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层状复合陶瓷的韧化机制


来源:中国粉体网   橙子

[导读]  层状复合是一种仿生设计,这些仿生材料的特点不仅可以从组分设计上改善陶瓷韧性,还可以从宏观结构来设计新型材料,形成不同尺度多级增韧机制协同作用,是陶瓷补强增韧的新思路。

中国粉体网讯  层状复合陶瓷的设计思路是在脆性陶瓷中加入软质的耐高温材料制成层状复合陶瓷,虽然其组分简单,但精细的复合结构保证了材料优良的力学性能。层状复合是一种仿生设计,这些仿生材料的特点不仅可以从组分设计上改善陶瓷韧性,还可以从宏观结构来设计新型材料,形成不同尺度多级增韧机制协同作用,是陶瓷补强增韧的新思路。目前,常用的仿生结构有竹木结构、贝壳结构等。


 

 


与传统的通过消除缺陷等方法提高材料性能不同,层状复合陶瓷的增韧机理与强度和缺陷无关,是一种能量吸收、耗散机制的耐缺陷机理。根据界面的强弱,层状复合陶瓷可分为弱界面、强界面及延性界面材料,不同的界面结合对应了不同的韧化机制。


1.弱界面裂纹偏转增韧

在两层高强度的陶瓷基体间引入弱夹层,在含有弱界面的层状复合陶瓷所受应力达到一定强度时,裂纹扩展形成微裂纹,并且微裂纹将沿着弱界面发生偏转或分层,让能量在裂纹扩展过程中释放,达到材料增韧的效果。


弱界面层状复合陶瓷的裂纹扩展示意图

 

该类层状复合陶瓷的特点是断裂韧性提高幅度较大,且材料不会出现突然性断裂,但由于弱夹层的存在,使得材料的整体强度降低。


2.强界面残余应力增韧

强界面结合是通过界面结合力使层与层之间形成互相约束,有利于在材料内部形成强大的残余应力。如果这种残余应力是人为设计的,则成为预应力。强界面残余应力增韧机制是利用层状复合陶瓷的基体层与夹层之间热膨胀系数、收缩率的不匹配或者某层中相变,调节各自层数、层厚,使表面层产生合适的压应力,从而抑制裂纹的发生和扩展,使材料强度、韧性、表面微硬度提高的方法。

强界面层状复合陶瓷的断裂过程示意图


 

该类层状复合陶瓷具有强-强多层界面特征,通常是两种强度较高的单体或复合陶瓷交错相隔、逐层叠加而获得的。


3.延性夹层裂纹侨联增韧

延性夹层裂纹侨联增韧是利用延性层的塑性变形来消耗、吸收能量,并在裂纹尾部形成桥联而阻止裂纹扩张,从而改善材料的断裂韧性。延性层可以以连续层的状态存在,选择塑性变形能力很强的金属或树脂等有机物。

延性夹层裂纹侨联增韧示意图

 


(粉体网编辑整理/橙子)



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