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陶瓷复合材料断裂韧性的声显微表征
潘志云 ,‘万棍’,张谦琳 ’,瓦 ·列文’,胡建恺 ‘
(1.中国科学技术大学超声技术实验室,合肥230026;2.中国科学院研究生院,北京100039;3.俄罗斯科学
院声显微学中心,莫斯科117334)
Acousticmicroscopiccharacterizationoffracturetoughnesson
ceramiccomposite
PANZhi-yunt,WANKunt,ZHANGQian-lint,V.Levin3,HuJian-kai
Lab.OfUltrasonicTechniques,USTC,Hefei230026;2.GraduateSchool,CAS,Beijing100039;3.TheCenterof
AcousticMicroscopy,RAS,Moscow117334
1 引 言 }kI25忆c3
与普通陶瓷材料相比,陶瓷复合材料的主要优点是通过复合可以改善普通陶瓷材料的断裂韧
性。有两种途径可行:一是选择具有高弹性模量的增强材料:二是通过加工过程使界面或增强材
料内部产生缺陷。因此在设计陶瓷复合材料时,必须选择合适的增强材料和加工工艺过程。目的
在于达到最佳的综合力学性能和改善断裂韧性。当材料按设计的方案和工艺过程制备出样品后,
当务之急是对样品的综合力学性质进行测试,如弹性模量、断裂韧性等的测量。常规方法是进行
力学上的拉伸实验及破坏性测量-F*文使用声显微成像方法,通过对复合材料界面和增强材料内
部缺陷的微观观察并与超声测量和一力学方法相对照,探索对陶瓷复合材料的断裂韧性进行表征的
简单有效的方法。 飞
2 样品和实验
陶瓷复合材料样品为SiCw/Si,N,,它是由Si,N。粉体 (纯度,7-98%,。相含量95 ,平均粒
径P1为0.63-0.49um)和Sicw晶须(纯度97%,0-SiC,粒径 。0.2-1.5u二,长1为20-200“。),
在Na条件下于1820℃热压烧结而成,其中Sicw含量为20wt8。在制备中对Sicw晶须进行了表面
处理,采用搅拌干燥工艺以使晶须均匀分散。样品尺寸为12.0X9.9X7.6mm,材料密度3.44X
10kg/m。样品表面经精细抛光,其平整度和光洁度达到实验要求。实验使用ELSAM高分辨率扫
描声学显微镜,工作频率O.BGHz-2.OGHz。实验结果如图1至图6,图1、图2分别为完好晶须及
完好界面的光学图像和声显微图像;图3、图4分别为晶须中心部位存在裂纹的光学图像和声显
微图像:图5、图6为晶须存在大的断裂裂纹的光学图像和声显微图像。
3 讨论和结论
如前所述,陶瓷复合材料的增韧途径一是选择具有高弹性模量的增强材料,二是在界面或增
强材料内部产生缺陷。关于弹性模量,力学测量结果为:单一的Si,N;的杨氏模量E为320MPa.
单一的SiCW晶须E为550GPa。超声测量SiCw/Si,N。复合材料的杨氏模量E为250GPa,切变模量
G为105GPa.可见,通过Si,N晶‘须增强,复合材料的杨氏模量比单一基体Si,N。大大增强。从图
1至图6可知,图1.图2中界面和晶须均完好;图3、图4中界面完好,晶须中心部位有裂纹;
图5、图6存在着严重的断裂裂纹。正是这些缺陷的存在,对于材料断裂韧性的增强起着重要作
用。力学断裂实验结果是SiCw/Si,N。的断裂韧性值为11.4MPa·m1/7,而单一的Si,N。仅为5.81
MPa韶,。从图2、图4可看出,晶须内部存在着环状图样,这是在制备中热压工艺过程造成的。
作者简介:潘志云 (197,一),女,广西人,研究生,从事物理声学和检测声学研究。
在热压过程中,先是在1820℃加压,再保温1.5小时后冷却下来,这时材料内部会发生类似爆炸
现象,其结果就形成晶须内部的环状图样及裂纹等缺陷。比较光学和声学图像,后者明显表现出
材料的力学本质。在光学图像中看似已明显的晶须断裂 (图5),在声学图像 图〔6)中并非如此。
通过上述讨论可以看出:(D 声显微成像方法可以直接观察SiCw/Si,N,的界面及缺陷:(2)结合
超声测量弹性模量和晶须断裂裂纹的观察评定,与力学结果相对照,声显微方法可以表征陶瓷复
合材料的断裂韧性
图5 OM(断裂
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