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    聚空心球對氧化鋁陶瓷韌性的影響

    發布日期:2014年4月25日

    氧化鋁陶瓷具有很多優異的性能,因此得以在很多領域得到廣泛的應用,但是其韌性較差,限制了其在某些方面的應用,為了解決這個問題, 很多學者做了大量的實驗,尋找解決氧化鋁陶瓷韌性的方法,本文研究分析了聚空心球直接添加對陶瓷性能的影響;同時研究了將聚空心球作為多孔層制作的層狀氧化鋁陶瓷的力學性能的影響。

     燒成溫度對聚空心球直接添加到氧化鋁陶瓷多孔陶瓷性能的影響

     不同燒成溫度的陶瓷微觀結構
     


    觀察“不同燒成溫度下氧化鋁 聚空心球直接混入到氧化鋁 基體中(聚空心球的質量分數為60%)的樣品斷口顯微結構”圖可見,1 200~1 400 ℃時,聚空心球與基體之間連接緊密,斷裂時基體中聚空心球的斷裂方式屬于沿球斷裂。隨著燒成溫度的繼續升高, 1 450~1 550 ℃時由于氧化鋁 基體晶粒的生長,聚空心球被基體晶粒擠壓變形;聚空心球與氧化鋁 基體緊密結合,樣品斷口顯示基體中聚空心球呈現沿球斷裂的方式。由此可見,不同燒成溫度條件下氧化鋁 基體中氧化鋁 聚空心球的存在形式及斷裂方式不同。燒成溫度較低(1 200~1 400℃,聚空心球緊密) 堆積在基體中,陶瓷斷裂過程中,裂紋表現出沿著空心球邊界擴展的方式;隨著溫度的升高(1 450~ 1 550 ℃),陶瓷致密化增加,聚空心球與基體結合緊密,陶瓷斷裂過程中,裂紋以穿過空心球擴展的方式為主。

     燒結溫度對陶瓷密度、氣孔率、收縮率以及力學性能的影響

    觀察“不同燒結溫度下的多孔氧化鋁陶瓷燒成收縮率”圖和“不同燒成溫度下的多孔氧化鋁陶瓷密度和顯氣孔率”圖可見,隨燒成溫度升高,樣品顯氣孔率降低(41%~ 25%),燒成收縮率增加(1%~14%)。燒成溫度較低時(1 200~1 300 ℃),由于燒成過程中產生的液相量相對較少,樣品致密度低,因而,收縮率較小(<8%);隨燒成溫度升高,當燒成溫度大于1 450 ℃時,試樣收縮率明顯增加(11%),顯氣孔率明顯減小(36%),樣品密度增加(由2.21 g/cm3 提高到2.84 g/cm3),這是因為燒成溫度的升高,液相量增加,使得小顆粒被吸收的程度增加,大顆粒堆積空隙的填充度增加,試樣致密化程度增加。

    觀察“不同燒結溫度下氧化鋁 陶瓷的機械性能”圖5 可見,隨燒成溫度增加,陶瓷的機械性能得到顯著的提高,斷裂韌性由0.5 MPa⋅m1/2 增加到2.25 MPa⋅m1/2,三點抗彎強度由25 MPa 增加到250 MPa。結合不同燒成溫度樣品微觀結構結果分析認為:機械性能隨溫度增加主要由于試樣致密化程度以及基體中聚空心球斷裂方式的不同導致的。隨燒成溫度增加,陶瓷基體在斷裂過程中,由于裂紋在擴展過程中出現由沿著聚空心球斷裂轉為穿過聚空心球斷裂的方式,穿過聚空心球斷裂的過程中需要耗散更多的能量,因而機械性能較高。圖

     氧化鋁 聚空心球作為多孔層制備氧化鋁 層狀陶瓷

    多孔層的引入對氧化鋁層狀陶瓷性能影響

    實驗中,當多孔層中聚空心球質量分數為60%時,層狀氧化鋁陶瓷斷裂韌性出現了最高值(3.98 MPa⋅m1/2)。再選用聚空心球質量分數為60%的作為多孔層,研究了不同的層厚比對氧化鋁 陶瓷機械性能的影響。結果顯示,層厚比過大或過小都不利于層狀氧化鋁機械性能的提高,當氧化鋁的致密基體層與多孔層層厚比為5/2 時,層狀氧化鋁機械性能達到最高,層狀氧化鋁斷裂韌性達到5.59 MPa·m1/2,抗彎強度達到353.77 MPa。

    多孔層的引入對氧化鋁 層狀陶瓷斷裂方式的影響

    觀察“ 聚空心球作為多孔層制作的層狀氧化鋁陶瓷的斷裂方式”圖可見,非層狀氧化鋁陶瓷(純的致密氧化鋁)出現的“一”字形斷裂方式;層厚比為3/1 的層狀氧化鋁陶瓷呈現階梯狀的斷裂方式;層厚比為 5/2 的層狀氧化鋁 陶瓷呈現較為理想的“Z”字型斷裂方式。理論分析認為,對于層狀陶瓷,當層與層之間的結合強度適中時,主裂紋擴展到中間層陶瓷時發生鈍化、偏轉與擴展。因此,相比較非層狀氧化鋁陶瓷(致密氧化鋁)出現的“一”字型斷裂方式,聚空心球作為多孔層制作的層狀氧化鋁陶瓷,一方面,由于基體和聚空心球的熱膨脹系數的不同,導致收縮大的多孔層處于張應力,而收縮小的致密層處于壓應力,裂紋擴展時,裂紋易于平行壓應力方向而趨于垂直于張應力方向擴展,由于多孔層中聚空心球的存在,導致裂紋發生偏轉,裂紋出現階梯狀和“Z”字型斷裂方式,吸收斷裂能;另一方面,聚空心球作為多孔層制作的層狀氧化鋁陶瓷,裂紋在擴展過程中穿過聚空心球斷裂,穿過聚空心球斷裂的過程中需要耗散更多的能量,同樣使材料機械性能提高。總而言之,聚空心球作為多孔層設計制作的層狀氧化鋁陶瓷會使材料機械得到提高。

     斷口顯微結構
     

    實驗研究表明:當層厚比為3/1 時,多孔層厚度較薄,裂紋擴展路徑單一,裂紋發生偏轉的路徑相對小,導致其能量消耗較小;當層厚比為5/2 時,其裂紋經過多孔弱界面層時會發生明顯的主裂紋鈍化、偏轉,并且擴展路徑得到很大的提高。同時弱界面層厚度增加,聚空心球與基體之間會產生更多微裂紋,可以緩解主裂紋尖端的應力集中或使主裂紋分叉而吸收能量,最終導致斷裂韌性得到提高,使陶瓷材料力學性能得到優化。

    結 論

    研究了氧化鋁聚空心球對氧化鋁陶瓷性能的影響,得到了如下結論:

    1) 不同燒成溫度條件下氧化鋁基體中氧化鋁聚空心球的存在形式及斷裂方式不一。隨著溫度的升高,陶瓷致密化增加,聚空心球與基體結合緊密,陶瓷斷裂過程中,裂紋以穿過空心球擴展的方式為主。

    2) 隨燒成溫度增加,陶瓷的機械性能得到顯著的提高,斷裂韌性由0.5 MPa⋅m1/2 增加到2.25 MPa⋅m1/2,三點抗彎強度由25 MPa 增加到250 MPa。

    3) 聚空心球作為多孔層添加到層狀陶瓷中,通過主裂紋鈍化、偏轉、微裂紋增韌、聚空心球穿球斷裂時能量緩釋,力學性能得到優化。當多孔層聚空心球含量為60%,氧化鋁的致密基體層與多孔層層厚比為5/2 時,斷裂方式為“Z”字型斷裂,層狀氧化鋁機械性能達到最高,層狀氧化鋁斷裂韌性達到5.59 MPa·m1/2,抗彎強度達到353.77 MPa

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