晶须增韧陶瓷复合材料的界面行为研究

《晶须增韧陶瓷复合材料的界面行为研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《晶须增韧陶瓷复合材料的界面行为研究（3页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1 9 9 5,冲4材料导报晶须增韧陶瓷复合材料的界面行为研究Stud yontheInte rfa ceBehaviourofWhiske rReinfore edCer amicComPo sites邓建新李兆前艾兴(山东工业大学机械系,济南250014)摘要综述了晶须增韧陶瓷复合材杆的界面物理 相容性、界面化学相容性以及界面设计研 充的主要内容和研究进展,讨论了今后界面研究的方向。关链词晶须复合材料界面A bstra etThe: esearehe s。ninterfae ephysi。ala nd。hemie al。ompatibi-lityandinterfa e edesignof

2、whiske rr einfore ede e r amiee ompositesa r ereviewed.S omedir e etion als ubieetsn e edtobeinv e stigated furthe rinthene arfuturea r ealsos ug gestedKeywo rdswhisker,。omposite,inte rfae e晶须增韧陶瓷基复合材料的界 面状态直接决定了其增韧机理。界面的组成、结构和结 合状态对材料的性能有重大影 响 l ,因此对界面研究在很大程度上能导致材料工艺和性能的极大改善。界面物理相容性、界 面化学相容性以及 界面设计

3、的研究构成 了界面研究 的 主要内容。界面物 理相容性是指第二 相与基体的弹性模量和热膨胀 系数是否匹配。界面化学相容性是指界面有无化学反应,是 否形成中间反 应层。而 界面设计的 目的是通过调整界面物理相容性和化学相容性使晶须的增韧补强作用得以最大限度的发挥。本文综述了晶须增韧陶瓷 基复 合材料界 面 物 理相容性、化学相容性和界面设计研究的新进展,并提出了今后尚需进一步深入研究的课题。1界面物理相容性研究界 面的物理 相容性主要研究晶须与基体的弹性模量和热膨胀系数的匹配问题,主要解决界面 残余应力和 界 面剪切应力的计算、侧定以及界面力学参数的测定等。研究方法 主要有数值计算法、有限元法以

4、及中子衍射法和X射线衍射法等。由于热胀 失配,复合材料在高温烧结、冷却后将在界面产 生应力,应力大小与晶须 和基体的热膨 胀系数之差a一a w一甄成比例。当。O时,沿晶须轴向,基体受压应 力的作 用,晶须受拉应力的作用,沿 晶须径 向晶须与基体相互拉伸。很显然在a0时,基体在没有外 载作用下 就存在残余压 应力 的作用,阵对 材料的增韧补强 是有 利的。文 献2中采用数值计算法与有限元法分别计算了A1203/S ICw陶瓷 材料中热 胀 失配 所 产生 的残余应力,结果表明热残余应力 的分布与在晶须轴向外加张应力作用所产 生的应力分布形式 完全一致.文献【3通过有限元 法计算表明,基体所受应力

5、依靠界 面传递给晶 须,并且在晶须端部有较大的剪切应力 集中。当晶须端部与基体绒合不好 或存在 界面分离 时,晶须端部附近不能传递 基体的正应力,但受到 很大的剪切应力作 用,使该部分 成为材料的 缺陷所在,因此晶 须端 部与基体 的结合状态 不能忽视。 SurinMajum da r等用中子衍射法测定了Al:03/s iCw陶瓷材料 的残余热应力,结果表明,界面最 大残余应力在室温 时 沿 晶须轴向约为240 oMPa,沿晶须 径 向约为100oMPa。随温度的升高,残余热.国家 自然科学基金资助课题材朴导 报19 9 5,即4应 力下降,到1300 oC左右已基本 消失。A lia sAb

6、uhasan5等用x射 线衍 射法也 测 定 TA l:03/S icw陶瓷材料的残余热应力,结果表 明,s i C晶 须的平均残余热应力与用中子衍射法测定 的结果基本 一致。C haralambides和Evans6利用应力强 度 因子 研究了晶须从 基体中拔出伴随的界面分 离行为和 残余热应力的关系.得 出界 面分离强烈依赖于晶须与基体的热膨胀系数之差的结论,并建立了界 面分离长度、断裂韧性和 残余热 应力 之 间的关系。结果表明,当 a,时,界 面受残余压 应力作 用,晶 须拔出增韧和桥接增 韧 均 能发挥作 用,增韧效 果是 两者的叠加。由此可见,Q,比。,。.复合材料界 面的残余张应

7、力,而热膨 胀系数大于 晶须的涂层能改善。, 气复合材料界 面的 残余压 应力。在另外一篇文献 s 1中研究了长纤维带有 涂层时界面 的断裂行为.结果表明,徐 层 内部的轴向张应力随涂 层厚度的增加而 减小,界 面剪应力却随涂 层厚度 的增加而增大。文献幻中建立了晶须含量与界面 最大剪 切应力和基体最大正应力的关系,并指出晶须最佳配比应以保证外界载荷能通过界面有 效地传递给晶须,并使界面剪切破坏先于基 体脆性断裂发 生。综合晶须增韧陶瓷基复合材料界 面物理 相容性的研究结果、得 出的主要结论有:为 了使晶须 能承担 更多 的载荷.应选择高 强度、高弹性模量的晶 须,并使晶须的弹性模量大 于基体

8、;应选择热膨胀系数相匹配的晶须/基体系列,即晶须与基体的热膨胀系数应尽 可能接近或者晶须稍大于基体。晶 须 的增 韧补 强 作 用将会削弱,而且 给 材料带来缺陷使材料性能下降。晶须与基体界 面是 由晶须与基体的表 面接触构成的,因此界面化学 相容性主要研究二者界面的结合方式 及 其对材料性能的影响。当界 面为物理结合时,主要应处理好弹性模量与热膨 胀系数的匹配;当晶须与基体界面 存在化学反应时,所形成 的 界面将是与晶须 和基体 都不同的新相,这种界面通常结合较强,而 且形成的产物相如果和 反应物的体积不同,将会产生残余应力,从而 影响界面 的剪切强度。此外,还要 防止化学反应使晶须性能下降

9、。S atoshi L ioo等对A12O3/SICw复合材 料的界 面研究表明,A1203与s i Cw界面无明 显化学 反应层,界面非常清晰,其界面为物理 结合。文献11对ZrOZ/SICw复合材料的研 究表 明,ZrO:与S I Cw界 面 也无化学 反应发生。综合晶须增韧复合材料界面化学相容性 的研究结果,得出的主要结论有:晶须与基体的界面结合力要适度。如果界面结合太牢固,虽然 晶须可以承担外力的作用,但晶须主要表现为脆性断裂,很难发生拔出效应。反之,如果界 面结合太弱,则基体就不能将应力 传 递给晶须。因此 界面绪合应保证晶须既能承担外加 应力,又能在断裂过程中以拔出功的 形式 消耗

10、能量。目前,界 面结合强度主要是通过界 面设计来加以调整的。3界面设计2界面化学相容性研究界面 化学相 容性是指在所需要的 温度 下,晶须与基体不 发生 化学反应,也包括晶须本 身不 致在该温度下引起性能的退化,否则根据晶须增韧陶瓷复合材料增韧补强的要求,研究界面物理和化学相容性,在此基础 上再进行界面设计。因此 界面设计的 目的是 根据材料界面物理和化学相容性的需要,以一 定的方法调整材料界面的结合状态,以使晶须的增韧 补强作用得以最大限度地发挥。其主要 方法有以下几种。( 1)晶须表面涂层 目前常用的涂层工 艺有CVD法、PVD法、5 01一g el法等,其中s o卜g el法涂层工艺简单

11、,成本低,特别适用于 晶须徐层.文献12用501一gel法在S ICw表面 涂夜A12O:、Mul-lite和Anorthite涂层后,材料的性能比未涂 层的有显著改善。【13的研究用50 1一g el法在S ICw表 面涂 搜A儿03,显著提高了s i Cw/19 9 5,陋4材抖导报T ZP复合材料 的致密度,降低了界 面残余热 应 力,并使 得涂 层后拔出效应比无涂层时更 加显著。文献1 4报道了在S I Cw表面 涂覆碳,用以补强A I20,和S i3N;。补强结果为:AI:03/SICw的K,c达10.gMPa、/而,si3N;/siew的Kl c为一4.ZMPaV矛俪。碳 涂 层

12、在AI:03/SICw界面的作用与在Si3N;/S ICw中是相同的,即阻止晶须与基体产 生化学结合,但对AI:O:有较大的增 韧效果,而 对S i3N;却有降低韧性的效果,其原因可 能是 因为a、 %3N.所致,碳涂 层后增大了 界面径向张 应力。由此 可见对不 同的晶须/基 体系列,涂 层 的效果是不同的。( 2)晶须表面预处理恢eherl, 5等用 预 氧 化的SI Cw补强Al:03在界 面 产生非晶相,从而 控制界 面反应 层 的化学结合,取得 了较 好的 增韧补 强效 果。R iehonDominique“将SICw预氧 化,使 晶 须表面 产生56nm的5 10:层,然后制备 了

13、s i3N;/S ICw复合材料,烧结后界 面产 生了 玻璃 相,提 高了材 料的 致密度。Jo s叩hHomeny, 等分别研究TSICw在空气中、在含4%H:的氮气中、在含1 0 % 的氢气中经高 温 预 氧 化 后,制备A12O3/S ICw复 合材料 的 情况,并研究了界 面化学成分对材料力学性能 的影响。( 3)引人助烧结剂 由于 晶须与基体的相容性,助烧结剂的引入不仅促进烧结过程的致密化,而且在烧结温度下可能参与晶须与基体之间的复杂反 应,导致界 面 产生 不 同的结合类型 和大小不 同的结合力.S halek B在S i3N;/SICw复合材料中.选择Si3N;,MgO =9 5

14、,5(wt%)的添加剂所得的材料,K. C达到 1 0.SMP a份而.。清华大学 在S i3N;/ Si Cw复合材料中,通过 引入MgO+Y:03+AloO,和I碑a:03+YZO3+. A120:两种助烧结剂,产 生 不 同组成的玻璃相,优化界面物理和化学相容性,均取得 了 良好的增韧补强效果。( 4)加人第三相颗粒在晶须/基体中再加入能调节晶须与基 体热膨胀系数 差别的第三相颗粒,可以减轻 热 胀 失配所 产 生的应力。Clau sseng等在AI:O:中加入SI Cw(20%)时,材 料 的强度和韧性分别为6 5oMPa和5.SMPa粉俪。而在此基础上再加 入1 2纬的t一Z rO:

15、后,其强度增加 到70 0MPa,韧性 增加 到13.SMPa、厂石,材料的脆性得 到了很大的改善。文献20 的研究 在A】203/S ICw中再添加 T IB:也取得 了 类 似 的 效果,并 得 出 晶须含量不 同,对应的 T IB:含量 也需作相 应的改变的结论。4结束语各种增韧机制的增韧效果都与界面性质有关,界面组成、结构和结合状态的有效控制 对 增韧效 果已经变得越来越重要。对 晶须增韧陶 瓷复合材料界 面性质的表 征,界 面力学参 数的测定以及界面性质与材料力学性能 及使用性能 的关系等等都是尚需进一 步深入 研 究 的重 要课题,通过界 面控制制备性能 良好的复合陶 瓷材料是今后

16、 界面研究的 重点。如 果能根 据陶 瓷复合材料的使用要求设计出相应的界 面,那么陶瓷复合材料 的发展将会进入一个新的 时代。参考文献1RonaldJ.Ker an s,Ce ramBull,1989;68(2)2邓建新等,i l J东工业大学学报,1 994;24(2)3邓建新等,山东工业大学学报,1 99 3;23(2 )4MojumarS,JAm.Cerams oe.,1988;71(10)5Abuhasa nA.,J.A m.Ce r amso e.,1990;73(8)6BudianskyB,Ev a n sA.G.,Me eh.PhysS o!ids,1986;34(2)7Hs u ehC hun一Hway,J., Am.Ce ramso e,1988;71(1 1)8Hs uehC hun一Hway,ibid,19 88,71(6)9邓建新等,材料科学与工程,1 99 5;13(1)10Sato,hi Lio,J.A m.CeramS oe.,1 989;