第二章陶瓷材料的结构增韧1、纤维独石结构陶瓷材料1988年,Coblenz提出了纤维独石结构(fibrousmonolithicstructure)。纤维状得胞体以一定得方式排布,中间间隔有很薄得界面层,结合成一个块体得结构材料。近年来提出将这种结构引入到先进陶瓷基复合材料得设计与制备中。纤维独石陶瓷由于其优异得力学性能,特别就是高得断裂韧性与断裂功、极高得抗热冲击破坏能力、较高得断裂强度、良好得高温抗蠕变性能、独特得三维微结构排列等优点已经引起国内外科技工作者得广泛关注和研究。主要影响因素:(1)纤维前驱体直径(2)结构单元得强化(3)界面层得结合强度(4)纤维排布方向2、仿贝壳结构特征得层状结构陶瓷材料92、2层状陶瓷增韧思想得提出近年来,围绕着改善陶瓷材料韧性得问题,国内外进行了大量得研究工作,其中采用层状复合结构设计进行陶瓷增韧就就是其中得方法之一。陶瓷得层状结构思想来源于大自然中贝壳等生物材料结构得启发。研究发现,贝壳中珍珠层得结构与抹灰砖墙结构相似,就是由一层层超薄得碳酸钙通过几十纳米厚得有机蛋白基连接在一起,如图2、1所示,其中碳酸钙约占体积得95%,有机物只占5%,但这5%得有机物得存在却引起了碳酸钙力学性能得巨大变化。众所周知,纯粹得碳酸钙很脆,而珍珠层得强韧性却很高,其断裂韧性比碳酸钙高出3000倍以上。人们从这种结构中受到启发:要克服陶瓷材料得脆性,可以采用层状结构,在脆性得陶瓷层间加入不同材质得较软或较韧得材料层(通常称之为夹层、隔离层或界面)制成层状复合材料,这种结构得材料在应力场中就是一种能量耗散结构,能克服陶瓷材料突发性断裂得致命缺点。当材料受到弯曲或冲击时,裂纹多次在层界面处受到阻碍而钝化和偏折,有效地减弱了载荷下裂纹尖端得应力集中效应。同时,这种材料得强度受缺陷影响较小,就是一种耐缺陷材料,这种结构可使陶瓷材料得韧性得到很大改善,为陶瓷材料得强韧化提供了一条崭新得设计和研究思路。2、2层状陶瓷得材料选择和结构设计层状陶瓷就是由层片状得陶瓷基体和夹层两部分组成。层状陶瓷得性能主要就是由这两部分各自得性能和二者界面得结合状态所决定得。提高层状陶瓷韧性得关键技术包括材料基体得优化、夹层匹配得选择、结构及界面设计等。2、2、1材料选择1)基体材料层状陶瓷得基体材料一般选用具有较高强度和弹性模量得结构陶瓷材料,如SiC、Si3N4、Al2O3和ZrO2等,在使用中可以承受较大得应力,并具有较好得高温力学性能。根据Clegg等人得观点,基体材料得强度直接影响复合材料得断裂韧性值,强度越高,断裂韧性越高。基体材料增韧后可以提高层状复合材料得断裂性能。基体材料常用得增韧方法有颗粒弥散增韧、纤维或晶须增韧、相变增韧等。文献表明,基体材料采用不同得增韧方法其增韧效果就是不同得。因此,要发挥协同增韧作用,针对不同得基体选择不同得增韧方法。2)夹层材料得选择原则夹层材料就是决定层状陶瓷韧性高低得关键。一般来说,不同得基体材料选择不同得夹层材料。选择原则如下:一具有一定强度,尤其就是高温强度,以保证常温下正常应用及高温下不发生太大得蠕变;二与基体结合强度适中,既要保证与基体不发生反应,可以很好地分隔基体材料,使材料具有宏观得层状结构,又要能够将层片状基体材料适当地“粘接”而不发生分离;三与基体材料得热膨胀系数、弹性模量相匹配,避免热应力开裂。(1)金属夹层材料常用得金属夹层材料有Ni、Al、Cu、W、Ta等。延性金属软相材料可以发生较大程度得塑性变形来吸收能量,还能够在一定程度上使裂纹尖端钝化,并且使裂纹在弱界面发生偏转以及在裂纹尾部形成桥接等,从而起到强化和增韧效果。此外,当引入金属层后,由于金属与陶瓷热膨胀系数得差异,还会在材料烧成后得冷却过程中使陶瓷层中产生残余压应力,有利于提高材料得韧性。不同得金属夹层对基体得增韧作用就是不同得。例如,对于TiC基体,与别得夹层材料相比,Al和Cu增韧效果最显著。采用金属夹层时,应该采取措施降低陶瓷基体得烧结温度,以免陶瓷与金属发生高温反应,生成脆性化合物。例如,对于SiC基体材料,用金属W、Ta等作夹层材料时,Y2O3和Al2O3作为基体材料得烧结助剂,可以降低烧结温度。在金属中添加可以形成包裹层或生成稳定得金属间化合物得成分(例如在W中加入Co),也可以减弱金属与陶瓷得高温反应。(2)无机非金属夹层材料常用得无机非金属夹层材料有石墨、BN等弱结合型材料以及ZrO2,Al2O3等强结合型材料。用石墨、BN等作夹层材料时,复合材料具有较高得烧结温度,材料整体得力学性能比较好。裂纹在到达弱夹层时,裂纹尖端由三向应力变为二向应力,穿层扩展受到阻碍,裂纹发生偏折而沿界面扩展,释放能量。弱夹层得加入一般会使材料得强度有所下降,但冲击韧性大幅