中國(guó)粉體網(wǎng)訊 氧化鋁陶瓷是氧化物中最穩(wěn)定的物質(zhì) , 具有機(jī)械強(qiáng)度高 、高的電絕緣性與低的介電損耗等特點(diǎn), 在航天 、航空 、紡織、建筑等方面 ,具有廣闊的應(yīng)用前景。但是 ,由于它高脆性和均勻性差等致命弱點(diǎn) ,影響了陶瓷零部件的使用安全性 ,因此 ,提高氧化鋁陶瓷的韌性是亟待解決的重要問(wèn)題。
1、氧化鋁陶瓷為何如此脆呢？
金屬材料很容易產(chǎn)生塑性變形，原因是金屬鍵沒(méi)有方向性。而在陶瓷材料中，原子間的結(jié)合鍵為共價(jià)鍵和離子鍵，共價(jià)鍵有明顯的方向性和飽和性，而離子鍵的同號(hào)離子接近時(shí)斥力很大，所以主要由離子晶體和共價(jià)晶體組成的陶瓷，滑移系很少，一般在產(chǎn)生滑移以前就發(fā)生斷裂。
為了減少氧化鋁基陶瓷材料的脆性 ,除了采用先進(jìn)的制備工藝外 ,還需要在氧化鋁陶瓷的增韌技術(shù)方面開展廣泛及深入的研究 。目前 ,該研究主要集中在以下幾個(gè)方面 。
①、相變?cè)鲰g
把相變作為陶瓷增韌的手段并取得顯著效果是從部分穩(wěn)定氧化鋯提高抗熱震性的研究開始的 。由于氧化鋯相變的自身特點(diǎn), 氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷，被證明具有較好的增韌效果 。目前 , 基于相變?cè)鲰g的 ZTA 已可用作許多零部件的結(jié)構(gòu)材料。
純氧化鋯在 1000 ℃附近有固相轉(zhuǎn)變 : 正方相( t) →單斜相( m) ,屬于馬氏體轉(zhuǎn)變 ,將產(chǎn)生 3 %～5 %的體積膨脹。當(dāng)裂紋擴(kuò)展進(jìn)入含有t -ZrO2晶粒的區(qū)域時(shí) ,在裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的作用下 ,在裂紋尖端形成過(guò)程區(qū),即過(guò)程區(qū)內(nèi)的t -ZrO2將發(fā)生t→m相變 ,因而除產(chǎn)生新的斷裂表面而吸收能量外,還因相變時(shí)的體積效應(yīng)( 膨脹)而吸收能量。同時(shí)由于過(guò)程區(qū)內(nèi)t→m 相變粒子的體積膨脹而對(duì)裂紋產(chǎn)生壓應(yīng)力 ,阻礙裂紋擴(kuò)展。
相對(duì)而言, 即是提高了材料的裂紋尖端臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子——斷裂韌性。將ZrO2的t→ m 相變韌化作用及由于t →m 相變而派生出來(lái)的顯微裂紋韌化與殘余應(yīng)力韌化作用引入氧化鋁基體,可使韌性得到顯著提高。
至今為止,利用部分穩(wěn)定氧化鋯的相變?cè)鲰g是最為成功的增韌方法之一,但是由于許多脆性材料并不一定具備這種有利于增韌的相變,并且還受溫度的影響較大,所以這種增韌方法還不能得到普遍應(yīng)用。
②、晶須 、纖維和碳納米管增韌
相對(duì)于氧化鋁基陶瓷的相變?cè)鲰g, 利用晶須和纖維增韌是一種比較有發(fā)展前途的增韌技術(shù)。晶須在拔出和斷裂時(shí) ,都要消耗一定的能量, 有利于阻止裂紋的擴(kuò)展 。提高晶須強(qiáng)度和降低晶須彈性模量有利于材料韌性提高 ; 增大晶須尺寸( 長(zhǎng)度 、半徑和長(zhǎng)徑比) 能提高晶須增韌效果。
在陶瓷基體中加入定向或取向或無(wú)序排布的纖維,可獲得高強(qiáng)度和高韌性的陶瓷復(fù)合材料, 這已成為氧化鋁陶瓷領(lǐng)域的發(fā)展方向之一。為了達(dá)到纖維復(fù)合增韌的目的, 纖維與基體材料之間必須滿足 2 個(gè)條件: ①起增強(qiáng)作用的纖維彈性系數(shù)必須高于氧化鋁陶瓷基體的彈性系數(shù);②纖維與基體之間必須是相容的。
③、顆粒彌散增韌
陶瓷材料的機(jī)械性能可以通過(guò)添加顆粒金屬相得以提高,在脆性陶瓷中引入延性金屬相被證明也是一種很有前途的增韌方法。金屬粒子作為延展性第二相引入陶瓷基體內(nèi),不僅改善了陶瓷的燒結(jié)性能,而且可以以多種方式阻礙陶瓷材料中裂紋的擴(kuò)展, 使得復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性得以提高 。
當(dāng)其形狀是顆粒狀時(shí), 增韌機(jī)制主要是裂紋偏轉(zhuǎn); 而金屬的塑性變形則主要發(fā)生于金屬呈纖維、薄片等形狀存在的復(fù)合材料中 。陶瓷與金屬間化合物都是可用于高溫使用的材料。
通過(guò)細(xì)化基體晶粒和裂紋屏蔽作用 , 耗散裂紋前進(jìn)的動(dòng)力 ,達(dá)到增韌目的 。盡管效果不如纖維和晶須 ,但工藝簡(jiǎn)便易行 , 且成本低 ,只要顆粒的種類 、大小 、含量等參數(shù)選擇適當(dāng) ,增韌效果還是十分明顯的。
④、納米技術(shù)增韌
納米材料與納米技術(shù)方面的研究有可能使陶瓷增韌技術(shù)獲得革命性突破 。一方面 ,納米陶瓷由于晶粒的細(xì)化 , 晶界數(shù)量會(huì)大大增加 ,同時(shí)納米陶瓷的氣孔和缺陷尺寸減小到一定尺寸就不會(huì)影響到材料的宏觀強(qiáng)度 ,結(jié)果可使材料的強(qiáng)度 、韌性大大增加 。另一方面 ,在陶瓷基體中引入納米分散相并進(jìn)行復(fù)合 , 不僅可大幅度提高其強(qiáng)度和韌性 ,明顯改善其耐高溫性能。
因此 ,氧化鋁陶瓷納米化及納米復(fù)合目前已成為改善其斷裂韌性的最重要途徑之一 。
納米復(fù)相陶瓷的強(qiáng)韌化機(jī)理 , 主要通過(guò)以下幾個(gè)效應(yīng)體現(xiàn): ①?gòu)浬⑾嗟囊胗行У匾种屏嘶|(zhì)晶粒的生長(zhǎng)和減輕了晶粒的異常長(zhǎng)大 ; ②彌散相或彌散相周圍存在局部應(yīng)力 ,使晶粒細(xì)化而減弱主晶界的作用 ; ③納米粒子高溫牽制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng) , 使高溫力學(xué)性能如硬度 、強(qiáng)度及抗蠕變性得到改善。
