陶瓷材料的結(jié)構(gòu)增韌實(shí)用教案

1、 近些年來(lái)，人們從天然生物的研究中達(dá)到啟示，天然的生物材料，如竹、木、骨骼、貝殼等，它們雖然具有(jyu)簡(jiǎn)單的組成，但是通過(guò)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精細(xì)組合，賦予這些生物材料具有(jyu)非常好的綜合性能。因此，在材料的設(shè)計(jì)和研究中，引入了仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思想，通過(guò)“簡(jiǎn)單組成、復(fù)雜結(jié)構(gòu)”的精細(xì)組合，來(lái)實(shí)現(xiàn)材料的高韌性、抗破壞及使用可靠性特性。陶瓷材料的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從很大程度上改善了陶瓷材料的脆性本質(zhì)，為陶瓷材料的強(qiáng)韌化提供了一條嶄新的研究和設(shè)計(jì)思路。第1頁(yè)/共56頁(yè)第一頁(yè)，共56頁(yè)。1、纖維(xinwi)獨(dú)石結(jié)構(gòu)陶瓷材料 自然仿生材料的研究表明 : 天然竹材是典型的長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 ,其增強(qiáng)體一維管束的

2、分布不均勻 ,外層致密 ,體內(nèi)逐步變疏松 。 竹干的力學(xué)性能如拉伸彎曲(wnq) 、 壓縮強(qiáng)度和模量 ,沿徑向的分布一般是在外層高 ,內(nèi)層低 。竹材的表層的高強(qiáng)度和高韌性主要是由竹纖維結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性所致 。竹纖維的精細(xì)結(jié)構(gòu)包含多層厚薄相同的層 , 每層中的纖維絲以不同升角分布 , 避免了幾何和物理方面的突變 ,層間結(jié)合大為改善 。 因此 ,可以把自然仿生層的結(jié)構(gòu)抽象為軟硬相交替的多層增韌結(jié)構(gòu)。第2頁(yè)/共56頁(yè)第二頁(yè)，共56頁(yè)。 1988 年 , Coblenz提出了纖維獨(dú)石結(jié)構(gòu) (fibrous monolithic structure) 。 纖維狀的胞體以一定的方式排布 ,中間間隔有很薄的界面

3、層 ,結(jié)合成一個(gè)塊體的結(jié)構(gòu)材料 。 近年來(lái)提出將這種結(jié)構(gòu)引入到先進(jìn)陶瓷基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與制備中 。 纖維獨(dú)石陶瓷由于其優(yōu)異的力學(xué)性能，特別是高的斷裂韌性與斷裂功 、極高的抗熱沖擊破壞能力 、 較高的斷裂強(qiáng)度 、 良好的高溫(gown)抗蠕變性能 、 獨(dú)特的三維微結(jié)構(gòu)排列等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外科技工作者的廣泛關(guān)注和研究 。第3頁(yè)/共56頁(yè)第三頁(yè)，共56頁(yè)。第4頁(yè)/共56頁(yè)第四頁(yè)，共56頁(yè)。第5頁(yè)/共56頁(yè)第五頁(yè)，共56頁(yè)。主要影響因素：（1）纖維前驅(qū)體直徑 （2）結(jié)構(gòu)單元的強(qiáng)化(qinghu)（3）界面層的結(jié)合強(qiáng)度（4）纖維排布方向第6頁(yè)/共56頁(yè)第六頁(yè)，共56頁(yè)。2、仿貝殼(bik)結(jié)構(gòu)特征的層

4、狀結(jié)構(gòu)陶瓷材料第7頁(yè)/共56頁(yè)第七頁(yè)，共56頁(yè)。第8頁(yè)/共56頁(yè)第八頁(yè)，共56頁(yè)。第9頁(yè)/共56頁(yè)第九頁(yè)，共56頁(yè)。2.2層狀陶瓷增韌思想的提出 近年來(lái)，圍繞著改善陶瓷材料韌性的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究工作，其中采用層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行陶瓷增韌就是其中的方法之一。 陶瓷的層狀結(jié)構(gòu)思想來(lái)源于大自然中貝殼等生物(shngw)材料結(jié)構(gòu)的啟發(fā)。研究發(fā)現(xiàn)，貝殼中珍珠層的結(jié)構(gòu)與抹灰磚墻結(jié)構(gòu)相似，是由一層層超薄的碳酸鈣通過(guò)幾十納米厚的有機(jī)蛋白基連接在一起，如圖2.1所示，其中碳酸鈣約占體積的95%，有機(jī)物只占5%，但這5%的有機(jī)物的存在卻引起了碳酸鈣力學(xué)性能的巨大變化。眾所周知，純粹的碳酸鈣很脆，而珍珠

5、層的強(qiáng)韌性卻很高，其斷裂韌性比碳酸鈣高出3000倍以上。第10頁(yè)/共56頁(yè)第十頁(yè)，共56頁(yè)。 人們從這種結(jié)構(gòu)中受到啟發(fā)：要克服陶瓷材料的脆性，可以采用層狀結(jié)構(gòu)，在脆性的陶瓷層間加入不同材質(zhì)的較軟或較韌的材料層(通常稱之為夾層、隔離層或界面)制成層狀復(fù)合材料，這種結(jié)構(gòu)的材料在應(yīng)力場(chǎng)中是一種能量耗散結(jié)構(gòu)，能克服陶瓷材料突發(fā)性斷裂的致命缺點(diǎn)。當(dāng)材料受到彎曲或沖擊時(shí)，裂紋多次在層界面處受到阻礙而鈍化和偏折，有效地減弱了載荷下裂紋尖端的應(yīng)力集中效應(yīng)。同時(shí)，這種材料的強(qiáng)度受缺陷(quxin)影響較小，是一種耐缺陷(quxin)材料，這種結(jié)構(gòu)可使陶瓷材料的韌性得到很大改善，為陶瓷材料的強(qiáng)韌化提供了一條嶄新的

6、設(shè)計(jì)和研究思路。第11頁(yè)/共56頁(yè)第十一頁(yè)，共56頁(yè)。2.2 層狀陶瓷的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 層狀陶瓷是由層片狀的陶瓷基體和夾層兩部分組成(z chn)。層狀陶瓷的性能主要是由這兩部分各自的性能和二者界面的結(jié)合狀態(tài)所決定的。提高層狀陶瓷韌性的關(guān)鍵技術(shù)包括材料基體的優(yōu)化、夾層匹配的選擇、結(jié)構(gòu)及界面設(shè)計(jì)等。第12頁(yè)/共56頁(yè)第十二頁(yè)，共56頁(yè)。2.2.1材料選擇 1) 基體材料 層狀陶瓷的基體材料一般選用具有較高強(qiáng)度和彈性模量的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，如SiC、Si3N4、Al2O3和ZrO2等，在使用中可以承受較大的應(yīng)力，并具有較好的高溫力學(xué)性能。根據(jù)Clegg等人的觀點(diǎn)，基體材料的強(qiáng)度直接影響復(fù)合材料的斷

7、裂韌性值，強(qiáng)度越高，斷裂韌性越高。 基體材料增韌后可以提高層狀復(fù)合材料的斷裂性能?；w材料常用的增韌方法有顆粒彌散增韌、纖維或晶須增韌、相變?cè)鲰g等。文獻(xiàn)表明，基體材料采用不同的增韌方法其增韌效果是不同的。因此，要發(fā)揮協(xié)同(xitng)增韌作用，針對(duì)不同的基體選擇不同的增韌方法。第13頁(yè)/共56頁(yè)第十三頁(yè)，共56頁(yè)。2) 夾層材料的選擇原則 夾層材料是決定層狀陶瓷韌性高低的關(guān)鍵。一般來(lái)說(shuō)，不同的基體材料選擇不同的夾層材料。選擇原則如下： 一 具有(jyu)一定強(qiáng)度，尤其是高溫強(qiáng)度，以保證常溫下正常應(yīng)用及高溫下不發(fā)生太大的蠕變； 二 與基體結(jié)合強(qiáng)度適中，既要保證與基體不發(fā)生反應(yīng)，可以很好地分隔基體

8、材料，使材料具有(jyu)宏觀的層狀結(jié)構(gòu)，又要能夠?qū)悠瑺罨w材料適當(dāng)?shù)亍罢辰印倍话l(fā)生分離； 三 與基體材料的熱膨脹系數(shù)、彈性模量相匹配，避免熱應(yīng)力開(kāi)裂。第14頁(yè)/共56頁(yè)第十四頁(yè)，共56頁(yè)。(1) 金屬夾層材料 常用的金屬夾層材料有Ni、Al、Cu、W、Ta等。延性金屬軟相材料可以發(fā)生較大程度的塑性變形來(lái)吸收能量，還能夠在一定程度上使裂紋尖端鈍化，并且使裂紋在弱界面發(fā)生偏轉(zhuǎn)以及在裂紋尾部(wi b)形成橋接等，從而起到強(qiáng)化和增韌效果。第15頁(yè)/共56頁(yè)第十五頁(yè)，共56頁(yè)。 此外，當(dāng)引入金屬層后，由于金屬與陶瓷熱膨脹系數(shù)的差異，還會(huì)在材料燒成后的冷卻過(guò)程中使陶瓷層中產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，有利于提高

9、材料的韌性。不同的金屬夾層(jicng)對(duì)基體的增韌作用是不同的。 例如，對(duì)于TiC基體，與別的夾層(jicng)材料相比，Al和Cu增韌效果最顯著。 采用金屬夾層(jicng)時(shí)，應(yīng)該采取措施降低陶瓷基體的燒結(jié)溫度，以免陶瓷與金屬發(fā)生高溫反應(yīng)，生成脆性化合物。 例如，對(duì)于SiC基體材料，用金屬W、Ta等作夾層(jicng)材料時(shí)，Y2O3和Al2O3作為基體材料的燒結(jié)助劑，可以降低燒結(jié)溫度。在金屬中添加可以形成包裹層或生成穩(wěn)定的金屬間化合物的成分(例如在W中加入Co)，也可以減弱金屬與陶瓷的高溫反應(yīng)。第16頁(yè)/共56頁(yè)第十六頁(yè)，共56頁(yè)。(2) 無(wú)機(jī)非金屬夾層材料 常用的無(wú)機(jī)非金屬夾層材料有

10、石墨、BN等弱結(jié)合型材料以及ZrO2， Al2O3等強(qiáng)結(jié)合型材料。用石墨、BN等作夾層材料時(shí)，復(fù)合材料具有較高的燒結(jié)溫度，材料整體的力學(xué)性能比較好。裂紋在到達(dá)弱夾層時(shí)，裂紋尖端由三向應(yīng)力變?yōu)槎驊?yīng)力，穿層擴(kuò)展受到阻礙，裂紋發(fā)生偏折而沿界面擴(kuò)展，釋放能量。弱夾層的加入一般會(huì)使材料的強(qiáng)度有所下降，但沖擊韌性大幅度提高。根據(jù)目前的研究情況，采用致密弱結(jié)合型夾層具有比較好的增韌效果；采用強(qiáng)結(jié)合型材料時(shí)，主要(zhyo)是利用殘余應(yīng)力、材料相變等機(jī)理進(jìn)行增韌。 第17頁(yè)/共56頁(yè)第十七頁(yè)，共56頁(yè)。(3) 纖維及高分子夾層材料 此類材料有碳纖維、芳綸纖維，環(huán)氧樹(shù)脂等。纖維織物與聚合物的層狀復(fù)合材料是一種

11、傳統(tǒng)復(fù)合材料，技術(shù)和理論都比較成熟，但將其作為夾層材料應(yīng)用于陶瓷增韌時(shí)間不長(zhǎng)。纖維、高分子等軟相材料作為燒成后的陶瓷薄層(bo cn)基體材料的夾層材料具有很好的止裂能力。文獻(xiàn)試制了Al2O3/芳綸纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，使斷裂功提高了80倍。其夾層材料參數(shù)是:Kevlar-49芳綸纖維預(yù)浸環(huán)氧樹(shù)脂膠，含膠量50%，層厚0.18mm。第18頁(yè)/共56頁(yè)第十八頁(yè)，共56頁(yè)。2.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 層狀材料基體層的厚度是影響其性能的一個(gè)重要因素。較薄的單層厚度可以將裂紋在材料厚度方向分成較多的小段，有利于材料斷裂功的提高。同時(shí)，還可以減小層中缺陷，以提高材料的強(qiáng)度；但是，基體材料的厚度并不是(b

12、shi)越薄越好。 圖2.2是Al2O3/復(fù)合材料的基體層的厚度與抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性的關(guān)系圖。由圖 中可以看出，斷裂韌性隨著基體材料的厚度增大而減小，到一定厚度后，減小趨勢(shì)變緩；但是，抗彎強(qiáng)度隨厚度的變化卻與之相反。因此，對(duì)于一定的基體材料，存在一個(gè)最佳的層厚。第19頁(yè)/共56頁(yè)第十九頁(yè)，共56頁(yè)。2.2第20頁(yè)/共56頁(yè)第二十頁(yè)，共56頁(yè)。 夾層材料的厚度對(duì)復(fù)合材料的性能也有顯著的影響。夾層厚度若小于一定的值，韌性降低很快，隨著夾層材料厚度增大，斷裂韌性增加，當(dāng)大于一定值后，復(fù)合材料的韌性增加得很小。如果金屬夾層太厚，還會(huì)由于殘余應(yīng)力太大而導(dǎo)致陶瓷層中產(chǎn)生裂紋，產(chǎn)生負(fù)作用。 圖 2.3是金屬

13、夾層的層厚度與層狀復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性的關(guān)系(gun x)圖。從圖2.3 可知，對(duì)于一定的材料體系而言，夾層材料也有一個(gè)最佳的厚度。第21頁(yè)/共56頁(yè)第二十一頁(yè)，共56頁(yè)。2.3第22頁(yè)/共56頁(yè)第二十二頁(yè)，共56頁(yè)。2.3 層狀陶瓷的制備工藝 層狀陶瓷復(fù)合材料(f h ci lio)是將陶瓷基片和界面層相互交替疊層，經(jīng)一定工藝燒結(jié)而成的。制備工藝中關(guān)鍵的兩個(gè)環(huán)節(jié)是成型和燒結(jié)。成型工藝是形成層結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，成型又分為陶瓷基體片層的成型和界面層的形成兩個(gè)過(guò)程。第23頁(yè)/共56頁(yè)第二十三頁(yè)，共56頁(yè)。2.3.1 復(fù)合成型工藝 1) 預(yù)制層片疊放成型 基體層和夾層材料均為預(yù)制片，按次序(cx)依

14、次疊放進(jìn)行壓制成形。 2) 干粉分層敷放壓制成型 基體層和夾層材料均為干粉，依次敷放在模具中進(jìn)行壓制成型。此種方法層間結(jié)合較好。 3) 基片涂覆夾層材料漿液后層壓成型第24頁(yè)/共56頁(yè)第二十四頁(yè)，共56頁(yè)。 基體為預(yù)制片，夾層材料為料漿，涂覆后疊放壓制成型。夾層材料料漿在基體層上的施加方法主要有： (1) 噴涂法 將含有分散劑、懸浮劑等成分的夾層材料懸浮液噴在基體素坯薄片(bo pin)上再干燥，厚度由噴涂次數(shù)來(lái)控制。 (2) 流延法 將制備好的夾層材料料漿通過(guò)底部有狹縫的料斗連續(xù)地涂敷于基體帶上，調(diào)節(jié)刮刀與基帶之間的間隙、料漿的粘度、漿液的壓差及基體帶的運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)可以控制流延厚度。流延法

15、制備的夾層厚度均勻性比較好。第25頁(yè)/共56頁(yè)第二十五頁(yè)，共56頁(yè)。 (3) 浸涂法 將基體素坯層在夾層材料(cilio)料漿中浸漬后烘干，通過(guò)浸漬時(shí)間和次數(shù)控制夾層厚度。若夾層材料(cilio)為金屬，可將燒結(jié)后的陶瓷薄層疊放后，浸入熔融金屬液中凝固而直接得到層狀材料(cilio)。第26頁(yè)/共56頁(yè)第二十六頁(yè)，共56頁(yè)。2.3.2 薄層成型工藝 1) 流延成型 流延成型是制備陶瓷薄片最常用的一種方法。流延成型是將粉料、粘合劑及其他添加劑制成均勻的懸浮液，再均勻地涂布在連續(xù)的帶子上，經(jīng)過(guò)干燥得到薄層坯體。采用(ciyng)流延成型可以將纖維及織物浸漬在料漿中與漿體一起流延成形，成為纖維增強(qiáng)的

16、薄片材料；還可以使?jié){體中的晶須、片材等增強(qiáng)材料取向排列，以提高材料的強(qiáng)度。薄片的厚度由刮刀的高度控制。第27頁(yè)/共56頁(yè)第二十七頁(yè)，共56頁(yè)。 這種成型方法的優(yōu)點(diǎn)是：設(shè)備簡(jiǎn)單，可連續(xù)操作，自動(dòng)化水平高，效率高，工藝穩(wěn)定，膜厚均勻且易于控制等。缺點(diǎn)是：漿料制備技術(shù)要求較高，制備成份復(fù)雜的材料較為(jio wi)困難，且坯體的致密度較低，燒成收縮率大，樣品中易殘留有機(jī)物碳化的灰粉。2) 注漿成型 注漿成型是傳統(tǒng)的陶瓷成型方法之一。注漿成型是通過(guò)在石膏模具中交替注入不同泥漿，還可以直接形成層狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制吸漿時(shí)間可以得到不同厚度的泥層。這種方法雖然生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，但是制品收縮大、密度較低且層厚不能做

17、得太薄。第28頁(yè)/共56頁(yè)第二十八頁(yè)，共56頁(yè)。流延成型(chngxng)示意圖第29頁(yè)/共56頁(yè)第二十九頁(yè)，共56頁(yè)。注漿成型(chngxng)示意圖第30頁(yè)/共56頁(yè)第三十頁(yè)，共56頁(yè)。 3) 電泳沉積 電泳沉積是將基體或夾層材料漿料在直流電場(chǎng)的作用(zuyng)下通過(guò)荷電質(zhì)點(diǎn)的電泳運(yùn)動(dòng)沉積形成坯體。得到的最小層厚度可達(dá)2m，且薄層平整度好。由于水易電解，常用醇和酮類有機(jī)溶劑為分散介質(zhì)；不需要有機(jī)粘合劑、潤(rùn)滑劑或塑性劑，并可一步成型；坯體厚度由料漿濃度、材料介電性質(zhì)、電場(chǎng)強(qiáng)度、沉積時(shí)間等因素來(lái)控制；坯體的形狀取決于沉積模板的形狀，也可以通過(guò)交替沉積不同的材料而直接得到層狀復(fù)合材料坯體；由于

18、無(wú)有機(jī)粘合劑，所以不需排粘合劑工藝的過(guò)程。這種方法是合成微層層狀陶瓷的一種有效方法。第31頁(yè)/共56頁(yè)第三十一頁(yè)，共56頁(yè)。第32頁(yè)/共56頁(yè)第三十二頁(yè)，共56頁(yè)。2.5 層狀陶瓷(toc)的增韌機(jī)制 在高強(qiáng)、高硬的陶瓷基體層間引入薄的弱夾層，這是目前設(shè)計(jì)層狀復(fù)合陶瓷材料常用的方法之一。對(duì)于弱夾層的要求是既要弱，弱得足以偏轉(zhuǎn)裂紋；又要強(qiáng)，強(qiáng)得能承受一定的壓縮和剪切。Clegg研究了SiC/C層狀復(fù)合材料的斷裂過(guò)程，發(fā)現(xiàn)裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中遇到石墨弱界面時(shí)，將沿弱界面較長(zhǎng)距離擴(kuò)展，并發(fā)生偏轉(zhuǎn)。裂紋的頻繁擴(kuò)展、偏轉(zhuǎn)不僅造成了裂紋擴(kuò)展路徑的延長(zhǎng)，而且(r qi)裂紋從一個(gè)應(yīng)力狀態(tài)有利的方向轉(zhuǎn)向另一個(gè)應(yīng)力

19、狀態(tài)不利的方向擴(kuò)展時(shí)，將導(dǎo)致擴(kuò)展阻力的明顯增大，材料因此得到韌化。 第33頁(yè)/共56頁(yè)第三十三頁(yè)，共56頁(yè)。 層狀復(fù)合陶瓷材料的載荷-位移曲線也發(fā)生了極大的改變，如圖2.4所示。SiC/C層狀復(fù)合材料的斷裂過(guò)程不再是普通陶瓷材料的一次脆性斷裂，而表現(xiàn)出一定的“假塑性”特征。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到弱夾層時(shí)，由于(yuy)石墨層較弱、較薄，裂紋尖端不受約束，由三向應(yīng)力變?yōu)槎驊?yīng)力，塑性區(qū)變大，再加上裂紋尖端鈍化，穿層擴(kuò)展受到阻礙，裂紋沿著界面偏轉(zhuǎn)，并通過(guò)弱夾層繼續(xù)傳遞載荷。待載荷繼續(xù)增大時(shí)，裂紋又轉(zhuǎn)向垂直層片的方向擴(kuò)展，當(dāng)硬層失效時(shí)又使負(fù)載下降，但隨著新的偏轉(zhuǎn)，負(fù)載又重新上升。這一過(guò)程重復(fù)發(fā)生，穿厚裂紋和界

20、面裂紋交替發(fā)生直至完全斷裂。所以在達(dá)到最大負(fù)載后失效不是突變的，而是逐層漸變的。第34頁(yè)/共56頁(yè)第三十四頁(yè)，共56頁(yè)。圖2.4第35頁(yè)/共56頁(yè)第三十五頁(yè)，共56頁(yè)。圖2.5第36頁(yè)/共56頁(yè)第三十六頁(yè)，共56頁(yè)。2.5. 3 界面殘余應(yīng)力增韌 界面殘余應(yīng)力增韌，就是利用層狀復(fù)合陶瓷材料的基體層與夾層之間的熱膨脹系數(shù)、收縮率的不匹配以及某層中相變而使層間產(chǎn)生應(yīng)變(yngbin)差，引入殘余應(yīng)力來(lái)增韌和增強(qiáng)陶瓷材料的。 層與層之間的殘余應(yīng)力是由不同層的組成和厚度所決定的。過(guò)大的殘余應(yīng)力將導(dǎo)致層裂或中間層的斷裂，因此，為了獲得較好的增強(qiáng)增韌效果，合適大小的殘余應(yīng)力的控制和產(chǎn)生是關(guān)鍵。Tomasz

21、ewski研究了TZP/Al2O3層狀復(fù)合材料中的殘余應(yīng)力對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響。研究發(fā)現(xiàn)，殘余應(yīng)力的存在引起裂紋的擴(kuò)展阻力增大，使得裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，材料因此得到強(qiáng)韌化。第37頁(yè)/共56頁(yè)第三十七頁(yè)，共56頁(yè)。2.6 影響(yngxing)SiC/BN層狀陶瓷力學(xué)性能的因素 1 SiC基體的強(qiáng)度 圖2.6為A組試樣的斷裂韌性和彎曲強(qiáng)度的關(guān)系圖。從圖中可以看出，隨著試樣彎曲強(qiáng)度的提高，試樣的斷裂韌性提高。當(dāng)試樣的強(qiáng)度高達(dá)580MPa時(shí)，斷裂韌性高達(dá)16.8 MPam1/2。而試樣的強(qiáng)度主要是由基體片層的強(qiáng)度決定的。這也就是說(shuō)，隨著基體片層強(qiáng)度的提高，層狀陶瓷的斷裂韌性提高。 第38頁(yè)/共56頁(yè)第三十八頁(yè)

22、，共56頁(yè)。2.6第39頁(yè)/共56頁(yè)第三十九頁(yè)，共56頁(yè)。2 層厚比R (tSiC/tBN) 圖2.7為R值對(duì)SiC/BN層狀陶瓷復(fù)合材料力學(xué)性能的影響?？梢钥闯?，隨著R值的增加，材料的強(qiáng)度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)(qsh)，而材料的斷裂功則呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)(qsh)；R=8時(shí)材料在保持高強(qiáng)度的同時(shí)具有高的斷裂功，即材料的綜合性能比較好。分析認(rèn)為：隨著R值的增加，硬層在整個(gè)試樣中所占的比例增加，三點(diǎn)彎曲加載時(shí)，承載面積增加，因此試樣的強(qiáng)度隨R值的增加而增加。而試樣的斷裂功之所以呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)(qsh)，這與軟層對(duì)裂紋的偏轉(zhuǎn)效果有關(guān)。第40頁(yè)/共56頁(yè)第四十頁(yè)，共56頁(yè)。 當(dāng)R值較小時(shí)，相對(duì)于

23、硬層來(lái)說(shuō)，弱層的厚度較大，試樣的承載能力下降，而且易出現(xiàn)脫層失效，因而不能大幅度地提高材料(cilio)的斷裂功。 當(dāng)R值較大時(shí)，相對(duì)硬層來(lái)說(shuō)，弱層厚度較薄，其性能就越接近脆性基體陶瓷第41頁(yè)/共56頁(yè)第四十一頁(yè)，共56頁(yè)。圖2.8第42頁(yè)/共56頁(yè)第四十二頁(yè)，共56頁(yè)。3 層數(shù) 圖2.9為試樣的總厚度為3mm和R值為10的情況下，層數(shù)對(duì)層狀陶瓷力學(xué)性能的影響曲線。從圖 可以看出，隨著試樣層數(shù)的增加，試樣的強(qiáng)度降低，而試樣的斷裂功增加。當(dāng)試樣的層數(shù)大于10時(shí)，試樣強(qiáng)度降低的幅度(fd)減小，試樣的斷裂功增加得不太明顯。試樣的總厚度和R值不變的條件下，增加試樣的層數(shù)，就意味著減少層片的厚度。層片

24、厚度的減小，導(dǎo)致層狀材料單位厚度弱界面層數(shù)增加，提高了橫向裂紋擴(kuò)展的機(jī)會(huì)，而且貫穿裂紋擴(kuò)展被局限在更小的范圍內(nèi)，從而導(dǎo)致材料在斷裂過(guò)程具有更加豐富的細(xì)節(jié)，材料的斷裂韌性得到大幅度(fd)提高。第43頁(yè)/共56頁(yè)第四十三頁(yè)，共56頁(yè)。2.9第44頁(yè)/共56頁(yè)第四十四頁(yè)，共56頁(yè)。 4界面結(jié)合狀態(tài) 在SiC/BN層狀陶瓷復(fù)合材料中，弱界面的存在是該材料具有非脆性斷裂行為和高斷裂功的主要原因。界面層的性質(zhì)將直接影響材料整體性能（斷裂行為、強(qiáng)韌性等）的變化。 圖 2.10為BN弱界面層中Al2O3含量對(duì)SiC/BN層狀陶瓷復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。 隨著B(niǎo)N層中Al2O3含量增高，材料的表觀斷裂韌性逐漸

25、提高，在Al2O3含量為30%時(shí)達(dá)到最大值，高達(dá)24MPam1/2，進(jìn)一步提高Al2O3含量，表觀斷裂韌性急劇降低。SiC/BN層狀陶瓷復(fù)合材料的強(qiáng)度也出現(xiàn)類似的變化規(guī)律。隨著B(niǎo)N層中Al2O3含量提高，強(qiáng)度也出現(xiàn)一個(gè)極值。當(dāng)Al2O3含量大于30%時(shí)，強(qiáng)度開(kāi)始下降(xijing)，但變化幅度較小 第45頁(yè)/共56頁(yè)第四十五頁(yè)，共56頁(yè)。 2.10第46頁(yè)/共56頁(yè)第四十六頁(yè)，共56頁(yè)。 加入Al2O3的目的主要是提高界面層的結(jié)合力。在燒結(jié)過(guò)程中，BN層中的Al2O3和SiC基體片層中的Al2O3 、Y2O3等助燒劑相互擴(kuò)散，一方面可以促進(jìn)基體SiC層的燒結(jié)，另一方面在BN層中形成玻璃相不但可

26、以促進(jìn)BN層的燒結(jié)而且可以提高界面的結(jié)合強(qiáng)度。因此，隨著Al2O3含量越高，BN界面層的結(jié)合力越強(qiáng)，但結(jié)合力太強(qiáng)又不利于裂紋的擴(kuò)展。所以，當(dāng)BN層中Al2O3含量很高時(shí)（60%），反而使SiC/BN層狀陶瓷復(fù)合材料(f h ci lio)的力學(xué)性能下降。因?yàn)榻缑娼Y(jié)合太強(qiáng)，整個(gè)層狀復(fù)合材料(f h ci lio)已成為脆性的塊體材料，所以只有在Al2O3含量適中時(shí)才能發(fā)揮Al2O3對(duì)BN弱界面層的調(diào)節(jié)作用。 第47頁(yè)/共56頁(yè)第四十七頁(yè)，共56頁(yè)。 圖2.11為BN弱夾層中SiC含量對(duì)SiC/BN層狀陶瓷復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。圖 表現(xiàn)出的影響規(guī)律類似于圖 ，但又略有不同。隨著界面層中SiC含量

27、的增加，斷裂韌性出現(xiàn)先增加后減小的變化規(guī)律，而彎曲強(qiáng)度一直呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，顯然，隨著界面層中SiC含量的增加，界面從弱結(jié)合逐漸(zhjin)過(guò)渡到強(qiáng)結(jié)合。通過(guò)對(duì)比，認(rèn)為添加15%的SiC時(shí)，界面結(jié)合強(qiáng)度比較適中，材料的綜合力學(xué)性能較好。 第48頁(yè)/共56頁(yè)第四十八頁(yè)，共56頁(yè)。2.11第49頁(yè)/共56頁(yè)第四十九頁(yè)，共56頁(yè)。 從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，界面的結(jié)合強(qiáng)度必須適中，如果界面結(jié)合太弱，則裂紋在界面層中擴(kuò)展消耗的能量較小，斷裂功較??；如果界面結(jié)合太強(qiáng)，則整個(gè)材料類似于脆性塊體(kui t)材料表現(xiàn)為脆性斷裂。在本實(shí)驗(yàn)中，向BN弱夾層中加入30% Al2O3或加入15%SiC均可以得到性能優(yōu)異的SiC/BN層狀陶瓷復(fù)合材料。 第50頁(yè)/共56頁(yè)第五十頁(yè)，共56頁(yè)。2.7 SiC/BN層狀陶瓷的增韌機(jī)制 SiC/BN層狀陶瓷復(fù)合材料之所以具有較高的名義斷裂韌性和高的斷裂功，是由于在材料內(nèi)部(nib)存在著多級(jí)增韌機(jī)制：一級(jí)增韌機(jī)制是由其弱界面