结构陶瓷断裂韧性的测试技术及其研究进展

本简要介绍了近年我国结构陶瓷材料常采用的几种断裂韧性测试技术的基本原理、优缺点及研究现状。     

基于应变诱导控制陶瓷预制裂纹的方法及断裂韧性评价

提出了一种简单通用的陶瓷预制裂纹新技术,在陶瓷样品上预先切出一个斜切口作为裂纹诱导源,将陶瓷与匡字型的金属梁紧密粘结在一起后进行三点弯曲加载,使样品受到下拉上压的弯曲载荷,利用金属变形对陶瓷裂纹扩展的应变约束,调整陶瓷受拉区高度可获得含不同裂纹长度的样品。对典型陶瓷Al₂O₃、SiC和Si₃N₄进行了预制裂纹试验,利用声发射技术(AE)监测陶瓷中裂纹的扩展过程,采用单边预裂纹梁法(SEPB)测量其断裂韧性。结果表明:该方法操作简便,预制裂纹成功率达到80%以上,测得的Al₂O₃、SiC和Si₃N₄断裂韧性分别为4.45±0.41 MPa·m^1/2、3.45±0.34 MPa·m^1/2和5.23±0.49 MPa·m^1/2。     

精细陶瓷断裂韧性标准测试方法概述

精细陶瓷断裂韧性试验方法需要满足几个条件,包括样品制备的简易性和低成本、引入尖锐预裂纹的方法和适当的断裂力学分析。符合这些要求的4种试验方法 ——单边预裂纹梁法(SEPB)、单边V形切口梁法(SEVNB)、山形切口梁法(CNB)和表面裂纹弯曲梁法(SCF)——已经发布了相关标准并经过了国际实验室间的比对试验。压痕法(IF)测量精细陶瓷断裂韧性试验方法经过几十年的发展也形成了相应的国际和国家标准。所有这些标准试验方法并非对所有材料都有效,用户在使用时需要注意到每个标准的局限性。     

相变增韧陶瓷压痕开裂的力学分析

在相变增韧陶瓷中，压痕裂纹形成的原因除了因压痕导致塑性区体积变化产生的残余应力外，还与应力诱发相变导致塑性区体积膨胀而产生的附加应力或称相变应力有关。传统的压痕法和压痕－强度法忽略了相变应力对压痕开裂和试样断裂的贡献，所测得相变增韧陶瓷的断裂韧性数据往往偏低。     

压痕法测量ZrO2/Al2O3陶瓷断裂韧性的研究

使用压痕法研究ZrO2/Al2O3陶瓷的断裂韧性,通过实验分析放大倍数和载荷两个因素对试样M31和M34测量结果的影响.放大倍数低于600倍时,很难测量出实际裂纹尺寸,而在6000倍时测得了比较准确的裂纹尺寸.随着载荷的增加,样品M31断裂韧性对比误差逐渐降低,样品M34误差呈波浪式变化.选择最适宜的载荷,可得到最接近实际情况的KIC值;本文通过大量实验数据证实,样品M31最适宜的载荷范围在8～12 kg,M34的载荷范围在6～8 kg.裂纹的扩展形式包括沿相界断裂,沿晶界断裂和潜藏断裂.沿相界断裂消耗能量较低,对陶瓷材料强度和韧性贡献较小;沿晶界断裂消耗能量较高,对陶瓷材料强度和韧性贡献较大.     

基于激光切割的Si3N4陶瓷断裂韧性测试方法

提出一种采用激光切割技术在Si3N4陶瓷表面预制微小切口,并结合SENB法测定陶瓷材料断裂韧性的新方法。利用连续激光束在陶瓷表面加工出切口,在三点弯曲实验前后分别运用激光共聚焦显微镜(LSCM)和扫描电镜(SEM)测量切口宽度和深度,而后计算陶瓷材料断裂韧性。在此基础上分析激光输出功率P、激光辐照光斑直径D和激光切割速率Vw与材料断裂韧性值的内在联系。结果表明:输出的激光能量密度达到陶瓷切割加工阈值后,光束在试件表面制得对应切口;切口深宽比为4.3～4.8时测得的Si3N4陶瓷断裂韧性值具有较高精度。     

激光切口法测量ZrB2–SiC–Graphite陶瓷的断裂韧性EI北大核心CSCD

采用纳秒激光在ZrB2-SiC-Graphite(ZSG)陶瓷材料中引入了尖锐的V型切口,切口尖端半径小于1μm。通过单边V型切口梁法测得ZSG陶瓷材料的断裂韧性为3.88MPa·m^1/2,与单边预裂纹梁法结果吻合,表明激光切口法的有效性。研究了断裂韧性与激光切口深度和试样厚度比值(a/W)的关系,对于ZSG陶瓷,试样的a/W取值范围为0.1~0.6时能获得准确的断裂韧性值。     

RDX和HMX单晶的压痕断裂韧性

使用纳米压痕仪在HMX、RDX单晶表面进行压痕实验,并用不同压痕方程计算了单晶的断裂韧性.计算得到HMX晶体(010)面与RDX晶体(020)、(210)面间断裂韧性分别力0.092543、0.097387、0.10072 MPa·m1/2.结果表明,实验单晶的KIC值遵循Palmqvist系裂纹系统shetty方程,...     

基于SEVNB法对层压陶瓷复合材料断裂韧性的研究

采用简单模压工艺制备了 Al2O3/铁丝网夹层层压陶瓷复合材料,采用基于飞秒激光的SEVNB法测试了其在不同切口位置的断裂韧性值,分析了切口尖端半径对该材料断裂韧性测试值的影响.结果表明,Al2O3/铁丝网夹层层压陶瓷复合材料表现出近似脆性断裂行为,切口尖端最低点在第4层铁丝网夹层时的断裂韧性值达6.88 MPa · ...     

温度和环境对2维C/(SiC–B_xC)_n断裂韧性的影响

采用单边切口梁法研究了二维碳纤维增强碳化硼–碳化硅复合材料(2D C/(SiC–BxC)n)在空气和真空两种环境下断裂韧性与温度的关系,用扫描电镜观察断口微观形貌。结果表明:真空中2D C/(SiC–BxC)n复合材料的断裂韧性随温度升高而降低,室温下界面结合弱,残余热应力大,易发生纤维桥接裂纹,断裂韧性高;高温下相反。在空气中随温度升高断裂韧性增加,700℃达到最大值,尔后随温度升高而降低,这与生成的B2O3和SiO2.B2O3固溶体会封填裂纹以及碳相的氧化有关。     

温度和环境对2维C/(SiC-BxC) n断裂韧性的影响

采用单边切口梁法研究了二维碳纤维增强碳化硼–碳化硅复合材料(2D C/(SiC–BxC)n)在空气和真空两种环境下断裂韧性与温度的关系,用扫描电镜观察断口微观形貌。结果表明:真空中2D C/(SiC–BxC)n复合材料的断裂韧性随温度升高而降低,室温下界面结合弱,残余热应力大,易发生纤维桥接裂纹,断裂韧性高;高温下相反。在空气中随温度升高断裂韧性增加,700℃达到最大值,尔后随温度升高而降低,这与生成的B2O3和SiO2.B2O3固溶体会封填裂纹以及碳相的氧化有关。     

莫来石纤维增强铝硅酸盐陶瓷的强度及断裂韧性

通过对莫来石纤维、铝硅酸盐陶瓷基体及复合材料力学参数的测定,以及通过扫描电镜、电子探针等观察,对复合材料的强度及断裂韧性进行了分析,认为这两种材料的复合是匹配的。本课题所试制的铝硅酸盐陶瓷基体的强度和断裂韧性有较大的提高。     

电场对不同极化状态PZT-5H铁电陶瓷断裂韧性的影响

用缺口拉伸试样研究了未极化、沿长度和厚度极化的PZT-5H铁电陶瓷表观断裂韧性随各种外加电场的变化.结果表明:在各种情况下,表观断裂韧性都随外电场的增加而线性降低.力、电耦合下的断裂判据为KI(σ) KI(E)=KIc,其中:KIc为断裂韧性,KI(σ)和KI(E)分别为应力σ和电场E引起的应力强度因子.KI(E)=ψYE√a/[(1-ν2)Ec],其中:y是Youg's模量,ν是Poisson比,Ec是矫顽场,α是裂纹长度;当电场垂直或平行于裂纹面时,ψ分别为2.3×10-4或1.3×10 4,而和电场正、负号以及极化状态无关.     

温度对晶须增韧陶瓷刀具材料力学性能的影响：Ⅱ.高温断裂韧性的研究

采用表面受控裂纹法,在室温至1000℃范围内对SiC晶须增韧Al_2O_3陶瓷刀具材料JX-1的高温断裂韧性进行了测试和研究。结果表明,在低于800℃时,断裂韧性随温度变化很小,而在800℃以上断裂韧性随温度的升高而呈上升趋势。试件断口的SEM及TEM分析表明,高温下SiC晶须内部除低温存在的层错和孪晶结构外,还有大量位错的产生,并且晶须与基体的界面发生了塑性流动,。对加载速率对高温断裂韧性测试结果的影响也进行了研究。     

陶瓷地砖防滑性能的测试方法

本文介绍了测试陶瓷地砖防滑性能的两种常用方法：倾斜平台法和摆锤法。通过对不同品种陶瓷地砖防滑性能进行测试,对这两种方法的结果进行对比,探讨这两种方法在测试陶瓷地砖防滑性能的特点,并通过粗糙度测试探讨了表面粗糙度对测试结果以及防滑性能的影响。     

典型陶瓷岩板的力学性能研究

陶瓷岩板旨在跨界应用于三维家居领域,然而,在如切割或钻孔等后期加工过程中可能会由于裂纹失稳扩展而导致碎裂。断裂韧性是评价陶瓷材料抵抗裂纹扩展能力的关键指标,建陶行业应引入断裂韧性来评价陶瓷岩板的力学性能。为了可靠评价陶瓷岩板的断裂韧性并探究物相组成及显微结构对其影响,首次采用基于超尖V型切口的改良SEVNB法准确测得四种典型陶瓷岩板的断裂韧性值,其范围为1.04～1.35 MPa·m^1/2,并估算出这四种陶瓷岩板的临界裂纹尺寸为79.1～119.4μm。通过物相定量分析发现较多的刚玉和较少的玻璃相有利于提高其断裂韧性;通过显微结构分析发现四种陶瓷岩板的断面不完全致密,气孔分布不均匀,而切割裂岩板断面存在较大尺寸的游离石英晶粒和长度约为100μm的大尺寸裂纹,接近其临界裂纹尺寸估算值108μm,在低应力作用下,裂纹容易失稳扩展导致材料断裂,这是导致陶瓷岩板切割裂的主要原因。     

Al2O3+ZrO2层状复合陶瓷的表面抗裂纹行为及抗热震性能

用压痕一强度法获得了Al2O3 Zr02单层和层状陶瓷的表面抗裂纹曲线,用压痕法测试了2种材料的抗热震性能,分析了材料的表面抗裂纹行为、抗热震性与断裂形貌,强韧化之间的相关性。实验结果毒明：Al2O3 ZrO2层状陶瓷对表面裂纹表现出不敏感性,临界热震温差为400℃,高出单层陶瓷150℃左右。进一步分析表明：2种陶瓷的表面抗裂纹及抗热震性能与材料的强韧化机制密切相关。表面压应力作用强化了相变增韧效果,改善了材料的表面抗裂纹性能和抗热震稳定性等力学性能。     

景德镇与潮州陶瓷产业集群发展的比较分析

通过时景德镇和潮州陶瓷产业集群在国际市场开拓、产业政策、品牌规模、营销模式、经营理念等方面的比较，剖析了两地陶瓷产业集群发展中的差距及产生的原因，提出了景德镇陶瓷产业集群进一步发展的对策。     

CaO/Y2O3共稳ZrO2复相陶瓷显微结构和力学性能研究

采用传统固相法制备了不同CaO和不同Y₂O₃掺杂量的ZrO₂复相陶瓷。借助XRD、SEM、EDS、维氏硬度计等测试手段研究了复相陶瓷的显微结构及力学性能。结果表明CaO/Y₂O₃共稳ZrO₂复相陶瓷的显微结构中共有大、中、小三种不同尺寸的ZrO₂晶粒。CaO的掺入在细化晶粒的同时可以降低中型t-ZrO₂晶粒内Y稳定剂含量,提高t-ZrO₂相变量;Y₂O₃能降低基体中m-ZrO₂的体积分数。当Y₂O₃掺入量为1.8 mol%,CaO掺入量为2 mol%时,获得了最高的断裂韧性(5.4±0.2 MPa·m^1/2);当Y₂O₃掺入量为2.5 mol%,CaO掺入量为1 mol%和2 mol%时,分别获得了最高的抗弯强度(78...