仿生“黑科技”,让陶瓷韧韧韧起来!


来源:中国粉体网   星耀

中国粉体网讯  新型陶瓷因其低密度、高硬度、高强度等优异性能一直备受关注。但是陶瓷材料的低韧性和对裂纹敏感性,一直限制着陶瓷的应用。近年来,由于仿生技术的发展,根据生物的微观结构而制备的各种仿生材料应运而生,国内外学者通过研究自然界中具有良好抗冲击性能的贝壳、甲壳类等生物的微观结构,利用仿生技术制备了具有相似界面结构设计的层状复合陶瓷,其微观结构由硬质层与软质层交替叠加而成,延长了裂纹扩展路径,显著提高了材料的断裂韧性与吸能,层状陶瓷受到研究者的广泛关注。


1 层状复合陶瓷增韧机理


与传统陶瓷的强韧化机制不同,层状复合陶瓷的韧化机制属能量吸收、耗散机制,这种结构设计将减小材料力学性能对缺陷的敏感性,使之成为一种耐缺陷材料,使材料的断裂韧性获得较大的提高。相对于传统的强韧化机制,层状复合陶瓷设计避免了增韧效果受工作环境限制、第一相的分散均匀等问题,而且增韧效果远远好于传统的强韧化机制,断裂功甚至可提高2~3个数量级。其设计是在两层高强度的基体间引入夹层来达到增韧效果,其增韧机理可以大致分为以下三类。


1.1 弱夹层裂纹偏转增韧


此设计在两层高强度的基体间引入弱薄层,夹层的要求是既要弱,弱得足以偏转裂纹,但又能承受一定的压缩和剪切。含有弱界面的层状复合材料受载荷作用后,当裂纹达到与单相材料中的临界裂纹相同的应力强度时,裂纹开始扩展;当裂纹到达一个弱结合界面时,在荷载作用下弱结合界面上就会形成微裂纹,并且微裂纹将沿着弱界面发生偏转或分层,增大裂纹扩展路径,让能量在裂纹扩展过程中释放,达到材料增韧的效果。含弱界面层状复合材料中裂纹扩展模式如图1所示。


 

图1含弱界面层状复合材料中裂纹扩展模式

(图片来源:耐火材料期刊)


1.2 延性夹层裂纹桥联增韧


延性夹层可以是金属或延性树脂,以连续层状形式存在。它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。但这类层状复合陶瓷也存在一定的难点:金属的熔点变化范围大,如何确定最佳的烧结温度,因为金属可能与基体材料发生反应失去金属塑性而不能实现裂纹尾部桥联增韧。


1.3 界面残余应力增强增韧


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而使层间有应变差,引入残余应力场增强增韧机制。层状陶瓷断裂韧性提高,主要是通过表面压应力对压痕裂纹区应力强度因子的贡献、提高断裂相变量,强化相变增韧效果、细化晶粒等几个方面来实现的。


2 层状SiC/BN复合基体陶瓷研究进展及结果分析


据研究分析,提高层状陶瓷材料韧性的关键技术包括材料基体的优化、夹层匹配的选择 、结构及界面设计等。在层状陶瓷材料体系中,目前有科研人士实验制备出的层状SiC/BN复合基体陶瓷,是一种弱夹层裂纹偏转增韧陶瓷材料,其中的BN软层可以诱导多重裂纹传播路径,消耗更多能量并增加材料断裂功。


该实验是采用流延法结合热烧结法,对制备出的层状SiC/BN陶瓷,采用Archimedes法测试层状陶瓷的密度与气孔率,利用X射线衍射仪对陶瓷材料的相组成进行分析,通过场发射扫描电子显微镜观察层状陶瓷的微观结构。


通过热压烧结制备了3种结构设计的陶瓷材料,分别为块体陶瓷、层厚比5:1和10:1。3种结构设计的力学性能见表1,由表1结果可知,结构设计改变了材料的力学性能,BN软质层的引入降低了材料的弯曲强度,但在一定程度上提高了材料的断裂韧性。因此,合适的层厚比设计是实现材料强韧化的关键。


 


图2为3种结构的材料断裂失效时的三点弯曲强度试验。由图2可见:块体SiC陶瓷为典型的脆性失效,SiC/BN层状陶瓷为非脆性失效,具有阶梯式的失效模式。这说明软硬结合的层状结构设计极大的提高了材料抵抗贯穿性裂纹的能力,使材料的失效模式由脆性转变为非脆性失效。


(图片来源:硅酸盐学报)


图3为层状SiC/BN陶瓷的结构设计及裂纹扩展SEM照片。合适的界面结合强度即保证了材料不发生严重的层间开裂又减小了裂纹扩展尖端的应力集中效应,使材料不发生贯穿性的裂纹,进而降低了材料的裂纹敏感度,提高了材料的断裂吸能及断裂韧性。


 

(图片来源:硅酸盐学报)


结果表明,虽然BN软质层的引入提高了断裂韧性,但在一定程度上降低了材料的抗弯强度与压缩强度。对于5:1的SiC/BN陶瓷材料的韧性较高,强度较低,10:1的SiC/BN陶瓷材料同时具有高韧性与高强度。层状陶瓷结构设计实现了材料的强韧化,极大的提升了材料保持结构完整性的能力;界面声阻抗设计提高了材料对应力波的反射与损耗,提升了材料的动态吸能与综合防护能力。


层状复合陶瓷克服了陶瓷材料脆性断裂的弱点,可显著提高材料的断裂韧性。其独特的叠层结构,给研究者在进行材料设计时带来了较大的自由度。选择何种材料做基体及夹层,如何控制各项因素以达到最优化设计,将是发展层状复合陶瓷所要解决的关键问题之一。随着材料工业的飞速发展,层状陶瓷仍将是陶瓷增韧研究的热点,必将在材料的设计制造中发挥更为巨大的作用。


参考来源:

【1】成来飞,孙孟勇,等.层状SiC/BN陶瓷的制备及抗冲击性能.硅酸盐学报.2021年,49(2).

【2】曾翔龙,宗郑,等.SiC-BN层状陶瓷复合材料叠层方式优化设计.复合材料学报.2020年12月15日.

【3】仲长荣,毕松.层状复合陶瓷的增韧与设计研究进展.耐火材料.2007年,41(4).

(中国粉体网编辑整理/星耀)

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作者:星耀

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