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聚空心球对氧化铝陶瓷韧性的影响

发布日期:2014年4月25日

氧化铝陶瓷具有很多优异的性能,因此得以在很多领域得到广泛的应用,但是其韧性较差,限制了其在某些方面的应用,为了解决这个问题, 很多学者做了大量的实验,寻找解决氧化铝陶瓷韧性的方法,本文研究分析了聚空心球直接添加对陶瓷性能的影响;同时研究了将聚空心球作为多孔层制作的层状氧化铝陶瓷的力学性能的影响。

 烧成温度对聚空心球直接添加到氧化铝陶瓷多孔陶瓷性能的影响

 不同烧成温度的陶瓷微观结构
 


观察“不同烧成温度下氧化铝 聚空心球直接混入到氧化铝 基体中(聚空心球的质量分数为60%)的样品断口显微结构”图可见,1 200~1 400 ℃时,聚空心球与基体之间连接紧密,断裂时基体中聚空心球的断裂方式属于沿球断裂。随着烧成温度的继续升高, 1 450~1 550 ℃时由于氧化铝 基体晶粒的生长,聚空心球被基体晶粒挤压变形;聚空心球与氧化铝 基体紧密结合,样品断口显示基体中聚空心球呈现沿球断裂的方式。由此可见,不同烧成温度条件下氧化铝 基体中氧化铝 聚空心球的存在形式及断裂方式不同。烧成温度较低(1 200~1 400℃,聚空心球紧密) 堆积在基体中,陶瓷断裂过程中,裂纹表现出沿着空心球边界扩展的方式;随着温度的升高(1 450~ 1 550 ℃),陶瓷致密化增加,聚空心球与基体结合紧密,陶瓷断裂过程中,裂纹以穿过空心球扩展的方式为主。

 烧结温度对陶瓷密度、气孔率、收缩率以及力学性能的影响

观察“不同烧结温度下的多孔氧化铝陶瓷烧成收缩率”图和“不同烧成温度下的多孔氧化铝陶瓷密度和显气孔率”图可见,随烧成温度升高,样品显气孔率降低(41%~ 25%),烧成收缩率增加(1%~14%)。烧成温度较低时(1 200~1 300 ℃),由于烧成过程中产生的液相量相对较少,样品致密度低,因而,收缩率较小(<8%);随烧成温度升高,当烧成温度大于1 450 ℃时,试样收缩率明显增加(11%),显气孔率明显减小(36%),样品密度增加(由2。21 g/cm3 提高到2。84 g/cm3),这是因为烧成温度的升高,液相量增加,使得小颗粒被吸收的程度增加,大颗粒堆积空隙的填充度增加,试样致密化程度增加。

观察“不同烧结温度下氧化铝 陶瓷的机械性能”图5 可见,随烧成温度增加,陶瓷的机械性能得到显著的提高,断裂韧性由0。5 MPa⋅m1/2 增加到2。25 MPa⋅m1/2,三点抗弯强度由25 MPa 增加到250 MPa。结合不同烧成温度样品微观结构结果分析认为:机械性能随温度增加主要由于试样致密化程度以及基体中聚空心球断裂方式的不同导致的。随烧成温度增加,陶瓷基体在断裂过程中,由于裂纹在扩展过程中出现由沿着聚空心球断裂转为穿过聚空心球断裂的方式,穿过聚空心球断裂的过程中需要耗散更多的能量,因而机械性能较高。图

 氧化铝 聚空心球作为多孔层制备氧化铝 层状陶瓷

多孔层的引入对氧化铝层状陶瓷性能影响

实验中,当多孔层中聚空心球质量分数为60%时,层状氧化铝陶瓷断裂韧性出现了最高值(3。98 MPa⋅m1/2)。再选用聚空心球质量分数为60%的作为多孔层,研究了不同的层厚比对氧化铝 陶瓷机械性能的影响。结果显示,层厚比过大或过小都不利于层状氧化铝机械性能的提高,当氧化铝的致密基体层与多孔层层厚比为5/2 时,层状氧化铝机械性能达到最高,层状氧化铝断裂韧性达到5。59 MPa·m1/2,抗弯强度达到353。77 MPa。

多孔层的引入对氧化铝 层状陶瓷断裂方式的影响

秒速快3观察“ 聚空心球作为多孔层制作的层状氧化铝陶瓷的断裂方式”图可见,非层状氧化铝陶瓷(纯的致密氧化铝)出现的“一”字形断裂方式;层厚比为3/1 的层状氧化铝陶瓷呈现阶梯状的断裂方式;层厚比为 5/2 的层状氧化铝 陶瓷呈现较为理想的“Z”字型断裂方式。理论分析认为,对于层状陶瓷,当层与层之间的结合强度适中时,主裂纹扩展到中间层陶瓷时发生钝化、偏转与扩展。因此,相比较非层状氧化铝陶瓷(致密氧化铝)出现的“一”字型断裂方式,聚空心球作为多孔层制作的层状氧化铝陶瓷,一方面,由于基体和聚空心球的热膨胀系数的不同,导致收缩大的多孔层处于张应力,而收缩小的致密层处于压应力,裂纹扩展时,裂纹易于平行压应力方向而趋于垂直于张应力方向扩展,由于多孔层中聚空心球的存在,导致裂纹发生偏转,裂纹出现阶梯状和“Z”字型断裂方式,吸收断裂能;另一方面,聚空心球作为多孔层制作的层状氧化铝陶瓷,裂纹在扩展过程中穿过聚空心球断裂,穿过聚空心球断裂的过程中需要耗散更多的能量,同样使材料机械性能提高。总而言之,聚空心球作为多孔层设计制作的层状氧化铝陶瓷会使材料机械得到提高。

 断口显微结构
 

实验研究表明:当层厚比为3/1 时,多孔层厚度较薄,裂纹扩展路径单一,裂纹发生偏转的路径相对小,导致其能量消耗较小;当层厚比为5/2 时,其裂纹经过多孔弱界面层时会发生明显的主裂纹钝化、偏转,并且扩展路径得到很大的提高。同时弱界面层厚度增加,聚空心球与基体之间会产生更多微裂纹,可以缓解主裂纹尖端的应力集中或使主裂纹分叉而吸收能量,最终导致断裂韧性得到提高,使陶瓷材料力学性能得到优化。

结 论

研究了氧化铝聚空心球对氧化铝陶瓷性能的影响,得到了如下结论:

秒速快31) 不同烧成温度条件下氧化铝基体中氧化铝聚空心球的存在形式及断裂方式不一。随着温度的升高,陶瓷致密化增加,聚空心球与基体结合紧密,陶瓷断裂过程中,裂纹以穿过空心球扩展的方式为主。

2) 随烧成温度增加,陶瓷的机械性能得到显著的提高,断裂韧性由0。5 MPa⋅m1/2 增加到2。25 MPa⋅m1/2,三点抗弯强度由25 MPa 增加到250 MPa。

3) 聚空心球作为多孔层添加到层状陶瓷中,通过主裂纹钝化、偏转、微裂纹增韧、聚空心球穿球断裂时能量缓释,力学性能得到优化。当多孔层聚空心球含量为60%,氧化铝的致密基体层与多孔层层厚比为5/2 时,断裂方式为“Z”字型断裂,层状氧化铝机械性能达到最高,层状氧化铝断裂韧性达到5.59 MPa·m1/2,抗弯强度达到353.77 MPa

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