材料导报 2001年6月第15卷第6期 强界面结合层状陶瓷研究现状及增韧机制 陈蓓1丁培道 (1重庆大学资源中心,2重庆大学材料学院,重庆400044) 摘要重点介绍了强界面结合层状陶瓷的研究体系和現状,对残余压(拉)应力增韧增强层状陶瓷的机理作了 进一步的分析和说明,在此基础上总结出两个层状材料的残余应力模型和计算公式,为进一步的强界面结合层状陶瓷 的设计提供理论依据。强界面结合层状陶瓷的研究为结构陶瓷的工程应用开辟新的遼径并提供高的可靠性 关键词强界面结合层状复合陶瓷残余应力计算模型 Current Status of Strong-binding Interface Laminate Ceramics Study and toughening mechanism Chen Bei Ding Peidao (1 Resource Center, 2 Institute of Material Science, Chongqing Uviversity, Chongqing 400044) Abstract Research system and status of strongbinding laminate ceramics study are reviewed in this pa- per. A further analysis of strengthening and toughening mechanism of residual stress is made, and on this basis two residual stress models and calculation formula are summarized. a new and high-reliability way is put for ward for engi- neering application of structure ceramics Key words strong-binding interface, laminate ceramics, residual stress calculation model 目前常用的陶瓷材料强韧化方法主要有两种:一种是SC板状粒子的SN基复合材料用简单干压法成型后热压 消除或减少陶瓷材料中的原始裂纹缺陷;另一种是通过添加制得多层(每层厚度0.1~5mm)复合材料,层与层之间是强 增韧相(如长纤维或晶须增韧、相变增韧和颗粒弥散增韧等)界面结合,各层材料具有不同的显微结构和组成,其烧结收缩 来提高材料的韧性这些方法虽然都取得了一定程度的进展,率和热膨胀系数不同研究结果表明,与热压方向垂直的面作 但由于种种不足而限制了陶瓷材料的推广应用。人们在不断抗弯试条的受张应力面测得的强度和断裂韧性都较单项 寻找新的增韧途径,受自然界中贝壳的微观组织结构的启发,材料有所增加 在脆性陶瓷材料中加入耐高温软质材料,设计和制作层状复 江东亮(和余继红从碳化物在一定温度和一定氮压下, 合物以提高陶瓷的韧性近年来国内外开展了许多这类研究在热力学上处于不稳定状态而转化成氮化物的原理出发,通 工作 过对SC烧结体热等静压(HP)氮化后处理工艺,成功的在 层状复合陶瓷可以吸收纤维或晶须补强颗粒弥散增韧、碳化物基体表面形成一层SiN4SC梯度性的复合材料,由于 ZrO2相变增韧、微裂纹增韧等方法进行层内和层间设计,按SiN系与SC热膨胀系数差别导致材料表面形成压缩应力 合界面情况层状结构陶瓷复合材料分成两类:(1)弱界层,加上基体内部形成、SiN,柱状晶使整个材料的强度和 面结合;(2)强界面结合层状陶瓷复合材料。弱结合界面的陶韧性比单相SC材料要提高1倍左右,分别达到900MPa和 瓷在韧性提高的同时,由于弱界面的引入,强度将有所下降。8MPa·m42,是一个很成功的制备高性能复合材料的范例 强界面结合陶瓷材料克服了弱界面陶瓷的缺点,在整体材料这种工艺也可用在其他碳化物系统 韧性提高的同时,强度也同时提高。强界面结合层状陶瓷研究 对A2O体系层状复合材料,日本的 Katsoki等用压膜 为低成本制造工程陶瓷开辟了新的途径并提供高的可靠性。法制得Al2O3/3Al2O3·2SiO2层状复合材料,其抗弯强度为 本文就强界面结合层状复合陶瓷国内外研究现状及增韧增强265MPa;法国的Boch用流延法制得Al2O3/ZrO2层状复合 机理作综合评述 材料,其抗弯强度高达398MPa,平均断裂韧性可达5.3MPa 1研究现状 m/2. Marshal等制备了由Ce/ZrO2、Al2O3或Al2O3与 Ce- ZrO2混合物组成的层状结构复合材料,厚度可小至 目前对强界面结合陶瓷复合材料的研究主要集中于10pm,他们将粉末与NHNO3的水溶液混合制成悬浮液,造 SC/SiN4、Al2O,和Al2O3/ZrO2、Al2O3/TiO2系统等。 成颗粒之间近程斥力,减小颗粒之间远程静电力这样可以避 SC/SiN4系统层状复合材料的研究最早也最广泛,但多免在离心沉积中颗粒偏析。依次将含有原料粉末的悬浮液离 是以石墨或BN为弱夹层的复合材料研充报道。1994年,Sa心沉积,干燥后,在1600℃C烧结3h即得层状复合材料 galik等将添加非晶/SiN4系、BSiN晶须、非晶/SNC及 Wolfrom{等用注浆法制备了Al2O,与TO2多层材 国家自然科学重大基金资助项目(项目编号:5995440) 联系人:陈蓓,博士研究生,重庆大学资源中心,电话:023-65430086) c1994-2009chinaAcademicJournalELectronicPUblishingHouseAllrightsresened.http://nnr.cnki.ner
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 材 料 导报 年 月 第 卷 第 期 强界面结合层状陶瓷研究现状及增韧机制 ’ 陈 蓓 ‘ 丁 培 道 重庆大学 资源 中心 , 重庆大学材料学院 , 重庆 摘要 重 点 介 绍 了强 界 面 结 合 层 状 峋 瓷的 研 究体 系 和 现状 , 时 残 余 压 拉 应 力 增 初 增 强 层 状 峋 瓷的 机 理 作 了 进 一 步的分 析 和 说明 , 在此 基础 上 悠结 出 两 个 层 状 材 料 的 残 余应 力 模 型 和 计 算 公 式 , 为 进 一 步的 强 界 面 结 合 层 状 峋 瓷 的设 计提供 理 论依据 。 强 界 面 结 合 层 状 峋 瓷的 研 究 为结 构 峋 瓷的 工 程 应 用 开 辟 新 的 途径 并 提 供 高的 可 金性 。 关键词 强 界面结合 层 状复合陶瓷 残余应 力计算模型 一 , 反 , , 一 一 一 · 一 , 、 一 一 , , 一 目前常用的陶瓷材料强 韧化方法 主要 有两 种 一种是 消除或减少陶瓷材料 中的原 始裂纹缺 陷 另一 种是通过添 加 增韧相 如长纤维或晶 须增 韧 、 相变增 韧和颗粒 弥散增韧等 来提高材料的韧性 。 这些方法虽然都取得 了一定程度的进展 , 但 由于种种不足而 限制了陶瓷材料的推广应用 。 人们在 不断 寻找新的增韧途径 , 受 自然界中贝壳的徽观组织结构的启发 , 在脆性 陶瓷材料 中加 入 耐高温软质材料 , 设计和制作层 状复 合物 以提高陶瓷的韧性 , 近 年来国 内外开展 了许多这 类研 究 工作 。 层状复合陶瓷可 以吸收纤维或晶须补强 、 颗粒 弥散增韧 、 相变增 韧 、 微裂纹 增韧等方法进 行层 内和层 间设计 , 按 结合界面情况 , 层 状结构陶瓷复合材料分成 两 类 弱 界 面 结合 强界 面结合层状陶瓷复合材料 。 弱结合界面 的陶 瓷在 韧性提高的同时 , 由于 弱界面 的 引入 , 强度将有所 下 降 。 强 界 面 结合陶瓷材料克服 了弱 界面陶瓷的缺点 , 在整体材料 韧性提高的 同时 , 强度也同时提高 。 强 界面结合层状陶瓷研究 为低成本制造工程 陶瓷开辟 了新 的途径并提供 高的可 靠性 。 本文就强界面结合层 状复合陶瓷国 内外研 究现状及增韧增强 机理 作综合评述 。 研究现状 目 前 对 强 界 面 结合 陶 瓷 复 合 材 料 的 研 究 主 要 集 中于 , 、 和 、 系统等 。 系统层状复合材料的研究最早也最广泛 , 但 多 是 以 石 墨或 为弱夹层的复合材料研究报道 。 年 , 等 ’」将 添 加非 晶 系 、 件 。 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 一 复合材料 , 层 与层 之 间 是强 界 面结合 , 各层材料具有不 同的显徽结构和组成 , 其烧结收缩 率和热膨胀 系数不 同 。 研究结果表明 , 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 和 断裂韧性都较单项 材料有所增 加 。 江东亮 ’和余继 红从碳 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 的原理 出 发 , 通 过 对 烧结体热等静压 氮化后 处理 工 艺 , 成 功 的在 碳 化物基体表面形成一层 。一 梯度性的复合材料 , 由于 ‘ 系与 热膨胀 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 、 件 柱状晶 , 使整个材料 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 。 对 。 体 系层 状复合材料 , 日本的 川等用压 膜 法制得 。 · 层状 复合材料 , 其抗 弯强 度 为 法 国 的 氏 用 流延法制得 层 状 复合 材 料 , 其抗 弯强度 高达 , 平均断裂韧性 可达 · ’ , 。 , 」等制备了 由 一 、 或 与 一 混 合 物 组 成 的 层 状 结 构 复 合 材 料 , 厚 度 可 小 至 拜 , 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 , 减小颗粒之间远程静 电力 , 这 样 可以 避 免在离心沉积 中颗粒偏析 。 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 。 阳 等用 注浆法 制备 了 。 与 ’ 多层 材 ‘ 国家 自然科 学重 大基金 资助项 目 项 目编 号 联 系人 陈蓓 , 博士 研 究生 重庆 大学资源 中心 , 电话 一
强界面结合层状陶瓷研究现状及增韧机制/陈蓓等 29 料素胚,在1200~1600°C研究了Al2O3与TiO2反应合成 Al2TiO3的过程,层状材料提供了新的,非常有前景的研究反 由B. R. Lawn研究的在薄表面层下的应力强度因∫由卜 应历程的方法 式给出 Wang9等用干压法制备了层状结构材料AlO3/3Y TZP/Al2O1和ZTA/3YTZP/ZTA。他们采用“振动筛”技术 K=,b[2-()] 控制每层材料厚度及其均匀度,由成型压力控制界面的平整 综合公式(6)和(7),得到残余应力的表达式 度,每层用1~5MPa的压力成型,样品的总成型压力为 [0.016H h:2|2 80MPa,样品再经过200 MPaCIP进一步增加素胚密度,在空 气中1600°C烧结2h。 式中:E一基体材料的弹性模量;H一维氏硬度;P载荷 总的说来,强界面结合陶瓷的研充远没有弱结合界面研大小;c-裂纹长度;h-表面层厚度 究深入和广泛,虽然强结合界面材料的增韧效果没有弱结合 由此可以通过载荷大小、裂纹尺寸、硬度和弹性模计 界面提高显著,但强结合界面陶瓷表现出的整体性能优异性出残余应力大小 使其在工程领域对材料整体性能要求较高的场所得以应用。 以上两个层状材料的残余应力模型的建立是分别从不同 2强界面结合陶瓷材料增韧增强机制 层之间的热膨胀系数及弹性模量差引起的热应变机理和压痕 力学理论残余应力的存在,裂纹尖端的应力强度因了叠加原 层状复合陶瓷强韧化机制与传统上消除缺陷提髙机楲性 能的方法本质不同,它是一种能量耗散机制,其结构设计将使 理进行设计和推导的。对于不同的层状材料系统应作进北 强度和缺陷无关,成为一种耐缺陷材料对于强界面结合陶瓷的深入研究。层与层之间残余应力模型的建立和计觯为强界 材料,由于不同层之间热膨胀系数收缩率的不匹配或者某层面结合层状陶瓷设计制造提供理论依据和性能保证 中相变而使层间有应变差,不同层之间残余应力场的存在是3结论 主要的增韧增强机制 层与层之间的残余应力是由不同层的组成和厚度决定 目前层状陶瓷的研究比较广泛,特别是弱夹层结构层状 过大的残余应力将导致层裂或中间层的断裂因此,为了材料层状复合陶瓷的研究为脆性陶瓷的增强增韧提供∫新 获得较强的增韧增强效果,合适大小的残余应力控制和产生的途径通过材料的宏观尺度和显微结构设计,可以简单方使 是关键,目前对层状陶瓷的残余应力场模型建立及计算公式的制造出一种具有跨越不同尺度的多层次复杂结构的复合材 (1)由S.H和Z.S0"在199年建立的三层复合材料成分,复杂结构“的转变,增加单坛的强度,降低层的厚度,恰 不同层之间的残余应力由公式(1)给出 当增加界面粘结强度,是提高层状陶瓷材料断裂韧性的要 E 措施 (1) 层状复合陶瓷的研充虽然取得一些进展,但仍有许多 式中:E1、E分别代表中间层和表面层的杨氏模量;v、va分别 问题和理论问题需进一步的深入研究预计在今后几年里 代表中间层和表面层泊松比:,1分别代表中间层和表面层无论是在材料设计理论还是在制备工艺上仍然是研究的热 热膨胀系数;hw分别代表中间层和表面层厚度;是由于热点 膨胀失配引起的应变 在此基础上,Ho等推导出了一个能量释放率公式(3) 参考文献 G, (a )da (3)1黄勇,材料导报,2000,14(8):8 式中:G,为裂纹扩展的应变能量释放率,其表达式为 2张宝林,无机材料学报,1997,12(6):769 3 Sajgalik P ] Proceedings lNternational Synposium on )ta<t时 式中:a-裂纹长度;t-中间层厚度;E-中间层弹性 China, May 1994, 198 模量;0-拉应力 4 Jiang D L, She J H,et al. J Am Ceram Soc, 1992, 75: 2568 研究表明,层状结构材料中受张应力层中的穿层裂纹,在 Hiroaki Katsoki. Ceram Soc Jap, 1993,101(9): 1968 给定的残余应力下,存在一个临界层厚度,小于这个厚度,不6 Phippe boch, Cherry Chartier,etal. J Am Ceram Se, 论原先裂纹尺寸如何,都不会形成穿层裂纹以此为据可以可7 Marshall D B, Rattoj J, Lange F F. J A Ceran Soo 靠地制备无穿层裂纹的层状材料 I991,74(12):2979 (2)由压痕法测断裂韧性是近年来发展的脆性陶瓷断裂8 Wohlfromm H,etal. J Am Ceram Soc,1992,75(12): 韧性的新测试方法,其方法简单数据可靠有效。对于单块陶 瓷1,由压痕法测断裂韧性有公式(5)给出: 9 Wang Hui, Hu Xiaozhi. J Am Ceram Soc.. 1996,79(2): K-K.=0.0()”(品) 10 Ho S, Suo Z J Appl Mech, 1993, 60(12): 890 对于层状材料,表面层下端残余压应力a的存在必须考11 Lawn B R, Evans A g, MarshalL D B. J Am Ceram Soc 虑由残余应力引起的应力强度因子K,根据应力叠加的原 980,63(9-10):574 则,在裂纹尖端的应力强度因子K由下式给出: (责任蝙輯张明) 01994-2009chinaAcademicournalElectronicPublishingHousealLrightsreservedhttp://nw.cnki.ner
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 强 界 面 结 合层 状 陶 瓷研 究现状 及增 韧 机制 陈 蓓 等 料 素胚 , 在 研 究 了 与 反 应 合 成 的过 程 , 层 状材料提供 了新的 , 非常有前景 的研 究反 应历 程的方法 。 ’〕等 用 干 压 法 制 备 了 层 状 结 构 材 料 , 。 和 一 。 他们采用 “ 振动筛 ”技术 控制每层材料厚度及 其均 匀度 , 由成型 压 力控制界 面 的平整 度 , 每 层 用 的 压 力 成 型 , 样 品 的 总 成 型 压 力 为 , 样品 再经 过 进 一步增 加 素胚 密度 , 在 空 气呼 , 烧结 。 总的说来 , 强 界 面 结合陶 瓷的研 究远 没 有弱 结合界 面 研 究深 入 和广泛 , 虽然 强结合界 面 材料 的增 韧效果没 有弱 结合 界面提 高显 著 , 但强 结合界 面 陶瓷表现 出 的整体性能优 异性 使其在工程 领域对材料整体性能要求较高的场所得以 应用 。 一 一 , 由 研究的在薄表面 层 下的应 力强度因 山 卜 式给出 一 , ‘’ · 一 令门 综合公式 和 , 得 到残余应 力的 表达 式 。 一 。 · 。 嚼 嵘卜 · 〕 , , 一 卜 , 强界面结合陶瓷材料增韧增强机制 层状复合陶瓷强 韧化机制与传统上 消除缺 陷提高机械性 能的方法本质不同 , 它是一种能量耗散机制 , 其结构设计将使 强度和缺陷无关 , 成 为一 种耐缺陷材料 。 对于 强界面结合 陶瓷 材料 , 由于 不 同层 之 间热膨胀 系数 , 收缩率的不匹配或者某层 中相变而 使层 间有应变差 , 不 同层之 间残余应 力场 的存在是 主要 的增韧增强机制 。 层 与层 之 间 的残 余应 力是 由不 同层 的 组成 和 厚 度决 定 的 。 过 大的残 余应力将导致层裂或中间层 的断裂 , 因此 , 为了 获得 较强 的增 韧增 强效果 , 合适 大小的残余应力控制 和产生 是 关键 。 目前对层状陶瓷的残余应 力场模型建立及计算公式 要有以 下 两个方 面 由 和 ‘。 在 , 年建立的三层 复合材料 不 同层之 间的残余应 力由公式 ”给出 ‘ , 厂 , , 一 , 了一一一一 月 几下一下丁丁一一二了戈 一 乙 。 气 一 少 式中 , 、 。 分别代表中间层和表面层 的杨 氏模量 、 。 分别 代表中间层 和表面层 泊松 比 , 、 。 分别代表中间层和表面层 热膨胀 系数 分别代表中间层 和 表面 层厚度 ‘ 是 由于热 膨胀失配引起的应变 。 在此基础 上 , 。 等推导 出 了一个能量释放率公式 式 中 一 基 体材料的弹性 模 量 一 维 氏硬 度 载 简 大小 一 裂纹 长 度 。 一 表面层 厚 度 。 由此 可 以通过载荷大小 、 裂纹 尺 寸 、 硬 度和弹性模 量计摊 出残余应 力大小 。 以 上 两个层 状材料的残余应 力模型 的 建 立是 分别从 小同 层之间的热膨胀 系数及弹性模 量差 引起的热应变机理 和 曰良 力学理论残 余应 力的存在 , 裂纹 尖 端的应 力强 度因 了叠加燎 理进行设计和推导的 。 对 于 不同的层 状 材料 系统应 作进 步 的深入研 究 。 层 与层 之 间残余应 力模型的 建 立和 计算 为强 界 面结合层状陶瓷设计制造提供理 论依据 和性能保 证 。 结论 目前层状 陶 瓷的研究 比较广泛 , 特别是弱 火 结 构层 状 材料 , 层状 复合 陶瓷的研 究 为脆性 陶 瓷的增 强 埔 韧提 供 ’ 新 的途径 。 通过材料的宏观尺 度和 显 微结构设计 , 可以 简 单力 一 便 的制造 出 一种具有跨越不 同尺 度的 多层 次 复杂结构 的 复合材 料 , 从而 实现材料 设计思 路 从 “ 复 杂成分 , 简 单结构 ” 向 “ 简 单 成分 , 复杂结构 ”的转变 。 增加 单层 的强度 , 降低层的 厚度 , 恰 当增 加界 面粘结强度 , 是提高层 状陶 瓷材料 断裂韧性 的 一 要 措施 。 层状 复合 陶瓷的研 究虽然取得 一 些进 展 , 但仍有 许 多 艺问题和 理论 问题需进一步的深入研究 。 预 计在 今后 儿 年 ’卜 无 论是 在材料设 计理 论还 是 在制 备工 艺 卜仍 然 是研 究的热 点 。 一 ‘今马,」 音工 , · · 式中 , 为裂纹扩展 的应变能量释放率 , 其表达式为 一 ‘晋普令 · 时 性哎眨月 在不 式 中 一 裂纹 长度 一 中间层厚度 , 模量 。 一 拉应力 。 一 中间层 弹性 研究表明 , 层状结构材料 中受张应 力层 中的穿层裂纹 , 给 定的残余应 力下 , 存在一个临界层厚度 , 小于 这个厚度 , 论原 先裂纹尺 寸如何 , 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 。 由压 痕法 测 断裂韧性是近年来发展 的脆 性陶瓷断裂 韧 性的新测试方法 , 其方法简单 , 数据可靠有效 。 对于 单块 陶 瓷〔” 〕, 由压痕法测断裂韧性有公式 给 出 一 一 。 · 。, 鲁 ’“‘ 爆 对于 层状材料 , 表面 层 下端残 余压 应 力 。「 的存 在必须考 虑 由残余应 力引起 的应 力强度 因子 , , 根据应 力叠加 的原 则 , 在裂纹尖端的应力强度因子 。, 由下式给 出 参考文献 黄勇 材料导报 , , 张宝林 无机材料学报 , , ’卜 、 飞 《川 , 苦、 , 、 、 一, , , , , 一 , , , , , , 人 。 , , , , · 一 , , 一 , , 二 , , , , , , , , 一 责任 编 辑 张 明
