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氮化物、氧化物、碳化物陶瓷增韧新模式:层状陶瓷材料
2022年05月19日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:166
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与其他材料相比,陶瓷具有高的热稳定性、高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点,这些特性使其成为尖端结构和功能应用的首选材料,比如说氧化铝氧化锆、氧化硅、碳化硅氮化硅等,及常被应用在航空航天、汽车、生物医学、电子和机械设备等行业。


但是陶瓷材料有个致命缺点就是脆性,这是制约其发展的主要因素之一,因此一般需要增韧提高效率和耐久性。久而久之,增韧就成为了陶瓷材料研究领域的核心问题。

一、不同的陶瓷增韧方式

根据强韧化方法不同,陶瓷材料发展了复相陶瓷、纤维增韧陶瓷基复合材料以及层状陶瓷等三大体系。

复相陶瓷具有高强度和高比例极限应力,但韧性提高有限,适用于高应力小尺寸简单零件。

纤维增韧陶瓷基复合材料从根本上解决了脆性问题,已经在航空航天领域获得广泛应用,但是纤维/基体弱界面产生的非线性力学行为导致其比例极限应力低,适用于中等应力大尺寸复杂构件。

层状陶瓷的强度和韧性介于复相陶瓷和纤维增韧陶瓷基复合材料之间,并且具有良好的线性力学行为,适用于高应力小尺寸复杂零件。

二、层状陶瓷增韧原理

本文主角“层状陶瓷”是近年来发展迅速的陶瓷增强增韧新技术。它模拟自然界某些生物材料,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,因此也是一种仿生材料。仿生层状结构就是指由多个基体层和界面层组成的复合材料。

人体中最坚硬的部分——牙釉质也是典型的例子。它由羟基磷灰石和有机物组成。这种材料的一个独特的特点是,它们利用不同的结构或结构取向,产生硬表面层(羟基磷灰石),以抵抗磨损或渗透,并有一个坚韧的过渡层(有机物)以适应增加的变形,这种结构-功能一体化的组合,为牙齿的磨损提供了保护。


在光学显微镜下观察釉质的全貌时,可见若干条与牙面大致平行的线条,显示釉质生长时呈叠瓦状一层一层地堆积,这种线条被称为生长线或锐兹线

从力学性能上讲,层状结构主要通过引入许多界面来增加材料的断裂韧性,这些界面通常具有更好的延展性(断裂韧性是指材料在灾难性失效之前所能吸收的能量,韧性则是衡量诱发灾难性破坏所需能量的指标)。

在层状结构中,大多数增韧机制是外在的,包括裂纹偏转和分叉和桥连。每一种机制都有助于增加传播裂纹所需的能量,或屏蔽裂纹尖端的应力。其中,层状材料中致使灾难性断裂所需的能量主要是通过以下两种外部机制增加的。

①裂纹扩展过程中遇到界面层发生偏转,在应力作用下形成连续的裂纹路径。

②裂纹扩展过程中遇到的任何缺陷将沿着缺陷方向继续扩展(如下图所示),从而增加扩展裂纹所需的功。

层状裂纹拓展路径

层状裂纹拓展路径

虽然简单,但这不难发现,层状结构由于较长的裂纹路径从而提高了材料的韧性。另外,引入较弱的界面也可以提高韧性——因为弱界面断裂时,会在裂纹尖端的正前方创建第二个偏移(大致垂直)的裂纹,该裂纹合并后将显着增加裂纹尖端的曲率半径,而裂纹尖端的应力与该半径成反比,所以能够有效提高韧性。

总而言之,许多层状结构的韧性远高于其组分的简单混合物。通过引入不同材料和形式的界面层组分,就能实现不同形式的增韧机制的协同作用,从而显著提高材料的韧性。

三、层状陶瓷的制备技术

层状陶瓷复合材料的制备技术主要包括粉末冶金技术,自蔓延高温合成技术,原位反应自生法等。其中粉末冶金技术主要包括热压烧结工艺,放电等离子烧结工艺,常压烧结工艺,热等静压烧结工艺,热压反应烧结工艺,原位反应自生法等。

层状结构陶瓷复合材料的硬夹层和软夹层采用流延成型,凝胶注模,轧膜成型等工艺进行制备,当硬夹层和软夹层干燥后将硬夹层和软夹层叠加在一起并通过烧结工艺制备层状陶瓷复合材料。下图为层状陶瓷复合材料的制备工艺流程图。


四、层状陶瓷应用实例

1、氮化硅

Si3N4陶瓷具有优异的力学性能和高温稳定性被广泛应用于航空航天、防弹装甲、电子通讯等。然而,Si3N4陶瓷存在脆性大和可靠性低的问题,限制了其广泛应用。李翠伟等研究了Si3N4/BN层状复合陶瓷抗穿甲破坏实验研究。研究了Si3N4/BN层状陶瓷的抗冲击性能和抗穿甲性能。耐冲击性研究表明,Si3N4/BN层状陶瓷的抗冲击能力优于Si3N4单相陶瓷。与整体Si3N4陶瓷的粉碎行为相比,Si3N4/BN层状陶瓷在撞击后可以在一定程度上保持完整性。

2、氮化铝

氮化铝(AlN)陶瓷具有很多优秀的性能。可以将AlN与BN相复合制备AlN/BN层状复合材料。可以通过流延成型法结合热压烧结工艺制备出AlN/BN层状复合材料。Zhang等研究了AlN/BN层状陶瓷复合材料的力学性能。采用流延成型和热压烧结法制备了AlN/BN层状陶瓷复合材料,优化了AlN/BN层状陶瓷复合材料的结构和设计。结果表明AlN/BN层状陶瓷复合材料的断裂韧性为9.1 MPa·m1/2以及弯曲强度为378 MPa。AlN/BN层状复合材料的断裂韧性是单相AlN陶瓷的断裂韧性的两倍。

3、氧化锆

郭亚琼以亚微米 ZrO2为陶瓷基体相,微米Al2O3为陶瓷增强相,采用非水基流延成型技术和 ZrO2叠层无压烧结的方法制备出层状结构复合ZrO2陶瓷。研究结果表明,当夹层中异质相Al2O3含量为10wt%时,ZrO2/ZrO2-Al2O3流延薄膜叠层复合陶瓷的抗弯强度最佳,高达750MPa,此时层状结构复合ZrO2陶瓷的硬度为12.75GPa,均高于单相ZrO2陶瓷和Al2O3陶瓷;当夹层中Al2O3含量为15wt%时,层状结构复合ZrO2陶瓷的断裂韧性则达到最大值,为16.57MPa.m1/2


夹层中不同Al2O3含量时,层状结构复合ZrO2陶瓷试样断裂的宏观图

(从左到右:0wt%、10wt%、15wt%)

4、碳化硅

李冬云等采用流延法制备SiC薄层,在其表面涂覆BN浆料,经层叠、模压并在1900℃、30MPa下热压烧结得到SiC/BN层状结构陶瓷。通过压痕法测定其耐损伤性能,发现SiC/BN层状结构陶瓷的阻力曲线呈上升型,而单相SiC陶瓷的阻力曲线呈平稳型。这说明该层状结构陶瓷具有较强的抗裂纹扩展能力和优异的耐损伤性能。

解玉鹏等采用流延法制备SiC晶须(SiCw)薄片,然后应用化学气相渗透法制备SiC基体,经过交替流延—沉积,成功制备了SiCw/SiC层状结构陶瓷,当SiC晶须体积分数在40%时,层状结构陶瓷的拉伸强度为158MPa,弯曲强度为315MPa,断裂韧度为8.02MPa·m1/2。这为航空发动机叶片的制备提供了一种新思路。

5、碳化硼

2018年,WU等采用流延成型工艺制备出钛层和B4C层(纯B4C和添加质量分数6%铝的B4C层),交替层叠,并在1800℃、30MPa条件下热压烧结制备Ti/B4C层状结构材料。界面微观结构和断裂韧性试验结果表明:铝的加入使界面处形成铝熔池,促进了钛和B4C的原子扩散,从而使界面连接方式由物理连接向冶金连接转变;没有加入铝的Ti/B4C层状结构材料的断裂韧度为7.82MPa·m1/2,添加质量分数6%的铝后,断裂韧度增至9.67MPa·m1/2,提高了约24%。

 

资料来源:

碳化物层状结构陶瓷的制备和强韧化研究进展,史秀梅,张立君,郑阳升,程英晔,王强,张乐,郑顺奇,史戈平。

高韧性层状氮化硅陶瓷材料的制备及性能研究,刘镇。

高韧性层状氮化硅陶瓷材料的制备及性能研究,郭亚琼。

层状陶瓷复合材料的制备技术及其研究发展现状和趋势,江涛。

【基金故事】成来飞教授团队:“探秘”新型层状陶瓷材料,西北工业大学。

 

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