第31卷第8期 硅酸盐学报 vo.31,No.8 2003年8月 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY 强界面陶瓷层状复合材料优化设计的最佳层厚比探讨 苏盛彪,包亦望,杨建军 中国建筑材料科学研究院,北京100024) 摘要:针对提高材料整体强度的目标,通过对材料中应力状态与几何结构因素关系的分析,给出了强界面层状材料优化设计的最佳层厚比 原则。通过实验研究,探讨了AO3-14.31%zrO2/A2O-39.17%ZrO(质量分数,下同)层状材料的强度、断裂功和弹性模量等随着材料 残余应力的存在而发生变化的规律。A2O3-14.31%ZrO2/A2O3-39.17%ZrO23层材料的最佳层厚比理论计算值为4.14。实验结果表 明,最佳层厚比在249~4.36之间。在最佳层厚比处,抗拉强度、弹性模量、断裂功和 Vickers硬度均达到最佳值。实验进一步印证了理论 分析的正确性 关键词:氧化铝一氧化铬陶瓷;层厚比;层状陶瓷材料;材料设计;残余应力 中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:0454~5648(2003)08-0743-05 OPTIMAL LAYER THICKNESS RATIO FOR OPTIMIZATION OF CERAMIC LAMINATES SU Shengbiao, BAO Yiwang, YANG Jianjun China Building Materials Academy, Beijing 100024, China) Abstract: Relationship between stress distribution and geometrical factors in laminates with strong-bond interface was studied and an optimal layer thickness ratio for optimization of ceramic laminates was presented at the aim of enhancing strength. The variations of strength, fracture work and elastic modulus with the residual stress were experimentally investigated on Al, O3 14.31%Z O2/Al2Oa-39. 17%ZrO (in mass)alternative multi-layer composites. The theoretical value of optimal layer thick- ness ratio is 4. 14 and the experimental value is between 2. 49 and 4. 36 for three-layer composites. value of bending strength elastic modulus, fracture work and Vickers hardness is optimal when layer thickness ratio is among optimal value. The experi mental results are consistent with the theoretical prediction of the layer thickness ratio. Key words: alumina-zirconia ceramics; layer thickness ratio; laminate ceramic; material design: residual stress 层状陶瓷材料由于各层膨胀系数的差异,在材被人们所关注。以强界面结合的层状材料中残余应 料制备过程中由高温冷却到常温阶段,必将在材料力的存在状态,作者曾撰文做过较详细论述1 内部产生残余应力。残余应力在材料失效过程中起在此基础上,可进一步分析基于几何结构因素的影 着关键作用。目前,层状陶瓷复合材料的研究日趋响,从而确定层状材料优化设计的某些原则 深入,残余应力的理论计算和测试作为材料学、力 层状复合陶瓷独特的构型增加了设计陶瓷制品 学和应用物理学等学科交叉领域的前沿课题越来越的灵活性,研究者有很大余地进行有目的、有选择 收稿日期:2003-01-10。修改稿收到日期:2003-02-14 Received date 2003-01-10 Approved date: 2003-02-14. 基金项目:国家863项目(2001AA339010),国家杰出青年基金资助 Biography: SUn Shengbiao(1964-),male, doctor, senor engl 项目〔50125204),国家自然科学基金(59902007)资助项 日,北京市自然科学基金(2002019)资助项目 sbu@sohu.com 作者简介:苏盛彪(1964~),男,博士,高级工程师 201994-2009ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net第 卷第 期 年 月 硅 酸 盐 学 报 、 , , 强界面 陶瓷层 状复合材料优化设 计 的最佳 层 厚 比探讨 苏盛彪 , 包亦望 , 杨建军 中 国建 筑材料科学研究 院 , 北 京 摘 要 针 对 提高材料整体强 度 的 目标 , 通 过对材料 中应力状 态 与几何结 构因素关 系的分析 , 给出 了强 界 面层状材料优化设计 的最佳层 厚 比 原则 。 通 过 实验研究 , 探 讨 了 一 肠 一 〔质量 分数 , 下 同 层状材料的强度 、 断裂功 和 弹性模 量 等随 着材料 中残余 应 力 的存在 而 发 生 变化 的规律 。 一 一 层 材料 的最佳层 厚 比理 论计算 值为 。 实 验 结果 表 明 , 最佳层 厚 比在 一 之 间 。 在最佳层 厚 比处 , 抗 拉强 度 、 弹性 模量 、 断裂 功和 硬 度均达 到最佳值 。 实验进一 步印 证 了 理 论 分析 的正 确性 。 关键词 氧化铝一 氧化错 陶瓷 层 厚 比 层 状 陶瓷材料 材料设计 残余应 力 中图 分类号 文 献标 识码 文 章编 号 一 一 一 艺 , 玖 , 丫 少 , , 一 , , 一 。一 一 。 合 , , 一 层状 陶瓷材 料 由于各 层 膨 胀 系数 的差 异 , 在 材 料制备 过程 中由高温冷 却 到 常温 阶段 , 必 将 在材 料 内部 产生 残余应 力 。 残余应 力在 材 料失效 过程 中起 着关键作用 。 目前 , 层 状 陶瓷 复合材 料 的研 究 日趋 深人 , 残余应 力 的理 论 计 算 和测 试 作 为材 料 学 、 力 学 和应用 物理学 等学科交叉 领域 的前沿课题越来 越 被人们所关注 。 以强 界 面结合 的层 状 材料 中残余应 力 的存 在 状 态 , 作 者 曾撰 文 做 过 较 详 细 论 述〔‘一 〕 。 在此基础 上 , 可进一 步分析基 于几 何结构 因素 的影 响 , 从 而确定层状材料优化设计 的某些 原则 。 层状复 合 陶瓷独特 的构 型增 加 了设计 陶瓷制 品 的灵 活性 , 研究者有很 大余地 进行有 目的 、 有 选 择 收 稿 日期 基 金 项 目 一 一 。 修改 稿收到 日期 一 一 。 国家 项 目 , 国家杰 出青年基金资助 项 目 , 国 家 自然科学 基 金 资 助 项 目 , 北 京 市 自然科学基金 资 助项 目 。 苏盛彪 一 , 男 , 博士 , 高级工程 师 。 一 一 少 勿 一 , 一 一 一 , 作 者 简 介