工艺条件对自增韧莫来石相组成和显微结构的影响-材料学专业论文.docxVIP

西安建筑科技大学硕士论文 西安建筑科技大学硕士论文 西安建筑科技大学硕士论文 西安建筑科技大学硕士论文 PAGE PAGE 10 PAGE PAGE 11 ←一-D - 1 I U I g f f1J ，f时 气 / - - / 闭台应为 晶须 图 1.1 裂纹桥接机理示意国 Fig.l.l The schematicofcrack bridging mechanism (2)裂纹偏转机理 [5) 在扩展裂纹尖端应力场中的增强体会导致裂纹发生弯曲和偏转，从而干扰应 力场，导致基体的应力强度降低，起到阻碍裂纹扩展的作用.由于 晶须周围的应 力场 ，陶瓷基体中的裂纹一般难以穿过晶须 ，而是更易绕过晶须并尽量 贴近纤维 表面而扩展，即裂纹发生偏转 ，如图 1.2所示。裂纹偏转可以绕着增强体发生倾斜 偏转或扭转偏转。偏转后裂纹受的拉应力往往低于偏转前的，而且裂纹的扩展路 径增长，裂纹扩展中所需的能量更多，从而起到增韧作用。 裂纹沿 Y 一飞过7 -T)\? 来昌裂坟前精 阁1.2 品须引起裂纹偏转的模型 Fig.l.2 The schematic ofcrack deflection caused by whisker 一般认为，裂纹偏转增韧 主要是裂纹扭转偏转机制起作用。裂纹偏转主要是 由于增强体和裂纹之间的相互作用而产生 的， 由于增强体与基体之间的弹性模量 或热膨胀系数不同产生残余应力场会引起裂纹偏转 。裂纹偏转与界面断裂能和增 强体断裂能相对大小有关，当界面断裂能远小于增强体断裂能时易发生裂纹偏转。 晶须的儿何形状对裂纹偏转有很大影响 :针状、棒状的晶须对裂纹偏转的影响较 大， 一般增强体的长径比越大，裂纹偏转增韧效果越好 . (3)晶须拔出机理 品须拔出是指靠近裂纹尖端的晶须在外应力作用下沿着它和基体的界面滑出 的现象。晶须拔出的形貌如阻1.3所示。当复合材料受到外力作用时 ，在晶须与基 体的界面上产 生剪应力， 当外力达到基体剪切屈服强度时，导致 材料的断裂。而 晶须的抗拉强度较高，因此晶须将不至断裂，而是形成了晶须从基体中的拔出。 晶须拔出时会使裂纹尖端应力松弛，从而减缓了裂纹的扩展。同时，晶须的拔出 要耗散能量，使复合材料的断裂韧性得到提高。 E蚊扩德方向- 1.1.2 自增韧体系 图1.3 晶须拔出示意图 Fig.l.3 The map of whisker p川lout 晶须增韧目前主要是把晶须由外部引入到基体材料中，虽然增韧补强效果显 著，但存在晶须分散困难、分布均匀性差、界面相容性、加入体积分数较低、难 烧结以及对人体健康有害等 一系列缺点。因此，近年来，材料的自增韧技术受到 人们的重视，主要是通过控制工艺因素，使基体材料在高温处理过程中原位生成 晶须等异形晶相，以达到增韧补强目的 [6]。 原位生长晶须法是一种晶须合成法，是利用陶程基粉体和外加添加助剂发生 反应，在原位生成晶须，达到增韧的目的。原位 生长晶须法又称为自增韧问，属于 微结构设计增韧，是近几年发展起来的能够有效提高陶瓷断裂韧性的一种方法， 主要是通过控制材料生产工艺因素控制其显微结构，在高温处理过程中原位生成 长径比较大的晶粒，借助于这些晶粒通过裂纹偏折、裂纹桥连和品粒的拔出等能 量耗机制达到增韧的效果，从而起到类似于晶须补强增韧的作用。原位生成法是 将反应物混合通过热压或者常压烧结工艺，组成物相在烧结过程中原位生成。由 于晶须在基体中均匀生长，无需从外界引入，可均匀分散，在 一定的保护气氛下 生成晶须和制备复合材料，可防止外界的污染，而且晶须是在基体中高温条件下 制备，所以两者处于一定的高温热力学和相平衡状态，对高温下使用的复合材料 非常有利。另外，晶须与基体之间可能存在一定键结合，可以改进晶须与基体界 面结合性能:引入的晶须不 需要预先合成，简化了工艺过程:原位复合工艺大大 降低了原料成本[句。 目前的自增韧陶瓷材料主要有 ShN4、Sialon、A-lZr-C、Ti-B-C、SiC、A1203、 ZrB2 I zrCO.6 I Zr 等，但研究最多的还是 ShN4和 Sialono 1973年 Lange[91发现 ?-ShN4 晶须能够通过 α-SbN4 原位转变而生成，氮化硅晶体有生长各向异性的特性，在高 温时，其 α 相能够向 p 相转变， ?-Si3N4 晶体继续长大会使显微结构发生变化， 因 此，可通过控制 ?- Si3N4 晶体的成核和生长来获得所需的显微结构，从而形成自增 韧 Si3N4 陶瓷[10]SiaIon 是 SbN4 中 Si、N 原子被Al及 0 原子置换所形成的一大 类固溶体的总称，因此也可以利用 Sh峭的这种相变来达到增韧的目的