4期 钱晓倩等:层状复合陶瓷强韧化机制及其优化设计因素521 断裂功)、增强(提高抗弯强度)机制进行分析」 2.1层状复合陶瓷增韧 2.1.1弱界面裂纹偏转增韧 此设计有意在两层高强度的基体间引入弱薄层,夹层的要求是弱足以偏转裂纹,强必须 有一定的压缩和剪切性能.qegg等用SiC粉末(掺硼)制成薄层,用胶态石墨覆涂,压制 成型后,无压烧结制成SC/石墨层状复合陶瓷.实验用层状和单块SiC陶瓷(仅无石墨层, 其它条件相同)进行比较.研究表明,层状表观断裂韧性从单体的3.6Ma·m2增长到 17.7MPam",断裂功从28Jm增加到4625J 图1是用三点开槽抗弯法测SC/石墨 单块SC一样,层状材料也会以线弹性方式÷/ 层状梁的负载一位移曲线,加载过程中和 变形,当应力强度大到一定程度时,开槽写下 处裂纹开始生长,不同的是裂纹不是直接 穿透样品.当裂纹尖端前移到达第一层横 断界面时,由于石墨层较弱、薄,裂纹尖 Deflection/mm 端不受约東,由三向应力变为二同应力 (a=0),塑性区范围变大,再加上裂纹尖 图1开槽三点弯曲测试SC单体及SC/石 端被钝化,穿层扩展受到阻碍,裂纹沿着 墨复合物负载一位移曲线 界面偏转,成为界面裂纹( interfacial Fig. I Load displacement curves of grooved SiC crack),裂纹在石墨层中穿行,扩散过程中 mmlith and SiC/C composte samples loaded by 能量被释放.虽然负载的增长没有裂纹生 three point tensile stress 长前迅速,但由于裂纹的偏转还是在持续增长.裂纹生长将穿透至下一层,本层的失效使负 载第一次下降,但随着新的偏转,负载值又重新上升,这一过程重复发生,穿层裂纹和界面 裂纹交替发生,直至完全破裂,所以在达到最大负载点后,失效不是突变的. Vandepeer已成 功利用电泳成型法用SC和石墨制备出陶瓷管,向实用方面迈开了一大步 2.1.2延性夹层裂纹桥联增韧 延性夹层可以是金属,也可以是延性树脂,以连续层状形式存在,延性层发生较大程度 的塑性变形来消耗、吸收能量,塑性变形区也会导致裂纹尖端屏蔽,使裂纹钝化,并在裂 纹尾部被拉伸和形成桥联,减小裂纹尖端的应力强度因子,减缓裂纹扩展速度,阻止裂纹进 步张开,从而改善材料断裂韧性.图2显示材料表现出层状特有的阶梯式断裂:裂纹在扩 展过程中发生偏转,并从起点开始沿传播方向呈阶梯状扩展,尽管出现多层断裂,但由于金 属层的拉伸,形成宏观桥联,裂纹并未张开, Pateras等对陶瓷/金属层状复合物中桥联键的 断裂在能量吸收中的作用作了详细的研究 2.1.3叠加互补增韧 陶瓷材料不显示R曲线行为(图3A线),但可引入第二相激发R曲线,使韧性有很大 提高,可使强度在一定范围内基本与缺陷尺寸无关,但是以牺牲小缺陷时强度为代价(B 按图3中的虚线C提示设计一个三层复合物C,外层用A材料,内层用B材料,并调整 表面层厚度以得到最佳强度 C J. Russo制得的复合陶瓷",外层是高强A2O3+20%钛酸铝 201994-2009ChinaAcademicJourmalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net断裂功) 、增强 (提高抗弯强度) 机制进行分析 : 211 层状复合陶瓷增韧 21111 弱界面裂纹偏转增韧 此设计有意在两层高强度的基体间引入弱薄层 , 夹层的要求是弱足以偏转裂纹 , 强必须 有一定的压缩和剪切性能 1Clegg 等 [6 ]用 SiC 粉末 (掺硼) 制成薄层 , 用胶态石墨覆涂 , 压制 成型后 , 无压烧结制成 SiCΠ石墨层状复合陶瓷 1 实验用层状和单块 SiC 陶瓷 (仅无石墨层 , 其它条件相同) 进行比较 1 研究表明 , 层状表观断裂韧性从单体的 316MPa·m 1Π2 增长到 1717MPa·m 1Π2 , 断裂功从 28J·m - 2增加到 4625J·m - 2 1 图 1 开槽三点弯曲测试 SiC 单体及 SiCΠ石 墨复合物负载 —位移曲线 Fig11 Load displacement curves of grooved SiC monolith and SiCΠC composite samples loaded by three point tensile stress 图 1 是用三点开槽抗弯法测 SiCΠ石墨 层状梁的负载 —位移曲线 , 加载过程中和 单块 SiC 一样 , 层状材料也会以线弹性方式 变形 , 当应力强度大到一定程度时 , 开槽 处裂纹开始生长 , 不同的是裂纹不是直接 穿透样品 1 当裂纹尖端前移到达第一层横 断界面时 , 由于石墨层较弱、薄 , 裂纹尖 端不受约束 , 由三向应力变为二向应力 (σzz = 0) , 塑性区范围变大 , 再加上裂纹尖 端被钝化 , 穿层扩展受到阻碍 , 裂纹沿着 界面 偏 转 , 成 为 界 面 裂 纹 ( interfacial crack) , 裂纹在石墨层中穿行 , 扩散过程中 能量被释放 1 虽然负载的增长没有裂纹生 长前迅速 , 但由于裂纹的偏转还是在持续增长 1 裂纹生长将穿透至下一层 , 本层的失效使负 载第一次下降 , 但随着新的偏转 , 负载值又重新上升 , 这一过程重复发生 , 穿层裂纹和界面 裂纹交替发生 , 直至完全破裂 , 所以在达到最大负载点后 , 失效不是突变的 1Vandeperre 已成 功利用电泳成型法用 SiC 和石墨制备出陶瓷管 , 向实用方面迈开了一大步 [7 ] 1 21112 延性夹层裂纹桥联增韧 延性夹层可以是金属 , 也可以是延性树脂 , 以连续层状形式存在 1 延性层发生较大程度 的塑性变形来消耗、吸收能量 , 塑性变形区也会导致裂纹尖端屏蔽 , 使裂纹钝化 [8 ] , 并在裂 纹尾部被拉伸和形成桥联 , 减小裂纹尖端的应力强度因子 , 减缓裂纹扩展速度 , 阻止裂纹进 一步张开 , 从而改善材料断裂韧性 1 图 2 显示材料表现出层状特有的阶梯式断裂 : 裂纹在扩 展过程中发生偏转 , 并从起点开始沿传播方向呈阶梯状扩展 , 尽管出现多层断裂 , 但由于金 属层的拉伸 , 形成宏观桥联 , 裂纹并未张开 [9 ] , Pateras 等对陶瓷Π金属层状复合物中桥联键的 断裂在能量吸收中的作用作了详细的研究 [10 ] 1 21113 叠加互补增韧 陶瓷材料不显示 R2曲线行为 (图 3A 线) , 但可引入第二相激发 R2曲线 , 使韧性有很大 提高 , 可使强度在一定范围内基本与缺陷尺寸无关 , 但是以牺牲小缺陷时强度为代价 (B 线) 1 按图 3 中的虚线 C 提示设计一个三层复合物 C , 外层用 A 材料 , 内层用 B 材料 , 并调整 表面层厚度以得到最佳强度 1C1J1Russo 制得的复合陶瓷 [11 ] , 外层是高强 Al2O3 + 20 %钛酸铝 4 期 钱晓倩等 : 层状复合陶瓷强韧化机制及其优化设计因素 521