强界面结合层状陶瓷研究现状及增韧机制/陈蓓等 29 料素胚,在1200~1600°C研究了Al2O3与TiO2反应合成 Al2TiO3的过程,层状材料提供了新的,非常有前景的研究反 由B. R. Lawn研究的在薄表面层下的应力强度因∫由卜 应历程的方法 式给出 Wang9等用干压法制备了层状结构材料AlO3/3Y TZP/Al2O1和ZTA/3YTZP/ZTA。他们采用“振动筛”技术 K=,b[2-()] 控制每层材料厚度及其均匀度,由成型压力控制界面的平整 综合公式(6)和(7),得到残余应力的表达式 度,每层用1~5MPa的压力成型,样品的总成型压力为 [0.016H h:2|2 80MPa,样品再经过200 MPaCIP进一步增加素胚密度,在空 气中1600°C烧结2h。 式中:E一基体材料的弹性模量;H一维氏硬度;P载荷 总的说来,强界面结合陶瓷的研充远没有弱结合界面研大小;c-裂纹长度;h-表面层厚度 究深入和广泛,虽然强结合界面材料的增韧效果没有弱结合 由此可以通过载荷大小、裂纹尺寸、硬度和弹性模计 界面提高显著,但强结合界面陶瓷表现出的整体性能优异性出残余应力大小 使其在工程领域对材料整体性能要求较高的场所得以应用。 以上两个层状材料的残余应力模型的建立是分别从不同 2强界面结合陶瓷材料增韧增强机制 层之间的热膨胀系数及弹性模量差引起的热应变机理和压痕 力学理论残余应力的存在,裂纹尖端的应力强度因了叠加原 层状复合陶瓷强韧化机制与传统上消除缺陷提髙机楲性 能的方法本质不同,它是一种能量耗散机制,其结构设计将使 理进行设计和推导的。对于不同的层状材料系统应作进北 强度和缺陷无关,成为一种耐缺陷材料对于强界面结合陶瓷的深入研究。层与层之间残余应力模型的建立和计觯为强界 材料,由于不同层之间热膨胀系数收缩率的不匹配或者某层面结合层状陶瓷设计制造提供理论依据和性能保证 中相变而使层间有应变差,不同层之间残余应力场的存在是3结论 主要的增韧增强机制 层与层之间的残余应力是由不同层的组成和厚度决定 目前层状陶瓷的研究比较广泛,特别是弱夹层结构层状 过大的残余应力将导致层裂或中间层的断裂因此,为了材料层状复合陶瓷的研究为脆性陶瓷的增强增韧提供∫新 获得较强的增韧增强效果,合适大小的残余应力控制和产生的途径通过材料的宏观尺度和显微结构设计,可以简单方使 是关键,目前对层状陶瓷的残余应力场模型建立及计算公式的制造出一种具有跨越不同尺度的多层次复杂结构的复合材 (1)由S.H和Z.S0"在199年建立的三层复合材料成分,复杂结构“的转变,增加单坛的强度,降低层的厚度,恰 不同层之间的残余应力由公式(1)给出 当增加界面粘结强度,是提高层状陶瓷材料断裂韧性的要 E 措施 (1) 层状复合陶瓷的研充虽然取得一些进展,但仍有许多 式中:E1、E分别代表中间层和表面层的杨氏模量;v、va分别 问题和理论问题需进一步的深入研究预计在今后几年里 代表中间层和表面层泊松比:,1分别代表中间层和表面层无论是在材料设计理论还是在制备工艺上仍然是研究的热 热膨胀系数;hw分别代表中间层和表面层厚度;是由于热点 膨胀失配引起的应变 在此基础上,Ho等推导出了一个能量释放率公式(3) 参考文献 G, (a )da (3)1黄勇,材料导报,2000,14(8):8 式中:G,为裂纹扩展的应变能量释放率,其表达式为 2张宝林,无机材料学报,1997,12(6):769 3 Sajgalik P ] Proceedings lNternational Synposium on )ta<t时 式中:a-裂纹长度;t-中间层厚度;E-中间层弹性 China, May 1994, 198 模量;0-拉应力 4 Jiang D L, She J H,et al. J Am Ceram Soc, 1992, 75: 2568 研究表明,层状结构材料中受张应力层中的穿层裂纹,在 Hiroaki Katsoki. Ceram Soc Jap, 1993,101(9): 1968 给定的残余应力下,存在一个临界层厚度,小于这个厚度,不6 Phippe boch, Cherry Chartier,etal. J Am Ceram Se, 论原先裂纹尺寸如何,都不会形成穿层裂纹以此为据可以可7 Marshall D B, Rattoj J, Lange F F. J A Ceran Soo 靠地制备无穿层裂纹的层状材料 I991,74(12):2979 (2)由压痕法测断裂韧性是近年来发展的脆性陶瓷断裂8 Wohlfromm H,etal. J Am Ceram Soc,1992,75(12): 韧性的新测试方法,其方法简单数据可靠有效。对于单块陶 瓷1,由压痕法测断裂韧性有公式(5)给出: 9 Wang Hui, Hu Xiaozhi. J Am Ceram Soc.. 1996,79(2): K-K.=0.0()”(品) 10 Ho S, Suo Z J Appl Mech, 1993, 60(12): 890 对于层状材料,表面层下端残余压应力a的存在必须考11 Lawn B R, Evans A g, MarshalL D B. J Am Ceram Soc 虑由残余应力引起的应力强度因子K,根据应力叠加的原 980,63(9-10):574 则,在裂纹尖端的应力强度因子K由下式给出: (责任蝙輯张明) 01994-2009chinaAcademicournalElectronicPublishingHousealLrightsreservedhttp://nw.cnki.ner© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 强 界 面 结 合层 状 陶 瓷研 究现状 及增 韧 机制 陈 蓓 等 料 素胚 , 在 研 究 了 与 反 应 合 成 的过 程 , 层 状材料提供 了新的 , 非常有前景 的研 究反 应历 程的方法 。 ’〕等 用 干 压 法 制 备 了 层 状 结 构 材 料 , 。 和 一 。 他们采用 “ 振动筛 ”技术 控制每层材料厚度及 其均 匀度 , 由成型 压 力控制界 面 的平整 度 , 每 层 用 的 压 力 成 型 , 样 品 的 总 成 型 压 力 为 , 样品 再经 过 进 一步增 加 素胚 密度 , 在 空 气呼 , 烧结 。 总的说来 , 强 界 面 结合陶 瓷的研 究远 没 有弱 结合界 面 研 究深 入 和广泛 , 虽然 强结合界 面 材料 的增 韧效果没 有弱 结合 界面提 高显 著 , 但强 结合界 面 陶瓷表现 出 的整体性能优 异性 使其在工程 领域对材料整体性能要求较高的场所得以 应用 。 一 一 , 由 研究的在薄表面 层 下的应 力强度因 山 卜 式给出 一 , ‘’ · 一 令门 综合公式 和 , 得 到残余应 力的 表达 式 。 一 。 · 。 嚼 嵘卜 · 〕 , , 一 卜 , 强界面结合陶瓷材料增韧增强机制 层状复合陶瓷强 韧化机制与传统上 消除缺 陷提高机械性 能的方法本质不同 , 它是一种能量耗散机制 , 其结构设计将使 强度和缺陷无关 , 成 为一 种耐缺陷材料 。 对于 强界面结合 陶瓷 材料 , 由于 不 同层 之 间热膨胀 系数 , 收缩率的不匹配或者某层 中相变而 使层 间有应变差 , 不 同层之 间残余应 力场 的存在是 主要 的增韧增强机制 。 层 与层 之 间 的残 余应 力是 由不 同层 的 组成 和 厚 度决 定 的 。 过 大的残 余应力将导致层裂或中间层 的断裂 , 因此 , 为了 获得 较强 的增 韧增 强效果 , 合适 大小的残余应力控制 和产生 是 关键 。 目前对层状陶瓷的残余应 力场模型建立及计算公式 要有以 下 两个方 面 由 和 ‘。 在 , 年建立的三层 复合材料 不 同层之 间的残余应 力由公式 ”给出 ‘ , 厂 , , 一 , 了一一一一 月 几下一下丁丁一一二了戈 一 乙 。 气 一 少 式中 , 、 。 分别代表中间层和表面层 的杨 氏模量 、 。 分别 代表中间层 和表面层 泊松 比 , 、 。 分别代表中间层和表面层 热膨胀 系数 分别代表中间层 和 表面 层厚度 ‘ 是 由于热 膨胀失配引起的应变 。 在此基础 上 , 。 等推导 出 了一个能量释放率公式 式 中 一 基 体材料的弹性 模 量 一 维 氏硬 度 载 简 大小 一 裂纹 长 度 。 一 表面层 厚 度 。 由此 可 以通过载荷大小 、 裂纹 尺 寸 、 硬 度和弹性模 量计摊 出残余应 力大小 。 以 上 两个层 状材料的残余应 力模型 的 建 立是 分别从 小同 层之间的热膨胀 系数及弹性模 量差 引起的热应变机理 和 曰良 力学理论残 余应 力的存在 , 裂纹 尖 端的应 力强 度因 了叠加燎 理进行设计和推导的 。 对 于 不同的层 状 材料 系统应 作进 步 的深入研 究 。 层 与层 之 间残余应 力模型的 建 立和 计算 为强 界 面结合层状陶瓷设计制造提供理 论依据 和性能保 证 。 结论 目前层状 陶 瓷的研究 比较广泛 , 特别是弱 火 结 构层 状 材料 , 层状 复合 陶瓷的研 究 为脆性 陶 瓷的增 强 埔 韧提 供 ’ 新 的途径 。 通过材料的宏观尺 度和 显 微结构设计 , 可以 简 单力 一 便 的制造 出 一种具有跨越不 同尺 度的 多层 次 复杂结构 的 复合材 料 , 从而 实现材料 设计思 路 从 “ 复 杂成分 , 简 单结构 ” 向 “ 简 单 成分 , 复杂结构 ”的转变 。 增加 单层 的强度 , 降低层的 厚度 , 恰 当增 加界 面粘结强度 , 是提高层 状陶 瓷材料 断裂韧性 的 一 要 措施 。 层状 复合 陶瓷的研 究虽然取得 一 些进 展 , 但仍有 许 多 艺问题和 理论 问题需进一步的深入研究 。 预 计在 今后 儿 年 ’卜 无 论是 在材料设 计理 论还 是 在制 备工 艺 卜仍 然 是研 究的热 点 。 一 ‘今马,」 音工 , · · 式中 , 为裂纹扩展 的应变能量释放率 , 其表达式为 一 ‘晋普令 · 时 性哎眨月 在不 式 中 一 裂纹 长度 一 中间层厚度 , 模量 。 一 拉应力 。 一 中间层 弹性 研究表明 , 层状结构材料 中受张应 力层 中的穿层裂纹 , 给 定的残余应 力下 , 存在一个临界层厚度 , 小于 这个厚度 , 论原 先裂纹尺 寸如何 , 都不会形成穿层裂纹 。 以此 为据可 以可 靠地制备无穿层 裂纹 的层状材料 。 由压 痕法 测 断裂韧性是近年来发展 的脆 性陶瓷断裂 韧 性的新测试方法 , 其方法简单 , 数据可靠有效 。 对于 单块 陶 瓷〔” 〕, 由压痕法测断裂韧性有公式 给 出 一 一 。 · 。, 鲁 ’“‘ 爆 对于 层状材料 , 表面 层 下端残 余压 应 力 。「 的存 在必须考 虑 由残余应 力引起 的应 力强度 因子 , , 根据应 力叠加 的原 则 , 在裂纹尖端的应力强度因子 。, 由下式给 出 参考文献 黄勇 材料导报 , , 张宝林 无机材料学报 , , ’卜 、 飞 《川 , 苦、 , 、 、 一, , , , , 一 , , , , , , 人 。 , , , , · 一 , , 一 , , 二 , , , , , , , , 一 责任 编 辑 张 明