颗粒弥散补强增韧

1、陶瓷材料的颗粒弥散补强增韧班级：无机非金属材料121班 姓名：武宏雷 学号：1204030119陶瓷材料的颗粒弥散补强增陶瓷材料的颗粒弥散补强增韧韧颗粒弥散补强增韧颗粒的增韧补强是陶瓷材料所有强化增韧方法的基础，也是纳米复合陶瓷增韧方法之一。在脆质基质中，由于存在弥散颗粒，使主裂纹扩展受阻，裂纹前缘在颗粒间发生弯曲，产生线张力，从而提高了断裂能，产生增韧效果增韧原理：在外力作用下，裂纹开始扩展时，由于颗粒的钉扎作用，使裂纹前缘向前弯曲，因而材料断裂时不仅需要提供产生新断裂表面所需的能量，而且还要提供增加裂纹前缘所需的线能。当弥散颗粒的韧性比基质大，且颗粒与基质的结合是强的，颗粒对裂纹方起钉扎作

2、用。反之，颗粒比基质弱，颗粒与基质的结合也较弱的情况下，颗粒对裂纹无钉扎作用，这个模型不适用增韧原理示意图弥散补强增韧的类型在纳米复合陶瓷中, 纳米粒子以两种方式存在, 一是分布在基质的晶界即所谓 晶界型或晶间型; 二是分布在基质晶粒内部, 即所谓晶内型或 内晶型 。其中内晶型是纳米复合陶瓷的结构特征, 但两种结构共存又成为这种材料的共性, 因为制备出单纯的 晶间型或内晶型的纳米复合陶瓷十分困难。基于此点, 对相的韧化效果应当从纳米粒子在基体中的存在方式入手。纳米粒子在基体中的存在方式和金属中的第二相粒子相同，不过金属中的是析出第二相粒子，纳米复合陶瓷是外加进去的第二相。晶间型混合型內晶型內晶

3、型增韧机理微米级陶瓷基体中引入纳米相能显著改善材料的力学性能, 其强韧化机制主要是由于内晶型结构的形成。纳米相引入微米级基体中, 造成纳米相在基体中的分布有不同的特点, 即一部分纳米颗粒位于晶界处, 另一部分纳米颗粒分布在微米晶内部, 形成 内晶型结构。内晶型结构之所以形成, 其原因是纳米颗粒与基体颗粒之间存在数量级的差异, 导致在一定温度下基体颗粒总是以纳米颗粒为核发生致密化而将纳米颗粒包裹在基体颗粒内部, 形成内晶型结构。这样, 材料结构中既有主晶界又有次晶界。在二者的共同作用下, 材料的力学性能得到了改善。不少学者认为“内晶型”纳米相是韧化主因, 认为纳米复合陶瓷韧性的提高主要是通过“内

4、晶型”结构的以下效应而发挥作用: 2) 诱发穿晶断裂。由于纳米化效应使晶粒内部产生微裂纹, 当纳米粒子与基质晶粒的热膨胀系数失配和弹性失配造成纳米相周围产生局部拉应力时, 就会引起穿晶断裂 纳米粒子使裂纹二次偏折。沿晶内微裂纹或次界面扩展的主裂纹前遇到纳米粒子后, 无法穿过而发生偏转, 耗散了断裂能量 。 1) 内晶型结构导致 纳米化效应。纳米粒子进入微米级基质颗粒之后, 在基体晶粒内部产生大量次界面和微裂纹, 引起基体颗粒的潜在分化, 相当于组织的再细化, 使得主晶界的作用被削弱。晶界型韧化机理有的学者认为, 陶瓷材料由纯基体的沿晶断裂转化为纳米复合后以穿晶断裂为主, 断裂模式的改变是增强补

5、韧的主要原因, 对改变断裂模式其主要作用的不是晶内纳米相, 而是在晶界上的纳米粒子。在对Al2O3-SiC( n)陶瓷进行压痕引入裂纹, 利用SEM、TEM 观察裂纹扩展情况后, 可以提出“晶界型”结构强韧化机理:1)主晶界纳米粒子局部强化。纳米相与基质产生良好的结合, 纳米粒子有固定晶界、强化晶界的作用。 2) 晶界纳米粒子对裂纹的钉扎和偏折作用。由于热膨胀系数和弹性量不同, 基体对晶界上的纳米粒子的径向压应力产生“虎钳”作用, 使沿主晶界扩展裂纹遇到纳米粒子后发生“钉扎”, 然后在更大的外力作用下使裂纹偏折进入晶内, 形成穿晶断裂。3) 晶界纳米粒子形成有利的应力分布。当纳米相的弹性模量大

6、于基质时, 纳米粒子周围形成切向压应力, 使得朝向纳米粒子扩展的主裂纹尖端远离该粒子所在晶界而向晶内挺进, 并增加了裂纹扩展路径。综上所述, 纳米复合陶瓷的韧性增加是主晶界强化和晶粒分化共同作用的结果, 其中既有晶界纳米相也有晶内纳米相的贡献。晶界纳米相能和基体形成高强度的主晶界, 从而对沿晶裂纹起钉扎作用; 晶内纳米相的增韧作用在于形成晶界处的压应力, 间接强化主晶界, 同时使基质晶粒内部残存压应力, 再加上微裂纹和次界面, 使基质晶粒被弱化。纳米复合陶瓷材料的 性能及应用相比于传统陶瓷材料，纳米复合陶瓷材料的强度和断裂韧度都有了较大的提高，其中对抗弯强度的影响最为明显、抗蠕变性、耐磨性、硬度以及高温性能都得到了较大改善力学性能的提高与许多因素有关，包括原始粉料粒径大小、纳米第二相添加量、粉体制备及烧结工艺、助烧剂类型以及热处理加工因素等。一般来说，第二相纳米材料在烧结条件下应能稳定存在且不与基质材料发生反应，因此多选择热稳定性好的SiC材料，而SiC纳米材料的加入量则与其粒径大小密切相关，第二相纳米材料越细，其加入量应该越少，这样就可以得到理想的 “晶内型”或“晶间型”纳米复合陶瓷材料。相比于传统陶瓷材料，纳米复合陶瓷材料的强度和断裂韧度都有了较大的提高，