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氧化锆陶瓷的增韧方法及应用

发布日期:2018-10-17 点击次数:1488
然而氧化锆陶瓷材料的致命缺点是脆性,低可靠性和低重复性,这些不足严重影响了其应用范围。只有改善氧化锆陶瓷的断裂韧性,实现材料强韧化,提高其可靠性和使用寿命,才能使氧化锆陶瓷真正地成为一种广泛应用的新型材料,因此,氧化锆陶瓷增韧技术一直是陶瓷研究的热点。
一、陶瓷的增韧方法
目前,陶瓷的增韧方法主要有:相变增韧、颗粒增韧、纤维增韧、自增韧、弥散韧化、协同增韧、纳米增韧等。
1、相变增韧
相变增韧是指亚稳定四方相t—ZrO2在裂纹尖端应力场的作用下发生一相变,形成单斜相,产生体积膨胀,从而对裂纹形成压应力,阻碍裂纹扩展,起到增韧的作用。此外,外界条件(如激光冲击、疲劳断裂韧性、低温、晶粒尺寸和含量、临界转变能量等)对氧化锆陶瓷相变增韧有很大的影响,如果相变产生大的应力和体积变化,则产品容易断裂,因此生产过程中,应避免外界因素对氧化锆陶瓷相变增韧的影响。
2、颗粒增韧
颗粒增韧是指用颗粒做增韧剂,添加入ZrO2陶瓷粉体中,尽管效果不及晶须与纤维,但若颗粒种类、粒径、含量和基体材料选择得当,仍有一定的强韧效果。其优点是简便易行,增韧的同时会带来高温强度和高温蠕变性能的改善。颗粒增韧的韧化机理主要有细化基体晶粒和裂纹转向分叉等。
3、纤维增韧
纤维、晶须增韧原理是在紧靠裂纹尖端的晶体,由于变形而给裂纹表面加上了闭合应力,抵消裂纹尖端的外应力,钝化裂纹扩展,从而起到了增韧作用;此外,裂纹扩展时,柱状晶体的拔出时也要克服摩擦力,也会起到增韧的作用。
4、自增韧
氧化锆陶瓷由于柱状晶的存在,在氧化锆陶瓷断裂过程中,会导致裂纹发生偏转,改变和增加了裂纹扩展的路径,从而钝化裂纹增加了裂纹扩展阻力,达到增韧的目的。
5、弥散韧化
弥散韧化主要是指四方相ZrO2颗粒对陶瓷基体的韧化,除了相变韧化机制以外还有第二相质点的弥散韧化机制。在裂纹进行扩展之前,首先得克服陶瓷本身的内部残余应变能,从而达到增韧的目的。
6、微裂纹增韧
微裂纹增韧是指在裂纹应力尖端加入韧性材料,使其产生微裂纹,达到分散应力的目的,减少裂纹前进的动力,从而增加材料的韧性。在材料发生相转变时,往往也会导致残余应变能效应以及产生微裂纹。因此,相转变增韧的效果是显著的。
7、复合增韧
复合增韧是指在ZrO2陶瓷实际增韧过程中同时采用几种增韧机理,从而提高ZrO2陶瓷增韧效果。在实际应用过程中,根据所要制备氧化锆陶瓷材料的不同性能,来选择具体的增韧机理。
8、纳米增韧
目前,纳米增韧主要有三种学术观点,即:细化理论,穿晶理论、“钉扎”理论。
(1)细化理论认为纳米相的引入能抑制基体晶粒的异常长大,使基体结构均匀细化,从而提高纳米氧化陶瓷复合材料的强度韧性。
(2)“穿晶理论”,认为纳米复合材料中,基体颗粒以纳米颗粒为核发生致密化而将纳米颗粒包裹在基体晶粒内部形成“晶内型”结构。这样便能减弱主晶界的作用, 诱发穿晶断裂,使材料断裂时产生穿晶断裂而不是沿晶断裂,从而提高纳米氧化锆陶瓷复合材料强度和韧性。