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如何处理陶瓷材料的脆性

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时间:2021-10-06

众所周知,陶瓷材料有一个致命的共同缺陷,那就是脆性。陶瓷材料的脆性是由化学键及其微观结构决定的,是陶瓷材料的固有特性。在下面的段落中,我们将讨论陶瓷材料的脆性以及改善它们的方法。


陶瓷为什么会脆?


陶瓷材料是由离子键或共价键组成的多晶结构,因此它们缺乏可以使材料变形的滑移系统。在制备过程中,难免会在材料表面留下微小的缺陷,从而可能形成裂纹源。一旦材料受到外部载荷,应力将集中在这些裂纹的尖端。在陶瓷材料中,如果没有其他系统可以消耗外部能量,则只能交换新的自由能。所谓新自由能就是裂纹尖端扩展形成的新表面所吸收的能量,从而导致裂纹的快速扩展和所谓的脆性断裂。

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如何改善陶瓷的脆性?


陶瓷材料的脆性在很大程度上影响了材料性能的可靠性和一致性。因此,研究陶瓷材料的脆性并提出有效的改善方法是许多陶瓷研究人员的重点工作。下面将为大家做一个简单的数据整理。


1.陶瓷材料弱界面体系的建立


既然陶瓷材料中没有可以吸收外部能量的机制,那么是否可以人为地在陶瓷材料中制造一些弱界面结构,使裂纹的扩展可以通过其解离吸收外部能量而不破坏整个材料?经过多年的实践,有很多可行的解决方案。


* D-增强陶瓷基复合材料


纤维(或晶须)以某种方式添加到陶瓷基体中。一方面,高强度纤维(晶须)可以分担额外的负荷;另一方面,可以利用纤维(或晶须)与陶瓷基体之间的弱界面来创造吸收外界能量的系统,从而改善陶瓷材料的脆性。

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例如,研究表明,在氧化铝基体中加入纳米碳化硅(5%)和四氧化锆(15%)可以达到1200MPa的强度(普通氧化铝陶瓷材料的强度只有300Ma左右)。


* 自增韧陶瓷材料


如上所述,在陶瓷基体中加入纤维或晶须以增强和增韧。然而,大纵横比的粒状陶瓷基体难以实现纤维或晶须的均匀分布,从而导致复合性能的分散。因此,人们假设如果能在陶瓷基体中形成具有一定纵横比的形状,就可以达到与用纤维或晶须增强陶瓷相同的效果。


因此,陶瓷体的一部分可以通过特殊加工自行产生一定的纵横比。例如,氧化铝陶瓷烧结过程中的少量液相可以诱导氧化铝晶粒的各向异性生长,而氧化铝陶瓷材料的强度和韧性可以通过形成大量的棒状晶体而大大提高。氧化铝基体中的大纵横比。


* 层压复合材料


层状复合材料的构想是从自然界中的海螺微观结构提出的,即将两种不同组分的材料堆叠成夹层,形成具有平行界面的多层层状复合材料。样品设计的材料结构有许多垂直于应力方向的弱界面。这些薄弱的界面是主要裂纹扩展路径发生畸变的主要原因,也是提高材料韧性的重要因素。同时,由于层两侧的材料不同,它们之间的弹性模量和热膨胀系数不同,必然会产生残余应力,而这种在一定限度内的残余应力是主要原因用于加固和增韧。


2.氧化锆增韧陶瓷材料


自提出陶瓷钢构想以来,氧化锆增韧陶瓷材料的研究蓬勃发展。氧化锆化合物具有三种晶体类型:高温为立方,中温为四方,常温为单斜。然而,中温型四方晶氧化锆在外部应力的抑制下可以在室温下保持稳定。一旦材料受到外力作用,受约束的介稳四相氧化锆将发生相变。在相变过程中,会吸收一定的能量,这无疑起到了消耗外界能量的作用。同时,相变过程中会发生3%~5%的体积变化。结果,裂纹尖端周围会产生微小的裂纹,


因此,氧化锆的相变会促进材料强度和韧性的增加。氧化锆的这一特性使其成为陶瓷材料中非常有效的强化增韧添加剂,从而形成了一系列氧化锆增韧陶瓷。四方氧化锆多晶(TZP)是最重要的氧化锆增韧陶瓷材料之一,被认为在室温下具有最佳的机械性能。

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3. 功能梯度材料


在陶瓷涂层过程中,为了获得较厚的涂层或由于金属基体之间热力学性能差异很大,往往需要涂层成分的梯度变化以获得性能良好和结合强度高的陶瓷涂层。和陶瓷涂层。

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4. 纳米陶瓷材料


从微观结构的角度来看,晶粒尺寸与材料性能之间存在直接关系。当陶瓷材料的晶粒尺寸达到纳米级时,陶瓷材料的性能将明显优异。例如,部分稳定的氧化锆陶瓷是由3%(mol)氧化钇和氧化锆的固溶体粉末通过常压烧结制成,其中氧化钆以平均直径为0.3μm的细晶分散在氧化锆中。当加热到1200℃以上时,氧化锆陶瓷可以在12%的一定拉伸率下伸长。



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