第31卷第8期 硅酸盐学报 vo.31,No.8 2003年8月 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY 强界面陶瓷层状复合材料优化设计的最佳层厚比探讨 苏盛彪,包亦望,杨建军 中国建筑材料科学研究院,北京100024) 摘要:针对提高材料整体强度的目标,通过对材料中应力状态与几何结构因素关系的分析,给出了强界面层状材料优化设计的最佳层厚比 原则。通过实验研究,探讨了AO3-14.31%zrO2/A2O-39.17%ZrO(质量分数,下同)层状材料的强度、断裂功和弹性模量等随着材料 残余应力的存在而发生变化的规律。A2O3-14.31%ZrO2/A2O3-39.17%ZrO23层材料的最佳层厚比理论计算值为4.14。实验结果表 明,最佳层厚比在249~4.36之间。在最佳层厚比处,抗拉强度、弹性模量、断裂功和 Vickers硬度均达到最佳值。实验进一步印证了理论 分析的正确性 关键词:氧化铝一氧化铬陶瓷;层厚比;层状陶瓷材料;材料设计;残余应力 中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:0454~5648(2003)08-0743-05 OPTIMAL LAYER THICKNESS RATIO FOR OPTIMIZATION OF CERAMIC LAMINATES SU Shengbiao, BAO Yiwang, YANG Jianjun China Building Materials Academy, Beijing 100024, China) Abstract: Relationship between stress distribution and geometrical factors in laminates with strong-bond interface was studied and an optimal layer thickness ratio for optimization of ceramic laminates was presented at the aim of enhancing strength. The variations of strength, fracture work and elastic modulus with the residual stress were experimentally investigated on Al, O3 14.31%Z O2/Al2Oa-39. 17%ZrO (in mass)alternative multi-layer composites. The theoretical value of optimal layer thick- ness ratio is 4. 14 and the experimental value is between 2. 49 and 4. 36 for three-layer composites. value of bending strength elastic modulus, fracture work and Vickers hardness is optimal when layer thickness ratio is among optimal value. The experi mental results are consistent with the theoretical prediction of the layer thickness ratio. Key words: alumina-zirconia ceramics; layer thickness ratio; laminate ceramic; material design: residual stress 层状陶瓷材料由于各层膨胀系数的差异,在材被人们所关注。以强界面结合的层状材料中残余应 料制备过程中由高温冷却到常温阶段,必将在材料力的存在状态,作者曾撰文做过较详细论述1 内部产生残余应力。残余应力在材料失效过程中起在此基础上,可进一步分析基于几何结构因素的影 着关键作用。目前,层状陶瓷复合材料的研究日趋响,从而确定层状材料优化设计的某些原则 深入,残余应力的理论计算和测试作为材料学、力 层状复合陶瓷独特的构型增加了设计陶瓷制品 学和应用物理学等学科交叉领域的前沿课题越来越的灵活性,研究者有很大余地进行有目的、有选择 收稿日期:2003-01-10。修改稿收到日期:2003-02-14 Received date 2003-01-10 Approved date: 2003-02-14. 基金项目:国家863项目(2001AA339010),国家杰出青年基金资助 Biography: SUn Shengbiao(1964-),male, doctor, senor engl 项目〔50125204),国家自然科学基金(59902007)资助项 日,北京市自然科学基金(2002019)资助项目 sbu@sohu.com 作者简介:苏盛彪(1964~),男,博士,高级工程师 201994-2009ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
第 卷第 期 年 月 硅 酸 盐 学 报 、 , , 强界面 陶瓷层 状复合材料优化设 计 的最佳 层 厚 比探讨 苏盛彪 , 包亦望 , 杨建军 中 国建 筑材料科学研究 院 , 北 京 摘 要 针 对 提高材料整体强 度 的 目标 , 通 过对材料 中应力状 态 与几何结 构因素关 系的分析 , 给出 了强 界 面层状材料优化设计 的最佳层 厚 比 原则 。 通 过 实验研究 , 探 讨 了 一 肠 一 〔质量 分数 , 下 同 层状材料的强度 、 断裂功 和 弹性模 量 等随 着材料 中残余 应 力 的存在 而 发 生 变化 的规律 。 一 一 层 材料 的最佳层 厚 比理 论计算 值为 。 实 验 结果 表 明 , 最佳层 厚 比在 一 之 间 。 在最佳层 厚 比处 , 抗 拉强 度 、 弹性 模量 、 断裂 功和 硬 度均达 到最佳值 。 实验进一 步印 证 了 理 论 分析 的正 确性 。 关键词 氧化铝一 氧化错 陶瓷 层 厚 比 层 状 陶瓷材料 材料设计 残余应 力 中图 分类号 文 献标 识码 文 章编 号 一 一 一 艺 , 玖 , 丫 少 , , 一 , , 一 。一 一 。 合 , , 一 层状 陶瓷材 料 由于各 层 膨 胀 系数 的差 异 , 在 材 料制备 过程 中由高温冷 却 到 常温 阶段 , 必 将 在材 料 内部 产生 残余应 力 。 残余应 力在 材 料失效 过程 中起 着关键作用 。 目前 , 层 状 陶瓷 复合材 料 的研 究 日趋 深人 , 残余应 力 的理 论 计 算 和测 试 作 为材 料 学 、 力 学 和应用 物理学 等学科交叉 领域 的前沿课题越来 越 被人们所关注 。 以强 界 面结合 的层 状 材料 中残余应 力 的存 在 状 态 , 作 者 曾撰 文 做 过 较 详 细 论 述〔‘一 〕 。 在此基础 上 , 可进一 步分析基 于几 何结构 因素 的影 响 , 从 而确定层状材料优化设计 的某些 原则 。 层状复 合 陶瓷独特 的构 型增 加 了设计 陶瓷制 品 的灵 活性 , 研究者有很 大余地 进行有 目的 、 有 选 择 收 稿 日期 基 金 项 目 一 一 。 修改 稿收到 日期 一 一 。 国家 项 目 , 国家杰 出青年基金资助 项 目 , 国 家 自然科学 基 金 资 助 项 目 , 北 京 市 自然科学基金 资 助项 目 。 苏盛彪 一 , 男 , 博士 , 高级工程 师 。 一 一 少 勿 一 , 一 一 一 , 作 者 简 介
硅酸盐学报 2003年 的研究设计。根据使用的要求和限制条件:(1)选造成中间层首先开裂,从而材料失效。因此,对于 择和确定材料的组成,一般要求组成相在化学上相某一层状结构,λ存在着最佳值。以下将以总厚度 容,物理上匹配,即考虑具体的化学性质,强度、韧为3mm的3层对称材料为对象,对其最佳的层厚 性、热膨胀系数等;(2)调整总层数和层厚,基体单比加以计算。 层、夹层的强度、厚度。(3)对界面粘结强度等各种 3层材料试样在三点弯曲情况下,对于外力P 因素进行优化。层状复合陶瓷中的层间界面使层合的作用,由材料力学知 材料与块体材料有很大的不同。层合材料性能不仅 Eiy/p Ezy/o 与其各组成单层性能有关,还强烈依赖于层状结构 M =PL/2 (6) 和界面状态。强界面层状复合陶瓷主要目的是通过其中:on1,P分别为层1和层2中的应力;M为试 在材料中预布预应力,使材料的强度和韧性等力学样中点截面上的弯矩;y为界面法线方向坐标,原 性能获得提高。不同的几何结构对性能的影响也是点为试样截面形心;p为过试样形心,平行于界面 不同的。下面讨论强界面层状结构中有利于强度提的中性面曲率半径;L为试样长度的一半 高的层厚比设计,分析如何利用在材料中预布预应 从静力学考虑,试样中点截面上的微面积dA 力提高陶瓷的力学性能 上的力odA应合成一个力偶,其矩就是该横截面上 的弯矩M,即 1应力分析与最佳层厚比的提出 M=-42o·ydA-j 其中:A1,A12,A2分别为试样中点截面上、下层和 层合材料中拉、压层厚度的比值对材料中残余中间层的截面积。将式(5),式(6)代入并整理得 应力的分布起着重要作用。定义层厚比λ为试样总 PI 的拉应力层厚度与压应力层厚度的比值,即 /11+oh,/h,+h2 E λ=∑h/Σh (1)其中:b为试样宽度;l1,I2分别为层1和层2关于 其中:h为试样中第i层拉应力层的厚度;h为斌自身形心的轴惯矩。整理上式得 1/p=6PL/A 样中第j层压应力层的厚度。 A=2E1b(4Hh+6hh2+3h1h2)+E2b2(10) 取梁试样为分析对象,长为2L,中点为坐标零将式(9)代入式(5)得三点弯曲载荷下的应力分布 点,两边各长为L。设每层材料均各向同性,而且均 Op:=-Ely/p=-6PlE y/A (11) 匀,第i层的弹性模量、泊松比、膨胀系数及厚度分 Op=-E2y/p=-6PLE2y/A (12) 别为E,v,a,h2(i=1,2…)。层状材料总层数通因此,在试样中点横截面上各层中总的应力a为预 常为奇数,下面以3层材料为例。设3层试样中表先存在的残余应力dm和由外力P所造成的应力 层膨胀系数小于中间层膨胀系数,即a1<a2。在降p的叠加,a,=amx+,故 温△T后,将试样长度方向的坐标无量纲化(0<:< 6PLE 1,F=x/L),式(2)和式(3)给出了3层试样中表层 l Eia +ex (13) 和中间层中的残余应力a1,2-5 r 6PLE 02=E1+E2AA (14) EIA+E2 (1-n+1) (2) 3层材料沿界面法线方向的应力分布如图1所 示。从图中可见,在外力P的作用下,试样中点处 E+E, (1-8n1) (3) 下表面和层2中点处的下表面存在着最大拉应力 r=-(n+2)△a·△T·E1E2/(n+1) (4) 这里n是与层合材料的材料性能有关的常数,对于oa 3PLE1(2h1+h2) E11+E2 (15) 陶瓷材料一般可取7~9 3PLE, hg 由式(2)、式(3)可见,材料常数给定后,越0am=E1十E2x+-4 (16) 大,表层压应力越大,中间层拉应力越小。这对材 设层1和层2的抗弯强度分别为S1,S2,当层 料性能的提高有利。另一方面,在外载荷P的作用1和层2中的应力同时达到其强度时,层合材料具 下,λ越大,中间层所承受的外载应力越大,有可能有最佳强度,即 201994-2009ChinaAcademieJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
硅 酸 盐 学 报 年 的研究设计 。 根据使用 的要 求 和 限制条 件 选 择 和确定材料 的组成 , 一 般要 求组 成 相 在化学 上相 容 , 物理上 匹 配 , 即考 虑具体 的化学性质 , 强度 、 韧 性 、 热膨胀 系数等 调整 总层数和层厚 , 基体单 层 、 夹层 的强度 、 厚度 。 对 界 面粘结强度等各种 因素进行 优化 。 层状 复合 陶瓷 中的层 间界 面使层 合 材料 与块体材料有很 大 的不 同 。 层合材 料 性 能不仅 与其各组成单层性 能有 关 , 还 强 烈依 赖 于层状 结 构 和界 面状态 。 强 界 面层状复合陶瓷 主要 目的是 通 过 在材料 中预布预应 力 , 使 材料 的强 度 和 韧性 等力 学 性能获得提高 。 不 同的几何结构对性 能 的影 响也 是 不 同的 。 下 面讨论强界 面层状结构 中有 利 于 强 度 提 高的层厚 比设计 , 分析如何利用 在材 料 中预 布预应 力提高陶瓷 的力 学性能 。 应力分 析 与最佳层 厚 比 的提 出 造成 中间层 首先 开 裂 , 从 而 材 料 失 效 。 因此 , 对 于 某一层 状结构 , 几 存 在 着最 佳 值 。 以 下 将 以 总 厚 度 为 的 层 对称材 料 为对 象 , 对 其最佳 的层 厚 比加 以计算 。 层材料试样 在三 点 弯 曲情 况 下 , 对 于 外 力 的作 用 , 由材料力学 知 ‘ 尸 , 一 飞夕 夕 口 一 少 尸 户 一 尸 其 中 外 , , 外 分别 为层 和 层 中的应 力 城 为试 样 中点截面上 的弯矩 为 界 面 法 线 方 向坐 标 , 原 点 为试样截 面 形 心 夕 为 过 试 样 形 心 , 平 行 于 界 面 的中性 面 曲率半径 为试样 长度 的一半 。 从静力 学 考 虑 , 试 样 中点 截面 上 的微 面 积 上 的力 , 应合成一个力偶 , 其矩 就 是该横截 面上 的弯矩 叽 , 即 蛛 一城 。 · 一 ‘ 。 · 一 执 。 · 其 中 , , 分别 为试样 中点截面上 、 下层 和 中间层 的截面 积 。 将式 , 式 代人并整理得 关 于 层 玖一和。 十飞 层合材料 中拉 、 压层 厚度 的 比值对 材 料 中残 余 应力 的分 布起着重要作用 。 定义层 厚 比 久 为试样 总 的拉应力层厚度 与压应 力层 厚度 的 比值 , 即 入一 艺气 艺 。 其 中 ‘为试样 中第 层 拉 应 力 层 的厚 度 。 为试 样 中第 层压应 力层 的厚度 。 取梁试样为分析对象 , 长 为 , 中点为坐标零 点 , 两边各 长为 。 设 每层 材料 均各 向同性 , 而且 均 匀 , 第 层 的弹性模量 、 泊松 比 、 膨胀 系数及厚度分 别为 , , , , , , 二 。 层 状 材 料 总层 数 通 常为奇数 , 下 面 以 层 材料 为例 。 设 层试 样 中表 层膨胀 系数小 于 中间层 膨 胀 系数 , 即 。 在 降 温 △ 后 , 将试样 长度方 向的坐 标无量 纲化 子 , 右 , 式 和式 给 出 了 层 试样 中表层 和 中间层 中的残余应力 。, , , 。 〔’一 〕 一 , 月几万 厂乙 乙 , 十 肠 时一 九 一一 一 、 乙 其 中 为试样宽度 , 分别 为层 自身形心 的轴惯矩 。 整理上式得 户一 尸 八 一 十 嘴 麟 将式 代入式 得三点弯 曲载荷下 的应力分布 外 , 一 一 一 尸 , 。二 一 夕 一 因此 , 在试样 中点横 截 面上各 层 中总 的应 力 二 为预 先存在 的残 余 应 力 。 二 和 由外 力 尸 所 造 成 的 应 力 外 的叠加 , 。二 。 尸 , 故 久一 ‘ 十 凡 几 尸 凡 层 材料 沿界 面法 线 方 向的应 力分布如 图 所 示 。 从 图 中可见 , 在外力 尸 的作用 下 , 试样 中点处 的下表 面和层 中点处 的下 表 面存在着最大拉应 力 , ‘了了、、 曰乃 、、声刀 一 一 瓦若瓦 卜 科 一 一瓦资面 ‘一 。一 , ” ’ 厂 一 △ · △ · , 这里 是 与层 合材料 的材 料性 能有关 的常数 , 对 于 陶瓷材料一般 可取 。 由式 、 式 可 见 , 材 料 常 数 给 定 后 , 久 越 大 , 表层压应力越 大 , 中间层 拉应 力 越 小 。 这对 材 料性 能 的提高有利 。 另一 方面 , 在外载荷 尸 的作用 下 , 几越大 , 中间层所承受 的外载应力越大 , 有可 能 口之 不二万二 下一下一 二一 七 人 ‘ 十 久 十 七 十 乞 几 设层 和层 的抗 弯强度 分别 为 , , 当层 和层 中 的应 力 同时 达 到 其 强 度 时 , 层 合 材 料具 有最 佳强度 , 即
第3卷第8期 苏盛彪等:强界面陶瓷层状复合材料优化设计的最佳层厚比探讨·745 39.17%Zr(O2(质量分数)(用体积分数时,可表示 Tensile P 为Al2O3-10%ZrO2/Al2O3-30%ZrO2,以下简记 为A-10Z/A-30Z)材料体系为研究对象,通过对 材料强度、韧性、断裂功和弹性模量等随着材料中 的残余应力的存在而发生变化的规律进行研究,印 证上述理论在强界面层状材料中的正确性。 2.1.1原料处理实验采用的粉料粒度小于 1.0μm,纯度大于99%。将原料称量配料后,放入 行星磨研磨。研磨体为氧化锆球,研磨介质为水, 图1弯曲载荷与残余应力共同作用下3层材料应力 料球水质量比为1:4:2。经6~12h球磨后,将 分布示意图 浆料倒入搪瓷钵,在烘箱中120℃下干燥24h,将 Fig.1 Schematic of stress distribution of three layers水分蒸发。将干燥后的粉体外加入7%~8%(质量 specimen under bending load and residual stres分数)PVB浓度为5×10mol/1的水溶液,造粒、 过筛。将已造粒的粉料密封、陈腐48h以上。对于 轧膜成型原料的处理,不需要造粒和陈腐过程 3PLE1(2h1+h2) 成型将处理后的原料按预定质量倒入钢 E1A+Ex 模中,均匀摊平,施加0.25~0.5MPa压力,以便原 T 3PLET S:=EI+E2x (18)料形成界面较平整的薄层。然后倒入另一种原料,进 整理上式得 行同样的处理。如此交替,制得二种原料交替叠加的 E2(S1E2-S2E1+P)2+E(S1E2-S2E1 预成型体。最后在液压机上施压,压力约127MPa, S2E2+r)+E1(r-S2E1)=0(19)即可获得直径为50mm,厚度适中的坯体。 Au=E2(S,E, En+r),b=E(S,E2-SEy 烧结将样品放入石墨模具并置于热压 S:E2+r);c=E1(r-SE1),则式(19)可写为 炉内恒温带,升温至1600℃,升温速率20℃C/min A2+b+c=0 (20)保温1h,炉内自然冷却。在温度升至1600℃并保 求解该一元二次方程 温约40min后施压,所施加压力为25MPa,持压 (21)时间为15~20min。此后,靠压机压头自重维持约 舍掉负值,上述一元二次方程解的正值即为所要求5MPa压力至烧结过程结束 解的最佳层厚比A 2.1.4冷加工将烧结后的样品在金刚石磨床上 通过对最佳层厚比的计算,很方便地确定层状磨。为保证材料表层厚度与内层厚度比,试样厚度 结构拉、压残余应力层厚度的相对比值。这一比值控制在3~3.4mm范围内。再将其切割成宽度为 对强界面结合的、依靠材料中的残余热应力的合理4mm的试条,受测面抛光并倒角。丙酮浸泡,超声 分布来提高材料强度和韧性的层合材料来说是至关清洗后备用 重要的。合理的设计将会避免大量的、盲目的摸2.2结果与讨论 索,使实验的针对性更强、更准确 采用干压法成型,热压烧结制备的A-10Z/A 30Z层状材料如图2所示。从图中可以看出材料界 2实验与讨论 面清晰、层与层结合良好 图3是A-10Z/A-30Z11层材料界面的扫描 2.1实验 电镜背散射图,可以看出,各层组分稳定,相互扩 在层状材料研究中,通常的材料体系为SC/C,散很小。这将有利于确定材料的弹性常数及热学常 Si2N4/BN,SiN4/TiN,A2O3/ZrO2及为调整界面数,便于下一步对材料中残余应力的分析和计算。 结合强度在上述材料范围对弱层材料作的某些组但图2也显示了材料层间界面存在一定程度的凸 合,如SiN/BN-Al2O3等6-81。针对研究的目凹,并非绝对平面,这将对残余应力的计算带来 的,强界面结合的层状材料对残余应力的研究更为定的影响。而在某些样品中还存在着错层、裂纹等 适合。因此,选定Al2O2-14.31%ZrO2/Al2O3-现象。这与制备过程和材料中的残余应力有关。 201994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
第 卷第 期 苏盛彪 等 强 界 面 陶瓷层 状复 合材料优 化设 计 的最佳层 厚 比探讨 毕三三洲 弯曲载荷 与残 余应力 共 同作用 下 层 材 料应 力 分布示 意图 图 一云瓜率葱护丛岁业 业 一耳昌弧 毕哭黔 丝 整理上 式得 一 工 厂 几“ 十 万 一 一 几 一 令 一 厂 一 一 。一 , 一 , 则式 可 写为 几 久十 。 一 求解该一 元 二 次方 程 又 , 一 士 办 一 舍掉 负值 , 上述一元 二 次 方 程解 的正 值 即 为所 要 求 解 的最佳层 厚 比 入 。 。 通 过对最 佳层 厚 比 的计 算 , 很 方 便 地 确定 层 状 结构拉 、 压 残余应力 层 厚 度 的相 对 比值 。 这 一 比值 对强 界 面结合 的 、 依靠材 料 中 的残余热 应 力 的合 理 分布来 提高材料强度 和韧性 的层合 材 料 来说是 至 关 重要 的 。 合 理 的 设 计 将 会 避 免 大 量 的 、 盲 目 的 摸 索 , 使实验 的针 对性更 强 、 更准确 。 实验 与讨论 实 验 在层 状 材料 研究 中 , 通 常 的材料体系为 , , 。 咤 , 及 为调 整 界 面 结合强 度 在 上 述 材 料 范 围对 弱 层 材 料 作 的某 些 组 合 , 如 一 等仁卜 。 针 对 研 究 的 目 的 , 强界 面结合 的层状材料 对 残 余应力 的研究 更 为 适 合 。 因 此 , 选 定 一 一 质量分数 用 体 积 分数时 , 可 表示 为 一 一 , 以 下 简记 为 一 一 材料体 系 为研 究对 象 , 通 过 对 材料强度 、 韧性 、 断裂 功 和 弹性 模量 等 随着 材 料 中 的残余应 力 的存在而发 生 变化 的规 律进 行研究 , 印 证 上述理论在 强界 面层状材料 中的正确性 。 原 料 处 理 实 验 采 用 的 粉 料 粒 度 小 于 拜 , 纯度大于 。 将原料称量 配料后 , 放 人 行 星磨研磨 。 研 磨 体为 氧化 错 球 , 研 磨 介 质 为水 , 料球水质量 比为 , , 。 经 球磨后 , 将 浆料倒人搪 瓷钵 , 在 烘箱 中 下 干燥 , 将 水 分蒸发 。 将 干燥 后 的粉 体外 加 人 质 量 分 数 浓 度 为 大 一 的水 溶 液 , 造粒 、 过筛 。 将 已 造粒 的粉料密封 、 陈腐 以 上 。 对于 轧膜成型 原料 的处理 , 不需 要造粒 和陈腐过程 。 成型 将处理后 的原料按预定质量倒人钢 模 中 , 均匀摊平 , 施加 压力 , 以便原 料形成界面较平整 的薄层 。 然后倒人另一种原料 , 进 行 同样 的处理 。 如此交替 , 制得二种原料交替叠加 的 预成型体 。 最后 在 液压机 上施 压 , 压力 约 , 即可获得直径为 , 厚度适 中的坯体 。 烧 结 将 样 品放 人 石 墨模 具 并 置 于 热压 炉 内恒温带 , 升温 至 , 升温速率 , 保 温 , 炉 内 自然冷却 。 在温度 升 至 ’ 并保 温 约 后 施 压 , 所 施 加 压 力 为 , 持压 时 间为 。 此后 , 靠压 机压 头 自重维持 约 压力 至烧结过程结束 。 冷 加 工 将 烧结后 的样 品在 金 刚石磨 床上 磨 。 为保证材 料表层 厚 度 与 内层 厚 度 比 , 试 样 厚 度 控制 在 范 围 内 。 再 将 其 切 割成 宽 度 为 的试 条 , 受测 面抛光并倒 角 。 丙 酮浸 泡 , 超声 清洗后 备用 。 结果 与讨论 采用 干压法成 型 , 热压烧结制备的 一 一 层状材料如 图 所 示 。 从 图 中可 以 看 出材 料界 面清晰 、 层与层结合 良好 。 图 是 一 一 层 材 料界面 的扫描 电镜背散射图 , 可 以 看 出 , 各层 组 分稳 定 , 相互 扩 散很 小 。 这将有利于确定 材料的弹性 常数及热学 常 数 , 便于下 一 步对 材 料 中残 余应 力 的分 析 和 计算 。 但 图 也 显 示 了材 料 层 间界 面存 在 一 定 程 度 的 凸 凹 , 并非绝对平面 , 这将 对 残余应 力 的计 算带来 一 定 的影 响 。 而在某些样 品 中还 存在着错层 、 裂 纹 等 现象 。 这 与制备过程和材料 中的残余应力有关
硅酸盐 2003年 图4A-10Z/A-30Z3层材料强度a与内层厚度h ig.4 Relationship of strength o and inner layer thick 图2A-10Z/A-30Z3层状材料光学显微镜照片 Fig2 Optical micrograph of A-10Z/A-30Z laminate ness hz in A-10Z/A-30Z laminate material with three layers 该3层结构的层厚比存在着一最佳值。从图4可 见,3层材料的最大抗弯强度出现在表层厚度为 0.28~0.43 即层厚比在 49之间 A-10Z和A-30Z材料的弹性模量、热膨胀 系数和强度分别是291.12GPa,9.1×10-6℃, 和270.10GPa,9.7×106℃1,522 MPa。由高温蠕变和松弛实验可知,A-10Z/A 30Z材料在1200~1250℃之间开始出现较大的高 温蠕变和应力松弛现象。因此,材料热残余应力形 0.35 成的有效温度区间△T≈1200℃。取材料常数n 8,根据上述最佳层厚比的计算可得最佳层厚比为 图3A-10Z/A-30Z11层材料侧面的扫描电镜背散射图 14。此时,表层厚度为0.29mm,内层厚度为 Fig3 Backscattering photograph of A-102/A-30z2.42mm,材料表面的最大残余压应力为185 laminate material with 11 layers in SEM MPa。可见实验值和计算值基本吻合。 实验采用的3层试样总厚度为3mm。当表层 根据Ⅴ /irkar等1和 Cutler等10的研究,表层 为压应力的3层材料的抗弯强度应等于表层材料强 厚度趋于0时,3层材料的层厚比将趋于无穷大。度与表面残余压应力的加和 为更直观地表示,强度与层厚比的关系,将层厚比 转变成内层厚度作图,如图4所示。A-102/A-其中:G为弯曲强度;表层材料强度;o为表面残 30Z3层层合材料的抗弯强度均比A-10Z和A-余压应力。显然,图4中A-10Z/A-30Z层合材 30Z块体材料高。随着内层厚度的增加,强度增大。料与A-10Z单体材料相比,其强度的增加远大于 即在某一范围内,层厚比越大,强度越高。根据上层合结构在表面层中所形成的残余压应力。这主要 述的理论计算可知,由于层厚比的增大,表层材料是由于在烧结过程中,层合材料表层A-102由于 的残余压应力将大幅度提高。同时,内层的拉应力残余压应力的作用,烧结的致密化程度提高,从而 也被大幅度削减了,这对材料强度提高极为有利。使层合材料的表层强度较A-107单体材料有很大 提高。显然,式(22)只有在表层首先出现开裂的情 由此可知,材料表面残余压应力对材料强度的提高况下才适用。当层厚比超过其最佳值时,失效将从 的作用是显著的。但表层厚度也并非越溥越好。在中间层首先发生。此时,式(2)不再适用 外载荷作用下,随着层厚比的增大,中间拉应力层 图5是A-10Z/A-30Z3层层状材料弹性模 的下表面所承受的外载应力水平也在增加。因此,量E和断裂功W随内层厚度h2(层厚比)的变化 o1994-2009ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
硅 酸 盐 学 报 年 芝匕曰 一 。 与 内层 厚 度 图 一 一 层 状材料光学显微镜照 片 一 一 图 一 一 层 材 料 强 度 的关 系 一 一 图 一 一 层 材料侧 面 的扫描 电镜 背散射 图 一 一 实验 采用 的 层 试 样 总 厚 度 为 。 当表 层 厚度 趋 于 。 时 , 层 材 料 的层 厚 比将 趋 于 无 穷 大 。 为更 直观地 表 示 , 强 度 与 层 厚 比 的 关 系 , 将 层 厚 比 转变成 内层 厚 度 作 图 , 如 图 所 示 。 一 一 层 层 合 材 料 的抗 弯强 度 均 比 一 和 一 块体材料高 。 随着 内层 厚度 的增 加 , 强度 增 大 。 即在某一 范 围 内 , 层 厚 比越 大 , 强 度 越 高 。 根 据 上 述 的理论计算可知 , 由于 层 厚 比 的增 大 , 表 层 材 料 的残 余压应 力将 大 幅度 提 高 。 同 时 , 内层 的拉 应 力 也 被大 幅度 削 减 了 , 这 对 材 料 强 度 提 高 极 为 有 利 。 由此可 知 , 材料 表面残余压应 力 对 材 料 强 度 的提 高 的作用 是显 著 的 。 但 表层 厚度 也并 非 越 薄越 好 。 在 外载荷作用下 , 随着 层 厚 比 的增 大 , 中间拉 应 力 层 的下 表 面所 承受 的外 载应 力水平也 在增 加 。 因此 , 该 层结 构 的层 厚 比存 在 着 一 最 佳 值 。 从 图 可 见 , 层 材 料 的 最 大 抗 弯 强 度 出 现 在 表 层 厚 度 为 , 即层 厚 比在 一 之 间 。 一 和 一 材 料 的 弹 性 模 量 、 热 膨 胀 系数 和 强 度 分 别 是 , 一 “ ℃一 ‘ , 和 , 一 一 ‘ , 。 由高温蠕 变 和 松 弛 实 验 可 知 , 一 一 材 料在 一 ℃之 间开始 出现较 大 的高 温蠕 变 和应 力 松 弛现 象 。 因此 , 材 料 热残 余应 力形 成 的有效温度 区 间 △ 、 ℃ 。 取材料 常数 , 根据上 述 最 佳 层 厚 比 的计 算 可 得 最 佳 层 厚 比为 。 此 时 , 表 层 厚 度 为 , 内层 厚 度 为 , 材 料 表 面 的 最 大 残 余 压 应 力 为 。 可 见实验值和计算值基 本 吻合 。 根 据 等〔 〕和 等仁‘ 的 研 究 , 表 层 为压应力 的 层材料 的抗 弯强 度应 等 于 表层 材料 强 度 与 表面残余压应 力 的加 和 叮 其 中 。 为弯 曲强度 。 表层 材 料 强 度 。 为 表 面残 余压应 力 。 显 然 , 图 中 一 一 层 合 材 料 与 一 单体材 料 相 比 , 其 强 度 的增 加 远 大 于 层合结构在表 面层 中所形成 的残 余压 应 力 。 这 主要 是 由于 在烧结过 程 中 , 层 合材 料 表 层 一 由于 残余压应 力 的作用 , 烧 结 的 致 密 化 程 度 提 高 , 从 而 使层合材料 的表层 强 度较 一 单体 材 料 有 很 大 提高 。 显然 , 式 只有 在 表层 首 先 出现 开 裂 的情 况下 才适用 。 当层 厚 比超 过 其 最 佳 值 时 , 失 效将 从 中间层 首先发 生 。 此 时 , 式 不 再适用 。 图 是 一 一 层 层 状 材 料 弹 性 模 量 和 断裂 功 随 内层 厚 度 层 厚 比 的变 化
第31卷第8期 苏盛彪等:强界面陶瓷层状复合材料优化设计的最佳层厚比探讨 747 3结论 (1)对于强界面层状材料,拉、压应力层厚度 比存在一个最佳值,即最佳层厚比,给出了最佳层 厚比的计算方法。 层材料 000.51.01.520253.0 39.17%ZrO2(质量分数,下同)的最佳层厚比理论 vmm 计算值为4.14,实验结果表明,最佳层厚比在249~ 之间,实验结果和计算值吻合 图5内层厚度h2对弹性模量E和断裂功W的影响 (3)3层材料Al2O3-14.31%ZrO2/Al2O3 Fig 5 Effect of inner thickness h2 on elastic modulus E and fracture work w %ZrO2在最佳层厚比处,抗拉强度、弹性模 量、断裂功和Ⅴ ickers硬度均达到最佳值 其变化规律与抗弯强度随内层厚度变化规律相似 参考文献 弹性模量通过三点弯曲的载荷-挠度关系测定。在 ]苏盛彪,预应力陶瓷与层状陶瓷复合材料应力分析与设计 用三点弯曲法测试3mm×4mm×30mm无缺口光 [D].北京:中国建筑材料科学研究院,2002. 滑试样的抗弯强度时,同时得到断裂功。 U Shengbiao. Stress analysis and optimal design for pre- 实验发现,层状材料断裂时的荷重随层厚比增 stressed ceramic laminates(in Chinese, dissertation). Beijing 加而增加,其断裂方式仍为脆性断裂,荷载_挠度(2] BAO Yiwang, SU Shengbia, HUANG Jow-lay, An uneven 方程呈线性关系。3层层状材料弹性模量和断裂功 and interface In 较单一块体材料均有增加。弹性模量的增加主要是 laminate composites[J]. J Compos Mater 2002, 36(14)1 由于材料在弯曲时,首先需要平衡材料中的残余压 769-1778. [3]包亦望,苏盛彪,黄肇瑞.对称型层状复相陶瓷中的残余应 应力,故达到断裂的最大挠度需要更大的力。而断 力分析[门.材料研究学报,2002,16(5):449-45 裂时的挠度并未有显著增加,即断裂功的增加主要 BAO Yiwang, SU Shengbiao, HUANG Zhaorui. Chin J Ma 来自于荷载的增大。这进一步证明材料中表层残余 压应力对材料的常规力学性能有着显著的影响 [4]包亦望,苏盛彪,杨建军,等,非均匀应变模型分析非对称层 状复合材料残余应力[J.硅酸盐学报,2002,30(5):579583 图6为3层试样表面 Vickers硬度与内层厚度 BAO Yiwang, SU Shengbiao, YANG Jianjun, et al. J Chin 的关系。试样中点的硬度均较块体A-10Z高,端 Ceram Soc (in Chinese), 2002, 30(5): 579--583. 点的硬度与A-10Z相近。随内层厚度增加,硬度5包亦塑,苏盛彪预应力复相陶瓷最优化设计[.稀有金属 提高,说明残余应力在发挥着作用。中点硬度的提 材料与工程,2001,30(增刊):610—615 BAO Yiwang, SU Shengbiao. Rare Met Mater Eng (in Chi 高,也表明残余压应力促进了表层材料烧结 nese),2001,30(supp):610615 [6] CLEGG W J, KENDALL K, ALFORD N M, et al. A simple A-10Z/A-30Z [7] HUANG Y, HAO H N, CHEN Y L, et al. Design and prep- [J]. Acta Metall Sinica, 199 ◆ Midpoint (6):479-484. [8] REQUENA J, MORENO R, MOYA J S. Alumina and alu mina/zirconia multilayer composites obtained by slip casting 1.01.52.0 . J Am Ceram Soc,1989,72(8):1511-1513 9] VIRKAR A V, HUANG J L, CUTTLER R A. Strength of oxide ceramics by transformation-induced stresses[J]. JAm 图63层试样中点和端点的 Vickers硬度Hv与内层 Ceram soc,1987,70(3):164-170. 厚度h2的关系 [10 CUTLER R A, BRIGHT J D, VIRKAR Fig 6 Relationship of vickers hardness Hy and inner Strength ment in transformation-toughened alumina by selective phase transformation [J]. J Am Ceram Soc three layers specimen 987,70(10):714-718. 2 01994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reservedhttp://www.cnki
第 卷第 期 苏盛彪 等 强界 面 陶瓷层 状复合材料优 化设计 的最佳层 厚 比探讨 一 一 《 结 论 ▲ 一 一尸︸ 、、︺ ‘勺们钊幻门月了﹃ 浦、护, 一, 闰川 了 诬 图 内层 厚度 对 弹性模量 和断裂功 的影 响 对 于强 界 面 层 状 材 料 , 拉 、 压 应 力 层 厚 度 比存 在一个最佳值 , 即最 佳 层 厚 比 , 给 出 了最 佳层 厚 比 的计算方法 。 层 材 料 一 一 质 量 分 数 , 下 同 的最 佳层 厚 比理 论 计算值为 , 实验结果表 明 , 最佳层厚 比在 一 之 间 , 实验结果 和计算值 吻合 。 层 材 料 一 一 在 最 佳 层 厚 比处 , 抗 拉 强 度 、 弹性 模 量 、 断裂 功 和 硬度均 达到最佳值 。 其变化规律 与抗 弯强 度 随 内层 厚 度 变 化 规 律 相 似 。 弹性模量 通 过 三点弯 曲的载荷 一 挠 度关 系测 定 。 在 用 三点弯 曲法 测试 无 缺 口 光 滑试样 的抗 弯强度时 , 同时得 到 断裂功 。 实 验发 现 , 层状材料 断裂 时 的荷重 随层 厚 比增 加 而增加 , 其 断裂 方 式 仍为脆 性 断裂 , 荷 载 一 挠 度 方程 呈线性 关系 。 层 层 状 材 料 弹性 模量 和 断裂 功 较单一块 体材料均有 增加 。 弹性模 量 的增 加 主要是 由于材 料在弯 曲时 , 首先需 要 平衡 材料 中的残余 压 应 力 , 故达 到断裂 的最 大挠 度需 要 更 大 的力 。 而 断 裂 时 的挠 度并未有显 著 增 加 , 即 断裂 功 的增 加 主要 来 自于 荷载 的增 大 。 这 进一步证 明材 料 中表层残余 压应 力对 材料 的常规 力学性 能有着 显著 的影 响 。 图 为 层 试 样 表 面 硬度 与 内层 厚 度 的关 系 。 试 样 中点 的硬度 均 较块 体 一 高 , 端 点 的硬度 与 一 相 近 。 随 内层 厚 度 增 加 , 硬 度 提 高 , 说 明残余应力在 发 挥着 作 用 。 中点 硬 度 的提 高 , 也表 明残余压应 力促进 了表层材料烧结 。 一 一 么 图 层 试样 中点 和 端点 的 硬度 与 内层 厚度 的关系 参 考 文 献 〕 苏盛彪 预 应 力 陶瓷与 层 状 陶 瓷复 合材 料 应 力 分析 与 设 计 〔 」 北 京 中国建筑材料科学研究 院 , , , 〕 , , 诊 〕 , , 一 〕 包亦望 , 苏 盛彪 , 黄肇 瑞 对 称 型 层 状 复 相 陶瓷 中的残余应 力 分析仁 〕材料研究学 报 , , 一 , , , , 一 仁 〕 包亦望 , 苏 盛彪 , 杨 建军 , 等 非 均匀应变模型 分析非 对称层 状复合材料残余应力〔」硅酸盐学报 , , 。 一 , , , , , 一 」 包亦望 , 苏盛彪 预应 力复相 陶瓷最优化设计 〕 稀有金 属 材料 与工程 , , 增 刊 一 , , , 一 〔 〕 , , 〔琅 , ￡ 〕 , , 一 〕 , , 己 〕 , , 一 仁 〕 , , 。 「」 , , 一 〔 〕 , , 一 仁〕 , , 一 〕 , , , 。 一 〔 〕 , , 一 ︸工 叻尸一沈、 。 二 白 」 刀