硅酸盐 2003年 图4A-10Z/A-30Z3层材料强度a与内层厚度h ig.4 Relationship of strength o and inner layer thick 图2A-10Z/A-30Z3层状材料光学显微镜照片 Fig2 Optical micrograph of A-10Z/A-30Z laminate ness hz in A-10Z/A-30Z laminate material with three layers 该3层结构的层厚比存在着一最佳值。从图4可 见,3层材料的最大抗弯强度出现在表层厚度为 0.28~0.43 即层厚比在 49之间 A-10Z和A-30Z材料的弹性模量、热膨胀 系数和强度分别是291.12GPa,9.1×10-6℃, 和270.10GPa,9.7×106℃1,522 MPa。由高温蠕变和松弛实验可知,A-10Z/A 30Z材料在1200~1250℃之间开始出现较大的高 温蠕变和应力松弛现象。因此,材料热残余应力形 0.35 成的有效温度区间△T≈1200℃。取材料常数n 8,根据上述最佳层厚比的计算可得最佳层厚比为 图3A-10Z/A-30Z11层材料侧面的扫描电镜背散射图 14。此时,表层厚度为0.29mm,内层厚度为 Fig3 Backscattering photograph of A-102/A-30z2.42mm,材料表面的最大残余压应力为185 laminate material with 11 layers in SEM MPa。可见实验值和计算值基本吻合。 实验采用的3层试样总厚度为3mm。当表层 根据Ⅴ /irkar等1和 Cutler等10的研究,表层 为压应力的3层材料的抗弯强度应等于表层材料强 厚度趋于0时,3层材料的层厚比将趋于无穷大。度与表面残余压应力的加和 为更直观地表示,强度与层厚比的关系,将层厚比 转变成内层厚度作图,如图4所示。A-102/A-其中:G为弯曲强度;表层材料强度;o为表面残 30Z3层层合材料的抗弯强度均比A-10Z和A-余压应力。显然,图4中A-10Z/A-30Z层合材 30Z块体材料高。随着内层厚度的增加,强度增大。料与A-10Z单体材料相比,其强度的增加远大于 即在某一范围内,层厚比越大,强度越高。根据上层合结构在表面层中所形成的残余压应力。这主要 述的理论计算可知,由于层厚比的增大,表层材料是由于在烧结过程中,层合材料表层A-102由于 的残余压应力将大幅度提高。同时,内层的拉应力残余压应力的作用,烧结的致密化程度提高,从而 也被大幅度削减了,这对材料强度提高极为有利。使层合材料的表层强度较A-107单体材料有很大 提高。显然,式(22)只有在表层首先出现开裂的情 由此可知,材料表面残余压应力对材料强度的提高况下才适用。当层厚比超过其最佳值时,失效将从 的作用是显著的。但表层厚度也并非越溥越好。在中间层首先发生。此时,式(2)不再适用 外载荷作用下,随着层厚比的增大,中间拉应力层 图5是A-10Z/A-30Z3层层状材料弹性模 的下表面所承受的外载应力水平也在增加。因此,量E和断裂功W随内层厚度h2(层厚比)的变化 o1994-2009ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net硅 酸 盐 学 报 年 芝匕曰 一 。 与 内层 厚 度 图 一 一 层 状材料光学显微镜照 片 一 一 图 一 一 层 材 料 强 度 的关 系 一 一 图 一 一 层 材料侧 面 的扫描 电镜 背散射 图 一 一 实验 采用 的 层 试 样 总 厚 度 为 。 当表 层 厚度 趋 于 。 时 , 层 材 料 的层 厚 比将 趋 于 无 穷 大 。 为更 直观地 表 示 , 强 度 与 层 厚 比 的 关 系 , 将 层 厚 比 转变成 内层 厚 度 作 图 , 如 图 所 示 。 一 一 层 层 合 材 料 的抗 弯强 度 均 比 一 和 一 块体材料高 。 随着 内层 厚度 的增 加 , 强度 增 大 。 即在某一 范 围 内 , 层 厚 比越 大 , 强 度 越 高 。 根 据 上 述 的理论计算可知 , 由于 层 厚 比 的增 大 , 表 层 材 料 的残 余压应 力将 大 幅度 提 高 。 同 时 , 内层 的拉 应 力 也 被大 幅度 削 减 了 , 这 对 材 料 强 度 提 高 极 为 有 利 。 由此可 知 , 材料 表面残余压应 力 对 材 料 强 度 的提 高 的作用 是显 著 的 。 但 表层 厚度 也并 非 越 薄越 好 。 在 外载荷作用下 , 随着 层 厚 比 的增 大 , 中间拉 应 力 层 的下 表 面所 承受 的外 载应 力水平也 在增 加 。 因此 , 该 层结 构 的层 厚 比存 在 着 一 最 佳 值 。 从 图 可 见 , 层 材 料 的 最 大 抗 弯 强 度 出 现 在 表 层 厚 度 为 , 即层 厚 比在 一 之 间 。 一 和 一 材 料 的 弹 性 模 量 、 热 膨 胀 系数 和 强 度 分 别 是 , 一 “ ℃一 ‘ , 和 , 一 一 ‘ , 。 由高温蠕 变 和 松 弛 实 验 可 知 , 一 一 材 料在 一 ℃之 间开始 出现较 大 的高 温蠕 变 和应 力 松 弛现 象 。 因此 , 材 料 热残 余应 力形 成 的有效温度 区 间 △ 、 ℃ 。 取材料 常数 , 根据上 述 最 佳 层 厚 比 的计 算 可 得 最 佳 层 厚 比为 。 此 时 , 表 层 厚 度 为 , 内层 厚 度 为 , 材 料 表 面 的 最 大 残 余 压 应 力 为 。 可 见实验值和计算值基 本 吻合 。 根 据 等〔 〕和 等仁‘ 的 研 究 , 表 层 为压应力 的 层材料 的抗 弯强 度应 等 于 表层 材料 强 度 与 表面残余压应 力 的加 和 叮 其 中 。 为弯 曲强度 。 表层 材 料 强 度 。 为 表 面残 余压应 力 。 显 然 , 图 中 一 一 层 合 材 料 与 一 单体材 料 相 比 , 其 强 度 的增 加 远 大 于 层合结构在表 面层 中所形成 的残 余压 应 力 。 这 主要 是 由于 在烧结过 程 中 , 层 合材 料 表 层 一 由于 残余压应 力 的作用 , 烧 结 的 致 密 化 程 度 提 高 , 从 而 使层合材料 的表层 强 度较 一 单体 材 料 有 很 大 提高 。 显然 , 式 只有 在 表层 首 先 出现 开 裂 的情 况下 才适用 。 当层 厚 比超 过 其 最 佳 值 时 , 失 效将 从 中间层 首先发 生 。 此 时 , 式 不 再适用 。 图 是 一 一 层 层 状 材 料 弹 性 模 量 和 断裂 功 随 内层 厚 度 层 厚 比 的变 化