6期 张宝林等:层状结构陶瓷复合材料 771 同样也可制备氮化硅层状结构 材料,而层与层之间由氮化硼弱化界 面1,需要注意的是界面要均匀地弱 化,如果某处层与层之间是强结合 裂纹将可能沿此处扩展到下一层,而 失去增韧作用 Clegg还指出,此方法可采用其 它的形态及原料,如氧化锆粉末与塑 料的混合物挤压成型为直径为150m 08。g 的纤维,将这些纤维压成绳状结构, 然后烧结,得到的材料的断裂功比单 相的高10倍,其增韧机理一样 图2层状SiC材料开槽试样在三点抗弯实验中的载荷 我们认为:Cleg的这种层状结位移行为曲线 构复合材料的增韧机理是每一层上都Fig2 The load-deflection hehavior of the sic laminates 要产生新的临界裂纹,产生新的临界 tched and testedl in a three point bend test 裂纹需 能量,就是这部分 量产生了增韧效果.但这不失为一种新的增韧概念.陶瓷材料虽具有很高的强度,然而裂 纹一且达到临界裂纹尺寸(在陶瓷中一般很小而扩展,巾于裂纹尖端的应力集中,剩下的 材料对阻碍裂纹扩展的贡献已经很小.而在层状结构材料中裂纹在层间发生偏转,消除了 裂纹在下一层中的应力集中,在外力作用下,下一层材料中某处薄弱点将产生新的临界裂 纹再扩展下去,实验中观察到的每一层中的裂纹随机产生,裂纹扩展途径由多条分段裂纹 组成,而不是象其他陶瓷中的裂纹,呈近似一条线(从测面观察)扩展到底 22强界面结合层状结构陶瓷复合材料 Wag等田用干压方法制备了层状结构材料(长方41×42m)Al2O3/3YzP/A2O3(总 厚度33m,Al2O3为100m)和zTA(85wt%Al2O3)/3YTZP/2TA(总厚度465m,2TA 为40μm).他们采用“振动筛”技术控制每层材料的厚度及其均匀度,由成型压力控制界面 的平整度,成型压力越高,界面越平整将与50%乙醇+50%甘油按比例混合的粉料依次经 过振动筛后进入模具,每层用1~5MPa的压力成型(根据具体的实验条件来定),最后样品 的总成型压力为80MPa,样品再经过200 MPa cip进一步增加素坯密度,在空气中1600°C 烧结2h 干压成型制备层状结构复合材料简单而有效,对于直径不大的样品(如12m,层厚度 >100-m),用陶瓷粉末直接按顺序装填入模具,每层之间用一小力挤压(手压即可),整个 样品干压,热压烧结可制得界面清晰平整、结合良好的样品 对于强界面结合的层状材料,层与层之间通常产生内应力,其决定因素有材料之间的 烧结收缩率差及热膨胀系数差,这二者的影响又受具体的材料烧结过程制约. 层状材料的层厚度对层与层之间残余应力的影响也很重要,这方面的工作我们正在进 行中 3YTzP具有比Al2O3及ZTA都高的烧结收缩率和热膨胀系数,所以在复合材料的表 面层中将产生压应力,而在中问基体层将产生张应力.如果选用厚的表面层,这个张应力 会大到使中间层产生裂纹而破裂. 压痕实验表明,ZTA/3YTzP/ZTA材料表面压痕裂纹与单相zTA相比,扩展受到很大 抑制·测量裂纹长度,计算得单相ZTA的断裂韧性为43 MPa.Im1/2,而ZTA/3YTzP/2TA 的为137MPam12 ZTA/3Y-TzP/zTA表面层受的残余压应力,计算大约为1GPa.也是因为这个残余应力 的存在,在用碳化钨球固定载荷循环冲压下(在ZTA面上),zTA/3Y-TzP/ZTA显示出比 o1994-2009ChinaAcademicournalElectronicPublishingHousealLrightsreservedhttp://rww.cnki.ner© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 期 张 宝 林等 层 状 结构 陶瓷复合材料 闷勺七,月 同 样 也 可制 备 氮 化 硅 层 状 结 构 材料 , 而层与层 之 间 由氮化硼 弱化界 面 , 需要 注意 的是界 面要均 匀地 弱 化 , 如果某处层 与层 之 间是强 结合 , 裂纹将可能沿此处扩展 到 下一层 , 而 失去增 韧作 用 还 指 出 , 此 方法 可采用 其 它 的形 态及原料 , 如 氧化 错 粉末与塑 料的混 合物挤压成型 为直径为 , 的纤维 , 将这些 纤维压成 绳 状结构 , 然后烧结 , 得 到 的材料 的 断裂功 比单 相 的高 倍 , 其增 韧机理 一 样 我 们认为 的这 种层 状结 构复合材料 的增 韧机理 是 每一 层上 都 要产生新的 临界裂纹 , 产生 新 的 临界 裂纹需要很 大的能量 , 就是这 部分能 矛 如 图 层 状 材料开 槽试样 在 三点抗 弯实验 中的载荷 位 移行 为 曲线 一 、 、 一 、 一〔一 ‘ ‘ ‘ 一 一 ‘ , 一 , 量产 生 了增 韧 效 果 但这 不 失 为一 种新 的增 韧概 念 , 陶 瓷材料 虽具 有很 高 的强度 , 然而 裂 纹一旦达到 临界裂纹 尺 寸 在 陶 瓷 中一般 很 小 而 扩 展 , 由于 裂纹尖 端 的应 力 集 中 , 剩下的 材料对阻碍裂纹扩 展 的贡 献 已 经 很 小 而 在层 状 结构材 料 中裂纹在层 间发生偏转 , 消除 了 裂纹 在下 一层 中的应力 集 中 , 在外力 作用 下 , 下 一层 材 料 中某处 薄弱 点将产生新 的临界 裂 纹再扩展 下 去 , 实验 中观察 到 的每一 层 中的裂纹 随机 产 生 , 裂 纹 扩 展 途径 由多 条分段 裂纹 组成 , 而不是象 其他 陶 瓷 中的裂 纹 , 呈 近 似 一条 线 从测 面观 察 扩 展 到 底 · 强 界面 结 合层 状 结构 陶 瓷 复合材 料 等 ‘ 用 干 压方法 制 备 了层 状 结 构材 料 长 方 , , , 一 总 厚度 , 为 ‘, 和 一 , 吸 总厚度 , , , 以 为 ’ 他 们采 用 “ 振 动筛 ” 技 术控 制每层 材 料 的厚度 及 其均匀度 , 由成 型 压 力控制界 面 的平整度 , 成 型 压力越高 , 界 面越平整 将与 乙 醇 甘 油按 比例混 合的粉料依次经 过 振动筛后进入 模具 , 每层 用 、 入 的压 力成 型 根据具 体的实验条件来定 , 最后 样 品 的 总成 型压力为 , 样品 再经 过 、、 进一 步增加素坯 密度 , 在空 气中 烧结 干压成 型制 备层状结构 复合材 料 简单而 有效 , 对 于 直 径不大 的 样 品 如 , 层 厚度 ’ , 用 陶 瓷 粉末直接按 顺 序装 填入 模 具 , 每层 之 间用 一 小 力挤 压 手压 即 可 , 整 个 样 品干 压 , 热 压烧结 可制 得 界 面清 晰平整 、 结合 良好 的 样 品 ’ 对于 强 界 面结合 的层 状 材料 , 层 与层 之 间通 常产 生 内应 力 , 其决定 因素有材料之 间的 烧结收 缩率差及 热膨 胀 系数 差 , 这 二 者 的影 响又 受具 体的材料烧结过 程 制约 层 状材料 的层 厚度 对层 与层 之 问残余应力 的影 响也很 重要 , 这 方 面 的工作我 们正 在进 行 中 具有 比 及 都高 的烧结收 缩 率和 热膨 胀 系数 , 所 以在复合材料 的表 面层 中将产生压应力 , 而 在 中间基体层 将产生张应 力 如 果选 用厚 的表 面 层 , 这个 张应力 会 大到 使 中间层 产生 裂纹 而 破裂 压痕 实验表 明 , 邝 一 材料表面 压 痕裂纹与单相 相 比 , 扩展 受到 很大 抑 制 · 测 量裂 纹长 度 , 计算 得 单相 的断 裂韧性 为 ‘ , 而 一 的为 · ‘ 一 表 面层 受 的残 余 压应 力 , 计算大 约 为 也是 因为这 个残余应力 的存在 , 在 用 碳化 钨 球 固 定载荷循 环 冲压 下 在 面上 , 邝 一 显 示 出 比