（材料物理与化学专业论文）磷酸镧包覆氧化铝复合可加工陶瓷裂纹扩展机理的研究.pdf

。00h弋 磷酸镧包覆氧化铝复合可加工陶瓷裂纹扩展机理的研究 学位论文完成日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： z”；鏊讳h摹 哇镞_一， 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 注! 翅遗直基地噩噩缱别直明的：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名物 签字日期：声年月1 1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学 技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络 向社会公众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：抛 签字日期：易年z 月f 日 导师签字： 签字日期：年，月 1 3 吃力lo6 ii 、f，；鳍y，o，i、岬_。； ，lh， 00：；叠锺翔101 j 1-r-l-i 擎 v ， ； r 磷酸镧包覆氧化铝复合可加工陶瓷裂纹扩展机理的研究 摘要 为了提高可加工陶瓷的性能，我们对l a p o 以1 2 0 3 复合陶瓷进行结构设计， 使l a p 0 4 均匀的分布在陶瓷基体中，减少他的团聚，这样会在减少l a p 0 4 用量 的同时，大大增加l a p 0 4 a 1 2 0 3 之间的弱界面：这样能使其具有较好的加工性能， 同时保持良好的力学性能。 我们首先用非均匀成核法合成了l a p 0 4 包覆q a 1 2 0 3 粉体。通过x r d 来检 测该粉体的物相组成，煅烧之前的包覆粉体中含有a a 1 2 0 3 和无定型的l a p 0 4 两种物质。而煅烧后的l a p 0 4 包覆a - a 1 2 0 3 粉体是明显的单斜相l a p 0 4 和 a - a 1 2 0 3 ，这也更加验证了煅烧之前的包覆粉体中无定型的l a p 0 4 的存在。 在l a p 0 4 含量不变的情况下，用包覆方法制备的l a p 0 4 a 1 2 0 3 复合陶瓷的相 对密度、断裂韧性较用传统方法制备的l a p q 以1 2 0 3 复合陶瓷均得到了提高，而 硬度和抗弯强度有所下降，但是可加工指数也得到了较大提高。通过断口形貌分 析，我们可以清晰的看到l a p 0 4 是层状结构，材料发生断裂时l a p 0 4 晶粒发生 的层片状或台阶状剥离，断口的表面有很明显的氧化铝晶粒拔出的痕迹，说明材 料的断裂形式是以沿晶断裂为主。l a p 0 4 a 1 2 0 3 复合陶瓷材料加工过程中，l a p 0 4 的这种层片状结构会发生沿层片方向的解理，这样只会产生很浅的裂纹层，而不 是穿晶断裂留下的深的裂纹层。这样包覆l a p o 以u 2 0 3 复合陶瓷即提高了材料可 加工性，同时又能留下较少的加工损伤。 我们对包覆l a p 0 4 a 1 2 0 3 复合陶瓷进行了裂纹扩展行为的研究。复合陶瓷的 强度和压痕载荷的之间的斜率为0 2 6 ，说明其具有裂纹阻力曲线效应。k ，由 4 1 5 3 m p a m 1 忽增加到4 2 8 1m p a m 沈，在后期又略有下降。当材料裂纹扩展时， 两个晶面会产生相对的位移，裂纹在凸凹不平的晶粒相互挤压，就产生了自锁现 象，提高了裂纹扩展的阻力。当裂纹扩展至长氧化铝晶粒时，其扩展的路径将会 发生明显地变化，产生桥连，两个相对裂纹面之间距离的增大势必会受到氧化铝 晶粒的抑制，从而提高了材料的裂纹扩展阻力，材料性能得到提高。由于界面效 应或热错配产生的内应力的影响，特别是内应力的不均匀性和界面裂纹的相互作 用，在主裂纹尖端产生微裂纹时，微裂纹会与主应力轴垂直，随后微裂纹间又可 能形成连接，发生裂纹偏转。这会增加裂纹扩展的路径，消耗大量的裂纹扩展能。 我们建立压痕试验的力学模型，根据力学模型我们可以得到应力场中任一 点的应力状态，同时可以进行分析陶瓷材料压痕裂纹的形成过程。根据公式我们 得出常规方法制备的l a p o 机u 2 0 3 复合陶瓷材料产生裂纹的临界压力为1 3 n ，包 覆方法制备的l a p 0 4 砧2 0 3 复合陶瓷材料产生裂纹的临界压力为3 2 n ；包覆方法 制备的l a p 0 4 a 1 2 0 3 陶瓷复合材料的起始裂纹长度为3 4 6 1 m a ，常规方法制备的 l a p o 删2 0 3 复合陶瓷材料的起始裂纹长度为2 1 4 1 t m 。 同时我们分析了z t a 陶瓷和l a p o d a l 2 0 3 复合陶瓷的增韧机理。z t a 陶瓷 以相变增韧为主。l a p 0 4 a 1 2 0 3 复合陶瓷的增韧机理是：在压力作用下，会在界 面处产生大量的微裂纹这时会吸收大量的弹性应变能；同时裂纹在扩展过程中， 由于张应力作用下，延伸后形成的较大微裂纹将与主裂纹汇合，导致主裂纹的扩 展路径发生扭曲和分叉，使裂纹的扩展路径更加曲折，这样吸收更多的弹性应变 能，从而使材料断裂韧性的大大提高。 关键词：包覆；l a p o d a l 2 0 3 可加工陶瓷；裂纹扩展；阻力曲线 t h es t u d yo fm e c h a n i s mo fc r a c kp r o p a g a t i o n o fl a p 0 4c o a t e da 1 2 0 3m e t h i n a b l ec e r a m i c s a b s t r a c t l no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fm a c h i n a b l ec e r a m i c s ，w et r e a t e dl a p o d a l 2 0 3 c o m p o s i t ec e r a m i cw i t hs t r u c t u r ed e s i g n , m a d el a p 0 4 e v e n l yd i s t r i b u t e di nt h ec e r a m i cm 枷x t o c u td o w - ni t s 旭啪i o n t h i sc o u l dr e d u c et h ea m o u n tl a p 0 4 ，g r e a t l yi n c r e a s et h ep o o ri n t e r f a c e b e 铆nl a p o d a l 2 0 3 s og i v ei t ag o o dp r o c e s s i n gp e r f o r m a n c e ，w h i l em a i n t a i n i n gg o o d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s f i r s t w eu s e dt h en o n - h o m o g e n e o u sn u c l e a t i o ns y n t h e s i z e dc o a t e dl a p o d a l 2 0 3p o w d e r t o d c t e 甜t l l ep h a s ec o m p o s i t i o no fp o w d e rb yx r d ，t h e r ew e r ea - a 1 2 0 3a n da m o r p h o u sl a p 0 4 e 】d 删i np o w d e rw i t h o u tc a l c i n e d t h ec a l c i n e dp o w d e r i so b v i o u sm o n o c l i n i c1 _ 胛0 4a n d 小a i 2 0 3 ；t h i sf u l l yp r o v e dt h a tt h ea m o r p h o u sl a p 0 4e x i s t e db e f o r eb u r n i n g t h i sw o u l d o n l y p r o d u c eav e r ys h a l l o wc r a c kl a y e r i n 廿l ec eo fc e n a i nc o n t e n tl a p 0 4 ，t h ec o a t e dl a p o f f a l 2 0 3c o m p o s i t ec e r a m i ci nr e l a t i v e d e n s i t y , 炯c t l 】r et o u g h n e s sh a v eb e e ni m p r o v e dt h a nt h o s eu s i n gt r a d i t i o n a lm e t h o d s ，w h i l e t h e h a r d n e s sa n db e n d i n gs t r e n g t hd e c r e a s e d ，b u tt h ep r o c e s s a b i l i t y i n d e xh a sa l s ob e e ng r e a t l y e n h 锄c e d w 色c a nc l e a n ys e et h el a p 0 4 i sl a y e r e ds t r u c t u r eb yf r a c t u r es u r f a c ea n a l y s i sm a t e r i a l s 帅m em 叫鹏o c c u r r e d ，t h eg r a i n sw e r el a m e l l a ro rs t e p - l i k ed e t a c h m e n t t h e f r a c t u r es u r f a c e s h o w e dt h a tt 1 1 ea l u m i n ag r a i n sw e r ep u l l e do u t t h et r a c e ss h o w e dt h a t t h ef r a c t u r ef o r mi s i n t e 曜即m u l a rf r a c t u r e i nt h el a p o d a l 2 0 3c o m p o s i t ec e r a m i cm a t e r i a l sp r o c e s s i n g ，t h i sl a y e r e d 咖l c t i l r el a p 0 4c l e a v a g eo c c u r r e da l o n gt h el a m e l l a rd i r e c t i o n r a t h e rt h a nt h ed e e pl a y e r l e f tb y t r a n s 鲫u l a rf r a c t u r ec r a c k s t h ec o a t e dl a p o d a l 2 0 3c e r a m i cc o m p o s i t e m a t e r i a l si m p r 0 v e d 也e p r o c e s s i n g ，w h i l el e a v i n gj e s sp r o c e s s i n gd a m a g e w 色h a v es n j d i e dc r a c kp r o p a g a t i o nb e h a v i o ro fc o a t e dl a p o d a l 2 0 3c o m p o s i t ec e r a m i c t h e s l o p eo fc o m p o s i r ec e r a m i cw a s - 0 2 6b e t w e e ns t r e n g t ha n di n d e n t a t i o nl o a d ，i n d i c a t i n g i th a v e c 眦k 他s i s 伽c cc u ee 微t 1 ( fi n c r e a s e f r o m4 15 3 m p a m 1 忍t o4 2 81m p a m m ，a n ds l i g h t d e c r e a s e di nt h el a t t e rp a r t w h e nt h em m e r i a lc r a c k sp r o p a g a t e d ，t h et w op l a n e sw o u l dh a v ea r e l a t i v ed i s p l a c e m e n t ，c r a c k sc o m p r e s s e d b e t w e e nt h eu n e v e ng r a i n s ，t h e yp r o d u c e d a i i i s e l f - l o c k i n g , a n de n h a n c e dr e s i s t a n c et oc r a c kp r o p a g a t i o n w h e nt h ec r a c ke x t e n d e dt ot h e a l u m i n ag r a i n s ，t h ee x t e n s i o np a t hw o u l db eo b v i o u st oc h a n g e ，r e s u l t i n gi nb r i d g i n g t h et w o c r a c ks u r f a c e sw o u l db er e s t r a i n e db yt h ea l u m i n ag r a i n s ，t h e r e b yi n c r e a s e dt h em a t e r i a lc r a c k p r o p a g a t i o nr e s i s t a n c e ，i m p r o v e dm a t e r i a lp r o p e r t i e s a st h e i n t e r f a c ee f f e c to rt h ei m p a c to f i n t e m a ls t r e s sg e n e r a t e db yh e a tm i s m a t c h , i np a r t i c u l a rt h e i n t e r a c t i o n so fh e t e r o g e n e i t yo f i n t e r n a ls 1 1 - e s 5a n di n t e r r a c i a lc r a c k , w h e ni nt h em a i nc r a c kt i p g e n e r a t e dm i c r o e r a c k s ， m i c r o e r a c k sp e r p e n d i c u l a rw i t ht h ep r i n c i p a ls t r e s sa x e s ，a n dt h e nm i c r o e r a c k sm a yb ec o n n e c t e d b e t w e e no n ea n o t h e r , c r a c kd e f l e c t i o no c c u r r e d 。t h i sw i l li n c r e a s et h ec r a c kp r o p a g a t i o np a t h ； c o n s u m e da l a r g ea m o u n t o fc r a c kp r o p a g a t i o n w ee s t a b l i s h e dt h em e c h a n i c a lm o d e lo fi n d e n t a t i o nt e s t s ；a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i c a l m o d e lw ec o u l dg e tt h es t r e s sf i e l da ta n yp o i n t m e a n w h i l ew ec a na n a l y s i st h ef o r m a t i o no f i n d e n t a t i o nc r a c k so fc e r a m i cm a t e r i a l s a c c o r d i n gt ot h ef o r m u l aw eg o tt h ec r i t i c a lp r e s s u r eo f l a p 0 4 a 1 2 0 3c o m p o s i t ec e r a m i cm a t e r i a l sp r e p a r e db yt h ec o n v e n t i o n a lm e t h o dw a s1 3n ，t h e c r i t i c a lp r e s s u r eo fo n e sp r e p a r e db yt h ec o a t i n gm e t h o dw a s3 2n ：t h ei n i t i a lc r a c kl e n g t ho f l a p o , i a 1 2 0 3c o m p o s i t ec e r a m i cm a t e r i a lp r e p a r e db yt h ec o a t i n gm e t h o dw a s3 4 6 p m ，t h ei n i t i a l c r a c kl e n g t h6 fo n e sp r e p a r e db yt h ec o n v e n t i o n a lm e t h o dw a s2 14 p r o w ea n a l y z e dt o u g h e n i n gm e c h a n i s mo fz t ac e r a m i c sa n dl a p 0 4 a 1 2 0 3c o m p o s i t ec e r a m i c m a t e r i a l s z t ac e r a m i c sw a sp h a s et r a n s f o r m a t i o nt o u g h e n i n g t h et o u g h e n i n gm e c h a n i s mo f l a p 0 4 ，a 1 2 0 3c o m p o s i t ec e r a m i cm a t e r i a l s ：u n d e rt h ep r e s s u r e ，m a t e r i a l sw o u l dp r o d u c eal a r g e n u m b e ro fm i c r o e r a e k sa tt h ei n t e r f a c e ，a n da b s o r b e dal a r g ea m o u n to fe l a s t i cb ；t i a i ne n e r g y m e a n w h i l ed u r i n gt h ec r a c ke x p a n s i o np r o c e s s ，u n d e rt h et e n s i l es i r e s 5 ，e x t e n s i o nt of o r ml a r g e r m i c r o c r a c k sw o u l dc o n f l u e n c ew i t ht h em a i nc r a c k , l e a d e dt h em a i nc r a c kp r o p a g a t i o np a t hw a s d i s t o r t e da n db i f u r c a t i o n , a n dm a d et h em a i nc r a c kp r o p a g a t i o np a t hw a sm o r et o r t u o u s t h i s c o u l da b s o r bm o r ee l a s t i cs t r a i ne n e r g y , t h u sg r e a t l yi m p r o v e dt h e 舾c t i i r et o u g h n e s s k e y w o r d s ：c o a t i n g ；l a p 0 4 a 1 2 0 sm a c h i n a b l ec e r a m i c ；c r a c kp r o p a g a t i o n ； r - c u r v e i v 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 可加工陶瓷的研究现状2 1 2 1 可加工陶瓷的分类2 1 2 2 可加工陶瓷的性能6 1 2 3 陶瓷材料的加工方法7 1 2 4 加工性能的表征8 1 2 5 可加工陶瓷材料弱界面的引入和微观结构设计9 1 3 复合粉体包覆制备技术的研究进展1 0 1 3 1 机械混合法1 0 1 3 2 气相沉积法11 1 3 3 聚合物包裹法一11 1 3 4 液相化学法。1 l 1 4 陶瓷材料断裂行为研究进展1 5 1 5 本课题的提出、主要内容及实验方案1 7 第二章l a p o 。包覆a 1 ：o 。可加工陶瓷制备及检测1 9 2 1 实验原料1 9 2 2 实验器材l9 2 3 非均匀成核法包覆的机理2 0 2 4l a p 0 4 包覆a 1 2 0 3 粉体的制备21 2 5l a p 0 4 包覆h d 2 0 3 可加工陶瓷制备。2 2 2 5 1 成型2 2 2 5 2 烧结2 2 2 6 材料的力学性能测试2 3 2 6 1 维氏硬度测试2 3 2 6 2 抗弯强度测试2 4 2 6 3 断裂韧性的测试2 4 v 2 7 粉体物相和形貌测试2 6 2 7 1 粉体的x r d 检测2 6 2 7 2 粉体的t e m 检测一2 7 2 8 裂纹观察和结构分析2 8 2 8 1 材料的裂纹检测2 9 2 8 2 试样的试样断口微观结构的检测3 0 2 9 本章小论3 2 第三章l a p 0 。包覆0 【- a 1 ：o 。陶瓷裂纹扩展行为的研究3 3 3 1压痕裂纹的制备及裂纹扩展分析3 3 3 2 裂纹扩展阻力曲线的测定方法一3 5 3 3 包覆l a p 0 3 a 1 2 0 3 裂纹扩展阻力曲线3 7 3 4 包覆l a p 0 3 a 1 2 0 3 加工过程中裂纹扩展分析3 8 3 5 裂纹扩展模型的建立3 9 3 6 本章小结4 0 第四章l a p 0 。包覆q - a 1 。0 。陶瓷压痕裂纹力学的分析4 2 4 1 压痕应力场4 2 4 2 陶瓷材料压痕裂纹的形成4 5 4 3l a p 0 4 a 1 2 0 3 复合陶瓷材料和z t a 复合陶瓷的增韧机理分析4 7 4 4 本章小结4 8 第五章结论4 9 参考文献51 致谢5 6 个人简历5 7 发表的学术论文5 7 v i 磷酸镧包覆氧化铝可加工陶瓷裂纹扩展机理的研究 1 1 研究背景 第一章绪论 陶瓷材料是三大基础材料之一，以其优异的力学、高温、耐腐蚀等性能【l 】， 在航天、汽车、冶金、化工、机械、医学等领域获得广泛应用。陶瓷材料以离子 键和共价键为结合键，离子键和共价键都是强结合键，使得陶瓷材料具有高熔点， 耐热性好，弹性模量、硬度和高温强度高。但其塑性变形能力差，韧性低，不易 成型加工，这限制了在工程应用其发挥更大的作用。许多工程应用场合要求工件 具有较高的形状精度、尺寸精度和高的表面质量。由于陶瓷材料具有很大硬度和 脆性，使其难以进行机械切削加工；又由于陶瓷具有良好的耐蚀性和较差的导电 性，采用声、光、电、蚀等特种加工方法效率也极低。为此人们在加工工具、加 工技术等方面进行了改进，对加工参数进行优化等【2 】。然而，到目前为止，许多 重要的陶瓷部件制备的成本仍主要是精加工成本( 约占整个部件制备费用的7 0 以上) 【3 】，一些复杂形状的陶瓷部件的机械加工问题仍一直限制和困扰着陶瓷材 料的广泛应用，为此，提出了可加工陶瓷的概念。 一 可加工陶瓷材料通常是指在常温状态下可由普通切削刀具如高速钢、硬质 合金及砂轮等，加工出具有一定尺寸要求、形状精度及表面质量的陶瓷制品，通 过控制和调整陶瓷的显微结构及晶界应力，在陶瓷内部产生弱结合，实现陶瓷材 料的可加工性。 近年来人们从陶瓷材料的微观结构入手，通过显微结构设计等方法来改善 陶瓷材料的可加工性。在a 1 2 0 3 陶瓷材料中加入稀土磷酸盐，利用陶瓷和稀土磷 酸盐弱结合力形成弱界面的特性，弱界面具有产生和捕获微观缺陷，甚至促使微 裂纹延伸的作用，不但可耗散主裂纹扩展能量，而且能导致局部的剪切变形。加 工时裂纹沿弱界面的形成、偏转和联接等作用，使材料以晶粒去除形式为主【4 j 】。 但是研究表明在获取优异加工性能的同时，会损害材料的力学性能。因此，对陶 瓷材料的界面结构进行深入分析，对它的断裂韧性、裂纹扩展途径和应力场进行 研究，使其在更广的范围内得到应用。 磷酸镧包覆氧化铝可加_ t 陶瓷裂纹扩展机理的研究 1 2 可加工陶瓷的研究现状 1 2 1 可加工陶瓷的分类 到目前为止，可加工陶瓷常分为云母玻璃陶瓷、可加工非氧化物陶瓷、可加 工氧化物陶瓷等几类。 ( 1 ) 云母玻璃陶瓷 云母玻璃陶瓷是研究较早的一种可加工陶瓷，它是由片状或针状结晶云母和 玻璃相形成的复相材料。它的组分通常为r 2 0 一m g o - a 1 2 0 3 - s i 0 2 - f 体系，其中r 表示碱金属，常见的云母相结构有：氟云母，锂云母和四硅酸氟云母。云母属层 状结构，层之间靠范德华力结合键和碱金属离子连接，层与层之间结合很弱，易 发生解理旧。1 9 7 0 年，美国的g h b e a l l i t 首次制备出云母陶瓷。即由组成为 s i 0 2 - b 2 0 3 - a 1 2 0 3 - m g o - k 2 0 一f 系玻璃转变而来的氟云母玻璃陶瓷。随后， d g 觚s s m 孤【8 1 等又由简单的k 2 0 m g f 2 m g o s i 0 2 系玻璃成功研制了四硅酸氟 云母玻璃陶瓷。为了在保持可加工性能的前提下，提高玻璃陶瓷的强度，西安交 通大学1 9 1 对含b a 碱土云母为主晶相的可切削玻璃陶瓷进行了研究。由于晶格应 力畸变，云母晶体呈现出“卷心菜 状显微组织结构特征，使材料断裂时裂纹变 得曲折，有利于强度的提高。同时，断裂时由于晶体的拔出搭桥效应，使裂纹 扩展阻力增大，从而提高了材料的强度。 云母玻璃陶瓷显微结构的显著特点是：高度交联的云母相镶嵌在玻璃基体 中，使得微裂纹主要沿云母一玻璃弱界面和层状云母及面扩展，弱界面可以产生 和捕获微观缺陷，耗散裂纹扩展的能量，可避免材料在机加工和工程使用过程中 的宏观脆断。然而，由于玻璃陶瓷【1 】内部大量的玻璃相，在高温环境下，尤其 是在8 0 0 1 2 会发生软化、晶粒变粗，使材料的力学性能严重下降。同时，由于玻 璃陶瓷的强度、韧性较低，使材料的应用范围受到一定限制2 1 。 ( 2 ) 可加工氧化物陶瓷 h - b n 陶瓷 六方氮化硼具有和石墨一样的层状结构，层内均有很强的主键，但层与层之 2 磷酸镧包覆氧化铝可加工陶瓷裂纹扩展机理的研究 间以范德华力结合，形成很高的各向异性的性能。在外力作用下，这些层状结构 在层与层之间容易滑移13 1 ，使得这些材料在很多领域得到了应用。这两种材料 可用普通的切割工具进行方便的机械加工，且可提供低摩擦、自润滑的表面，以 供各种密封使用。 ab oc & t o m 图1 i 六方氮化硼和石墨结构 ( a ) 六方氮化硼( b ) 石墨 一 f i g 1 1t h ec r y s t a ls t r u c t u r eo fh - b na n dg r a p h i t e ( a ) h - b n ( b ) g r p h i t e 2 0 世纪9 0 年代末新原皓一【1 4 1 率先开展了s i 3 n 4 b n 纳米复相可加工陶瓷的 研究，该复相陶瓷是由纳米级六方氮化硼( h b n ) 均匀弥散在s i 3 n 4 内。晶内与晶 界形成晶内晶间混合型纳米复合物。该方法得到既具有高的力学强度、优良的 热震性、抗氧化，又具有良好可加工性的综合性能优异的材料。近来， m y e o n g w o oc h o 等a 1 5 - 1 6 又研究了加入h b n 对灿n 可加工材料的显微结构和可 加工性能的作用。发现当h b n 含量为3 0 时，材料的弯曲强度由2 3 8 m p a 下降到 1 8 2 m p a ；随h b n 含量的增加，裂纹偏转程度增加，材料的可加工性能提高。 多孔氮化物陶瓷 多孔氮化物陶瓷是另一种可加工性能优良的非氧化物陶瓷，其具有低的杨氏 模量，使它成为一种典型的可加工陶瓷材料。多孔陶瓷的强度随着孔隙率的升高 而呈指数下降，如式( 1 1 ) 所示： 磷酸镧包覆氧化铝可加工陶瓷裂纹扩展机理的研究 o f = = a o c x p ( - b p ) 式中：o 沩有气孔时陶瓷材料的强度，0 0 为无气孔时陶瓷材料的强度，p 为 气孔率，b 为与材料有关的常数。 由于材料中气孔的存在，材料的力学性能往往不是很好，因此，合理的孔 隙率使得陶瓷材料既具有较高的强度，又具备优良的可加工性能至关重要。我们 知道，普通s i 3 n 4 陶瓷是由球状的a s i 3 n 4 和柱状的p s i 3 n 4 晶粒组成。该陶瓷的高 强度大都是柱状p s i 3 n 4 存在的结果。近来，c h i h i r ok a w a i 1 7 】通过试验手段使柱 状p s i 3 n 4 晶粒选择生长，制成由柱状p s i 3 n 4 晶粒三维随机接触的单相陶瓷。该 陶瓷强度比同气孔率的普通s i 3 n 4 有很大提高，气孔率为3 8 5 时强度可达 4 5 5 m p a 。y a n g 等【18 】考察了原始a s i 3 n 4 原料中加入不同粒径碳对多孔氮化硅陶 瓷孔隙率和力学性能的影响。结果表明，碳源粒径越小，孔隙率越高：并且在相同 孔隙率的条件下，加入纳米碳黑的样品显示出了较高的的弯曲强度。同为气孔大 多是开孔气孔，所以材料可以很容易的用硬质合金刀具钻削、车削、并且有良好 的抗热震性。y a n g 等【1 9 1 采用0 3 做烧结助剂，并通过对烧结助剂量的调整，得到 了孔隙率为4 0 - 6 0 ，且具有优异力学性能的多孔氮化硅陶瓷，并且研究了多 孔氮化硅在不同烧结温度的显微组织。结果表明：1 7 0 0 烧结颗粒变成柱状晶， 由于p s i 3 n 4 可以提高的抗弯强度，材料具有更高的强度。但多孔结构陶瓷的孔 隙率与材料力学性能的关系还有待更深入的研究。 s i c 及其复合陶瓷 p a d 嘁【冽通过实验发现在s i c 烧结中添加舢2 0 3 和y 2 0 。烧结助剂，a 1 2 0 3 和 y 2 0 3 生成第二相的y a g ( 钇铝石榴石) ，由于y a g 与s i c 的热膨胀系数相差很大， 从而在两相间形成弱界面，使材料晶界区形成微裂纹，从而导致个别晶粒的移位， 使材料具有可加工性。该方法是将弱界面、长晶粒以及内部应力引入s i c 陶瓷的 显微结构中制成的非均相s i c 陶瓷，弱界面可使裂纹偏析，桥联甚至捕获裂纹， 从而有利于材料损伤形成和去除。 s i c 石墨体系可加工陶瓷是一种典型的弱界面纤维状结构材料【2 ，片状石 4 磷酸镧包覆氧化铝可加工陶瓷裂纹扩展机理的研究 墨晶界相对裂纹增长起到阻碍作用。因为该材料断裂是沿着弱的石墨晶界方向进 行，所以可以使裂纹的延伸偏折或在剪切方向剥离，从而使材料的韧性得以提高 并抑制材料的脆性断裂。此类材料室温抗弯强度可达3 0 0 - 3 5 0m p a 2 2 1 ，石墨晶 界的剪切强度约1 5 m p a ，并具有良好的高温性能。s i c 石墨体系材料可用低合金 钢刀具进行有效的切削加工。所以这种材料可望作为既具有一定强度同时又作为 可加工的陶瓷材料。 m 。+ l a x b 化合物 m 。+ l a x n 化合物可看作是一种特殊的金属与陶瓷之间的复合物，其中m 为过 渡金属原子，a 为i a 或a 族原子，x 为c 或n 原子，该体系都具有六方层状晶 体结构，综合了金属与陶瓷优异性能，具有可加工性、高强度、高温延展性，以 及良好的热震性等综合性能【2 3 1 。 目前已知的3 类m n + l a x 系化合物分别是：n 为1 ，简称2 1 1 相，如：t i2 舢c ， t i 2 a 1 n ：n 为2 ，简称3 1 2 相，如：t i 3 s i c 2 ，t i 3 g e c 2 以及n 为3 ，简称4 1 3 相，如t i 4 a 1 n 3 。 b a r s o u m l 2 4 1 等的研究表明t i 3 g e c 2 与t i 3 s i c 2 结构与性能具有相似性，都具有 层状结构，同时他们对该类化台物属多晶纳米层状化合物给出微观结构上的证 据。该类化合物良好的可加工性可能是归因于其层状结构的特点。此层状结构是 由准金属层和过渡金属碳化物或氯化物层形成的“三明治 样结构，两种不同层 间的键合作用力极弱。 i m l o w 2 5 1 通过对层状t i 3 s i c 2 的维式接触损伤的研究发现：该材料晶间的显 微层状结构使其在加工过程中易发生剪切滑移，层间接合力较弱，使晶间显微断 裂较易发生。因此，用金刚石刀具加工该材料要比加工传统氧化物陶瓷容易近2 0 倍，t i 3 s i c 2 材料显现出良好的可加工性。 m 。+ l a x n 类化合物综合性能优异，可望成为新世纪最有前途的材料之一。但 在高温强度、加工工艺及其显微机制方面等都有待改进。 ( 3 ) 可加工氧化物陶瓷 稀土磷酸盐氧化物复合陶瓷是1 9 9 8 年由美国r o c k w e l l 科学中心研究报道的 一种新型可加工陶瓷【2 6 1 ，它是由高熔点氧化物( 如a 1 2 0 3 ，z r 0 2 ，莫来石) 和稀土 磷酸镧包覆氧化铝可加工陶瓷裂纹扩展机理的研究 金属磷酸盐( 如l a p 0 4 ，c e p 0 4 ) 形成的两相复合物。磷酸盐与氧化物之间的键是 弱键，加工时在界面上形成微裂纹和微裂纹的连接，从而使该复相材料成为高性 能的可加工陶瓷材料。由于单相l a p 0 4 具有可加工性，所以氧化物陶瓷可加工的 机理除了弱界面的存在以外，也有可能是单个的l a p 0 4 晶粒的变形引起的2 刀。 d a v i s 2 8 1 等人由此制备出一类由耐高温氧化物( a 1 2 0 3 、z r 0 2 、莫来石) 和稀土 类磷酸盐( l a p 0 4 、c e p 0 4 ) 两相混合，制造出可用传统的w c 刀具进行磨削和钻 制的可加工复相陶瓷。他们的试验表明，a 1 2 0 3 l a p 0 4 在1 6 0 0 下烧结2 h 后，两 相之间不发生反应，没有发现新相生成。因而它们与基体相陶瓷间的界面结合较 弱，在机械加工时，界面上容易形成微裂纹，通过这些微裂纹的分叉和连接使材 料去除。 m a b d u lm a j e e d l 3 2 】等通过超声力n i a l 2 0 3 l a p 0 4 陶瓷，并且通过声音信号 分析l a p 0 4 对可加工性能的影响。他们发现二者比例为3 0 9 6 ( 质量分数) 时，具有最 好的可加工性。 国内也有人【2 9 对可加工氧化物陶瓷进行研究，清华大学的周振军【3 1 】等人将 c e p 0 4 液相前驱体渗透到c e t z p 多孔陶瓷中，制成了c e t z p c e p 0 4 复相陶瓷。 王瑞刚等人f 3 0 1 研究发现在a 1 2 0 3 基体中加入4 0 的l a p 0 4 ，并在1 4 5 0 c 烧结，材料 的弯曲强度可达3 3 1 m p a ，维式硬度可达4 6 9 g p a ，材料的可加工性大大提高。 1 2 2 可加工陶瓷的性能 在实际应用中，可加工陶瓷要在一定力学性能的基础上，具有较好的加工性 和较低的可加工损伤程度。因此，制备可加工陶瓷的一个前提就是能保证材料的 力学性能。在对材料进行微观结构设计的过程中，我们必须考虑到这一要求。玻 璃陶瓷的层状结构是其可加工性的主要来源。使用高速钢刀具加工的云母玻璃陶 瓷，加工精度可达n + 1 0 r t r n ，t o m o k ou n o 等1 4 5 j 通过纳米四方z r 0 2 相变增韧使材 料表现出很高的抗弯强度：- - - 5 0 0 m p a ，以及高的断裂韧性：3 2 m p a m 沈。西安 交通大学乔冠军1 4 6 1 对含b a 碱土云母为主晶相的可切削玻璃陶瓷进行了研究，该 材料抗弯强度o b = 2 2 9 m p a ，断裂韧性k l c = 2 4 8m p a m 阮。但是，由于玻璃陶 瓷内部含有大量的玻璃相，在高温环境下，尤其是温度大于8 0 0 时，玻璃相会 6 磷酸镧包覆氧化铝可加工陶瓷裂纹扩展机理的研究 发生软化或晶粒变粗【4 0 】。因此，当材料在高温环境下使用时，就会由于内部结 构的变化导致力学性能的下降。玻璃陶瓷的这一缺点，限制了其应用范围。 k a t s u a k i 等【4 7 】制得的多孔s i c 陶瓷直到1 5 0 0 c 都保持良好的强度。但是，由于 孔隙的存在，其力学性能还不够理想，其抗弯强度与杨氏模量分别是2 0 0 m p a 与 1 2 0 g p a 。可加工实验表明这种显微结构的s i c 比一般s i c 陶瓷磨削速度提高2 5 倍，钻孔速率提高3 倍以上。c h i h i r ok a w a i 等【4 8 】在制备多孔s i 3 n 4 陶瓷时有选择 地生成柱状b s i 3 n 4 并和普通的多孔柱状s i 3 n 4 进行对比，研究了该柱状p s i 3 n 4 陶瓷的力学性能，热性能及其与微观结构之间的关系。发现在孔隙率相同时，含 有柱状p s i 3 n 4 晶粒且在三维方向随机相接形成闭孔的多孔s i 3 n 4 陶瓷，其抗弯强 度比其他微结构的多孔陶瓷高。该结构在孔隙率为3 8 3 时，最大弯曲强度为 4 5 5 m p a ，并且很容易用合金钢工具加工。另一种可加工陶瓷t i 3 s i c 2