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氧化铝陶瓷的5种增韧方法

发布日期:2013年1月17日

氧化铝陶瓷具 有非常非常多的优势,如优良的力学性能、电性能、抗磨损性能、耐高温性能、耐腐蚀性能等等,但是,有一个缺点却成为它进入很多领域的障碍,即韧性,氧化铝 陶瓷的韧性特别差,为了弥补这个弱点,国内外学者进行了大量的研究,研究表明,可以通过控制氧化铝陶瓷的显微结构,特别是晶粒的形状和大小来改善其断裂韧 性。研究取得了重要成果,并提出了一些有效的增韧方法,下面讲述了5种常见的增韧方法,和大家一起分享下:

1、 纤维、晶须增韧

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。其机理主要是裂纹偏转或分叉、拔出效应和桥联效应。

2、 自增韧

通过引入添加剂或晶种来诱导等轴状A12O3晶粒异向生长成为如板状、长柱状形貌的晶粒来形成自增韧A12O3陶瓷在近十几年得到了广泛的研究。 自增韧氧化铝陶瓷材料是通过在原料中加入可以生成第二相的原料,控制生成条件和反应过程,直接通过高温化学反应或诱导氧化铝晶粒的异向生长,使主晶相基体 中生长出晶须均匀分布的、晶粒长径比大的或晶片的增强体,形成陶瓷复合材料。这样可以避免两相不相容以及分布不均匀的缺陷,使强度和韧性都比用外来第二相 增韧的同种材料高,从而进一步提高材料的力学性能。

3、 相变增韧

当Al2O3中加入纯ZrO2(非稳定ZrO2)粒子形成ZrO2增韧Al2O3陶瓷时,由于亚稳四方t-ZrO2于应力诱发下向单斜m-ZrO2 的转变产生3%~5%的体积变化及8%左右的切应变效应,可以抵消外加应力、吸收能量,从而缓和主裂纹尖端的应力集中,可使Al2O3陶瓷韧性显著提高。 研究表明:ZrO2增韧机理有应力诱导相变增韧、显微裂纹增韧、细化基体晶粒、裂纹的转向与分叉以及表面增韧等,其中相变增韧是主要增韧机制。相变增韧的 影响因素很多,如ZrO2含量及粒径、晶粒尺寸、其它添加剂种类和数量、晶粒取向等。其缺点是增韧效果随温度的升高而急剧下降,因此一般单纯依靠相变增韧 来提高韧性的材料仅适用于温度较低的场合。

通常在Al2O3基体中引入ZrO2的颗粒为微米级或亚微米级,使得制成的复相陶瓷中的ZrO2晶粒尺寸易于超过临界尺寸,大大降低增强增韧的效果。将纳米级ZrO2颗粒作为弥散相引入微米级陶瓷基体中制得纳米复相陶瓷,取得了很好的效果并引起人们的重视。

4、 颗粒弥散相增韧

颗粒弥散增韧机理主要有热应力诱导微裂纹增韧、切应力阻碍微裂纹扩展增韧、微裂纹偏转与分支、弱化应力集中增韧以及细化基体晶粒。颗粒弥散增韧与温 度无关,可以作为高温增韧机制。 对颗粒增韧氧化铝陶瓷的研究中,主要以高熔点、高强度、高弹性模量的碳化物、氮化物、硼化物第二相粒子和具有延展性的金属颗粒为增韧相。

影响第二相颗粒复合增韧效果的主要因素有:基体和第二相颗粒的弹性模量E、热膨胀系数α和两相的化学相容性。其中两相的化学相容是复合的前提,即两相间不能存在过分的化学反应。Ep与Em相等时,不论第二相颗粒的αp是大于还是小于基体的αm都能实现增韧补强。

目前,颗粒弥散增韧的研究主要从两个方面入手:一个是利用弥散颗粒和基质材料的膨胀系数以及弹性模量的匹配在材料内部形成残余应力,使之达到增韧的目的;另一个是通过自身颗粒尺寸效应来提高自身的韧性,使之达到增韧的目的。

5、 复合增韧

多种增韧机制复合增韧氧化铝陶瓷在近年来也受到了广泛的关注,它主要包括晶须-相变复合增韧、晶须-颗粒复合增韧、多相颗粒复合增韧等。

将ZrO2相变增韧和晶须增韧这两种增韧同时应用到Al2O3陶瓷中,产生十分明显的增韧效果。复合材料的增韧机制包括裂纹偏转与绕过、晶须桥联与拔出以及相变增韧和微裂纹增韧。

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