全国性建材科技期刊 陶瓷 2001年 第6期 总第154期

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层状复合陶瓷研究进展

唐 田 张东明 傅正义

(武汉理工大学材料复合新技术国家重点试验室 430070)

摘 要 综合评述了层状复合陶瓷的研究进展,同时讨论了层状复合陶瓷的断裂特性(包括几种主要的增韧机制和影响因素)。最后,对如何设计层状陶瓷作了简单总结。关键词 层状复合陶瓷 增韧机制 界面层

门研究Si3N4/BN层状复合材料中软层及硬层性质对

前言

陶瓷材料作为一种性能优良的材料,由于韧性低,脆性大,抗破坏能力差,从而严重限制了它的使用范围。因此,增加陶瓷材料的韧性,提高陶瓷材料的使用可靠性一直是国际材料界的研究重点。

众所周知自然界中的竹子、贝壳等具有优良的性能。他们之所以有如此优异的性能不是靠本身的材料好,而是通过简单组分的精细复合(仿生设计)结构特征来保证的[1]。这种结构启发人们在脆性陶瓷材料中加入耐高温软质材料,设计和制作层状复合物以提高陶瓷韧性。这种设计是建立在能量耗散机制的基础上,其结构设计的原理是尽量减少材料力学性能对原始裂纹缺陷的依赖性,使材料发展成为一种对缺陷不敏感的材料。且仿生结构设计不象其他韧化方法那样以牺牲部分强度来换取高韧性,而是使材料的强度和韧性同时得到提高。

材料整体性质的影响[5~7]。经过一系列的研究,以BN+Al2O3为软层,Si3N4+SiC(w)为硬层,制备出了Si3N4+SiC(w)/BN+Al2O3层状复合材料。此材料的抗弯强度高达750MPa,断裂韧性提高到28MPa m1/2,且具有较好的高温力学性能。

以Si3N4为体系的还有Maryland大学的刘海燕和Michigan大学的Kovar等[9]。

对于Al2O3体系层状复合材料,日本的Katsoki等[10]用扎膜法研制的Al2O3/3Al2O3 2SiO2层状复合材料的抗弯强度为265MPa,此外还有张志强[11]、法国的Boch等。

对于SiC[13]体系层状复合材料的研究进行较早。1990年英国化学工业公司的W.J.Clegg博士以石墨为软层,制备出了SiC/石墨层状复合材料,使SiC的断裂功提高了100倍,此外还有人研究了SiC与石墨层厚之比对材料性能的影响,得出了当二者比为30时可获得最大断裂韧性[15]。

此外,以陶瓷材料作为基体片层,以金属或有机质作为软层进行仿生结构设计制备层状复合材料的也有相关报道。

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1 仿生陶瓷研究进展

层状复合陶瓷,即具有独特叠层结构的陶瓷,最重要的一点是可以从材料的宏观结构角度来设计新材料。目前国内外已有人从结构设计的角度出发,开始了层状复合陶瓷材料的探索性研究[2,3]。

目前国内研究层状复合陶瓷的主要单位有清华大学,浙江大学,中科院金属所等单位,国外也有一些大学在从事这方面研究。

清华大学的黄勇等在工作中通过仿生结构设计专

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2 层状陶瓷的韧化机制分析

2.1 层状复合陶瓷增韧

2.1.1 弱界面裂纹偏转增韧

设计要求在两个强度高的层间夹有弱(weak)的薄层,要求弱夹层足以偏转裂纹,强层必须有一定的抗压缩和剪切性能。A.J.Philipps[16]证明只有当夹层、基体