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不要怂!比一比碳化硅晶须与氧化锆谁的增韧效果更棒
发布时间:2020-09-24 来源:中国粉体网     分享到:

[导读]  为了改善陶瓷材料的脆性,多年来许多研究者提出多种增韧补强方法和先进的工艺技术,通过在陶瓷材料中添加增强相如TiC、TiN、TiB、SiCp、SiCw、(W,Ti)C、WC、ZrO2、Y2O3等成分,利用第二相、第三相材料进行颗粒弥散强化、纤维补强、晶须增韧、相变增韧或协同增韧补强,可使主相陶瓷材料的性能大幅度提高。

碳化硅要认输?


为了改善陶瓷材料的脆性,多年来许多研究者提出多种增韧补强方法和先进的工艺技术,通过在陶瓷材料中添加增强相如TiC、TiN、TiB、SiCp、SiCw、(W,Ti)C、WC、ZrO2、Y2O3等成分,利用第二相、第三相材料进行颗粒弥散强化、纤维补强、晶须增韧、相变增韧或协同增韧补强,可使主相陶瓷材料的性能大幅度提高。


目前较为有效的途径是利用SiC晶须增强和利用ZrO2相变增韧,至今为止,利用部分稳定氧化锆的相变增韧是最为成功的增韧方法之一,相对来说ZrO2相变增韧效果要好一些。


但是,碳化硅会服输吗


首先,但是由于许多脆性材料并不一定具备有利于增韧的相变,并且还受温度的影响较大,所以这种ZrO2增韧方法还需要进一步研究。


最重要的一点,ZrO2在增韧氧化铝等氧化物陶瓷方面效果显著,但在增韧SiC、Si3N4等非氧化物陶瓷方面进展缓慢,难以发挥氧化锆相变增韧的作用。


反观SiC晶须,ZrO2陶瓷由于在高温下相变增韧机制失效,使得其高温力学性能严重恶化。SiCw的加入可以提高其弹性模量、硬度、高温强度和韧性,从而拓展其应用范围。目前SiCw增韧的ZrO2陶瓷可应用于1350℃以上使用的燃气涡轮转子、涡轮定叶片、各种陶瓷发动机部件、陶瓷工具、拔丝模具、轴承等。其实SiC晶须增韧氧化锆陶瓷也有局限性,主要原因是这两者的膨胀系数并不匹配。


那么,这两种增韧材料是如何改变陶瓷韧性的呢?


SiC晶须增韧


目前为止,SiC对陶瓷材料的增韧分为3类,颗粒(SiCp)、晶须(SiCw)和晶片(SiCpl)。

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1、SiCp增韧陶瓷材料


SiCp的增韧机理主要是在复合材料内部形成了内晶型结构。内晶型结构纳米复合陶瓷晶粒细化同时产生了次晶界,致使晶界数量大幅度增加,材料的强度和韧性也大幅提高某些陶瓷甚至还表现出了超韧性。


2、SiCw增韧陶瓷材料


SiCw对复合材料的增韧机理一般有3种:裂纹桥连、裂纹偏转和拔出效应。晶须桥连是指晶须受外载的作用,在断开的裂纹面之间桥连,桥连的晶须在基体中生使裂纹闭合的应力而消耗外界所做的功。裂纹偏转是指当裂纹尖端遇到弹性模量比基体大的晶须时,偏离原来的方向,沿两相界面或在基体内扩展,这种非平面断裂比平面断裂有更大的断裂表面,因而能吸收更多的能量,从而可提高材料的断裂韧性。晶须的拔出是指在外载作用下,晶须从基体中拔出,因界面摩擦而消耗外界载荷的能量,从而达到增韧的目的。


3、SiSiCpl增韧陶瓷材料


SiCpl具有增韧效果好、制备工艺简单等优点,使得陶瓷材料的维氏硬度、弹性系数、断裂韧性和高温强度都有很大的提高,目前得到了众多研究者的关注。


4、复合增韧陶瓷材料


复合增韧陶瓷材料是指利用SiCp、SiCw、SiCpl其中的2种或3种所制备的复合陶瓷材料。在这种材料中,SiCw、SiCpl起到拔出、桥连作用,SiCp用来细化晶粒,并起裂纹转向、分岔作用。同时,由于SiCp部分取代SiCw,使SiCw含量减少,给均匀混料、烧结致密化带来好处。


随着纳米材料制备技术的日趋完善,陶瓷复合材料的研究正从微米复合向纳米复合方向发展,纳米SiCw,复合材料成为SiC增韧陶瓷基复合材料研究的一个新领域。由于复合增韧陶瓷材料具有优异的性能。因此,该种复合材料将是SiC增韧陶瓷基复合材料发展的一个方向。


ZrO2增韧


ZrO2增韧机制有许多种:应力诱导相变增同、相变诱发微裂纹增韧、表面诱发强韧化和微裂纹分岔增韧等。在实际材料中究竟何种机制起仁导作用,在很大程度上取决于t一ZrO2向m一ZrO2马氏体相变程度的高低及相变在料中发生的部位

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图片来源于网络

1、相变增韧

亚稳定四方相t-ZrO2在裂纹尖端应力场的作用下发生一相变,形成单斜相,产生体积膨胀,从而对裂纹形成压应力,阻碍裂纹扩展,起到增韧的作用。这就是著名的Garvie应力诱导相变增韧机理。另外,相变增韧也是可以应用于功能陶瓷的。如:铁电/压电性畴转变增韧机制,在压电陶瓷材料中,利用使产生裂纹的外应力转变为电能,从而达到增韧的目的。


2、微裂纹增韧


t→m相变伴随体积膨胀,使得相变区域形成很多微裂纹。当主裂纹在扩展过程中遇到微裂纹,主裂纹的扩展路径将改变方向或分叉。此外,主裂纹尖端除由于应力集中而诱发相变,产生微裂纹,起到分散主裂纹尖端能量的作用,从而提高材料的断裂韧性。当微裂纹相互独立时,微裂纹密度越高,增韧效果越好。


3、残余应力增韧


陶瓷材料可以通过引入残余压应力达到增强韧化的目的。控制含弥散四方相的ZrO2颗粒的陶瓷在表层发生四方相向单斜相的相变,引起表面体积膨胀而获得表面残余压应力。由于陶瓷断裂往往起始于表面裂纹,表面残余压应力有利于阻止表面裂纹的扩展,从而起到增强增韧的效果。尺寸较小的t相粒子相变时,总膨胀应变小,应变能也小,不足以使基体产生微裂纹,那么这些应变能就以残余应力的形式储存下来。当主裂纹扩展进入残余应力区时,残余应力释放,阻碍主裂纹的进一步扩展,这种韧化机制被称为残余应力增韧机制。


参考资料:

[1]夏傲.氧化锆增韧陶瓷材料的结构性能和应用

[2]李绍纯.碳化硅颗粒、晶须、晶片增韧陶瓷复合材料的研究现状

[3]王秋红.碳化硅晶须的制备及其在复合材料增韧中的应用

[4]黄康明.陶瓷增韧技术的研究进展

[5]邬国平.流体密封用碳化硅陶瓷增韧技术研究进展


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