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氧化铝陶瓷材料增韧方法介绍

发布时间:
2019-03-15
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【摘要】:
l2O3基陶瓷材料以其优异的耐磨性、耐高温、耐腐蚀、硬度高,且化学稳定性强等特点,具有广阔的应用前景。然而其缺点是韧性低,容易发生脆断,因此,提高氧化铝陶瓷材料的韧性是其能够在各个领域中进一步推广应用的前提。  图1耐磨氧化铝孔板一、颗粒弥散增韧颗粒弥散增韧主要是在Al2O3陶瓷基体中加入高弹性模量的非金属或具有延性的金属作为第二相粒子,高弹性模量颗粒在基体材料拉伸时阻止横向截面的收缩。要达到和基

l2O3基陶瓷材料以其优异的耐磨性、耐高温、耐腐蚀、硬度高,且化学稳定性强等特点,具有广阔的应用前景。然而其缺点是韧性低,容易发生脆断,因此,提高氧化铝陶瓷材料的韧性是其能够在各个领域中进一步推广应用的前提。 

 

图1 耐磨氧化铝孔板

一、颗粒弥散增韧

颗粒弥散增韧主要是在Al2O3陶瓷基体中加入高弹性模量的非金属或具有延性的金属作为第二相粒子,高弹性模量颗粒在基体材料拉伸时阻止横向截面的收缩。要达到和基体相同的横向收缩,必须增加纵向拉应力,使材料强化。增加外界拉应力就使材料消耗更多的能量,因此具有增韧效果。颗粒弥散增韧Al2O3基陶瓷材料主要分为金属颗粒增韧和非金属颗粒增韧。

1金属颗粒增韧

Al2O3基陶瓷材料可以通过添加金属颗粒相提高其力学性能,颗粒弥散相可以引入延性金属相。目前,延性金属相也被证明是一种很有前途的增韧方法,添加的金属颗粒主要包括Al、Ni、Ag、Cu、Fe等。金属颗粒增韧主要利用裂纹尖端未断裂的颗粒在裂纹上下表面起桥联作用,一方面阻止裂纹的张开而减小裂纹尖端的应力强度因子,另一方面因裂纹扩展而使颗粒发生塑性变形,消耗裂纹尖端的能量,达到增韧的目的。

一、颗粒弥散增韧

颗粒弥散增韧主要是在Al2O3陶瓷基体中加入高弹性模量的非金属或具有延性的金属作为第二相粒子,高弹性模量颗粒在基体材料拉伸时阻止横向截面的收缩。要达到和基体相同的横向收缩,必须增加纵向拉应力,使材料强化。增加外界拉应力就使材料消耗更多的能量,因此具有增韧效果。颗粒弥散增韧Al2O3基陶瓷材料主要分为金属颗粒增韧和非金属颗粒增韧。

1金属颗粒增韧

Al2O3基陶瓷材料可以通过添加金属颗粒相提高其力学性能,颗粒弥散相可以引入延性金属相。目前,延性金属相也被证明是一种很有前途的增韧方法,添加的金属颗粒主要包括Al、Ni、Ag、Cu、Fe等。金属颗粒增韧主要利用裂纹尖端未断裂的颗粒在裂纹上下表面起桥联作用,一方面阻止裂纹的张开而减小裂纹尖端的应力强度因子,另一方面因裂纹扩展而使颗粒发生塑性变形,消耗裂纹尖端的能量,达到增韧的目的。

图2 金属颗粒桥联增韧示意图

日本大阪大学的研究人员制备出了由氧化铝(Al2O3)陶瓷和钛(Ti)组成的复合材料,即Al2O3/Ti陶瓷基复合材料,具有优异的机械性能,还可以进行电火花加工。它们还将作为一种新型多功能复合材料用于工业产品和生物材料,这种复合材料表面有一层具有抗菌性能和光催化降解污染物能力的活性表层。

图3 Al2O3/Ti陶瓷基复合材料

2非金属颗粒增韧

非金属颗粒增韧是在Al2O3基陶瓷材料添加SiC、TiC、WC、TiB2、ZrB2等非金属纳米颗粒,达到增韧氧化铝基陶瓷材料的目的。例如研究者在Al2O3基陶瓷中添加SiC颗粒(280nm左右),通过热压烧结法制备Al2O3基陶瓷复合材料,其硬度为23.4Gpa,断裂韧性为4.8MPa·m1/2,相较于纯氧化铝陶瓷(3MPa·m1/2),断裂韧性得到一定的提高。力学性能提高的原因主要是其断裂形式从沿晶断裂转变为穿晶断裂,使得抗裂纹扩展能力增强,断裂韧性提高。

二、相变增韧

相变增韧是利用ZrO2增韧特性,实现对氧化铝陶瓷材料的增韧。其增韧机理是当含有亚稳四方相ZrO2陶瓷受到外加应力作用时,其中的四方相ZrO2颗粒会转变成同素异构体单斜ZrO2相,同时产生3%~5%的体积膨胀,吸收应变能并弥合裂纹,从而提高材料的断裂韧性。同时,由于相变所引起的体积膨胀对裂纹产生压应力,阻碍裂纹的扩展,表现在裂纹尖端应力强度因子降低,从而提高抗裂纹扩展能力。而且氧化锆的马氏体相变使Al2O3基体中产生显微裂纹和残余应力,能使氧化铝陶瓷的韧性提高,韧化的作用主要来自于晶粒的细化、显微裂纹及裂纹的偏转。

图4 裂纹尖端应力诱发相变韧化示意图

值得注意是:ZrO2颗粒增韧Al2O3基陶瓷的效果与材料的成分、烧结温度、晶粒尺寸等因素密切相关。尽管相变增韧效果明显,但是受温度的影响很大,通过加入少量的稳定剂,能大大提高陶瓷的高温适应能力,所以相变增韧的方法能获得普遍的推广及应用。

三、晶须、纤维、碳纳米管增韧

1晶须增韧

晶须增韧主要是通过晶须在陶瓷中对裂纹的桥接、钉扎或偏转及晶须的拔出等作用来显著提高Al2O3基陶瓷的韧性。晶须增韧机理主要有拔出桥接机制和裂纹偏转机制。

(1)拔出桥接机制:晶须的拔出长度存在一个临界值lp。当晶须的某一端距主裂纹距离小于这一临界值时,晶须从此端拔出;如果晶须的两端到主裂纹的距离均大于临界拔出长度时,晶须会在拔出的过程中产生断裂。另外,晶须与基体之间的界面结合强度直接影响复合材料的韧化机制和韧化效果。

(2)裂纹偏转机制:当裂纹扩展至晶须附近时,由于晶须的弹性模量较高,使得裂纹不易穿过晶须而发生偏转,大大提高裂纹的扩展距离,并吸收更多的能量,达到增韧的效果。目前,晶须本身具有很好的力学性能,使得晶须增韧陶瓷基复合材料得到迅速发展,并成为最有希望的高温结构材料之一。常用的晶须有SiC、Al2O3、ZrO2、Si3N4和莫来石以及碳纤维等。

图5 晶须增韧机制示意图(左图:拔出桥接机制;右图:裂纹偏转机制)

晶须增韧Al2O3基陶瓷是研究得比较早的一种陶瓷基复合材料,在Al2O3中引入微观晶须可以提高断裂韧性3~4倍,利用热压法制备含量为20%~30%SiC晶须增韧的Al2O3基陶瓷,其抗弯强度和断裂韧性分别达到650MPa和8~8.5MPa·m1/2。

2纤维增韧

纤维与Al2O3基陶瓷材料达到增韧效果之间需满足2个条件:

一是增强纤维的弹性系数必须高于氧化铝陶瓷基体;

二是纤维与Al2O3基陶瓷材料之间必须是相容的。

常用的增强纤维有:碳纤维、SiC纤维等。Al2O3基体和各种纤维之间的结合不是简单的混合物,而是一种有机的复合体,是通过非常薄的界面有机结合在一起。

图6 Al2O3基陶瓷绝缘片

3碳纳米管增韧

碳纳米管具有极高的强度、韧性和弹性模量。其模量可达1TMpa,与金刚石模量几乎相同,将碳纳米管作为Al2O3基陶瓷材料的增强体,可表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性。

碳纳米管增韧Al2O3基陶瓷材料机理是:利用短纤维增韧的作用,碳纳米管力学性能优异,在拔出和断裂时,都要消耗更多的能量,有利于阻止陶瓷裂纹的扩展。此外,碳纳米管对陶瓷晶粒的桥联、钉扎等作用,能达到传递和均摊载荷的目的,使陶瓷裂纹扩展方式由沿晶断裂转化为穿晶断裂,能显著提高Al2O3陶瓷的韧性。碳纳米管还能与陶瓷形成独特网络结构,使裂纹沿晶界发生偏转,同样有助于提高Al2O3陶瓷的断裂韧性。

四、原位生长晶须增韧原位生长晶须增韧是通过原位生长的方式来制备晶须,常用的制备方法是碳热还原法,即通过生长助剂的引导,使前驱体在基体内部按照特定取向生长排列,在基体中形成晶须。

该增韧方法优点是:获得的晶须在基体中分布均匀,有效地提高了晶须在基体中的含量,同时改善了晶须在基体中的均匀度,使陶瓷的力学性能达到各向同性的效果。

五、复合增韧目前,通过采用多种增韧机制复合的方式提高Al2O3基陶瓷材料韧性受到广泛的关注,主要方法有:多相颗粒复合增韧、晶须-颗粒复合增韧、晶须-相变复合增韧等。

参考文献:

1、武玺旺,碳纳米管强韧化氧化铝陶瓷基复合材料研究,华中科技大学。

2、顾延慰、傅永庆、潘敏元,晶须增韧陶瓷基复合材料的增韧机理及其影响因素,宇航材料工艺。

3、刘炳强,原位生长晶须增韧氧化铝陶瓷刀具及切削性能研究,山东大学。

4、储爱民、王志谦、张德智等,Al2O3基陶瓷材料增韧的研究进展,材料导报。