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