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    氧化鋁陶瓷的5種增韌方法

    發布日期:2013年1月17日

    氧化鋁陶瓷具 有非常非常多的優勢,如優良的力學性能、電性能、抗磨損性能、耐高溫性能、耐腐蝕性能等等,但是,有一個缺點卻成為它進入很多領域的障礙,即韌性,氧化鋁 陶瓷的韌性特別差,為了彌補這個弱點,國內外學者進行了大量的研究,研究表明,可以通過控制氧化鋁陶瓷的顯微結構,特別是晶粒的形狀和大小來改善其斷裂韌 性。研究取得了重要成果,并提出了一些有效的增韌方法,下面講述了5種常見的增韌方法,和大家一起分享下:

    1、 纖維、晶須增韌

    用纖維(或晶須)以一定的方式加入到陶瓷的基體中去,一方面可以使高強度的纖維(晶須)來分擔外加的負荷,另一方面可以利用纖維(或晶須)與陶瓷基 體的弱的界面結合來造就對外來能量的吸收系統,從而達到改善陶瓷材料脆性的目的。其機理主要是裂紋偏轉或分叉、拔出效應和橋聯效應。

    2、 自增韌

    通過引入添加劑或晶種來誘導等軸狀A12O3晶粒異向生長成為如板狀、長柱狀形貌的晶粒來形成自增韌A12O3陶瓷在近十幾年得到了廣泛的研究。 自增韌氧化鋁陶瓷材料是通過在原料中加入可以生成第二相的原料,控制生成條件和反應過程,直接通過高溫化學反應或誘導氧化鋁晶粒的異向生長,使主晶相基體 中生長出晶須均勻分布的、晶粒長徑比大的或晶片的增強體,形成陶瓷復合材料。這樣可以避免兩相不相容以及分布不均勻的缺陷,使強度和韌性都比用外來第二相 增韌的同種材料高,從而進一步提高材料的力學性能。

    3、 相變增韌

    當Al2O3中加入純ZrO2(非穩定ZrO2)粒子形成ZrO2增韌Al2O3陶瓷時,由于亞穩四方t-ZrO2于應力誘發下向單斜m-ZrO2 的轉變產生3%~5%的體積變化及8%左右的切應變效應,可以抵消外加應力、吸收能量,從而緩和主裂紋尖端的應力集中,可使Al2O3陶瓷韌性顯著提高。 研究表明:ZrO2增韌機理有應力誘導相變增韌、顯微裂紋增韌、細化基體晶粒、裂紋的轉向與分叉以及表面增韌等,其中相變增韌是主要增韌機制。相變增韌的 影響因素很多,如ZrO2含量及粒徑、晶粒尺寸、其它添加劑種類和數量、晶粒取向等。其缺點是增韌效果隨溫度的升高而急劇下降,因此一般單純依靠相變增韌 來提高韌性的材料僅適用于溫度較低的場合。

    通常在Al2O3基體中引入ZrO2的顆粒為微米級或亞微米級,使得制成的復相陶瓷中的ZrO2晶粒尺寸易于超過臨界尺寸,大大降低增強增韌的效果。將納米級ZrO2顆粒作為彌散相引入微米級陶瓷基體中制得納米復相陶瓷,取得了很好的效果并引起人們的重視。

    4、 顆粒彌散相增韌

    顆粒彌散增韌機理主要有熱應力誘導微裂紋增韌、切應力阻礙微裂紋擴展增韌、微裂紋偏轉與分支、弱化應力集中增韌以及細化基體晶粒。顆粒彌散增韌與溫 度無關,可以作為高溫增韌機制。 對顆粒增韌氧化鋁陶瓷的研究中,主要以高熔點、高強度、高彈性模量的碳化物、氮化物、硼化物第二相粒子和具有延展性的金屬顆粒為增韌相。

    影響第二相顆粒復合增韌效果的主要因素有:基體和第二相顆粒的彈性模量E、熱膨脹系數α和兩相的化學相容性。其中兩相的化學相容是復合的前提,即兩相間不能存在過分的化學反應。Ep與Em相等時,不論第二相顆粒的αp是大于還是小于基體的αm都能實現增韌補強。

    目前,顆粒彌散增韌的研究主要從兩個方面入手:一個是利用彌散顆粒和基質材料的膨脹系數以及彈性模量的匹配在材料內部形成殘余應力,使之達到增韌的目的;另一個是通過自身顆粒尺寸效應來提高自身的韌性,使之達到增韌的目的。

    5、 復合增韌

    多種增韌機制復合增韌氧化鋁陶瓷在近年來也受到了廣泛的關注,它主要包括晶須-相變復合增韌、晶須-顆粒復合增韌、多相顆粒復合增韌等。

    將ZrO2相變增韌和晶須增韌這兩種增韌同時應用到Al2O3陶瓷中,產生十分明顯的增韌效果。復合材料的增韌機制包括裂紋偏轉與繞過、晶須橋聯與拔出以及相變增韌和微裂紋增韌。

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