陶瓷增韌方法及其研究進(jìn)展實(shí)用教案

1、引言 陶瓷材料的致命缺點(diǎn)是脆性，低可靠性和低重復(fù)性，這些不足嚴(yán)重影響了陶瓷材料的應(yīng)用范圍。 只有改善(gishn)陶瓷的斷裂韌性，實(shí)現(xiàn)材料強(qiáng)韌化，提高其可靠性和使用壽命，才能使陶瓷材料真正地成為一種廣泛應(yīng)用的新型材料， 因此，陶瓷增韌技術(shù)一直是陶瓷研究的熱點(diǎn)。第1頁(yè)/共17頁(yè)第一頁(yè)，共17頁(yè)。 最原始的增韌方法層狀增韌 一枝(y zh)易折彎,幾枝竹斷節(jié)難層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合陶瓷模型和獨(dú)石結(jié)構(gòu)陶瓷模型的載荷-位移(wiy)曲線第2頁(yè)/共17頁(yè)第二頁(yè)，共17頁(yè)。 陶瓷的斷裂主要(zhyo)是由于裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致的，那么如何組織裂紋擴(kuò)展呢？ 1、分散裂紋尖端應(yīng)力 2、消耗裂紋擴(kuò)展的能量，增大裂紋擴(kuò)展所需克服的

2、能壘 3、轉(zhuǎn)換裂紋擴(kuò)展的能量第3頁(yè)/共17頁(yè)第三頁(yè)，共17頁(yè)。第4頁(yè)/共17頁(yè)第四頁(yè)，共17頁(yè)。拉脫/橋接(qio ji)效應(yīng)纖維、晶須增韌原理 圖1中，在緊靠裂紋尖端的晶體，由于變形而給裂紋表面加上了閉合應(yīng)力，抵消裂紋尖端的外應(yīng)力，鈍化裂紋擴(kuò)展(kuzhn)，從而起到了增韌作用;此外，裂紋擴(kuò)展(kuzhn)時(shí)，柱狀晶體的拔出時(shí)也要克服摩擦力，也會(huì)起到增韌的作用。第5頁(yè)/共17頁(yè)第五頁(yè)，共17頁(yè)。裂紋彎曲轉(zhuǎn)向顆粒、纖維(xinwi)晶須增韌、自增韌原理 圖2中，由于柱狀晶的存在，導(dǎo)致裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，改變和增加了裂紋擴(kuò)展(kuzhn)的路徑，從而鈍化裂紋增加了裂紋擴(kuò)展(kuzhn)阻力。第6頁(yè)/共

3、17頁(yè)第六頁(yè)，共17頁(yè)。相轉(zhuǎn)變(zhunbin)增韌 另外，相轉(zhuǎn)變?cè)鲰g也是可以(ky)應(yīng)用于功能陶瓷的。 如：鐵電/壓電性疇轉(zhuǎn)變?cè)鲰g機(jī)制，在壓電陶瓷材料中，利用使產(chǎn)生裂紋的外應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽瑥亩_(dá)到增韌的目的。 亞穩(wěn)定四方相t-ZrOz在裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的作用下發(fā)生一相變，形成單斜相，產(chǎn)生體積膨脹，從而對(duì)裂紋形成壓應(yīng)力，阻礙裂紋擴(kuò)展(kuzhn)，起到增韌的作用。 這就是著名的Garvie應(yīng)力誘導(dǎo)相變?cè)鲰g機(jī)理。第7頁(yè)/共17頁(yè)第七頁(yè)，共17頁(yè)。殘余(cny)應(yīng)變能增韌 與相轉(zhuǎn)變的原理基本相似(xin s)，在裂紋進(jìn)行擴(kuò)展之前，首先得克服陶瓷樣品本身的內(nèi)部殘余應(yīng)變能，從而達(dá)到增韌的目的。第8頁(yè)/共

4、17頁(yè)第八頁(yè)，共17頁(yè)。微裂紋(li wn)增韌 在裂紋應(yīng)力尖端加入韌性材料，使其產(chǎn)生(chnshng)微裂紋，達(dá)到分散應(yīng)力的目的，減少裂紋前進(jìn)的動(dòng)力，從而增加材料的韌性。 在材料發(fā)生相轉(zhuǎn)變時(shí)，往往也會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)變能效應(yīng)以及產(chǎn)生(chnshng)微裂紋。因此，相轉(zhuǎn)變?cè)鲰g的效果是顯著的。第9頁(yè)/共17頁(yè)第九頁(yè)，共17頁(yè)。納米(n m)增韌 第一種是“細(xì)化理論”，認(rèn)為納米相的引入能抑制基體晶粒的異常長(zhǎng)大，使基體結(jié)構(gòu)(jigu)均勻細(xì)化，從而提高納米陶瓷復(fù)合材料強(qiáng)度韌性。第10頁(yè)/共17頁(yè)第十頁(yè)，共17頁(yè)。 第二種是“穿晶理論(lln)”，認(rèn)為納米復(fù)合材料中，基體顆粒以納米顆粒為核發(fā)生致密化而將納米

5、顆粒包裹在基體晶粒內(nèi)部形成“晶內(nèi)型”結(jié)構(gòu)。 這樣便能減弱主晶界的作用，誘發(fā)穿晶斷裂，使材料斷裂時(shí)產(chǎn)生穿晶斷裂而不是沿晶斷裂，從而提高納米陶瓷復(fù)合材料強(qiáng)度和韌性。第11頁(yè)/共17頁(yè)第十一頁(yè)，共17頁(yè)。 第三種是“釘扎”理論，認(rèn)為存在于基體晶界的納米(n m)顆粒產(chǎn)生“釘扎”效應(yīng)，從而限制了晶界滑移和孔穴、蠕變的發(fā)生，晶界的增強(qiáng)導(dǎo)致納米(n m)復(fù)相陶瓷韌性的提高。第12頁(yè)/共17頁(yè)第十二頁(yè)，共17頁(yè)。 在實(shí)際增韌過程中往往是由幾種增韌機(jī)理同時(shí)起作用(zuyng)，而不是某個(gè)單獨(dú)機(jī)理，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選擇具體的增韌機(jī)理。復(fù)合(fh)增韌v 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中，不同的增韌機(jī)理主要通過線性效應(yīng)起作用，如：

6、加和效應(yīng)、平均(pngjn)效應(yīng)、相補(bǔ)效應(yīng)、相抵效應(yīng)。第13頁(yè)/共17頁(yè)第十三頁(yè)，共17頁(yè)。陶瓷(toc)增韌技術(shù)的局限性 陶瓷增韌技術(shù)雖然眾多，但是各種增韌技術(shù)都有自身的特點(diǎn)和局限性，如： 顆粒彌散增韌操作比較簡(jiǎn)單，但增韌效果不顯著(xinzh)。 納米級(jí)顆粒引入陶瓷基體中取得了很好的增強(qiáng)增韌效果，但制備納米復(fù)相陶瓷成本較高。 相變?cè)鲰g效果顯著(xinzh)，但只能應(yīng)用于氧化鋯陶瓷中，其他材料則無(wú)法采用。第14頁(yè)/共17頁(yè)第十四頁(yè)，共17頁(yè)。未來(lái)(wili)陶瓷的發(fā)展趨勢(shì) 仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是增韌的一種新途徑。通過對(duì)自然界中天然材料特殊結(jié)構(gòu)(如木、竹、貝殼珍珠層)的模仿，有可能制備出與這些(zhxi)材料具有相似顯微結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)高韌陶瓷材料。 多層陶瓷結(jié)構(gòu)就是基于貝殼仿生結(jié)構(gòu)而出現(xiàn)的一種高韌性陶瓷復(fù)合材料，在陶瓷增韌方面展現(xiàn)了很好的前景。第15頁(yè)/共17頁(yè)第十五頁(yè)，共17頁(yè)。THE END 其實(shí)生活中真的能給我們很多啟示，只要把基本知識(shí)學(xué)好，善于觀察生活，也許未來(lái)的科