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知识盘点–氧化铝陶瓷材料增韧研究进展

来源:云更新 时间:2021-03-18 09:12:01 浏览次数:

1、Al2O3陶瓷的基本结构Al2O3陶瓷资料因存在低密度、耐高温、耐腐化、高硬度、耐磨损以及优良的化学牢固性等优点,被普遍利用于航空航天、机械电子、医疗以及化工等范畴。因为Al2O3陶瓷资料的晶体结......

1、Al2O3陶瓷的基本结构

Al2O3陶瓷资料因存在低密度、耐高温、耐腐化、高硬度、耐磨损以及优良的化学牢固性等优点,被普遍利用于航空航天、机械电子、医疗以及化工等范畴。因为Al2O3陶瓷资料的晶体结构属于刚玉型,由强方向性的离子键跟共价键结合,导致其自身存在高脆低韧的特点,而这一特点也制约了Al2O3陶瓷资料的实际利用。Al2O3有很多同质多晶体,典范的晶体结构有α-Al2O3、β-Al2O3跟γ-Al2O3种典范晶型。α-Al2O3为刚玉型结构,属于三方晶系,单位晶胞是一个尖的菱面体,其中O2-按六方周到沉积,Al3 填充于2/3的八面体缝隙,结构如图1所示。α-Al2O3结构周到,活性,是3种重要状况中牢固的晶型,在所有温度下都能牢固存在。天然界中只存在α-Al2O3,当温度达到1000~1600℃时,其余晶型都会不可逆地转变为α-A12O3。Al2O3陶瓷的主晶相为α-Al2O3。表1为3种晶型的性质。

 

表1 Al2O3陶瓷三种性质

图1 Al2O3陶瓷资料的晶格结构

 

2、Al2O3陶瓷资料增韧机理

针对Al2O3陶瓷资料的高脆低韧的特点,国内外研究工作者做了大量研究来改良Al2O3陶瓷资料的断裂韧性。依据陶瓷资料的裂纹扩大行动及断裂机理,可知克服陶瓷脆性的要害是有效减少裂纹源跟公道把持裂纹扩大速度;进步陶瓷资料自身抵抗裂纹扩大才干跟尽量避免应力在裂纹集中。目前对于Al2O3陶瓷资料的增韧方法重要包含以下5点:

1)Al2O3 基陶瓷颗粒弥散增韧;

2)Al2O3 基陶瓷层状增韧;

3)Al2O3 基陶瓷自增韧;

4)Al2O3 基陶瓷微裂纹增韧;

5)Al2O3 基陶瓷晶须(纤维)增韧;

 

2.1、Al2O3 基陶瓷颗粒弥散增韧

纳米颗粒弥散增韧是进步陶瓷资料强度跟韧性简单的增韧方法,依据增加颗粒的属性可能分为刚性颗粒强化跟延性颗粒强化。刚性颗粒多为非金属陶瓷颗粒( 非金属粉末),重要有Ti

  C、SiC跟Si3N4等。因为非金属粉末存在高弹性模量,作为增韧相增加到Al2O3 陶瓷基体中,形成的复合陶瓷资料的韧性强度要比单相Al2O3陶瓷高很多,特别是高温断裂韧性。延性颗粒强化Al2O3基陶瓷重要是以金属颗粒作为增韧相增加到陶瓷资料的基体中。常见的金属颗粒体系有:Cr/Al2O3、Fe/Al2O3、Ni/Al2O3跟Mo /Al2O3等。延性金属单质或金属间化合物颗粒作为增韧相,不仅可细化Al2O3晶粒,改良烧结机能,还能以多种方法妨碍裂纹的扩大,如金属粒子的拔出、塑性变形以及裂纹桥接、偏转、钉扎等作用,进而改良Al2O3陶瓷资料的抗弯强度跟断裂韧性。图2为延性颗粒裂纹桥联示用意。

 

图2 延性颗粒裂纹桥联示用意

 

2.2、Al2O3 基陶瓷层状增韧

人们因为受到天然界中贝壳微观结构的启发,萌发了层状增韧陶瓷结构设计的构想。目前Al2O3基层状增韧陶瓷基体大多是由多层弹性模量,线膨胀系数均不雷同的资料形成。这样层状结构设计可能在基体内部形成众多与应力方向垂直的弱界面。在受到外载荷作用下,裂纹在层与层之间弱界面扩大进程中会产生重复的侨接拐折,可能进步资料的整体韧性跟对缺点敏感度。

 

2.3、Al2O3 基陶瓷自增韧

自增韧技巧,就是在一定的工艺前提下,成长出增韧、加强相。它在一定水平上消除了基体相与增韧相在物理或化学上的不相容性,而保障了基体相与增韧相的热力学牢固性。对Al2O3基陶瓷自增韧技巧重要通过在基体中引入增加剂或晶种两种方法来实现Al2O3基陶瓷增韧。引入晶种法是通过原位复合技巧在氧化铝原料中加入某种可能生成第二相的原料,把持生成前提跟反应进程,使增加的第二相原位生成晶粒长径比大、晶须均匀散布的晶片加强体。

对Al2O3基陶瓷自增韧技巧而言,如何优化制备工艺,进而成长出机能优良,呈三维网状散布的棒状、长柱状甚至针状氧化铝晶粒或相容性好的其余棒晶,是自增韧技巧须要进一步研究的方向。

 

2.4、Al2O3陶瓷微裂纹增韧

微裂纹增韧是指因热膨胀失配或相变诱发出显微裂纹,这些尺寸很小的微裂纹在主裂纹进程区内张开而疏散跟接收能量,使主裂纹扩大阻力增大,从而使断裂韧性进步。微裂纹增韧在众多的复相陶瓷体系中得到证明,如ZrO2增韧Al2O3陶瓷资料。图3为Al2O3陶瓷微裂纹增韧机理示用意。

 

颗粒与基体膨胀系数αp 跟αm,在颗粒与基体之间可能造成热膨胀系数失配,颗粒受力。

 

当Δα< 0,颗粒受压应力,基体受拉应力,裂纹通过基体扩大;

当Δα> 0,颗粒受拉应力,基体受压应力,裂纹通过颗粒扩大;

 

但也有可能裂纹绕过颗粒在颗粒与基体界面扩大。不管何种情况,裂纹均增加了扩大的途径,因此增加了裂纹扩大的阻力,消耗了能量,进步了资料的韧性。

图3 Al2O3陶瓷微裂纹增韧机理示用意

 

2.5、Al2O3 基陶瓷晶须(纤维)增韧

晶须(纤维)增韧Al2O3基陶瓷较其它增韧方法比较是迄今为止增韧后果方法。可能通过外加晶须(纤维)法跟原位成长晶须(纤维)法增加到Al2O3陶瓷基体中混淆成形烧结得到增韧陶瓷。晶须(纤维)除了可能来分担外加的载荷还能与陶瓷基体的弱界面结合接收体系外来能量,从而改良陶瓷资料脆性。

 

增韧重要机理为:

v 裂纹桥联机制:裂纹在基体扩大的进程中,晶须( 纤维)可能将裂纹区域跟基体界面开裂区域裂纹桥联起来在裂纹的名义形成闭合应力,可有效克制裂纹扩大;

v 裂纹偏转折制:裂纹在扩大进程中碰到晶须纤维界面等时,裂纹只能沿结合较弱的界面扩散,因此裂纹在资料基体中的扩大行程增加,可能接收更多的断裂能量;

v 拔出效应机制;当基体受到外载荷时,基体传向晶须的力会在界面开裂区跟晶粒拔出区二者界面上产生剪应力 应力的连续增大会导致晶粒断裂从基体中拔出 晶粒拔出的进程中界面摩擦会增加外界载荷能量消耗,减小裂纹在基体中扩大速度。

图4 裂纹偏折示用意 (a)裂纹倾斜,(b)裂纹扭转

 

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