仿生“黑科技”,讓陶瓷韌韌韌起來! | |
發表時間:2021-09-26 閱讀次數: | |
中國粉體網訊 新型陶瓷因其低密度、高硬度、高強度等優異性能一直備受關注。但是陶瓷材料的低韌性和對裂紋敏感性,一直限制著陶瓷的應用。近年來,由于仿生技術的發展,根據生物的微觀結構而制備的各種仿生材料應運而生,國內外學者通過研究自然界中具有良好抗沖擊性能的貝殼、甲殼類等生物的微觀結構,利用仿生技術制備了具有相似界面結構設計的層狀復合陶瓷,其微觀結構由硬質層與軟質層交替疊加而成,延長了裂紋擴展路徑,顯著提高了材料的斷裂韌性與吸能,層狀陶瓷受到研究者的廣泛關注。 一、 層狀復合陶瓷增韌機理 與傳統陶瓷的強韌化機制不同,層狀復合陶瓷的韌化機制屬能量吸收、耗散機制,這種結構設計將減小材料力學性能對缺陷的敏感性,使之成為一種耐缺陷材料,使材料的斷裂韌性獲得較大的提高。相對于傳統的強韌化機制,層狀復合陶瓷設計避免了增韌效果受工作環境限制、分散均勻等問題,而且增韌效果遠遠好于傳統的強韌化機制,斷裂功甚至可提高2~3個數量級。其設計是在兩層高強度的基體間引入夾層來達到增韌效果,其增韌機理可以大致分為以下三類。 1、 弱夾層裂紋偏轉增韌 此設計在兩層高強度的基體間引入弱薄層,夾層的要求是既要弱,弱得足以偏轉裂紋,但又能承受一定的壓縮和剪切。含有弱界面的層狀復合材料受載荷作用后,當裂紋達到與單相材料中的臨界裂紋相同的應力強度時,裂紋開始擴展;當裂紋到達一個弱結合界面時,在荷載作用下弱結合界面上就會形成微裂紋,并且微裂紋將沿著弱界面發生偏轉或分層,增大裂紋擴展路徑,讓能量在裂紋擴展過程中釋放,達到材料增韌的效果。含弱界面層狀復合材料中裂紋擴展模式如圖1所示。 圖1含弱界面層狀復合材料中裂紋擴展模式 2 、延性夾層裂紋橋聯增韌 延性夾層可以是金屬或延性樹脂,以連續層狀形式存在。它是利用延性層的塑性變形來消耗、吸收能量,并在裂紋尾部形成橋聯而阻止裂紋擴張,從而改善材料的斷裂韌性。但這類層狀復合陶瓷也存在一定的難點:金屬的熔點變化范圍大,如何確定燒結溫度,因為金屬可能與基體材料發生反應失去金屬塑性而不能實現裂紋尾部橋聯增韌。 3 、界面殘余應力增強增韌 利用層狀復合陶瓷的基體層與夾層之間熱膨脹系數、收縮率的不匹配或者某層中相變而使層間有應變差,引入殘余應力場增強增韌機制。層狀陶瓷斷裂韌性提高,主要是通過表面壓應力對壓痕裂紋區應力強度因子的貢獻、提高斷裂相變量,強化相變增韌效果、細化晶粒等幾個方面來實現的。 二、層狀SiC/BN復合基體陶瓷研究進展及結果分析 據研究分析,提高層狀陶瓷材料韌性的關鍵技術包括材料基體的優化、夾層匹配的選擇 、結構及界面設計等。在層狀陶瓷材料體系中,目前有科研人士實驗制備出的層狀SiC/BN復合基體陶瓷,是一種弱夾層裂紋偏轉增韌陶瓷材料,其中的BN軟層可以誘導多重裂紋傳播路徑,消耗更多能量并增加材料斷裂功。 該實驗是采用流延法結合熱燒結法,對制備出的層狀SiC/BN陶瓷,采用Archimedes法測試層狀陶瓷的密度與氣孔率,利用X射線衍射儀對陶瓷材料的相組成進行分析,通過場發射掃描電子顯微鏡觀察層狀陶瓷的微觀結構。 通過熱壓燒結制備了3種結構設計的陶瓷材料,分別為塊體陶瓷、層厚比5:1和10:1。3種結構設計的力學性能見表1,由表1結果可知,結構設計改變了材料的力學性能,BN軟質層的引入降低了材料的彎曲強度,但在一定程度上提高了材料的斷裂韌性。因此,合適的層厚比設計是實現材料強韌化的關鍵 圖2為3種結構的材料斷裂失效時的三點彎曲強度試驗。由圖2可見:塊體SiC陶瓷為典型的脆性失效,SiC/BN層狀陶瓷為非脆性失效,具有階梯式的失效模式。這說明軟硬結合的層狀結構設計極大的提高了材料抵抗貫穿性裂紋的能力,使材料的失效模式由脆性轉變為非脆性失效。 圖3為層狀SiC/BN陶瓷的結構設計及裂紋擴展SEM照片。合適的界面結合強度即保證了材料不發生嚴重的層間開裂又減小了裂紋擴展應力集中效應,使材料不發生貫穿性的裂紋,進而降低了材料的裂紋敏感度,提高了材料的斷裂吸能及斷裂韌性。 結果表明,雖然BN軟質層的引入提高了斷裂韌性,但在一定程度上降低了材料的抗彎強度與壓縮強度。對于5:1的SiC/BN陶瓷材料的韌性較高,強度較低,10:1的SiC/BN陶瓷材料同時具有高韌性與高強度。層狀陶瓷結構設計實現了材料的強韌化,極大的提升了材料保持結構完整性的能力;界面聲阻抗設計提高了材料對應力波的反射與損耗,提升了材料的動態吸能與綜合防護能力。 層狀復合陶瓷克服了陶瓷材料脆性斷裂的弱點,可顯著提高材料的斷裂韌性。其獨特的疊層結構,給研究者在進行材料設計時帶來了較大的自由度。選擇何種材料做基體及夾層,如何控制各項因素以達到優化設計,將是發展層狀復合陶瓷所要解決的關鍵問題之一。隨著材料工業的飛速發展,層狀陶瓷仍將是陶瓷增韌研究的熱點,必將在材料的設計制造中發揮更為巨大的作用。 參考來源: 【1】成來飛,孫孟勇,等.層狀SiC/BN陶瓷的制備及抗沖擊性能.硅酸鹽學報.2021年,49(2). 【2】曾翔龍,宗鄭,等.SiC-BN層狀陶瓷復合材料疊層方式優化設計.復合材料學報.2020年12月15日. 【3】仲長榮,畢松.層狀復合陶瓷的增韌與設計研究進展.耐火材料.2007年,41(4). 聲明:轉載此文是出于傳遞更多信息之目的。若有來源標注錯誤或侵犯了您的合法權益,請作者持權屬證明與本網聯系,我們將及時更正、刪除,謝謝。 來源:中國粉體網 |
|
上一篇:【全景解析】硅微粉的性能、用途及深加工 | |
下一篇:一文了解稀土氧化物在陶瓷涂層中的應用 |