SHS纳米/微米块体复相陶瓷微观结构与断裂

通过在(CrO3 Al)燃烧体系中添加一定量的ZrO2(2Y)粉末,利用SHS冶金技术直接制备出Al2O3-35vol%ZrO2纳米/微米结构块体复相陶瓷,研究该复相陶瓷的微观结构与断裂行为.研究发现:该复相陶瓷基体主要由纳米/微米相晶内型结构共晶体组织构成;Vickers压痕试验显示引发陶瓷裂纹扩展的压痕压制临界载荷为30 kg;ZrO2相所具有的应力诱发相变增韧机制和微裂纹增韧机制均很微弱;裂纹扩展主要受纳米/微米相晶内型结构共晶体控制,使该复相陶瓷在断裂过程中呈现出强烈的裂纹偏转绕过机制.     

Al2O3/ZrO2层状复合陶瓷的显微结构特征与强韧化的关系

利用自带能谱的扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)仪,对Al2O3/ZrO2层状复合陶瓷的显微结构特征及断口形貌进行深入分析研究.研究结果表明:表面压应力的作用细化了晶粒,提高了可相变四方相的含量,增加了相变增韧的效果;沿界面两端表现出2种不同的断裂机制:界面以外靠近表面部分,其断裂主要是穿晶断裂;在基体层的断裂则表现为沿晶和穿晶混合型断裂方式.该断裂行为与ZrO2层状陶瓷的相变增韧机制密切相关.     

氧化锆层状复合陶瓷表面压应力与相变增韧的关系

利用维氏硬度仪和X射线应力分析仪、X射线衍射仪等手段分别对单层和层状氧化锆陶瓷进行了力学性能测试和分析,研究结果表明,在ZrO2层状复合陶瓷中,压痕裂纹的形成除了因塑性区体积变化产生的残余应力外,还与相变应力和表面压应力有关,表面压应力对表面裂纹具有较大的抑制作用.层状陶瓷断裂韧性提高,主要是通过表面压应力对压痕裂纹区应力强度因子的贡献、提高断裂相变量,强化相变增韧效果、细化晶粒等几个方面来实现的.     

超重力下燃烧合成大体积凝固态Al2O3/ZrO2（4Y）研究

通过在铝热剂中引入ZrO2(4Y)混合粉末,以超重力下燃烧合成方式,制备出Al2O3/ZrO2(4Y)自生复合陶瓷板材,并研究了复合陶瓷微观结构、生长机理与力学性能.XRD、SEM与EDS结果显示,Al2O3/32%ZrO2(4Y)复合陶瓷基体为亚微米t-ZrO2纤维成三角对称分布其上、取向各异的棒状共晶团,而Al2O3/37%ZrO2(4Y)复合陶瓷则以分布均匀的微米级t-ZrO2球晶为基体.Al2O3/32%ZrO2(4Y)复合陶瓷的强化归因于小尺寸共晶团边界及残余压应力增韧、相变增韧机制引发的高断裂韧性所致;同时,细小t-ZrO2球晶所具有的小尺寸缺陷及相变增韧与微裂纹增韧机制所引发的高断裂韧性也使Al2O3/37%ZrO2(4Y)复合陶瓷得以强化.     

Mg-PSZ陶瓷应力诱发马氏体相变的类型与机制

用透射电子显微镜观察了 Mg-PSZ 陶瓷中 t-ZrO_2析出体的方形截面和曲折状的晶界。通过试验观察,确定有四类应力诱发马氏体相变。裂纹扩展过程中各类增韧机制如下:(1)微裂纹萌生;(2)裂纹尖端钝化;(3)裂纹分岔;(4)裂纹弯曲。晶体学研究表明相变孪晶的类型和 m-ZrO_2及 t-ZrO_2间的位向关系决定于切应力的方向。     

陶瓷基复合材料疲劳特性的研究

应用相变增韧、相变-晶须复合及相变-颗粒复合三种方式来改善氧化铝陶瓷的力学性能,研究了陶瓷基复合材料的疲劳特性。 在循环压缩载荷作用下,陶瓷材料的应力集中处(如缺口)会产生垂直于压应力轴的疲劳裂纹,随循环周次的增加,裂纹的扩展由快到慢,最终完全停止。循环压缩疲劳裂纹的形成机理是较大的应力集中使材料内出现以微裂纹为主要形式的不可逆损伤,在随后的卸载过程中,不可逆损伤区产生很高的残余拉应力,使疲劳裂纹形核并逐渐扩展。 陶瓷材料在四点弯曲循环载荷作用下,疲劳裂纹具有较长的亚临界扩展过程。裂纹护展速率与循环载荷的最大应力强度因子K_(max)及应力强度因子幅度△K都有关,且随载荷频率的降低及载荷波形由三角波变为正弦波,裂纹扩展速率增加。陶瓷材料四点弯曲疲劳裂纹的亚临界扩展是材料内损伤逐渐累积的结果。疲劳过程中材料通过形成微裂纹及裂纹分叉、克服增强物的阻碍及裂纹表面的桥接与互锁作用、产生裂尖微区内的塑性变形及部分稳定ZrO_2的相变等方式来消耗能量,在材料内造成以微裂纹为主要形式的微观损伤,从而弱化了材料,使疲劳裂纹得以亚临界扩展。 陶瓷材料在1050℃高温下的强度约为其室温强度的一半。陶瓷材料的高温循环疲劳是高温静载效应与循环载荷效应的迭加,1050℃下,循     

ZrO2(3Y)/Fe3Al复合材料的显微结构及性能

采用热压烧结制备了ZrO2(3Y)/Fe3Al复合材料,材料的室温抗弯强度、断裂韧性、HRA硬度分别为1321MPa、36MPa.m1/2、86.7,临界热震温差(△T)由单相ZrO2(3Y)的250℃提高至500℃.显微结构研究表明,裂纹桥联、裂纹偏转及相变增韧的协同作用,及位错对裂纹扩展的扰动作用是断裂韧性成倍增加的主要原因.     

纳米ZrO2与微米Al2O3复合陶瓷的断裂模式

研究了两种微米Al2O3与纳米ZrO2复合陶瓷的裂纹扩展过程与显微结构的关系.结果表明,Al2O3晶粒内部形成纳米级或亚微米级ZrO2颗粒,是复合陶瓷的断裂模式从沿晶断裂向穿晶断裂转化的主因.ZrO2含量较低有利于Al2O3晶界迁移包裹纳米ZrO2形成内晶结构;而ZrO2含量较高使主晶相长大受到抑止,不利于形成内晶结构,趋向于沿晶断裂.裂纹穿晶扩展需要的驱动力比沿晶断裂大,故裂纹扩展阻力曲线的上升趋势更加显著.裂纹穿晶扩展路径主要取决于内晶颗粒产生的弹性应力场的性质.     

Al-Y-TZP陶瓷的抗热震行为与相变的关系

研究了不同 Y_2O_3添加剂含量的2mol% Al_2O_3-ZrO_2陶瓷的相变增韧和强化以及热震损伤行为。分析了材料的抗热震性和断裂参数(K_(1c),σ_f,γ_f)之间的关系。在实验的基础上阐明了四种 ZrO_2材料的热震损伤行为由抗热震参数(R′,R″,R_(8t))控制,并分别受到下述因素的影响:a.应力诱发相变的增韧和强化;b.抑制四方 ZrO_2相变的内约束力所起的强化作用;c.与无外应力下的相变开裂相关的增韧和强度衰减;d.热震裂纹成核引起的增韧。     

3Y-TZP/mullite-Alumina复合陶瓷的韧性及增韧机制

为了研究3Y TZP为基体的3Y TZP/mullite Alumina复合陶瓷的断裂韧性及其增韧机制,将3Y TZP、mullite、Alumina3种粉料球磨混合,经干压、等静压成型,在1480℃,4h无压烧结,通过改变Alumina/mullite体积比,得到了不同断裂韧性的陶瓷复合材料,利用XRD与SEM技术分析了复合材料的成分及微观结构.研究结果表明:Al2O3/mullite体积比影响复合材料中四方氧化锆(t ZrO2)向单斜氧化锆(m ZrO2)转变的相变量、复合材料的微观结构和t ZrO2晶面间距,进而影响材料的断裂韧性;用单边切口梁法测试复合材料断裂韧性(KIC)为9 26～10 4MPa·m1/2;此系统中存在ZrO2相变增韧、非相变第二相颗粒增韧等机制.     

残余拉应力的温度依赖性及其对裂纹扩展行为的影响

为研究以高膨胀系数的陶瓷为涂层,低膨胀系数的陶瓷为基体的预应力陶瓷的高温力学性能,本工作以氧化锆为涂层,氧化铝为基体,制得表层为拉应力的“三明治”结构ZrO₂-Al₂O₃(简称ZcAs)预应力陶瓷。同时选用基体与涂层截面比值相近的Al₂O₃-ZrO₂(简称AcZs)预应力陶瓷、纯ZrO₂和纯Al₂O₃陶瓷为参照样。结合不同温度下的弯曲强度测试结果及维氏压痕结果,阐明预应力的存在形式及其对裂纹扩展行为的影响,并研究预应力的温度依赖性。结果表明:ZcAs预应力陶瓷的表层受拉应力,基体受压应力;而AcZs预应力陶瓷的表层受压应力,基体受拉应力。由于拉应力能够促进裂纹扩展,而压应力能够抑制裂纹扩展,因此室温下, ZcAs的强度比纯Al₂O₃陶瓷降低13.2%,而AcZs的强度比纯ZrO₂陶瓷提高25.0%。此外,无论表层是拉应力还是压...     

SHS纳米组织Al2O3-ZrO2共晶复相陶瓷断裂力学研究

通过对纳米组织Al2O3-ZrO2共晶复相陶瓷的Vickers压痕测试、SEM观察与XRD分析,发现诱发该复相陶瓷中位裂纹扩展的压痕压制载荷临界值为30kg,复相陶瓷的裂纹扩展主要受晶内型纳米相微观结构所控制,分布于纳米组织Al2O3-ZrO2共晶复相陶瓷中的ZrO2纳米相的结构、含量与分布及ZrO2纳米相与基体相之间的残余应力场决定着该复相陶瓷的断裂力学.     

SHS纳米组织Al2O3-ZrO2共晶复相陶瓷断裂力学研究

通过对纳米组织Al2O3-ZrO2共晶复相陶瓷的Vickers压痕测试、SEM观察与XRD分析,发现诱发该复相陶瓷中位裂纹扩展的压痕压制载荷临界值为30kg,复相陶瓷的裂纹扩展主要受晶内型纳米相微观结构所控制,分布于纳米组织Al2O3-ZrO2共晶复相陶瓷中的ZrO2纳米相的结构、含量与分布及ZrO2纳米相与基体相之间的残余应力场决定着该复相陶瓷的断裂力学.     

ZrO2/Al2O3多孔陶瓷的制备与力学性能

采用凝胶-发泡法制备了ZrO2/Al2O3多孔陶瓷,研究了陶瓷浆料的流变性,固相含量对多孔陶瓷坯体显微结构与力学性能的影响,以及烧结助剂MgO含量与多孔陶瓷抗压强度及气孔率之间的关系.结果表明,在分散剂含量为0.4％(质量分数),球磨4 h,pH值为4的条件下,陶瓷浆料的黏度较低,有利于凝胶注模.固相含量增加,坯体气孔率下降.过高的固相含量使浆料流动困难,注模时引入空气导致坯体内形成较大的气孔甚至裂纹,使坯体抗压强度下降.由ZrO2引起的相变增韧及微裂纹增韧可有效改善多孔陶瓷的力学性能.随烧结助剂含量增加,多孔陶瓷气孔支撑体致密化程度增大,气孔率降低,抗压强度明显升高.多孔陶瓷的抗压强度最高达30 MPa.引入适量的ZrO2及烧结助剂,可制备气孔率适中、抗压强度高的多孔陶瓷.     

直流电场对LiNbO_3晶体亚临界裂纹扩展的影响

人们对玻璃、Al_2O_3、Si_3N_4、SiC 等典型材料以及 TiBaO_3和 PZT 等功能陶瓷的亚临界裂纹扩展行为进行了研究,并验证了裂纹扩展速率 V 和应力强度因子 K_1。之间关系式V=AK_I~n的适用性(A为实验常数)。本文以 Li NbO_3晶体为对象,研究了晶体学取向、极化因素、直流电场强度和取向对其亚临界裂纹扩展行为的影响。     

Al2O3/ZrO2/ZrSiO4复合材料的研究

在Al2O3颗粒补强锆英石陶瓷的研究基础上,探讨了Al2O3与ZrO2共同对锆英石陶瓷的协同补强增韧行为.制备的锆英石基复合材料的室温抗弯强度和断裂韧性分别可达383.31MPa、4.39 MPa·m12.采用XRD分析了复合材料的相组成,采用SEM观察复合材料的断面形貌.结果显示:ZrSiO4为主要晶相,另外还有少量Al2O3和ZrO2存在;第二种增强体ZrO2的最佳引入量为20％(质量分数);确定复合材料的强韧化是由Al2O3和ZrO2颗粒引起的裂纹偏转、微裂纹增韧与ZrO2颗粒引起的相变增韧共同作用而实现的,断裂方式主要为穿晶断裂.     

ZrO_2增韧Al_2O_3陶瓷的力学性能和增韧机制

对通过热压烧结法制备的3种陶瓷99.5vol%Al2O3(AD995)、ZrO2(15vol%)/Al2O3和ZrO2(25vol%)/Al2O3的力学性能和增韧机制进行了实验和理论研究。基于复合材料细观力学理论并考虑ZrO2的相变特性,建立了描述ZrO2/Al2O3陶瓷力学性能的本构模型。结果表明:ZrO2的加入细化了基体Al2O3晶粒,ZrO2/Al2O3陶瓷的致密性得到提高;3种陶瓷试件的破坏呈现小变形到脆性破坏的特点,压缩加载下试件应力-应变曲线近似为线性关系;AD995陶瓷的断裂韧性为5.65 MPa·m1/2,ZrO2(25vol%)/Al2O3陶瓷的断裂韧性为8.42 MPa·m1/2,提高了近50%;随ZrO2增韧相含量的增加,ZrO2/Al2O3陶瓷的弹性模量降低而断裂韧性增加,这一变化趋势与实验结果有良好的一致性。     

残余应力场中疲劳裂纹的闭合作用

疲劳裂纹在残余压应力场中的扩展可藉助于裂纹闭合力来描述。采用板状试样相变温度下急冷以获得长程残余压应力场。应用动态测定法可同时测得裂纹闭合力和扩展速率。结果表明,残余压应力的最大值位置与扩展速率的最低值和闭合力的峰值所对应的裂纹长度基本相同。可以认为残余压应力提高了裂纹的闭合力,它使最小有效应力强度因子 K_(eff min)升高,从而减小了裂纹的扩展驱动力△K_(eff),这是裂纹扩展速率降低的主要原因。     

氧化锆-正铌酸镧复合陶瓷的力学性能

采用常压和热压烧结制备了掺入不同含量正铌酸镧 (LaNbO4)的四方ZrO2 基复合陶瓷。X 射线衍射分析表明经高温烧结后复合陶瓷中LaNbO4相保持稳定。测定了热压烧结条件下所制得的ZrO2 LaNbO4复合陶瓷的力学性能。结果表明 :LaNbO4的加入使材料的断裂韧性均较单一组份的ZrO2 或LaNbO4陶瓷有明显提高。对烧结LaNbO4多晶体进行了透射电镜分析 ,证实其晶粒内部普遍存在畴结构 ;对断口进行了扫描电镜分析 ,并对LaNbO4的作用机理进行了讨论     

四方相氧化锆多晶陶瓷的力学性能及其增韧机理的研究

研究了 Y_2O_3的含量和热压工艺对四方相 ZrO_2多晶陶瓷(Y—TZP)力学性能的影响。含有2.8mol%Y_2O_3的热压 Y—TZP 的断裂韧性 K_(1c) 和断裂强度分别为15.3±1.9MPam~(1/2)和15.7±0.9×10~2MPa。观察了微裂纹尖端及其周围的相变过程。并非所有从四方相 ZrO_2到单斜相的相变对增韧和增强具有相同的作用.