韧

相变增韧是通过热处理等工艺使在其微观组织内部生出增韧相,Zr02的相变增韧即为此类。将亚稳的ZrO2颗粒引入到基体中,当裂纹扩展到该区域时,t-ZrO2受到裂纹尖端应力场的作用将会发生相变,进而产生新的断裂表面,还会在相变时产生体积膨胀,这两个过程都会吸收能量,所以,应力导致的这种组织转变会消耗外加应力,起到增韧的作用。

另外,相转变增韧也是可以应用于功能陶瓷的。如:铁电/压电性畴转变增韧机制,在压电陶瓷材料中;利用使产生裂纹的外应力转变为电能,从而达到增韧的目的。

④残余应变能增韧

与相转变的原理基本相似,在裂纹进行扩展之前,首先得克服陶瓷样品本身的内部残余应变能,从而达到增韧的目的。目前研究残余应力对材料断裂韧性的影响方法是∶考虑残余应力与裂纹尖端作用引起的裂纹偏转,通常采用无限大基体内单个球形柱状晶粒子模型。这种方法比较直观,只能做定性分析。

⑤微裂纹增韧

在裂纹应力尖端加入韧性材料,使其产生微裂纹,达到分散应力的目的,减少裂纹前进的动力,从而增加材料的韧性。在材料发生相转变时,往往也会导致残余应变能效应以及产生微裂纹。因此,相转变增韧的效果非常显著。

⑥纳米增韧

纳米技术在改善传统陶瓷材料性能上显示出了极大的优势,加入纳米相复合后的陶瓷材料的室温强度和韧性有显著提高。其增韧强化机理目前主要有三种:

第一种是“细化理论”,认为纳米相的引入能抑制基体晶粒的异常长大,使基体结构均匀细化,从而提高纳米陶瓷复合材料强度韧性。

第二种是“穿晶理论”,认为纳米复合材料中,基体颗粒以纳米颗粒为核发生致密化而将纳米颗粒包裹在基体晶粒内部形成“晶内型”结构。这样便能减弱主晶界的作用,诱发穿晶断裂,使材料断裂时产生穿晶断裂而不是沿晶断裂,从而提高纳米陶瓷复合材料强度和韧性。

第三种是“钉扎”理论,认为存在于基体晶界的纳米颗粒产生“钉扎”效应,从面限制了晶界滑移和孔穴、蠕变的发生,晶界的增强导致纳米复相陶瓷韧性的提高。

总结

在实际增韧过程中往往是由几种增韧机理同时起作用,而不是某个单独机理,所以应该根据实际情况来选择具体的增韧机理。一般来说,颗粒弥散增韧操作比较简单,但增韧效果不显著;纳米级颗粒引入陶瓷基体中取得了很好的增强增韧效果,但制备成本较高;相变增韧效果显著,但只能应用于氧化锆陶瓷中,其他材料无法采用——这就是为什么问及断裂韧性好的陶瓷材料有哪些时,大家会第一时间就会想到氧化锆的原因之一。

资料来源:

陶瓷增韧技术的研究进展,黄康明,李伟信,饶平根,陈大博,吴建青。

典型工程陶瓷材料的断裂形式及断裂韧性研究,张震。

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