浅析氧化铝陶瓷增韧技术
2019-03-07 11:06:31
氧化铝陶瓷是氧化物中最安稳的物质 , 具有机械强度高 、高的电绝缘性与低的介电损耗等特色, 在航天 、航空、纺织、建筑等方面 ,具有宽广的运用远景。可是,因为它高脆性和均匀性差等丧命缺点 ,影响了陶瓷零部件的运用安全性 ,因而,进步氧化铝陶瓷的耐性是亟待解决的重要问题。氧化铝陶瓷为何如此脆呢?
金属材料很简单发作塑性变形，原因是金属键没有方向性。而在陶瓷材料中，原子间的结合键为共价键和离子键，共价键有显着的方向性和饱满性，而离子键的同号离子挨近时斥力很大，所以首要由离子晶体和共价晶体组成的陶瓷，滑移系很少，一般在发作滑移曾经就发作开裂。
为了削减氧化铝基陶瓷材料的脆性 ,除了选用先进的制备工艺外 ,还需要在氧化铝陶瓷的增韧技能方面展开广泛及深化的研讨。现在 ,该研讨首要会集在以下几个方面。相变增韧
把相变作为陶瓷增韧的手法并取得显着效果是从部分安稳氧化锆进步抗热震性的研讨开端的。因为氧化锆相变的本身特色,氧化锆增韧氧化铝陶瓷，被证明具有较好的增韧效果 。现在 , 根据相变增韧的 ZTA 已可用作许多零部件的结构材料。
纯氧化锆在1000 ℃邻近有固相改变 : 正方相( t) →单斜相( m) ,归于马氏体改变 ,将发作 3%～5 %的体积胀大 。当裂纹扩展进入含有 t-ZrO2 晶粒的区域时 ,在裂纹顶级应力场的效果下 ,在裂纹顶级构成进程区,即进程区内的 t -ZrO2 将发作t→m相变,因而除发作新的开裂表面而吸收能量外 , 还因相变时的体积效应( 胀大) 而吸收能量。一起因为进程区内t→m 相变粒子的体积胀大而对裂纹发作压应力,阻挠裂纹扩展。
相对而言, 便是进步了材料的裂纹顶级临界应力强度因子——开裂耐性。将 ZrO2 的 t→ m 相变韧化效果及因为 t →m相变而派生出来的显微裂纹韧化与剩余应力韧化效果引进氧化铝基体,可使耐性得到显着进步。
至今停止, 运用部分安稳氧化锆的相变增韧是最为成功的增韧办法之一 , 可是因为许多脆性材料并不必定具有这种有利于增韧的相变,并且还受温度的影响较大,所以这种增韧办法还不能得到遍及运用。
晶须 、纤维和碳纳米管增韧
相对于氧化铝基陶瓷的相变增韧, 运用晶须和纤维增韧是一种比较有发展出路的增韧技能。晶须在拔出和开裂时 ,都要耗费必定的能量, 有利于阻挠裂纹的扩展。进步晶须强度和下降晶须弹性模量有利于材料耐性进步 ; 增大晶须尺度( 长度 、半径和长径比) 能进步晶须增韧效果。
在陶瓷基体中加入定向或取向或无序排布的纤维,可取得高强度和高耐性的陶瓷复合材料, 这已成为氧化铝陶瓷范畴的发展方向之一。为了到达纤维复合增韧的意图,纤维与基体材料之间有必要满意 2 个条件: ①起增强效果的纤维弹性系数有必要高于氧化铝陶瓷基体的弹性系数;②纤维与基体之间有必要是相容的。
颗粒弥散增韧
陶瓷材料的机械功能能够经过添加颗粒金属相得以进步,在脆性陶瓷中引进延性金属相被证明也是一种很有出路的增韧办法。金属粒子作为延展性第二相引进陶瓷基体内,不只改进了陶瓷的烧结功能,并且能够以多种方法阻挠陶瓷材料中裂纹的扩展,使得复合材料的抗弯强度和开裂耐性得以进步 。
当其形状是颗粒状时, 增韧机制首要是裂纹偏转;而金属的塑性变形则首要发作于金属呈纤维、薄片等形状存在的复合材料中。陶瓷与金属间化合物都是可用于高温运用的材料。
经过细化基体晶粒和裂纹屏蔽效果 , 耗散裂纹行进的动力 ,到达增韧意图 。虽然效果不如纤维和晶须 ,但工艺简便易行 , 且成本低 ,只需颗粒的品种、巨细、含量等参数挑选恰当 ,增韧效果仍是非常显着的。纳米技能增韧
纳米材料与纳米技能方面的研讨有可能使陶瓷增韧技能取得性打破。一方面 ,纳米陶瓷因为晶粒的细化 , 晶界数量会大大添加,一起纳米陶瓷的气孔和缺点尺度减小到必定尺度就不会影响到材料的微观强度 ,成果可使材料的强度、耐性大大添加 。另一方面 ,在陶瓷基体中引进纳米涣散相并进行复合, 不只可大起伏进步其强度和耐性 ,显着改进其耐高温功能。
因而 ,氧化铝陶瓷纳米化及纳米复合现在已成为改进其开裂耐性的最重要途径之一。
纳米复相陶瓷的强韧化机理 , 首要经过以下几个效应表现: ①弥散相的引进有效地按捺了基质晶粒的成长和减轻了晶粒的反常长大 ;②弥散相或弥散相周围存在部分应力 ,使晶粒细化而削弱主晶界的效果 ; ③纳米粒子高温控制位错运动 , 使高温力学功能如硬度 、强度及抗蠕变性得到改进。
氧化镁陶瓷
