第12卷第6期 无机材料学报 Vol. 12. No. 6 1997年12月 Journal of Inorganic Material Dec, 1997 层状结构陶瓷复合材料 张宝林庄汉锐 (中国科学院上海珪酸盐研究所上海20050) Sajgallk p (Institute of Inorganic CheNistry, Slovak Academy of Sciences Dibravska cesta 9, SK-842 36 介绍了弱界面结合的和强界面结合的两类层状结构陶瓷复合材料的制备方法、独特 的韧性等力学性能及增韧机理.裂纹沿界面的完全偏转及层中的残余应力分别是两类复 合材料具有特殊力学性能的原因 关键词层状材料,结构陶瓷,制备,力学性能 引言 在陶瓷材料的制备过程中,产生一些内在的缺陷,如孔洞、杂质、异常大的晶粒及弱结 合的晶界;在陶瓷加工及使用中或甚至不小心的拿放磕碰,又造成一些外在的缺陷,象划 痕、小的坑洼和裂纹.所有这些缺陷都可能发展成为导致材料断裂的临界裂纹.这是陶瓷 材料在应用中性能不可靠的原因.为了增加陶瓷材料的可靠性,通常采用两种办法,一是 减小裂纹缺陷尺寸,受陶瓷合成与加工工艺限制,往往事倍功半;另一办法是增加断裂韧 性,如采用晶须(或自补强)及纤维补强,取得一定效果,晶须补强的效果有限,而且带来 混料和烧结中的困难;适合作陶瓷增强的纤维材料很少,成本又太高.人们在不断地寻找 新的增韧途径,层状结构陶瓷复合材料巾两层或多层相同或不相同的材料组成,界面可以 是强结合的,或由弱力学性能材料,如石墨(2或氮化硼弱化的.经过设计的层状材料可 具有在特定方向上对裂纹的容忍性(或称不敏感性),包括最具破坏性的表面裂纹 Wang等(研究了zTA/3Y-TzP/ZTA和Al2O3/3YTzP/Al2O3三明治状结构复合材 料,由于3YTzP材料比zTA及Al2O3具有大的烧结收缩率及热膨胀系数,在表面层材料中 产生压应力,增加了材料的断裂功,也即对表面层中裂纹产生额外的压应力抑制其扩展, 复合材料的有效断裂韧性从单相zTA材料的43MPam1/2增加到137MPam212 观线余ik等制备了不同显微结构或不同组成材料构成的多层SiN,基复合材料,发 材料的强度及韧性都较单相材料高,并表现出准塑性现象 Cleg2研究了石墨存在于界面的SC多层复合材料抗弯断裂行为,当裂纹扩展到界 面时发生完全偏转,没有扩展到下一层,而在下一层中必须产生新的临界裂纹再扩展,产 生新的裂纹需要很大的能量,这样得到的复合材料有效断裂韧性大为增加,达15MPam42 国外对具有特殊结构及性能的层状材料研究很多~10,国内作此方面工作较少 本文将层状结构陶瓷复合材料分成两类:(1)弱界面结合;(2)强界面结合层状结构陶 瓷复合材料.由于在特定方向具有优越的韧性、强度及硬度,层状结构陶瓷材料可望在特 殊的工况条件下找到用处,在理论方面是提高材料力学性能的新探索 1996年10月11H收到初稿,11月25日收到修改稿 201994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHousealLrightsreservedhttp:/hrww.cnki.nter
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 期 无 机 材 料 学 报 一 一 一 ‘ , , 第 卷 第月 年 层 状 结 构 陶 瓷 复 合材 料 ’ 张 宝林 庄 汉 锐 中 国 科 学院上 海 硅 酸 盐研 究 所 上 海 魂 二 , 五 , 叮 说 丘 , 一 “ , 摘 要 介 绍 了弱 界 面结合 的和强界 面结合 的两类层状结构 陶瓷复合材料的制备方法 、 独特 的韧性等力学性 能及增韧机理 裂纹 沿界 面 的完全偏 转及 层 中的残余应力分别是两类复 合材料具有特殊力学性 能 的原 因 关 键 词 层 状材料 , 结构 陶瓷 , 制备 , 力学性 能 引言 在 陶瓷材料 的制 备过 程 中 , 产 生 一 些 内在 的缺 陷 , 如 孔洞 、 杂质 、 异常大 的晶粒及 弱 结 合 的晶界 在 陶 瓷加工及 使用 中或甚 至 不 小心 的拿放磕 碰 , 又 造 成 一 些外在 的缺 陷 , 象划 痕 、 小 的坑洼和 裂纹 所有这 些缺 陷都可能 发展 成 为导 致材料断裂的 临界裂纹 这 是 陶 瓷 材料在应用 中性能不 可 靠 的原 因 为 了增 加 陶 瓷材料 的可靠性 , 通常采用 两 种办法 , 一是 减小裂纹缺 陷尺寸 , 受 陶 瓷合成 与加 工工 艺 限制 , 往往 事倍功半 另 一 办法是增 加 断裂韧 性 , 如采用 晶 须 或 自补 强 及 纤 维补强 , 取 得 一定 效果 , 晶须 补强 的效果 有限 , 而且带来 混 料和 烧结 中的 困 难 适 合作 陶 瓷增 强 的 纤维 材料很 少 , 成本又 太高 人 们在 不 断地 寻 找 新 的增韧途径 , 层 状结构 陶 瓷复合材料 由两层 或多层 相 同或不相 同 的材料组成 , 界 面可 以 是强 结合 【 的 , 或 山弱 力 学性 能材料 , 如石 墨 或氮化硼 弱化 的 经过设 计的层 状材料可 具有在特定方 向上对裂纹 的容 忍性 或称不 敏 感性 , 包括最具破坏 性 的表 面裂纹 · 等 【 】研 究 了 邝 一 和 邝 一 三 明 治 状 结构复 合材 料 , 由于 材料 比 及 具有大的烧结收缩率及热膨胀系数 , 在表面 层 材料 中 产生 压应力 , 增 加 了材料 的 断裂功 , 也 即对表 面 层 中裂纹 产生额 外 的压应力抑 制其扩展 , 复合材料 的有效 断裂韧性从单相 材料 的 ‘ 增 加到 ‘ 息 等 ’ 制 备 了不 同显 微结构或不 同组成 材料构成 的多层 基复合材料 , 发 现多层 材料 的强 度及 韧性都较单相材料高 , 并表现 出准 塑性现象 , 研 究 了石 墨 存在 于 界 面 的 多 层 复合材 料 抗 弯断裂行为 , 当裂纹扩展 到 界 面时发生完全偏转 , 没 有扩展 到 下一层 , 而 在 下一层 中必 须产 生新 的临界 裂纹再扩 展 , 产 生新 的裂纹需要很 大 的能量 , 这 样得 到 的复 合 材料有效断裂韧性大 为增 加 , 达 “ 国外对具有特殊结构及性 能的层 状 材料研 究很 多 卜 , 国 内作此 方面 工作较少 本文将层状结构陶瓷复合材料分成两类 弱界 面结合 强 界面结合层状结构 陶 瓷复合材料 由于 在特定方 向具有 优越 的韧性 、 强 度 及 硬度 , 层 状结构 陶 瓷材料可望在特 殊 的工况条件下找到 用 处 , 在理论方面 是提高材料力学性能的新探索 , 年 月 日收到 初 稿 , 月 日收到 修改稿
770 无机材料学报 12卷 2层状结构陶瓷复合材料的增韧等力学现象及其机理 21弱界面结合的层状结构陶瓷复合材料 Cleg2注意到自然界中石决明鱼的贝壳由多层厚度约1的文石组成,层与层之间 由蛋白质软体连接.由于这种特殊的结构,使得石决明贝壳表现出比文石单晶高十倍的抗 弯强度及韧性 受此启发,他们将SiC粉末、作为烧结助剂的硼粉与PⅤA的水溶液混合成面团状,滚 压成厚度为200m薄片,在薄片上涂一层石是,用石墨的好处是,即使在高温下石墨也不 与SC反应.把多层该材料叠压在一起,厚度2m、50×50mm正方.经过1c/min升温到 450°C热解,驱除有机物,在2040°C氬气中烧结30min,材料最终密度达理论密度的98% 作为比较,用相同工艺制备了SiC单相材料,密度也为98%TD. SiC单相材料及层状材料的强度分别为50MPa及⑥3MPa B开槽试样的三点抗弯实验中(图1,单相SC材料显出一般的开始线弹性行为然后 界应力σe突然断裂,巾 Griffith公式 K1c:断裂韧性;Y:几何因子;C:槽深度.计算出K1c为3GMPa12 而层状复合材料在表现线弹性后,当 开槽裂纹达到与单相材料中的临界裂纹相 同应力强度时,裂纹开始扩展(图2中A 点),当裂纹到达一个界面时,沿界面发生 偏转,裂纹向下一层中的扩展就中止了.实 际测量的载荷继续上升.下一层中产生的 新临界裂纹再扩展,载荷达到最高点后(图 图1层状材料开槽试样三点抗弯实验示意图 2中B点),试样分阶段断裂,用B点处载 Fig. I Schematic diagram of three-point bend test 荷值巾(1)式计算得到的层状复合材料的断 of a notched laminate material 裂韧性为15MPam1/2 从图2可见,层状材料不再象单相材料在载荷达到最大值时突然断裂,而是分阶段地 台阶状断裂.这在实际应用中或许可用在彻底破坏前发出信号 图2中载荷-位移曲线下的面积即是材料的断裂功,因为裂纹的扩展是非突然断裂性 的,实验载荷所作的功都被用来扩展裂纹,而不是转化为试样的动能1(通常试样会被弹 飞),得到的断裂功为4625J1-2,最高可达6700m-2,这已经是稍高于松木的断裂功 但Cegg指出,这种计算方法只是表明裂纹在材料中扩展的困难性,而不是精确值·因为实 际上复合材料中,当裂纹发生偏转时,断裂功的计算是很困难的1 单相材料的断裂功可从断裂韧性算出 取泊松比4=0.13814,用测量的Kc=3 MPa-ll11/2及弹性模量E=450GPa,代入得到单 相材料的断裂功为28Jm-2.由此,层状复合材料中裂纹扩展需要的能量比单相材料中的高 100倍以上 201994-2009ChinaAcademicJoumalElectroniepUblishingHouseAllrightsreservedhttp:/hnn.cnkinet
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 无 机 材 料 学 报 卷 层状 结 构 陶瓷 复合 材 料 的 增 韧 等 力学现 象 及 其机理 弱界面 结 合的层 状 结构陶 瓷复合材料 比 ” 注意 到 自然界 中石 决 明 鱼 的 贝壳 由多层 厚度 约 、 的文石 组成 , 层与层之 间 由蛋 白质软体连 接 由于 这 种特殊 的结构 , 使 得 石 决 明 贝壳表现 出 比文石 单 晶高十倍的抗 弯强度及韧性 受此 启发 , 他 们将 粉末 、 作为烧结 助 剂的 硼 粉与 的水溶液混 合成面 团状 , 滚 压成 厚度为 拼 薄片 , 在薄片上 涂 一层 石 墨 , 用 石 墨 的好处 是 , 即使在高温下石 墨也不 与 反 应 把多层 该材料叠 压在 一起 , 厚度 、 飞 正 方 · 经过 “ 升温到 热 解 , 驱 除有机物 , 在 “ 氢 气 中烧结 川 , 材料最 终密度达理 论 密度的 作 为 比较 , 用相 同工艺 制 备 了 单相 材料 , 密度 也 为 单相 材料及 层 状材料 的 强度 分 别 为 ‘ 及 几 在开槽试样 的三点抗 弯实 验 中 图 , 单 相 材料显 出一般 的开 始 线弹性行为 , 然后 在 临界 应力 。。 突然断裂 , 由 公式 口 , , 井共 丫 断 裂韧性 几 何 因 子 槽 深度 计算 出 为 · , , “ 而 层 状复 合材 料在 表 现 线弹性后 , 当 图 层 状材料开槽试样三 点抗弯实验示 意 图 一 ‘ 一 一 一。 一 一 一 二‘ 开 槽 裂 纹 达 到 与 单相 材料 中的临界裂纹相 同 应 力 强 度 时 , 裂纹 开 始 扩 展 图 中 点 , 当裂纹到 达 一个 界 面时 , 沿界面发生 偏转 , 裂纹 向下一 层 中的扩展就中止 了 实 际 测 量 的载 荷继 续 上 升 下一 层 中产生的 新 临界 裂纹再扩展 , 载荷达到最高点后 图 中 点 , 试 样分阶段 断裂 , 用 点处载 荷值 由 式计算得 到 的层状复合材料的断 裂韧性 为 ‘ 从 图 可见 , 层 状 材料不 再象单相材 料在 载荷达 到 最 大值时突 然 断裂 , 而是分阶段地 台 阶状断裂 这 在 实 际 应用 中或 许可用 在彻 底破 坏前 发 出信号 图 中载荷 一 位 移 曲线下 的面 积 即是 材料 的断 裂功 , 因 为裂纹 的扩展 是 非突然断裂性 的 , 实验 载荷所作 的功都被 用 来扩 展 裂纹 , 而 不 是 转化 为试 样 的动 能 ‘ 通 常试样会被弹 飞 , 得到 的断裂功 为 , 一 “ , 最 高 可达 厂“ , 这 已 经是 稍高于 松木 的断裂功 · 但 指 出 , 这 种计算方法只是表 明裂纹在 材料 中扩展 的困难性 , 而 不是精确值 因为实 际 上复合材料 中 , 当裂纹发生偏转时 , 断裂功 的计算是很 困难的 单相材料的断裂功可从 断裂韧性算 出 】 一 ‘ 取 泊松 比 ’ 【‘叼 , 用 测 量 的 · ,‘ 及 弹性 模量 , 代入得到单 相材料的断裂功 为 一 “ 由此 , 层 状复合材料 中裂 纹扩 展 需 要 的能量 比单相材料中的高 倍 以上
6期 张宝林等:层状结构陶瓷复合材料 771 同样也可制备氮化硅层状结构 材料,而层与层之间由氮化硼弱化界 面1,需要注意的是界面要均匀地弱 化,如果某处层与层之间是强结合 裂纹将可能沿此处扩展到下一层,而 失去增韧作用 Clegg还指出,此方法可采用其 它的形态及原料,如氧化锆粉末与塑 料的混合物挤压成型为直径为150m 08。g 的纤维,将这些纤维压成绳状结构, 然后烧结,得到的材料的断裂功比单 相的高10倍,其增韧机理一样 图2层状SiC材料开槽试样在三点抗弯实验中的载荷 我们认为:Cleg的这种层状结位移行为曲线 构复合材料的增韧机理是每一层上都Fig2 The load-deflection hehavior of the sic laminates 要产生新的临界裂纹,产生新的临界 tched and testedl in a three point bend test 裂纹需 能量,就是这部分 量产生了增韧效果.但这不失为一种新的增韧概念.陶瓷材料虽具有很高的强度,然而裂 纹一且达到临界裂纹尺寸(在陶瓷中一般很小而扩展,巾于裂纹尖端的应力集中,剩下的 材料对阻碍裂纹扩展的贡献已经很小.而在层状结构材料中裂纹在层间发生偏转,消除了 裂纹在下一层中的应力集中,在外力作用下,下一层材料中某处薄弱点将产生新的临界裂 纹再扩展下去,实验中观察到的每一层中的裂纹随机产生,裂纹扩展途径由多条分段裂纹 组成,而不是象其他陶瓷中的裂纹,呈近似一条线(从测面观察)扩展到底 22强界面结合层状结构陶瓷复合材料 Wag等田用干压方法制备了层状结构材料(长方41×42m)Al2O3/3YzP/A2O3(总 厚度33m,Al2O3为100m)和zTA(85wt%Al2O3)/3YTZP/2TA(总厚度465m,2TA 为40μm).他们采用“振动筛”技术控制每层材料的厚度及其均匀度,由成型压力控制界面 的平整度,成型压力越高,界面越平整将与50%乙醇+50%甘油按比例混合的粉料依次经 过振动筛后进入模具,每层用1~5MPa的压力成型(根据具体的实验条件来定),最后样品 的总成型压力为80MPa,样品再经过200 MPa cip进一步增加素坯密度,在空气中1600°C 烧结2h 干压成型制备层状结构复合材料简单而有效,对于直径不大的样品(如12m,层厚度 >100-m),用陶瓷粉末直接按顺序装填入模具,每层之间用一小力挤压(手压即可),整个 样品干压,热压烧结可制得界面清晰平整、结合良好的样品 对于强界面结合的层状材料,层与层之间通常产生内应力,其决定因素有材料之间的 烧结收缩率差及热膨胀系数差,这二者的影响又受具体的材料烧结过程制约. 层状材料的层厚度对层与层之间残余应力的影响也很重要,这方面的工作我们正在进 行中 3YTzP具有比Al2O3及ZTA都高的烧结收缩率和热膨胀系数,所以在复合材料的表 面层中将产生压应力,而在中问基体层将产生张应力.如果选用厚的表面层,这个张应力 会大到使中间层产生裂纹而破裂. 压痕实验表明,ZTA/3YTzP/ZTA材料表面压痕裂纹与单相zTA相比,扩展受到很大 抑制·测量裂纹长度,计算得单相ZTA的断裂韧性为43 MPa.Im1/2,而ZTA/3YTzP/2TA 的为137MPam12 ZTA/3Y-TzP/zTA表面层受的残余压应力,计算大约为1GPa.也是因为这个残余应力 的存在,在用碳化钨球固定载荷循环冲压下(在ZTA面上),zTA/3Y-TzP/ZTA显示出比 o1994-2009ChinaAcademicournalElectronicPublishingHousealLrightsreservedhttp://rww.cnki.ner
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 期 张 宝 林等 层 状 结构 陶瓷复合材料 闷勺七,月 同 样 也 可制 备 氮 化 硅 层 状 结 构 材料 , 而层与层 之 间 由氮化硼 弱化界 面 , 需要 注意 的是界 面要均 匀地 弱 化 , 如果某处层 与层 之 间是强 结合 , 裂纹将可能沿此处扩展 到 下一层 , 而 失去增 韧作 用 还 指 出 , 此 方法 可采用 其 它 的形 态及原料 , 如 氧化 错 粉末与塑 料的混 合物挤压成型 为直径为 , 的纤维 , 将这些 纤维压成 绳 状结构 , 然后烧结 , 得 到 的材料 的 断裂功 比单 相 的高 倍 , 其增 韧机理 一 样 我 们认为 的这 种层 状结 构复合材料 的增 韧机理 是 每一 层上 都 要产生新的 临界裂纹 , 产生 新 的 临界 裂纹需要很 大的能量 , 就是这 部分能 矛 如 图 层 状 材料开 槽试样 在 三点抗 弯实验 中的载荷 位 移行 为 曲线 一 、 、 一 、 一〔一 ‘ ‘ ‘ 一 一 ‘ , 一 , 量产 生 了增 韧 效 果 但这 不 失 为一 种新 的增 韧概 念 , 陶 瓷材料 虽具 有很 高 的强度 , 然而 裂 纹一旦达到 临界裂纹 尺 寸 在 陶 瓷 中一般 很 小 而 扩 展 , 由于 裂纹尖 端 的应 力 集 中 , 剩下的 材料对阻碍裂纹扩 展 的贡 献 已 经 很 小 而 在层 状 结构材 料 中裂纹在层 间发生偏转 , 消除 了 裂纹 在下 一层 中的应力 集 中 , 在外力 作用 下 , 下 一层 材 料 中某处 薄弱 点将产生新 的临界 裂 纹再扩展 下 去 , 实验 中观察 到 的每一 层 中的裂纹 随机 产 生 , 裂 纹 扩 展 途径 由多 条分段 裂纹 组成 , 而不是象 其他 陶 瓷 中的裂 纹 , 呈 近 似 一条 线 从测 面观 察 扩 展 到 底 · 强 界面 结 合层 状 结构 陶 瓷 复合材 料 等 ‘ 用 干 压方法 制 备 了层 状 结 构材 料 长 方 , , , 一 总 厚度 , 为 ‘, 和 一 , 吸 总厚度 , , , 以 为 ’ 他 们采 用 “ 振 动筛 ” 技 术控 制每层 材 料 的厚度 及 其均匀度 , 由成 型 压 力控制界 面 的平整度 , 成 型 压力越高 , 界 面越平整 将与 乙 醇 甘 油按 比例混 合的粉料依次经 过 振动筛后进入 模具 , 每层 用 、 入 的压 力成 型 根据具 体的实验条件来定 , 最后 样 品 的 总成 型压力为 , 样品 再经 过 、、 进一 步增加素坯 密度 , 在空 气中 烧结 干压成 型制 备层状结构 复合材 料 简单而 有效 , 对 于 直 径不大 的 样 品 如 , 层 厚度 ’ , 用 陶 瓷 粉末直接按 顺 序装 填入 模 具 , 每层 之 间用 一 小 力挤 压 手压 即 可 , 整 个 样 品干 压 , 热 压烧结 可制 得 界 面清 晰平整 、 结合 良好 的 样 品 ’ 对于 强 界 面结合 的层 状 材料 , 层 与层 之 间通 常产 生 内应 力 , 其决定 因素有材料之 间的 烧结收 缩率差及 热膨 胀 系数 差 , 这 二 者 的影 响又 受具 体的材料烧结过 程 制约 层 状材料 的层 厚度 对层 与层 之 问残余应力 的影 响也很 重要 , 这 方 面 的工作我 们正 在进 行 中 具有 比 及 都高 的烧结收 缩 率和 热膨 胀 系数 , 所 以在复合材料 的表 面层 中将产生压应力 , 而 在 中间基体层 将产生张应 力 如 果选 用厚 的表 面 层 , 这个 张应力 会 大到 使 中间层 产生 裂纹 而 破裂 压痕 实验表 明 , 邝 一 材料表面 压 痕裂纹与单相 相 比 , 扩展 受到 很大 抑 制 · 测 量裂 纹长 度 , 计算 得 单相 的断 裂韧性 为 ‘ , 而 一 的为 · ‘ 一 表 面层 受 的残 余 压应 力 , 计算大 约 为 也是 因为这 个残余应力 的存在 , 在 用 碳化 钨 球 固 定载荷循 环 冲压 下 在 面上 , 邝 一 显 示 出 比
无机材料学报 12卷 单相zTA高40倍的耐疲劳性 材料的硬度由三维应力状态决定,可以预料层状材料的表面上的硬度也会增加为了 准确测量表面薄层的硬度,压痕的深度应该小于薄层厚度的1/101,采用小载荷500g(压 痕深度在3m左右)测得的ZTA/3YTZP/ZTA及Al2O3/3YTzP/Al2O3表面的维氏显微硬 度分别为1902±71和2089±9HV;而单相zTA和Al2O3的硬度为10687±77和1638±82HV 层状材料表面的残余压应力是表面韧性、抗疲劳性及显微硬度提高的原因 实验中没有发现层状材料任何层间剥离现象,说明层间的结合是很强的 Sajgallk等将添加非晶Si3N4、B-SisN4晶须、非晶SiNC及SiC板状粒子的SiN4基 复合材料用简单干压法成型后热压制得多层(每层厚度01~5mm)复合材料,各层材料具有 不同的显微结构或组成,因而具有不同的、但可由添加剂量调节的烧结收缩率和热膨胀系 数 与热压方向垂直的面作为抗夸试条的受张应力面,测得的强度及断裂韧性都较单相材 料有所增加.断裂面上观察到层与层之问的小部分剥离现象(即裂纹沿界面偏转一小段距离 后向下一层中扩散下去.而在Clgg的材料中裂纹完全沿界面偏转)在载荷位移曲线上有 与图1中B点之前相似的可称作准塑性的现象,观察在层状材料的侧面的压痕裂纹扩展路 径,发现裂纹扩展受残余应力抑制.这表明,由于SiN4基层状复合材料的层间结合不象氧 化物那样强,裂纹偏转及残余应力增韧作用同时存在 当层与层之问材料组成与结构越相近时,层问结合越强,裂纹越不容易沿界面偏转 Marshall1等制备了巾CerO2、Al2O3或A2O3与Ce-2rO2的混合物组成的层状结 构复合材料,厚度可小至10m,他们将粉末与NH4NO3的水溶液混合制成悬浮液,造成颗 粒之问近程斥力,减少颗粒之间远程静电力1819,这样可避免在离心沉积中颗粒偏析,而 由于近程斥力,使成型过程中颗粒之问存在润滑作用而能堆积出高的素坯密度,依次将含 有原料粉末的悬浮液离心沉积、干燥后,在1000C烧结3即得层状复合材料 由ce部分稳定的zrO2能发生应力引导的从四方相到单斜相的马氏体相变而起到很大 的增韧作用,但围绕裂纹的相变区呈长条状,这不利于最佳的增韧. Marshall层状材 料各层与相变区相互作用而使相变区沿界面附近区域扩展,提高了增韧效果;层状材料对 垂直于界面的裂纹表现出 R-curve行为;对平行于界面的裂纹,各层同样促进增韧效果 Ho等1推导出了一个能量释放率公式,研究层状结构材料中受张应力层中的穿层裂 纹,在给定的残余应力下,存在一个临界层厚度,小于这个厚度,不论原先裂纹尺寸,都不 会形成穿层裂纹.以此为据可以可靠地制备无穿层裂纹的层状材料 Hillman等间用与 Marshall相同的系统,从实验上验证了Ho等的计算模型 研究了A2O3与TiO2反应合成Al2TO的过程,层状结构材料提供了新的、而且非常有前 景的研究反应历程的方法 江东亮和余继红22从碳化物在一定温度和一定氮压下,在热力学上处于不稳定状 态而转化成氮化物的化学原理出发,通过对SC烧结体热等静压(HIP)氮化后处理工艺, 成功地在碳化物基体表面形成一层Si3N4C梯度性的复合材料,由于S2N4与sC膨胀系 数差别导致材料表面形成压缩应力层,加上基体内部形成BSiN4柱状晶,使整个复合材料 的强度和韧性比单相SC材料要提高1倍左右,分别达到900MPa和8MPam/2,是一个很 成功的制备高性能复合材料的范例,这种工艺也可用在其他碳化物系统4 还有一大类层状结构的材料-功能梯度材料(FGM),本文在此不作赞述 结束语 应当指出:层状结构陶瓷复合材料牺牲了材料的整体均匀性.有些(如Cleg及Wang 201994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp://nnwr.cnki.ner
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 无 机 材 料 学 报 卷 单相 高 倍 的耐疲 劳性 材料 的硬度 由三维应力 状 态 决定 , 可 以 预料 层 状 材料 的表 面上 的硬 度 也会 增加 为 了 准确测 量表面薄层 的硬度 , 压 痕 的深度 应该小于 薄 层 厚 度 的 】 , 采 用 小载荷 压 痕深度在 “ 左右 测 得 的 一 及 表面 的维 氏显 微硬 度分别 为 士 和 士 而单相 吸 和 的硬度 为 士 和 士 层状材料表面 的残余压应力是表 面 韧性 、 抗疲 劳性及 显 微硬度 提高 的原 因 实验 中没 有发现 层 状材料任何层 间剥离现 象 , 说 明层 问的结合是很 强 的 等 将添加 非晶 、 月 一 晶须 、 非晶 及 板状粒子的 基 复合材料用简单干压法成 型 后 热 压制得 多层 每层 厚度 、 复合材料 , 各层材料具有 不 同 的显 微结 构 或组成 , 因 而 具 有不 同的 、 但 可 由添 加剂 量调节 的烧结收 缩率和 热膨胀系 数 与热 压方 向垂 直 的面作为抗 弯试条 的受张应 力 面 , 测得 的强度及 断裂韧性都较单相材 料有所增加 断裂面上 观察到 层 与层 之 问的小部分剥离现象 即裂纹沿界面偏转 一小段距离 后 向下一 层 中扩散下 去 , 而 在 的材料 中裂纹 完全 沿界 面偏 转 在 载荷位移 曲线上 有 与图 中 点之前相似 的可称作 准塑性 的现 象 观 察在层 状材料的侧面 的压痕裂纹扩展 路 径 , 发现裂纹扩展 受残余应力 抑制 这 表 明 , 由于 基层 状复合材料 的层 间结合不象氧 化 物那样强 , 裂纹偏 转 及残 余应力增 韧作用 同时存在 当层 与层 之 间材料组成与结构 越相近 时 , 层 问结合越 强 , 裂纹越 不容易沿界面偏转 刃 等制 备 了 由 一 、 或 与 一 的混 合物 组成 的层 状结 构复合材料 , 厚度 可小 至 , 他 们将粉末 与 的 水溶液 混 合制成 悬浮液 , 造 成颗 粒之 间近 程斥力 , 减少颗 粒之 问远 程静 电力 , 】 , 这 样 可避免在离心 沉积 中颗粒偏析 , 而 由于 近程 斥 力 , 使成 型 过 程 中颗 粒 之 问存 在润 滑 作用 而 能堆积 出高 的 素坯 密度 依次将含 有原料粉末 的悬 浮液 离心 沉 积 、 干燥 后 , 在 “ 烧结 、 即得 层状复合材料 由 部分稳定 的 能发 生应力 引导 的从 四 方相到 单斜相 的马 氏体相变而起到很 大 的增 韧作用 , 但 围绕 裂纹 的相变 区 呈 长 条 状 【 , 这 不 利于 最佳 的增韧 , 层 状材 料各层与相变 区 相 互作用 而 使相变 区沿界 面 附近 区 域 扩 展 , 提高 了增 韧效果 层 状材料对 垂 直于界面 的裂纹表 现 出 一 以 , 行为 对 平行 于 界 面 的裂纹 , 各层 同样促 进增韧效果 等 卜 推导 出 了一 个能 量 释放率公 式 , 研 究层 状 结构 材料 中受张应力 层 中的穿层 裂 纹 , 在 给定 的残余 应 力 下 , 存在 一个 临界 层 厚度 , 小 于 这 个厚度 , 不论 原先裂纹尺寸 , 都不 会形成 穿 层 裂纹 以 此 为据 可 以 可靠地 制 备无穿 层 裂纹 的层 状材料 等 用 与 川 相 同 的系统 , 从 实验 上 验 证 了 等 的 计算模型 、 等 ‘ 用 注 浆成型 法制 备 与 多层 材 料素坯 , 在 研究了 与 反 应合成 。 的过 程 , 层 状结构材料提 供 了新的 、 而且非常有前 景 的研 究反应历程 的方法 江东亮和 佘继 红 啤 ,“ 】从碳 化物 在一定温度 和 一定氮 压 下 , 在热力学上 处于 不 稳定状 态而转化成氮化物 的化学原理 出发 , 通 过 对 烧结体热等静压 氮化后处理 工艺 , 成功地在碳化物基体表面形成 一层 一 梯度性 的复合材料 , 由于 与 膨胀系 数差别导致材料表 面形 成压缩应力层 , 加上 基体 内部形成 庄 柱状 晶 , 使整个复合材料 的强 度和韧性 比单相 材料要 提 高 倍左右 , 分别达 到 和 , 是 一个很 成 功 的制备高性能复合材料 的范例 这 种工 艺也 可用 在 其他碳化物 系统 阳 还有 一大类层 状结构 的 材 料 一 功 能 梯度 材料 , 本文 在此 不 作赘述 结束语 应 当指 出 层 状结构 陶 瓷复合材 料牺牲了材料的整 体均匀性 · 有些 如 及 吸‘
期 张宝林等:层状结构陶瓷复合材料 773 的复合材料)在其他方向上的力学性能可能是很差的,这些材料只能用在一些特殊的工况条 件下.如何在三维方向上实现层状材料的优越性能,有待于新的材料结构设计,而且在实 际应用中需考虑具体的另件形状及受力情况 参考文献 1 Wang Hui, Hu Xiaozhi. J. Am. Ceram. Soc., 1996, 79(2):553 2 Clegg W J, Kendall K, et al. Nature( London), 1990, 347(4 ):45 3 Clegg W J. Acta Metall. Mater, 1092, 40(11):3085. 4 Sajgalik P, Lences Z, Dusza Proceedings 5th International Syimposiuln on Ceramic Materrials Components for Engines, Shanghai, China, May 1994. 198. 5 Misler R E. Am. Ceran. Soc. Bull., 1973, 52: 850. 6 Hillman C, Suo Zhigang, Lange F F J. Am. Cerarn. Soc., 1996, 79(8 ):2127 7 Russo C J, Harmer M P, Clan H M, et aL. J. Am. Ccranl. Soc., 1992, 75(12):3396 8 Virkar A V, Huang J L, Cutter R A. J. Am. Cerarn. Soc., 1987, 70(3):104 9 Sarkar P, Huang X, Nicholson P S.J. Am. Ceram. Soc., 1993, 76(4):1055 10 Ho S, Suo Z.J. Appl. Mech,, 1993, 60(12): 11 Tattersall H G, Tappin G. J. Mater. Sci., 19G6, 1: 29G 12 Mecholsky J. Am. Ceram. Soc. Bull., 1986, 65: 31 13 Knott J F. Fundamcntals of Fracture Mechanics, Bntterworths, London. 1981. 134 14 Gmelin Haltdbook of Tmorgauic Chenistry, Silicon Supplement. Berlin: Springer, 1984. B2, 95. 15 Sa P. Private Comunication 16 Buckle H. Scicnce of HarDness Testing and Its Research Applicatious American Society for Metals Metals Park, OH. 1973: ch. 33 17 Marshall D B, Ratto J J, Lange F F J. A. Cerurn. Soc., 1991, 74(12):2979 18 Velamakanni B V, Chang J C, Lange FF, et al. Lurigmuir, 1990, 6: 1323 19 Chang J C, Velamakanni B V, Lauge FF, J. Am. Ceram. Soc., 1991, 74(9):2201 20 Marshall D B. J. Am. Ceram. Soc., 1990, 73(9):2659 21 WohlfromIn H, ct al. J. AIm. Ceral. Soc., 1992, 75(12): 3473. 22 Jiang D L, She J H, et al. J. Am. Cer'urn, Soc., 1992, 75: 2568 3 She J L, Jiang D L, et. aL. J. Europ. Ceran. Soc., 1991, 7: 243 24江东亮.无机材料学报,1995,10:5 Laminate-structure Ceramic Composites ZHANG Baolin ZHUANG Hanru Shanghai Institute of Cerarnics, Chincse Acadeny of Sciences Shanghai 200050 China) Sajgallk P (Institute of Inorganic Chenistry, Slovak Academy of Sciences Dibravskii cesta 9, SK-842 36 Bratislava, abstract Fabrication, mcchanical propertics and toughening mechanisms of Laninate-structure ceramic osites with weak or strong interfaces are reviewed. Complete deflection of the propagating crack and internal residual stresses are the causes of the special mcchanical properties of the composites Key words laminate-structure Inaterials, structural ceramic, preparation, Inechauical properti o7994-2009chinaAcademicournalElecironicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:/hn.cnki.ner
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 期 张 宝林 等 层状 结构 陶瓷复 合材料 的复合材料 在其他方 向上 的力 学性能 可能是 很 差 的 , 这些 材料 只 能用 在 一些特殊 的工况 条 件下 如 何在三维方 向上 实 现 层 状材 料 的优 越性 能 , 有待 于 新 的材 料结构设 计 , 而 且在 实 际 应用 中需考虑 具体 的 另件形 状及受 力情况 参 考 文 献 , 一 ‘ , ‘ , , , 、 , 蜘 ℃ ‘, ,‘ , ‘ , , , , 亏 , ‘ , ‘ ‘ 、 , 、 , , , 、 一 , 一 ‘ , 一 , 、 ,‘ , , 珑 , ‘ 、 , 、 , ,‘ , , , , 、 , , ,‘ ,‘ , , 拉 , , , ,‘ ,‘ · , , 二 , , , , , 即 ‘ , , , ‘ , , , , , 一 一 ‘ 一 一 , 一 , 一 一 一 一 一 、 一 一 , 一 一 , 一 川 一 , , 亏 。 。 , 、 、、、‘ 、 、 、 、 一 一 一、。 、 一 一 一 滋 , 以 , 一 、 , , 、 、 ,‘ ,“ , , , 一 , 、 一 , 、 一 , 。‘ 〔‘ ‘夕 ‘, , 、 , , 、 、 、 , 、 、 , , ,‘ , , , , , 、 ,‘ 、 ,‘ , , 、 、 、 , 心 、 , 卜 , , , 一 , ,‘ ” 一 , , , , , , 叩 ‘ , , 江东亮 无机材料学报 , , 一 是旧 一 一 ‘ 。夕‘ ‘ ‘ ‘ ‘ 、, “ ‘ 、 “ ,‘夕 万 ‘ ,‘ , ‘ 。夕 ‘忍 “。 巧 、 爪 ‘ 勺 。‘ ‘ ,“、 万 , 儿 ,‘ ,‘鱿 。云。 ‘ 、 公乙, , 、版 、 , 一 不 ” ‘、 , 。‘ 云“ , 一 一 一 那 、 一 一 一 一 一 一 一 一 、 一 一 , 一 、 , 一, 一
