莫来石基层状陶瓷复合材料的力学性能研究.docx
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莫来石基层状陶瓷复合材料的力学性能研究
莫来石基层状陶瓷复合材料的力学性能研究
专业:
材料科学与工程
姓名:
张磊
指导老师:
高魁
摘要:
本文通过莫来石及其复相材料力学性能为入手点,结合莫来石层状陶瓷复合材料的显微结构与力学性能的关系以及影响,描述了莫来石层状陶瓷复合材料的力学性能。
关键词:
莫来石,显微结构,力学性能
Mullitelayeredceramicresearchonmechanicalpropertiesofcompositematerials
Abstract:
Thisarticlethroughthemulliteanditscompositesatroomtemperaturestrength,highstrength,hightemperaturecreepresistance,thermalshockstabilityandthemechanicalpropertyofceramicmaterialforthestartingpoint;bindingmullitelaminateceramiccompositematerialmicrostructureandmechanicalpropertiesofrelationshipandinfluencetocutintothesurface.Aroughdescriptionofmulliteceramiccompositesmechanicalpropertiesoflayered.
Keywords:
mullite,microstructures,mechanicalproperties
目录
1前言4
2陶瓷基层状复合材料力学行为4
2.1陶瓷基层状复合材料断裂行为4
2.2抗弯强度σ15
2.3断裂韧性KIC和断裂功W5
2.4抗拉强度σT5
2.5界面剪切强度6
2.7抗热震性能6
3显微结构与力学性能的关系7
3.1显微结构中对力学性能的影响因素7
3.2显微结构对莫来石的影响结果7
3.3显微结构对提高莫来石性能的影响8
3结语9
参考文献10
1前言
膜来石是陶瓷和耐火材料中最常见的氧化物之一,接近于斜方晶系,它具有高的熔点(1870Cº),良好的高温力学、高温热学性能.以莫来石为主晶相的莫来石制品高温结构强度高、高温蠕变率小、抗化学侵蚀性能好.与以刚玉为主晶相的硅酸铝系制品相比,它具有较小的热膨胀系数和较好的抗热震稳定性.但是,在对抗热震性要求较高的使用条件下工作的耐火制品(如窑具、工业用热交换器等),它还是不能达到使用要求。
近年来,受自然界高性能生物材料的启发,材料界提出了模仿生物材料结构制备高韧性陶瓷材料的思路。
1990年W.J.Clegg等人首次制备出了碳化硅/石墨叠层陶瓷材料,开始了陶瓷基层状复合材料的研究[1]。
陶瓷基层状复合材料是在脆性的陶瓷层间加入不同材质的较软或较韧的材料层制成,形7成一种夹层结构的复合材料。
与传统的陶瓷强韧化机制不同,这种结构的材料在应力场中通过一种能量耗散(energydissipation)机制,减小复合材料力学性能对缺陷的敏感性,具有耐缺陷(flaw-tolerance)的特点,从而克服陶瓷突发性断裂的致命缺点。
层状结构可使陶瓷的韧性得到很大改善,以氮化硅为例,断裂韧性达20MPa·m1/2以上,抗弯强度达到600MPa以上,断裂功提高2~3个数量级。
国内外科研工作者在陶瓷基层状复合材料力学性能方面进行了大量实际应用奠定了重要的理论基础。
的试验研究,取得了很大进展,为此类材料的
2陶瓷基层状复合材料力学行为
2.1陶瓷基层状复合材料断裂行为
在层状复合材料,荷载很小时,是弹性阶段,裂纹扩展后,第一层基体片层断裂,承载能力下降。
由于界面层对裂纹的偏析作用,裂纹扩展发生转向。
随着载荷增加,不断发生片层开裂-载荷下降的过程[2]。
由于柔度增大,材料在最终破坏时发生很大的变形,远远大于脆性块体陶瓷的变形量,其变化趋势与金属的塑性变形相似,明显增加了材料的断裂功,提高了材料韧性。
2.2抗弯强度σ1
层状复合材料由于其特殊的结构,使其力学性能具有非常明显的各向异性,人们对垂直于层状复合材料界面层的性能比较感兴趣,所以国内外对其研究比较多。
国外研究者特别注重层状材料的强韧化机理研究,侧重研究层状材料的应力分布、界面剥层、裂纹偏析、有限元分析处理等工作,因此所报道的材料性能不能令人满意。
相对来说,国内研究者侧重于强韧性指标研究制备的材料性能明显好于国外。
一般采用三点抗弯测试或四点测试方法评测。
其中四点测试要两个加载力,比较复杂;三点测试最常用。
其值与承受的最大压力成正比。
三点测试抗弯公式:
R=(3F*L)/(2b*h*h)
F—破坏载荷
L—跨距
b—宽度
h—厚度
2.3断裂韧性KIC和断裂功W
陶瓷基层状复合材料独特的宏观结构决定了其具有裂纹偏析、裂纹分叉、并行裂纹扩展、裂纹尾流区内片层拔出以及片层间的互锁摩擦等增韧机制,显著提高了材料的断裂韧性和断裂功[3]。
断裂韧性:
KIC=0.004985·(E/Hv)1/2·P/C3/2(Mpa·m1/2)
2.4抗拉强度σT
在抗弯状态下,层状试样中应力状态为从一个面的受拉变化到另一个面的受压状态。
而对于单向拉伸状态来说,试样中的应力分布是均匀的。
叠层试样在抗弯状态下,以累进的方式断裂,而在单轴拉伸应力状态下,在试样某一部位发生贯穿断裂[4]。
如果层片具有同样强度它们将同时断裂,从而导致部件的灾难性破坏。
事实上由于层片强度存在分散性,对于单一层片来说,破坏发生部位是分散的,因此这将能对试样破坏起预警作用。
在试样单轴拉伸试验中观察到了灾难,性破坏,也观察到了分层现象,其破坏行为类似于木材。
2.5界面剪切强度
Clegg测试了SiC/C层状复合材料的界面剪切强度,采用的是双缺口剪切试样DNS(DoubleNotchShear),如图2.1所示。
测试实验类似于搭接剪切测试,所不同的是使用的是压应力而不是拉应力,这对测试陶瓷试样很合适。
试样长约20mm,宽3mm,高1.5mm,双向对开缺口并且穿过中心线。
图2.1
试样加载后,材料先经历了弹性变形阶段,然后界面处裂纹从缺口处萌生并快速扩展。
最终通过用最大荷载与试样缺口间的截面积比值得到材料的剪切强度为26±7MPa[4]。
2.6抗疲劳性能
由于层状复合材料在弯曲应力状态下,存在裂纹分层的驱动力,因此层状材料的抗疲劳性能很重要。
实验在三点弯曲状态下进行,所加载荷为正弦波负荷,波峰应力为试样平均弯曲强度的0.65~1之间,波谷应力为波峰应力的0.1倍。
若试样在3×106周期加载后,没有破坏就停止继续实验,之后测试试样的残余强度[5]。
SiC/C材料样品测试前平均弯曲强度为327±44Mpa。
实验发现,如果试样在疲劳加载开始没有破坏,它将在实验整个过程中都不断裂,甚至在最大循环载荷为试样平均弯曲强度的0.98时也不断裂。
试样疲劳实验后的平均强度为321±95Mpa,与测试前近似,因此层状复合材料是疲劳不敏感的。
与陶瓷块体试样相比,SiC叠层的震动疲劳抗力没有减少,因此认为层状材料引入裂纹偏析弱性层是无害的。
2.7抗热震性能
Clegg认为陶瓷基层状复合材料不同于纤维增强陶瓷基复合材料,其性能改善取决于界面层中裂纹偏析情况。
连续界面层使材料的剪切强度很低[6]。
在弯曲应力状态下,平行于界面层存在裂纹扩展驱动力而使材料容易导致剥层破坏,因此陶瓷基层状复合材料性能特点与纤维增强复合材料相比有所不同。
陶瓷基层状复合材料韧化只是增加了材料破坏时所需的应变,而没有增加与块体材料相对应的最大强度。
因此陶瓷基层状复合材料适用于大热载荷(有一定的应变)和小机械载荷(给定应力)的场合。
3显微结构与力学性能的关系
3.1显微结构中对力学性能的影响因素
显微结构中微裂纹、玻璃效应及结晶效应都将影响材料的力学性能。
正是由于显微结构中主晶相的差别、骨架结构的变化以及固溶强化的综合作用,导致材料力学性能的变化。
主晶相的性质、含量和其间结合状态直接决定着制品的性质。
莫来石针柱状晶形有利于交织结构的形成,从而提高材料抗剪力和抗热震能力[7]。
玻璃相的出现不一定影响制品的低温强度,但却使高温性能很显著地降低。
材料的抗热震性与晶体间接触或结合的程度与方式和气孔率的差别,以及高温态晶界固溶作用密切相关。
材料中的缺陷、裂纹与气孔不利于强度提高。
裂纹使应力集中,在临近裂纹终点区内应力超过临界值导致材料破坏。
气孔也能使应力集中,但气孔对强度的影响在很大程度上与气孔特性(包括气孔大小、形状、位置、结构类型与分布的均匀性等)有关。
与小气孔相比,大气孔会使强度更明显地降低,如果气孔尺寸小于颗粒尺寸,则材料的破坏并不是从气孔处开始;与球形气孔相比,长条状和环状气孔对强度更为不利;与开口气孔相比,封闭气孔对强度降低的影响较小,因为大多数情况下开口气孔的端部尖锐;与结构气孔相比,大颗粒中的气孔危险性更少些。
当气孔率相同时,则具有连续性固相的材料强度高于具有连续性气孔的材料[8]。
3.2显微结构对莫来石的影响结果
莫来石及其复相材料的缺陷和裂隙愈少,气孔率愈低,显微结构致密化程度愈高,且莫来石针柱状晶体发育良好,晶体之间直接接触程度愈高,且形成连续的连锁交错网络结构,玻璃相愈少且龟缩成孤岛状,则材料的常温强度愈高。
晶粒细、密、匀,骨料颗粒尺寸小,颗粒强度高等都可提高材料常温强度。
随着莫来石晶粒长大,材料的晶界结构从较紧密的细晶结构逐渐变为大颗粒松散堆积结构,从而造成强度明显下降耐火材料高温强度的变化主要取决于动弹性模量的变化,而弹性模量的变化又取决于相数及相的线性热膨胀系数。
对于莫来石复相材料,随温度升高,由于主晶相、次晶相和玻璃相间热膨胀系数的差别,致使结构中空隙得以填充,或结晶相相互交错支承形成骨架,增加其刚性,弹性模量随之增大。
但超过某一温度范围,由于基质软化导致弹性模量急速下降。
对于同一系统的制品,弹性模量与力学强度大体成正比关系。
耐火材料的蠕变机理在于颗粒及集聚体相互间的宏观移动。
蠕变速率按结晶相、非结晶相、气孔的顺序而增大。
若主晶相直接结合程度差,玻璃基质数量多且黏滞流动程度大,则材料抗蠕变性能差。
气孔率愈高,气孔平均尺寸愈大,蠕变率愈大颗粒界面上的长形气孔能促进颗粒间相互滑移,对抗蠕变不变率与颗粒粒径的平方或立方成反比,因此,重结晶过程可提高材料抗蠕变性。
多晶的抗蠕变性能低于单晶,原因在于晶粒间界比例增大。
3.3显微结构对提高莫来石性能的影响
气孔和微裂隙的存在可能降低材料的强度和抗蠕变性,但却能使抗热震稳定性提高[9]。
因为气孔的存在不仅可容纳热震时体积变形以缓解热应力,而且气孔对裂纹尖端还可起到钝化作用。
但只有均匀分布的气孔有利于改善材料抗热震性,较大气孔和不规则气孔,在其周围易产生应力集中,造成新的裂纹源,不利于抗热震性圆,含球形气孔的材料抗热震稳定性优于含椭圆形气孔的材料。
微裂纹受热震后扩展出现二次裂纹,形成二次裂纹所消耗的能量比形成主要裂纹所消耗的能量大一个数量级两,同时结构局部损坏造成应力松弛,阻止破坏性裂纹扩展及集中,延缓破坏进程[10]。
破坏性裂纹的扩展速度与微观裂纹的长度及密度成反比嗍。
因此,在可以容忍的情况下,可通过引入尺寸适当数量足够的微裂纹,在材料内部形成一个具有较大微裂纹密度的微裂纹网络,以提高制品抗热震性。
对莫来石复相材料的力学性能和显微结构的研究发现适当比例的两晶相材料与单晶相材料相比,具有更高的高温强度。
这是因为在主晶相骨架结构中,穿插或填进适当比例的次晶相,两种晶相的结合会促使更致密的堆积和更紧密的晶体间结合,从而起到强化作用。
而且利用热膨胀系数有差异的两晶相复合,由于热膨胀失配在材料中形成有效的微裂纹结构,使其具备微裂纹增韧的机制,从而改善制品抗热震性能。
此外,第二相粒子对热震裂纹的钉扎效应也提高了材料抗热震性。
但对于非均质复相耐火材料来说,其最优化性能较大程度上由其次晶相的最优化体积含量决定。
就莫来石-刚玉复合材料来说,在莫来石、刚玉质量比为25:
75试样中,板条状或棱柱状的莫来石晶体交织在刚玉颗粒的骨架里;或在莫来石、刚玉质量比为75:
25试样中,晶粒尺寸较小的粒状刚玉充填在连锁交错莫来石网格的空隙里。
这两种组成的材料高温力学性能都比较优异。
由此可见,显微结构的研究对莫来石耐火材料力学性能产生的影响是深刻的,材料在性能上的许多突破,不能忽视显微结构研究从中所起的作用[11]。
因此,通过优化工艺条件来获得材料理想的显微结构是必要的。
3结语
陶瓷基层状复合材料力学性能优劣关键在于界面层材料,能够应用在高温环境下,抗氧化的界面层材料还有待进一步开发,此外,在应用C、CB等弱力学性能的材料作为界面层时,虽然能够得到综合性能优异的层状复合材料,但是基体层与界面层之间结合强度低的问题也有待进一步解决。
陶瓷基层状复合材料的制备工艺具有简便易行、易于推广、周期短而廉价的优点,可以应用于制备大的或形状复杂的陶瓷部件。
这种层状结构还能够与其它增韧机制相结合形成,不同尺度多级增韧机制协同作用,实现了简单成分多重结构复合,从本质上突破了复杂成分简单复合的旧思路。
这种新的工艺思路是对陶瓷基复合材料制备工艺的重大突破,将为陶瓷基复合材料的应用开辟广阔前景。
我相信如果能在基层状陶瓷复合材料的方向上,不断开拓,将其性能得到更好的开发利用,那么基层状陶瓷复合材料必然会在人类的进步史上添上浓重的一笔。
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