层状复合陶瓷的增韧与设计研究进展

综合评述

NAIHUOCAILIAO/耐火材料2007,41(4)302～306

层状复合陶瓷的增韧与设计研究进展

钟长荣　毕松　苏勋家　侯根良

第二炮兵工程学院　西安710025

摘　要　综述了层状复合陶瓷的韧化机制,,因素对断裂韧性等性能的影响,设计思路及下一步研究应注意的问题。关键词　层状复合陶瓷,增韧,　　,、航空航天、能源、耐磨性、高温性能等提出更高的要求,现有的金属或高分子材料往往难以胜任。因此,具有高强度、高硬度、高弹性模量、热化学稳定性好等优异性能的陶瓷材料日益受到关注。但是陶瓷所固有的脆性限制了其优良性能的发挥,因而也限制了它的实际应用。改善陶瓷材料的脆性,增大其强度也就成为该材料能否广泛应用的关键。

层状复合陶瓷是近几年发展起来的陶瓷增强增韧新技术,它模拟自然界中某些生物材料如珍珠、贝壳的复合结构,在脆性的陶瓷材料中加入软质的耐高温材料,以达到增强增韧的目的

[1]

的要求是既要弱,弱得足以偏转裂纹,但又能承受一定的压缩和剪切。含有弱界面的层状复合材料受载荷作用后,当裂纹达到与单相材料中的临界裂纹相同的应力强度时,裂纹开始扩展;当裂纹到达一个弱结合界面时,在荷载作用下弱结合界面上就会形成微裂纹,并且微裂纹将沿着弱界面发生偏转或分层,增大裂纹扩展路径,让能量在裂纹扩展过程中释放,达到材料增韧的效果。含弱界面层状复合材料中裂纹扩展模式如图1所示

[6]

。

。层状复合陶瓷能

显著提高材料的断裂韧性和强度,并突破夹层软质材料的界限,已经成为当前国际上陶瓷增韧技术研究的热点。本文主要对层状复合陶瓷的增韧机理和设计

制备方法作一综述。

图1　含弱界面层状复合材料中裂纹扩展模式

1　层状复合陶瓷增韧机理

与传统陶瓷的强韧化机制不同,层状复合陶瓷的韧化机制属能量吸收、耗散机制,这种结构设计将减小材料力学性能对缺陷的敏感性,使之成为一种耐缺陷材料

[2-3]

　　现在,此类复合材料的研究比较广泛,它们是主要以石墨、BN为弱夹层的SiC、Si3N4体系,这里就以有代表性的材料做一介绍:HaiyanL等

[7]

将含有

2.5%MgO(质量分数,下同)、1%Al2O3的Si3N4粉料

,使材料的断裂韧性获得较大的提高。相

球磨后流延成型,再在成型的薄片上涂上BN(含12%Al2O3)制成多层坯体,烧结后得抗弯强度为430MPa,断裂功为6.5kJ m的Si3N4-BN层状材料。

-2

对于传统的强韧化机制,层状复合陶瓷设计避免了增韧效果受工作环境限制、第一相的分散均匀等问题,而且增韧效果远远好于传统的强韧化机制,断裂功甚至可提高2～3个数量级

[4]

李冬云等

[8]

利用流延法成膜和热压烧结工艺制备了

1/2

1/2

。其设计是在两层高强度

[5]

SiC-C层状陶瓷,断裂韧性达10.2MPa m。其制

的基体间引入夹层来达到增韧效果1.1　弱夹层裂纹偏转增韧

,其增韧机理也

备的SiC-BN层状陶瓷断裂韧性则由5MPa m增

各不相同,大致可以分成以下3类。

此设计在两层高强度的基体间引入弱薄层,夹层

3钟长荣:男,1982年生,硕士研究生。E2mail:zhong_0807@163.com收稿日期:2006-10-11

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