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作者: 中国腐蚀与防护网
来源: 中国腐蚀与防护网
发布时间: 2017-03-09
关键词: 氧化铝, 陶瓷, 材料, 增韧
领域: 腐蚀领域
摘要: 技术|氧化铝陶瓷材料增韧方法
正文: 氧化铝陶瓷材料的结构属于刚玉型，其本身具有离子键的特性，使得滑移系统远没有金属那么多，这导致其缺乏一定的韧性、塑性。所以表现出的断裂韧性较低，这大大地限制了氧化铝瓷的广泛应用。本文对当前的氧化铝瓷的增韧方法及其主要机理做一个简要的介绍，以期给读者带来一些陶瓷增韧技术的基础知识。氧化铝陶瓷的常用增韧方法层状结构增韧天然材料如竹子、贝壳等，综合性能很好，是因其结构呈层状分布。人们从这些天然结构得到启示，采用仿生结构来改善陶瓷材料的脆性，提高其韧性。层状复合陶瓷材料是由多层材料组成。各层的弹性模量、线胀系数不同，进而导致层间产生宏观应力，在表面产生压应力。受到外力作用时，能最大限度地吸收应变能，并且使裂纹沿界面产生反复偏转、拐折。以此达到提高表面性能和整体韧性的目的。例如：Al2O3/Ni层状陶瓷，利用镍的线胀系数约为氧化铝的）倍，在Al2O3层产生应压力，裂纹偏转能力大，所以该材料有较好的韧性。层状陶瓷是一新型材料，前景广阔，但其缺点主要是弱夹层会降低材料强度，平行和垂直于夹层方向的性质差别较大，呈各向异性。所以业内专家提出了采用强夹层的思路，制备出了ZTA/ Al2O3强夹层，冲击韧性达10 Mpa.m1/2以上，是ZTA材料的2.8倍，Al2O3陶瓷的5.6倍。一些科学家通过计算机对层状复合陶瓷进行了模拟，发现如果软层材料的强度太高、太低都会降低整体韧性，而提高硬、软层层厚和弹性模量之比，硬层均匀性均可提高陶瓷韧性。这为层状增韧陶瓷提供了一定的研究思路和优化途径。纤维复合增韧研究表明，连续纤维对陶瓷的增韧效率较其他增韧方法大，是迄今为止陶瓷系列所能达到的最高韧性，可以达20Mpa.m1/2左右，因此是改善陶瓷材料脆性非常有效的途径。该方法把强度、弹性模量较高的纤维分散在陶瓷基体中。复合材料在外力作用下，一部分载荷由纤维承担，以此来减轻基体本身的负荷。而且，基体中的纤维在承受力大于其强度发生断裂时，纤维产生拔出机制。此外，这些纤维在基体中也存在裂纹桥联、偏转来阻止裂纹的扩展。这3种增韧机制共同作用使陶瓷材料的韧性提高很多。目前，用于Al2O3陶瓷的纤维主要有碳纤维、碳化硅纤维、硅酸铝纤维等多种。研究发现，提高纤维的长径比可提高增韧效果。在纤维的使用形式上，采用纤维，的三维编织物增韧效果较好。与纤维类似，目前采用晶须增韧Al2O3瓷的也较多，效果也很好。因晶须是以单晶结构生长、直径极小（通常小于3 um）的短纤维。其晶体缺陷少，原子排列高度有序，强度接近相邻原子间成键力的理论值。理论和实践证明，把它应用于陶瓷的增韧，对提高韧性有一定作用。如把碳化硅晶须（体积分数可达20%～30%）引入Al2O3基陶瓷中，段韧性可达8～8.5 Mpa.m1/2。晶须增韧的机制除了拔出、裂纹偏转、裂纹桥联、钉扎等机制外，自身强度高也是一个原因。因此在理论上，提高晶须强度、降低其弹性模量，提高长径比能提高增韧效果。纤维、晶须增韧Al2O3瓷的缺点就是混合均匀性很难保证。自增韧所谓自增韧，就是在一定的工艺条件下，生长出增韧、增强相。它在一定程度上消除了基体相与增韧相在物理或化学上的不相容性，而保证了基体相与增韧相的热力学稳定性。对于Al2O3陶瓷而言，异向生长晶粒增韧Al2O3成为克服氧化铝瓷脆性的研究热点。其主要机理是通过工艺措施，控制Al2O3晶粒的生长方向，使其沿某些晶面优势生长成棒状、长柱状，起到类似晶须的增韧作用。在受到外来载荷时，裂纹尾部产生桥联方式；而且这些异向生长的Al2O3也会产生拔出、裂纹偏转等增韧机制，而使整个氧化铝陶瓷的韧性得到提高。相变增韧这是研究比较早而且普遍的一种增韧方。它是人为地在材料中造成大量的极细裂纹，以吸收能量、阻止裂纹扩展。其中主要集中在ZrO2的的马氏体相变研究上，比较成功的有ZTA,ZTM等陶瓷材料。ZrO2弥散在Al2O3基体中，由于二者的线胀系数不同，冷却时，ZrO2颗粒受到压应力，相变受阻。而后，在材料受到外力作用时，ZrO2颗粒上的压力得到松弛，四方相转变为单斜相，体积膨胀后在基体中产生微裂纹，而吸收主裂纹的能量，达到增韧效果。这就是应力诱导相变增韧机制。在增韧机理中，除了ZrO2的诱导相变机制外，相变产生体积膨胀，在裂纹区域向不发生相变区挤压现象，使裂纹呈闭合趋势，扩展困难，也可以提高韧性。部分研究人员用体积分数为10%～30%的ZrO2制备ZTA陶瓷时发现，ZrO2用量在体积分数为20%时增韧效果最好。小结：陶瓷增韧技术在未来的很长一段时间都将是材料界的热点技术。陶瓷材料固有的高强度、耐高温、低膨胀系数等特性如果能够再结合高韧性，那将是材料界梦寐以求的高性能材料，运用领域极为广泛。更多关于材料方面、材料腐蚀控制、材料科普等方面的国内外最新动态，我们网站会不断更新。希望大家一直关注中国腐蚀与防护网http://www.ecorr.org 责任编辑：王元《中国腐蚀与防护网电子期刊》征订启事投稿联系：编辑部电话：010-62313558-806 邮箱：fsfhzy666@163.com 中国腐蚀与防护网官方 QQ群：140808414

技术|氧化铝陶瓷材料增韧方法

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