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陶瓷材料的脆性的解决途径


2023年04月18日
陶瓷材料的脆性的解决途径 02月15日粉体加工技术5408

众所周知,陶瓷材料均有一个致命的共同缺陷--“脆性”。陶瓷材料的脆性是物质的化学键合性质和它的显微结构所决定的,是陶瓷材料与生俱来的特性。下文将与大家一起探讨陶瓷材料的脆性及改善方法。

一、陶瓷为啥会“脆”呢?

陶瓷材料都是由离子键或共价键所组成的多晶结构,它缺乏能促使材料变形的滑移系统。且其制备过程中不可避免的在材料表面残留微缺陷,这些缺陷均有可能构成裂纹源,材料一旦受到外加的负荷,应力就会在这些裂纹的尖端集中。在陶瓷材料中若没有其他可以消耗外来能量的系统,便只有以新的自由能予以交换。所谓新的自由能就是裂纹尖端的扩展所形成的新的表面所吸收的能量,这样的结果就造成裂纹的快速扩展而表现为所谓脆性断裂。

家用陶瓷刀又快又锋利,但也很脆,

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二、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问题,并提出改善它的有效途径是许多陶瓷材料研究人员的重点工作,从陶瓷材料脆性的基础认识研究到有效改善途径的实施,首先是材料中弱界面的建立,诸如纤维补强陶瓷基复合材料、复相陶瓷材料、自增韧陶瓷材料、叠层复合材料、陶瓷材料的晶界应力设计。还有氧化锆增韧陶瓷材料、功能梯度材料、纳米陶瓷材料等都是行之有效的,下文将为大家做简单的资料整理。

1.陶瓷材料中弱界面系统的建立

既然在陶瓷材料中没有可以吸收外来能量的机构存在,那么是否有可能在陶瓷材料中人为地造就一些弱的界面结构,而使裂纹的扩展可以通过它们的解离来吸收外来能量,而不至于损害整个材料。于是经过多人多年的实践,已经有许多可行方案,详见下文分解。

①纤维补强陶瓷基复合材料

用纤维(或晶须)以一定的方式加入到陶瓷的基体中去,一方面可以使高强度的纤维(晶须)来分担外加的负荷,另一方面可以利用纤维(或晶须)与陶瓷基体的弱的界面结合(这点是可以做到的)来造就对外来能量的吸收系统,从而达到改善陶瓷材料脆性的目的。

应用举例:陶瓷基复合材料可应用于飞机发动机Leap,CMC组件引进发动机涡轮罩衬里,改进后的发动机需要的冷却空气量远远小于镍基超级合金,且拥有更低的比重,可比以往发动机节省燃油约15%。

②复相陶气动阀瓷材料

两种不同的材料在一起,由于它们热膨胀系数和弹性模量的不同而必然在两个物质之间产生应力,这种在晶粒界面上所存在的应力是造就弱界面的主要根源。很多研究结果表明,若其中有一种物质是纳米级的晶粒存在于另一种物质的微米级晶粒之中,被称之为纳米-微米晶内复合,它们的强度与韧性居然有惊人地提高。

举个例子:研究表明在氧化铝的基体中加入有纳米SiC(5 %)和四方相 ZrO2(15%),它的强度居然可达 1200 MPa(一般的氧化铝陶瓷材料的强度只有300Ma左右);最近的报道低,温烧结的α和β相所组成的氮化硅复相陶瓷材料,其强度居然可以达掺铒光纤到 1600MPa左右。

③自增韧陶瓷材料

前面提到的是用纤维或晶须加入到陶瓷的基体中起到了强化与增韧的效果。由于具有大的

长径比的纤维或晶须与颗粒状的陶瓷基体很难做到均匀的分布,以致造成复合材料性能的分散。人们不由地设想,假如有可能在陶瓷的基体中自己能够形成具有一定的长径比的形态,不就可以达到与纤维或晶须补强陶瓷一样的异曲同工的效果吗?

于是人们可以通过特殊的工艺处理, 可以使陶瓷坯体中的一部分组分自行生成具有一定的长径比的形态。例如在氧化铝陶瓷在烧结过程中有少量的液相参与,可以引发氧化铝晶粒的异向生长,在氧化铝的基体中形成众多的有较大长径比的棒状晶体 可以使氧化铝陶瓷材料的强度和韧性都有相当程度的提高。

④叠层复合材料

人们从自然界中存在的贝壳显微结构的启示中,提出了叠层复合材料的构想。即把两种不同组分的材料以三明治的方式堆叠起来,组成多层平行界面的叠层复合材料。这样设计的材料结构具有众多的和应力方向垂直的弱界面,这些弱界面是造成主裂纹扩展路径扭曲的主要原因,也是促使材料韧性提高的重要因素。同时,在界面间由于在层的两边是不同的材料,必然由于两者在弹性模量和热膨胀系数上的差异而产生残余应力。这种残余应力在一定的限度以内,恰恰是补强和增韧的主要原因。当然,在夹层物质中有一种是具有较大塑性变形能力的,则除其本身可以通过塑性变形来吸收外来能量外还可作为裂纹尖端形成桥联的媒介。

⑤陶瓷材料的晶界应力设计

用不同相的材料所组成的复相陶瓷,或者在晶界上引入不同组分的玻璃态物质,由于两者物性上的差异,人为地造成在陶瓷材料中的物理上的失配,以使在材料的界相间造成适当的应力状态,从而对外加能量起到吸收、消耗或转移的作用,以达到对陶瓷材料强化与增韧的目的.实验证实这种应力的存在,在很多场合下对力学性能的提高是有利的。

2.氧化锆增韧陶瓷材料

自从陶瓷钢的设想被提出以来,氧化锆增韧陶瓷材料的研究一直长盛不衰。氧化锆化合物具有三种晶型,高温型是立方型、中温型是四方型,常温下是单斜型。但是在外应力的抑制下,中温型的四方相的氧化锆可以在室温下介稳地保持着。一旦在材料受到外力作用,这种受抑制的介稳四方相氧化锆就会发生相变,在其相变的过程中要吸收一定的能量,这无疑是起着消耗外来能量的作用。同时在相变过程中,将要发生3 %~5 %的体积变化,其结果是在裂纹尖端的周围产生微小的裂纹,这是材料韧性增加的表现。

因此,氧化锆的相变将促成材料的强度的提高以及韧性的增加。氧化锆的这一特性使它在陶瓷材料中成为一种非常有效的强化和增韧的添加物,由此而构成了系列的氧化锆增韧陶瓷。

在氧化锆增韧陶瓷材料中最主要的是四方相氧化锆多晶体(TZP),它被认为是先进陶瓷材料中室温力学性能最佳的一种材料。

现今“极具争议”的彩色四方晶氧化锆手机背板,

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注:极具争议指该不该,不是怀疑它性能不行!

3.功能梯度材料

在制作陶瓷涂层的工艺中,为了要获得较厚的涂层,或者是由于金属基体与陶瓷涂层在热学和力学性能上的较大差异,往往需要采用涂层组成的梯度变化,以求得到性能好和结合强度高的陶瓷涂层。

举个例子:一面金属,一面陶瓷材料的结构。一面的组分是金属材料,它可以在很大程度上像金属材料那样使用, 它的韧性高,可以用金属的工艺来与其他金属部件连接起来,另一面则可以是耐高温的陶瓷材料,这是极其巧妙的思路,它很好地避开了陶瓷脆性的弱点。

热障涂层系统结构,Padture N P,Science, 2002

关于陶瓷涂层材料的相关制备工艺可查看“精细陶瓷的另一重要应用形式:陶瓷涂层”

4.纳米陶瓷材料

从材料显微结构看,材料中晶粒尺寸与材料性能有直接的关系。当陶瓷材料的晶粒细化达到纳米量级的水陶瓷印刷平时,材料性能将有明显异常优秀的表现。

举个例子:部分稳定氧化锆陶瓷,由3%(摩尔)氧化钇和氧化锆的固溶体粉末经过常压烧结制成,其中氧化钆以平均直径为0.3μm的微细结晶分散在氧化锆之中,这种氧化锆陶瓷加热到1200℃以上进行变形实验时,在一定的拉伸速率下可伸长12%。

素材来源:

1、关于陶瓷材料的脆性问题,中国科学院 上海硅酸盐研究所高性能陶瓷与超微结构国家重点实验室,郭景坤著。

编辑:Alpha

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