氮化硼纳米管增强氮化硅复合材料的裂纹扩展阻力行为

用氮化硼纳米管(BNNT)增强氮化硅(Si₃N₄)陶瓷制备了BNNT/Si₃N₄复合材料, 利用三点弯曲强度及单边切口梁(SENB)法测定了BNNT/Si₃N₄复合材料的弯曲强度和断裂韧性。通过SEM观察了BNNT/Si₃N₄复合材料微观形貌。基于BNNT增强Si₃N₄陶瓷复合材料的裂纹扩展阻力计算公式, 构建了BNNT对Si₃N₄陶瓷裂纹屏蔽区的裂纹扩展阻力的数学模型。用该模型的计算结果与Si₃N₄陶瓷的裂纹扩展阻力进行了对比。结果表明: BNNT/Si₃N₄复合材料的弯曲强度和断裂韧性明显高于Si₃N₄陶瓷, 说明BNNT对Si₃N₄陶瓷的裂纹扩展有阻力作用, 摩擦拔出是Si₃N₄陶瓷抗裂纹扩展能力提高的主要原因; BNNT对Si₃N₄陶瓷有明显的升值阻力曲线行为。通过有限元模拟裂纹尖端应力分布, 发现BNNT使Si₃N₄陶瓷裂纹尖端的最大应力转移到纳米管上, 而且BNNT降低了Si₃N₄陶瓷裂纹尖端的应力, 对Si₃N₄陶瓷尖端的裂纹有屏蔽作用, 从而提高了Si₃N₄陶瓷的裂纹扩展阻力。     

Si3N4/TiC纳米复合陶瓷材料R曲线行为

在微米Si3N4基体中加入亚微米Si3N4及纳米TiC颗粒,热压烧结制备出力学性能良好的Si3N4/TiC纳米复合陶瓷材料。采用压痕-弯曲强度法测定了复合材料的裂纹扩展阻力曲线(R曲线)。结果表明:材料呈现出上升的阻力曲线特性,显示出增强的抗裂纹扩展能力。其中,加入质量分数为10%亚微米Si3N4颗粒和15%纳米TiC颗粒的复合材料显示出较为优越的抗裂纹扩展能力,其阻力曲线上升最陡,上升幅度最大。分析表明:弥散的TiC粒子同基体之间弹性模量和热膨胀失配以及Si3N4类晶须拔出与桥联补强协同增韧,有助于纳米复合材料抑制主裂纹失稳扩展,导致复合材料的阻力曲线行为。     

基于第一抗热震因子的BN纳米管/Si_3N_4复合材料抗热震性能评价

利用Kingery抗热震断裂理论构建了BN纳米管(BNNTs)强韧化陶瓷复合材料的第一抗热震因子模型,通过真空热压烧结法制备了四组BNNTs含量分别为0.5wt%、1.0wt%、1.5wt%和2.0wt%的BNNTs/Si_3N_4复合材料,并采用水浴淬冷法和三点弯曲法测试了复合材料的抗热震性能(震后弯曲强度和临界热震断裂温差)。测试结果验证了在急剧加热和急剧冷却条件下第一抗热震因子模型的正确性。结果表明:添加BNNTs使BNNTs/Si_3N_4复合材料第一抗热震因子增大,抗热震性能提升。分布在晶界上的BNNTs起到裂纹钉扎、桥联和裂纹偏转作用,增加了裂纹扩展的阻力;纳米管孔隙的存在改变了裂纹扩展路径,提高了BNNTs/Si_3N_4的断裂韧度,从而有效提高了其抗热震断裂能力。     

挤压铸造法制备双连续β-Si3N4增强铝基复合材料

通过碳热还原法制备了气孔率为53.4%~70.2%的β-Si3N4多孔预制体,利用挤压铸造法制备双连续β-Si3N4增强铝基复合材料。随着β-Si3N4陶瓷增强相体积分数的增加,复合材料的弯曲强度由383.9 MPa增加到584.8 MPa,显微硬度由162.7HV增加到241.5HV,断裂韧性由11.9 MPa·m1/2下降到9.5 MPa·m1/2。铝合金基体的断裂模式是韧性断裂,β-Si3N4棒状晶的断裂模式受到晶粒取向的影响。复合材料强韧化机制主要有负荷传递、位错增殖、裂纹桥联、裂纹偏转和微裂纹增韧。     

CVD BN界面层对Si3N4/SiBN复合材料弯曲性能的影响

连续Si3 N4纤维以其优异的热稳定性、高温力学性能和介电性能,被认为是耐高温陶瓷基透波复合材料的候选材料之一.采用连续Si3 N4纤维为增强体,以BCl3+NH3+H2+Ar反应体系,利用化学气相沉积工艺在Si3 N4纤维表面制备了BN界面层,并以聚硅硼氮烷为陶瓷先驱体,通过先驱体浸渍裂解工艺制备了Si3 N4/SiBN复合材料.研究了CVD BN界面层的合成及其对Si3 N4/SiBN复合材料弯曲性能的影响.结果表明:在Si3 N4纤维表面获得了均匀致密的BN界面层,该界面层有效改善了复合材料中纤维/基体的界面结合力,复合材料显示出典型的韧性断裂特征.当界面层的厚度为200 nm时,Si3 N4/SiBN的弯曲强度和断裂韧性分别为182.3 MPa和17.3 MPa·m1/2,比无涂层的复合材料分别提高了59.6％和94.4％.     

弱层成分对SiC/BN层状陶瓷阻力行为的影响

利用压痕2强度法测定了不同弱层成分的SiC/ BN 层状陶瓷的阻力曲线行为, 研究了BN 弱层成分对SiC/ BN 层状陶瓷的阻力曲线行为的影响, 并与SiC 块体陶瓷作对比。结果表明: 与SiC 块体陶瓷相比, SiC/ BN层状陶瓷具有更为明显的升值阻力曲线行为, 且其阻力曲线行为受弱层成分的影响。其中, BN 弱层中加入30 %Al₂O₃ 的SiC/ BN 层状陶瓷显示出更为优越的抗裂纹扩展能力, 其阻力曲线上升最陡, 上升幅度最大。分析认为,这与它们不同的增韧机制和界面的结合状态有关。原位增韧是SiC 块体陶瓷韧性提高的主要原因。裂纹遇到弱界面时发生偏转、分叉以及脱层等是层状陶瓷材料抗裂纹扩展能力提高的主要原因。而弱层成分又影响着裂纹的偏转, 适当结合强度的界面有利于裂纹的偏转, 结合强度太弱太强的界面都不利于裂纹的偏转。      

不同界面SiC/SiC复合材料的断裂行为研究

碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC/SiC)是极具前景的高温结构材料。通过先驱体浸渍裂解(PIP)工艺分别制备了PyC界面和CNTs界面SiC/SiC复合材料, 对两种SiC/SiC复合材料的整体力学性能以及界面剪切强度等进行了测试表征, 并对材料中裂纹的产生与扩展进行了原位观测。结果表明, 两种界面SiC/SiC复合材料弯曲强度相近, 但PyC界面SiC/SiC复合材料的断裂韧性约为CNTs界面SiC/SiC复合材料的两倍。在PyC界面SiC/SiC复合材料中, 裂纹沿纤维-基体界面扩展, PyC涂层能够偏转或阻止裂纹, 材料呈现伪塑性断裂特征; 而在CNTs界面SiC/SiC复合材料中, 裂纹在扩展路径上遇到界面并不偏转, 初始裂纹最终发展为主裂纹, 材料呈现脆性断裂模式。     

基于第二抗热震因子的BNNTs/Si3N4复合材料抗热震性能评价

利用Kingery抗热震断裂理论构建了氮化硼纳米管（BNNTs）强韧化陶瓷复合材料的第二抗热震因子模型,通过真空热压烧结法制备了BNNTs质量分数分别为0.5wt%、1.0wt%、1.5wt%和2.0wt%的BNNTs/Si₃N₄复合材料,并采用预制裂纹法测试了复合材料的抗热震性能,测试结果证实了在平稳状态下模型的正确性。结果表明,BNNTs的存在使复合材料第二抗热震因子增大,抗热震性能提升。分布在晶界上的BNNTs起到裂纹钉扎、桥联和裂纹偏转作用,增加了裂纹扩展的阻力,从而有效提高了BNNTs/Si₃N₄复合材料抗热震断裂能力。     

h-BN/Si3N4陶瓷复合材料的断裂行为及断裂韧性

以亚微米级α-Si3N4和h-BN粉末为原料,Y2O3-Al2O3为助烧剂,采用热压烧结制备了h-BN/Si3N4陶瓷复合材料.研究3h-BN含量对h-BN/Si3N4陶瓷复合材料断裂韧性及其断裂行为的影响.结果表明:随着h-BN含量增加,柱状β-Si3N4晶粒的直径和长径比均下降;未加h-BN时,β-Si3N4陶瓷以沿晶断裂为主,添加体积含量为6%和8%的h-BN后,复合材料出现明显的沿晶和穿晶断裂,而添加10%h-BN的陶瓷复合材料则以沿晶断裂为主.随着h-BN含量增加,h-BN/Si3N4陶瓷复合材料的断裂韧性下降,但由于h-BN颗粒对裂纹扩展的影响,因而其下降程度不大.     

陶瓷刀具材料断口形貌及裂纹扩展的分形特征

通过热压烧结工艺,制备了一种高性能的Si3N4基陶瓷刀具材料。利用X射线衍射仪和扫描电子显微镜分别对材料物相组成、微观形貌及裂纹扩展路径进行了分析。借助图像处理技术和分形理论,计算了断口形貌及裂纹扩展路径的分形维数,并揭示材料断裂机制。研究表明,Si3N4基陶瓷刀具材料表现为穿晶/沿晶的混合断裂模式,其裂纹扩展方式主要是偏转和桥联,断口形貌及裂纹扩展均具有明显的分形特征。当材料断口形貌越粗糙,裂纹扩展路线越不规则,分形维数值增大,表明断口微观结构的粗糙程度、裂纹扩展路线的不规则程度可用分形维数来刻画。     

含碳添加剂Al2O3基陶瓷复合材料的增韧机理

以碳为添加剂,利用热压工艺制得的Al2O3/TiC新型陶瓷复合材料,其断裂韧性比相应不含碳的AlO3/TiC陶瓷材料提高约20％。理论与实验分析表明：弱界面是获得高韧性陶瓷复合材料的一个有效途径,以石墨形态存在的碳在材料中不但能导致自发微裂纹的产生,而且还能形成弱界面,并在强弱界面的共同作用下以裂纹桥联、裂纹分支与裂纹转等多种增韧机制及其协同作用共同提高Al2O3/TiC陶瓷材料的断裂韧性。     

基于扩展有限元的陶瓷复合材料多重增韧机制

为了提高陶瓷材料的断裂韧性和可靠度,改善材料抵御破坏的能力,将优化的多重增韧机制应用到氧化铝基陶瓷材料的开发中。相变增韧机制可以耗散部分能量,降低裂纹尖端处的应力集中程度,阻止或延缓裂纹扩展速率。当增强相分布较为合理、材料的致密度较高时,裂纹偏转与桥接增韧机制可以有效地削弱裂纹扩展动力,提高材料的断裂韧性。利用扩展有限元（X-FEM）手段讨论了裂纹扩展问题,为分析陶瓷复合材料的多重增韧机制提供了新思路。     

弱界面层方向性对层状ZrB2-SiC/石墨陶瓷的影响

利用流延-叠层-热压烧结工艺制备层状ZrB_2-SiC/石墨(ZrB_2-SiC/G)陶瓷,研究了石墨弱界面层的方向性对其力学性能的影响;通过XRD、SEM等对层状ZrB_2-SiC/G陶瓷的物相、形貌进行观察分析。结果表明:层状ZrB_2-SiC/G陶瓷在平行方向上的弯曲强度为(382±25)MPa,略低于垂直方向的弯曲强度((429±30)MPa);平行方向的断裂韧性为(11.2±0.3)MPa·m~(1/2),比垂直方向的断裂韧性提高了75%。层状ZrB_2-SiC/G陶瓷在平行方向上的断裂韧性的提高主要是由于石墨弱界面层对裂纹的偏转、分叉和脱层作用。     

Ti/Al2O3复合材料制备及其力学性能

利用放电等离子烧结(SPS)制备了性能优异的40%(体积分数)Ti/Al2O3复合材料,其弯曲强度、断裂韧性、显微硬度和相对密度分别为897.29MPa、17.38MPa·m1/2、17.13GPa和99.24%.SEM和HREM对复合材料的微观结构分析发现,晶粒细化、位错环强化等是材料强度提高的主要原因;裂纹的偏转和桥联是材料韧性提高的关键所在.     

基于随机分布代表性体积的颗粒增强复合材料拉伸断裂破坏模拟

为研究组分材料性能对材料断裂破坏行为的影响,基于计算细观力学,建立施加周期性边界条件的代表性体积单元,对随机分布颗粒增强复合材料的拉伸断裂破坏进行数值模拟.为选取更具代表性的体积单元,采用径向分布函数和平均近邻距离变异系数两种统计方法对生成的随机分布细观结构进行评估.并在此基础上,对复合材料的有效弹性常数进行分析,以验证所选代表性体积单元的有效性.利用选定的代表性体积单元,运用扩展有限元方法对A l2 O 3/T iB2陶瓷复合材料的拉伸断裂破坏进行了数值模拟,重点讨论了颗粒断裂韧性、界面粘结强度对裂纹萌生及扩展的影响.研究结果表明,不同的颗粒断裂韧性下,复合材料的断裂行为基本一致;界面粘结强度对裂纹的萌生及扩展路径影响较为显著,破坏载荷的变化随界面粘结强度的增加分为三个不同阶段.对于A l2 O 3/T iB2陶瓷复合材料,当界面粘结强度为0.6～60 M Pa时,可兼顾界面的韧性和复合材料的断裂韧性.     

Al2O3/SiC纳米复相陶瓷材料的研究进展

Al2O3/SiC纳米复相陶瓷由于具有优异的室温及高温机械性能而成为结构陶瓷领域研究的热点.本文就Al2O3/SiC纳米复相陶瓷的不同制备加工方式及增强增韧机理进行了详细的阐述.其中粉体的均匀混合是制备过程的关键因素,残余应力及裂纹偏转导致的穿晶断裂以及裂纹尖端SiC颗粒的桥联作用是复相陶瓷强度和韧性增加的主导因素.     

Al2O3/Steel-epoxy层状复合材料的制备和性能

采用环氧树脂胶黏剂作为粘结剂,通过一种简单的模压方法,在5 MPa压力下常温固化,制备了一系列Al2O3/steel-epoxy层状复合陶瓷材料。结果显示,Al2O3/epoxy界面和steel/epoxy界面结合紧密。相比于氧化铝薄片,Al2O3/steel-epoxy层状复合陶瓷材料强度差别不大,但具有更高的断裂韧性、冲击韧性和断裂吸收能。裂纹扩展分析认为层状复合材料断裂韧性和能量吸收的提高主要得益于裂纹尖端钝化和捕获、裂纹桥连、层间脱粘和steel-epoxy层的塑性变形等机制。     

SiC_w/ZrO_2(6mol%Y_2O_3)陶瓷中晶须增韧的数值模型

SiCw／ZrO2（6mol％Y2O3）陶瓷的实验研究表明，晶须桥联和裂纹偏转是其主要增韧机制在两种机制协同增韧的基础上，建立了晶须增韧的数值模型，对材料的三点弯曲断裂过程的计算结果表明：载荷／位移曲线呈锯齿状，是由于晶须桥联作用使得裂纹扩展与停止这一过程反复出现而引起的；随晶须含量增加，复合材料韧性提高，晶须桥联和裂纹偏转两种增韧贡献都增加，但是占主导地位的增韧机制由裂纹偏转机制逐步过渡到裂纹桥联机制．计算结果与材料的测试结果很吻合．     

Ti/Al2O3复合材料制备及其力学性能

利用放电等离子烧结(SPS)制备了性能优异的40%(体积分数)Ti/Al2O3复合材料,其弯曲强度、断裂韧性、显微硬度和相对密度分别为897.29MPa、17.38MPa·m1/2、17.13GPa和99.24%.SEM和HREM对复合材料的微观结构分析发现,晶粒细化、位错环强化等是材料强度提高的主要原因;裂纹的偏转和桥联是材料韧性提高的关键所在.     

PAS烧结SiC/h-BN复相陶瓷的韧性表征

为探讨等离子活化烧结(PAS)工艺制备的SiC/h-BN复相陶瓷的失效特性,采用三种韧性表征方式(断裂韧性K_(IC)、韧化比、R曲线)研究评判该类复相材料破坏的韧性依据,并对裂纹扩展的显微形貌进行分析与讨论,建立了复相陶瓷失效评价的模型。结果表明:SiC/h-BN复相陶瓷两种试样的K_(IC)都随着h-BN含量的增加而降低;以韧化比(TI)作为韧性指标,发现h-BN含量越多,复相陶瓷的韧性越好;结合R曲线可知,h-BN含量增多,复相陶瓷的R曲线呈陡峭的上升趋势,但却有着较低的裂纹扩展门槛值。由此可知,三种韧性表征结果之间存在着相互矛盾。基于显微形貌分析发现,复相陶瓷中存在的层状h-BN增加了能量耗损,裂纹在扩展过程中发生偏转、分叉和桥联等现象。以K_(IC)作韧性指标更多反映的是裂纹萌生的阻力,韧化比TI更多反映的是裂纹扩展的阻力。基于材料在工程应用中的不同应力状态,应选择合适的韧性参数来表征,才能更直接地指导复相陶瓷的应用及失效评价。