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氧化铝陶瓷如何增韧

发布时间:2019-7-24 10:57:06    关注量:155
氧化铝陶瓷具有耐腐蚀、耐高温、耐磨损、质量轻、成本低等优点,是目前世界上生产量最大、应用面最广的工业陶瓷材料
氧化铝增韧陶瓷在航天航空等斟防尖端技术领域和机械、冶金、化工等一般工业领域均有着广阔的应用前景,但其最致命的力学弱点便是其本身的脆性,这是由这类材料的结构特点所决定的。陶瓷材料中的化学键以共价键和离子键为主,这两类化学键都具有强的方向性和较高的结合强度,这就使得结构中难以发生显著的位错运动。因而限制了其实际应用范围的进一步推广。因此,陶瓷特别是氧化铝陶瓷的韧化变成了近年来结构陶瓷材料研究的核心课题。
氧化铝陶瓷的增韧方法:
一、氧化锆增韧 
对氧化铝陶瓷的增韧是目前使用最多的增韧方法是纳米氧化增韧。当氧化铝中加入纯Zr02,粒子形成ZrO2增韧氧化铝陶瓷时,当添加含量适当时,可使韧性显著提高。其韧化效果主要来源于以下机理:1.使氧化铝晶粒基体细化。2. 氧化锆相变韧化。3.显微裂纹韧化。4. 裂纹转向与分叉。
使用高纯氧化铝陶瓷与ZrO2增韧氧化铝陶瓷力学性能对比:
99%氧化铝陶瓷     氧化锆增韧氧化铝陶瓷
密度       3.85               3.93
抗折强度  350MPa            480MPa
抗压强度  3600MPa           3300MPa
二、晶须、纤维增韧
晶须是具有一定长径比(直径0.1—1.8 um,长35-l50um),且缺陷少的陶瓷单晶。具有很高的强度,是一种非常好的陶瓷基复合材料的增韧增强体;纤维长度较陶瓷晶须长数倍,也是一种很好的陶瓷增韧体,同时两者可复合实用。用SiC、Si3N4等晶须或C、SiC等长纤维对氧化铝陶瓷进行复合增韧。晶须或纤维的加入可以增加断裂表面,即增加了裂纹的扩展通道。当裂纹扩展的剩余能量渗入到纤维(晶须),发生纤维(晶须)的拔出、脱粘和断裂时,导致断裂能被消耗或裂纹扩展方向发生偏转等,从而使耐磨陶瓷韧性得到提高。但当晶须、纤维含量较高时,由于其拱桥效应而使致密化变得困难,从而引起密度的下降和性能下降。
三、颗粒增韧
在氧化铝材料中加入一定粒度的具有高弹性模量的颗粒(如SiC、TiC、TiN等)可以在材料断裂时促使裂纹发生偏转和分又,消耗断裂能,从而提高韧性。尽管颗粒增韧效果不如晶须、纤维,但用颗粒作为增韧剂制作颗粒增韧陶瓷基复合材料,其原料混合均匀化及烧结致密化都比纤维、品须复合材料简便易行。纳米颗粒复相陶瓷是在陶瓷基体中引入纳米级的第二相增强粒子,通常小于0.3um,可使材料的室温和高温性能大幅度提高,特别是强度值,上升幅度更大。
四、 氧化铝自增韧
采用纳米氧化粉末制备的陶瓷不加增塑剂仍旧在低温下显出极好的超塑性。纳米氧化铝对改善陶瓷晶粒的形状、品界特性等起到了很好的效果。通过合理选择成分及工艺,使一部分氧化铝晶粒在烧结中原位发育成具有较高长径比的柱状晶粒,从而获得晶须的一种增韧机制。这也称为原位增韧,这种技术消除了基体相与增强相界面的不相容性,保证了基体相与增强相的热力学稳定,并使界面干净,结合良好。
另外,控制显微结构;改变晶粒形状、粒径、品界特性、气孔率等提高其断裂韧性;使用亚微细且各向分布均匀氧化铝;提高氧化铝粉纯度,改善组织结构。这些都是增加氧化铝陶瓷韧性的有效手段。

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