固体力学学报 VoL 21 No 4 ACTA MECHANICA SOL IDA SINICA December 2000 叠层结构陶瓷强韧化设计的力学分析 郭香华蔡乾煌 汪长安黄勇 (清华大学工程力学系,北京,10004(清华大学材料科学与工程系,北京,100089 摘要基于梁的理论和裂纹在异材界面上拐折与扩展条件,对叠层结构陶瓷弯曲试件的 强度与韧性进行了力学分析,获得叠层结构中陶瓷基片和界面层的材料性能、结构几何参数与 叠层结构弯曲强度、韧性间的定量解析关系给出相应的影响曲线,并对SN/BN叠层结构四点 弯曲试样断裂功的理论值与实验结果作对比讨论 关键词叠层结构陶瓷,载荷位移曲线,界面断裂韧性,强韧化设计 1引言 叠层结构强韧化设计的关键在于保强增韧近年来,仿生(如仿竹木、仿贝壳珍珠层)结 构材料的研制受到人们的重视叠层结构陶瓷就是较早出现的具有仿生特征的一种3.在 这种结构中,强而硬的陶瓷基片与相对弱而软的薄界面层相粘结.由于弱界面层的存在,当 结构中出现初始裂纹,在外载荷驱动下,裂纹在扩展过程中会发生沿界面的偏折与扩展,从 而使耗能増加,大大提高了断裂功.由于弱介质所占比例较小,可以使整体强度降低不大 Liu和Hsu4进行了SiN4BN叠层结构的研制和四点弯曲实验结果显示,对于平直排布叠 层结构,其平均断裂功可达6500J/m2.清华大学郭海等制备的SN/BN叠层结构的表观 断裂韧性达20.1MPam2,与SiN4块体材料相比提高了2.29倍.Ca和Eans对双层异 材四点弯曲试样进行了界面断裂韧性实验研究 Charalamibides等l从材料力学梁的理论出 发给出上述试样的界面能量释放率表达式 Phillipp等8从简单的叠层梁模型和弯曲强度 控制条件研究了界面裂纹对断裂功的影响本文利用梁的理论和裂纹在异材界面中的拐折 与扩展条件给出陶瓷多层结构的弯曲强度、韧性与基片(硬层)和界面层(薄软层)材料、几何 参数不同匹配的关系和影响曲线,并以SiN4BN叠层结构四点弯曲试样为例将力学分析结 果与实验结果进行对比讨论.由此得到的一些结论可为此类陶瓷叠层材料的设计与硏制提 供有益的参考 2叠层结构的弯曲强度 2.1力学模型及应力分析 图1所示为叠层结构四点弯曲试样的应力分析模型结构由硬层(陶瓷基片)与软层(界 ①国家自然科学基金资助项目(批准号:59632090) 19990618收稿 201994-2009ChinaacAdemicJournaleLectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki叠层结构陶瓷强韧化设计的力学分析 ① 郭香华 蔡乾煌 汪长安 黄 勇 (清华大学工程力学系 ,北京 ,100084) (清华大学材料科学与工程系 ,北京 ,100084) 摘 要 基于梁的理论和裂纹在异材界面上拐折与扩展条件 ,对叠层结构陶瓷弯曲试件的 强度与韧性进行了力学分析 ,获得叠层结构中陶瓷基片和界面层的材料性能、结构几何参数与 叠层结构弯曲强度、韧性间的定量解析关系 ,给出相应的影响曲线 ,并对 Si3N4/ BN 叠层结构四点 弯曲试样断裂功的理论值与实验结果作对比讨论. 关键词 叠层结构陶瓷 ,载荷2位移曲线 ,界面断裂韧性 ,强韧化设计 1 引言 叠层结构强韧化设计的关键在于保强增韧. 近年来 ,仿生(如仿竹木、仿贝壳珍珠层) 结 构材料的研制受到人们的重视. 叠层结构陶瓷就是较早出现的具有仿生特征的一种[1～3 ] . 在 这种结构中 ,强而硬的陶瓷基片与相对弱而软的薄界面层相粘结. 由于弱界面层的存在 ,当 结构中出现初始裂纹 ,在外载荷驱动下 ,裂纹在扩展过程中会发生沿界面的偏折与扩展 ,从 而使耗能增加 ,大大提高了断裂功. 由于弱介质所占比例较小 ,可以使整体强度降低不大. Liu 和 Hsu [4 ]进行了 Si3N4/ BN 叠层结构的研制和四点弯曲实验. 结果显示 ,对于平直排布叠 层结构 ,其平均断裂功可达 6500 J/ m 2 . 清华大学郭海等[5 ]制备的 Si3N4/ BN 叠层结构的表观 断裂韧性达 20. 1 MPa·m 1/ 2 ,与 Si3N4 块体材料相比提高了 2. 29 倍. Cao 和 Evans [6 ]对双层异 材四点弯曲试样进行了界面断裂韧性实验研究. Charalamibides 等[7 ]从材料力学梁的理论出 发给出上述试样的界面能量释放率表达式. Phillipps 等[8 ]从简单的叠层梁模型和弯曲强度 控制条件研究了界面裂纹对断裂功的影响. 本文利用梁的理论和裂纹在异材界面中的拐折 与扩展条件给出陶瓷多层结构的弯曲强度、韧性与基片(硬层) 和界面层(薄软层) 材料、几何 参数不同匹配的关系和影响曲线 ,并以 Si3N4/ BN 叠层结构四点弯曲试样为例将力学分析结 果与实验结果进行对比讨论. 由此得到的一些结论可为此类陶瓷叠层材料的设计与研制提 供有益的参考. 2 叠层结构的弯曲强度 2. 1 力学模型及应力分析 图 1 所示为叠层结构四点弯曲试样的应力分析模型. 结构由硬层(陶瓷基片) 与软层(界 第21卷 第4期 2000年 12 月 固 体 力 学 学 报 ACTA MECHANICA SOLIDA SINICA Vol. 21 No. 4 December 2000 ① 国家自然科学基金资助项目(批准号 : 59632090) . 1999206218 收稿