第12卷第6期 无机材料学报 Vol. 12. No. 6 1997年12月 Journal of Inorganic Material Dec, 1997 层状结构陶瓷复合材料 张宝林庄汉锐 (中国科学院上海珪酸盐研究所上海20050) Sajgallk p (Institute of Inorganic CheNistry, Slovak Academy of Sciences Dibravska cesta 9, SK-842 36 介绍了弱界面结合的和强界面结合的两类层状结构陶瓷复合材料的制备方法、独特 的韧性等力学性能及增韧机理.裂纹沿界面的完全偏转及层中的残余应力分别是两类复 合材料具有特殊力学性能的原因 关键词层状材料,结构陶瓷,制备,力学性能 引言 在陶瓷材料的制备过程中,产生一些内在的缺陷,如孔洞、杂质、异常大的晶粒及弱结 合的晶界;在陶瓷加工及使用中或甚至不小心的拿放磕碰,又造成一些外在的缺陷,象划 痕、小的坑洼和裂纹.所有这些缺陷都可能发展成为导致材料断裂的临界裂纹.这是陶瓷 材料在应用中性能不可靠的原因.为了增加陶瓷材料的可靠性,通常采用两种办法,一是 减小裂纹缺陷尺寸,受陶瓷合成与加工工艺限制,往往事倍功半;另一办法是增加断裂韧 性,如采用晶须(或自补强)及纤维补强,取得一定效果,晶须补强的效果有限,而且带来 混料和烧结中的困难;适合作陶瓷增强的纤维材料很少,成本又太高.人们在不断地寻找 新的增韧途径,层状结构陶瓷复合材料巾两层或多层相同或不相同的材料组成,界面可以 是强结合的,或由弱力学性能材料,如石墨(2或氮化硼弱化的.经过设计的层状材料可 具有在特定方向上对裂纹的容忍性(或称不敏感性),包括最具破坏性的表面裂纹 Wang等(研究了zTA/3Y-TzP/ZTA和Al2O3/3YTzP/Al2O3三明治状结构复合材 料,由于3YTzP材料比zTA及Al2O3具有大的烧结收缩率及热膨胀系数,在表面层材料中 产生压应力,增加了材料的断裂功,也即对表面层中裂纹产生额外的压应力抑制其扩展, 复合材料的有效断裂韧性从单相zTA材料的43MPam1/2增加到137MPam212 观线余ik等制备了不同显微结构或不同组成材料构成的多层SiN,基复合材料,发 材料的强度及韧性都较单相材料高,并表现出准塑性现象 Cleg2研究了石墨存在于界面的SC多层复合材料抗弯断裂行为,当裂纹扩展到界 面时发生完全偏转,没有扩展到下一层,而在下一层中必须产生新的临界裂纹再扩展,产 生新的裂纹需要很大的能量,这样得到的复合材料有效断裂韧性大为增加,达15MPam42 国外对具有特殊结构及性能的层状材料研究很多~10,国内作此方面工作较少 本文将层状结构陶瓷复合材料分成两类:(1)弱界面结合;(2)强界面结合层状结构陶 瓷复合材料.由于在特定方向具有优越的韧性、强度及硬度,层状结构陶瓷材料可望在特 殊的工况条件下找到用处,在理论方面是提高材料力学性能的新探索 1996年10月11H收到初稿,11月25日收到修改稿 201994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHousealLrightsreservedhttp:/hrww.cnki.nter© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 期 无 机 材 料 学 报 一 一 一 ‘ , , 第 卷 第月 年 层 状 结 构 陶 瓷 复 合材 料 ’ 张 宝林 庄 汉 锐 中 国 科 学院上 海 硅 酸 盐研 究 所 上 海 魂 二 , 五 , 叮 说 丘 , 一 “ , 摘 要 介 绍 了弱 界 面结合 的和强界 面结合 的两类层状结构 陶瓷复合材料的制备方法 、 独特 的韧性等力学性 能及增韧机理 裂纹 沿界 面 的完全偏 转及 层 中的残余应力分别是两类复 合材料具有特殊力学性 能 的原 因 关 键 词 层 状材料 , 结构 陶瓷 , 制备 , 力学性 能 引言 在 陶瓷材料 的制 备过 程 中 , 产 生 一 些 内在 的缺 陷 , 如 孔洞 、 杂质 、 异常大 的晶粒及 弱 结 合 的晶界 在 陶 瓷加工及 使用 中或甚 至 不 小心 的拿放磕 碰 , 又 造 成 一 些外在 的缺 陷 , 象划 痕 、 小 的坑洼和 裂纹 所有这 些缺 陷都可能 发展 成 为导 致材料断裂的 临界裂纹 这 是 陶 瓷 材料在应用 中性能不 可 靠 的原 因 为 了增 加 陶 瓷材料 的可靠性 , 通常采用 两 种办法 , 一是 减小裂纹缺 陷尺寸 , 受 陶 瓷合成 与加 工工 艺 限制 , 往往 事倍功半 另 一 办法是增 加 断裂韧 性 , 如采用 晶 须 或 自补 强 及 纤 维补强 , 取 得 一定 效果 , 晶须 补强 的效果 有限 , 而且带来 混 料和 烧结 中的 困 难 适 合作 陶 瓷增 强 的 纤维 材料很 少 , 成本又 太高 人 们在 不 断地 寻 找 新 的增韧途径 , 层 状结构 陶 瓷复合材料 由两层 或多层 相 同或不相 同 的材料组成 , 界 面可 以 是强 结合 【 的 , 或 山弱 力 学性 能材料 , 如石 墨 或氮化硼 弱化 的 经过设 计的层 状材料可 具有在特定方 向上对裂纹 的容 忍性 或称不 敏 感性 , 包括最具破坏 性 的表 面裂纹 · 等 【 】研 究 了 邝 一 和 邝 一 三 明 治 状 结构复 合材 料 , 由于 材料 比 及 具有大的烧结收缩率及热膨胀系数 , 在表面 层 材料 中 产生 压应力 , 增 加 了材料 的 断裂功 , 也 即对表 面 层 中裂纹 产生额 外 的压应力抑 制其扩展 , 复合材料 的有效 断裂韧性从单相 材料 的 ‘ 增 加到 ‘ 息 等 ’ 制 备 了不 同显 微结构或不 同组成 材料构成 的多层 基复合材料 , 发 现多层 材料 的强 度及 韧性都较单相材料高 , 并表现 出准 塑性现象 , 研 究 了石 墨 存在 于 界 面 的 多 层 复合材 料 抗 弯断裂行为 , 当裂纹扩展 到 界 面时发生完全偏转 , 没 有扩展 到 下一层 , 而 在 下一层 中必 须产 生新 的临界 裂纹再扩 展 , 产 生新 的裂纹需要很 大 的能量 , 这 样得 到 的复 合 材料有效断裂韧性大 为增 加 , 达 “ 国外对具有特殊结构及性 能的层 状 材料研 究很 多 卜 , 国 内作此 方面 工作较少 本文将层状结构陶瓷复合材料分成两类 弱界 面结合 强 界面结合层状结构 陶 瓷复合材料 由于 在特定方 向具有 优越 的韧性 、 强 度 及 硬度 , 层 状结构 陶 瓷材料可望在特 殊 的工况条件下找到 用 处 , 在理论方面 是提高材料力学性能的新探索 , 年 月 日收到 初 稿 , 月 日收到 修改稿