【结构陶瓷中的增韧现象研究的文献综述3000字】

结构陶瓷中的增韧现象研究的文献综述1.1陶瓷材料典型的增韧机制陶瓷材料在受到载荷的过程中不会或者发生塑性变形的程度很小，因此陶瓷材料在失效过程的机制为脆性断裂。断裂韧性较低作为陶瓷材料的本征缺陷，在应用过程中会造成较大困扰。而裂纹扩展则是脆性材料失效过程中一个重要表征，通过对陶瓷中的裂纹扩展行为分析，可以更深入的分析其断裂机理，从而提高其断裂韧性。根据Griffith微裂纹扩展理论[73]，脆性材料的断裂是裂纹萌生以及扩展的过程造成的，并且其断裂强度与裂纹的特征，如路径及长度有着较大的关联，根据裂纹的性质，对于阻止裂纹扩展的方法主要可以分为三个方面：（1）调整裂纹尖端的应力场；（2）减小裂纹扩展功，消耗主导裂纹扩展的能量；（3）将裂纹扩展的能量进行转换。以三种方法为基础，目前结构陶瓷中的增韧机理可以归纳为以下几种。（1）裂纹偏转。在陶瓷基体中引入增强相后，增强相的存在会对裂纹尖端的应力场起到干扰甚至重新调节的作用，因此裂纹会在扩展过程中发生偏转以及倾斜的现象。如上述所说，裂纹偏转的角度与增强相的几何因素以及与基体的结合强度有关。弱增强相强度较大或者与集体结合强度较大，裂纹将沿其发生一定角度的偏转，如图1-8所示。裂纹扩展的平面将不再应力的轴线方向，因此所需驱动力进一步增大；另一方面，较长的路径会提高裂纹扩展需要的能量，从而对裂纹扩展起到阻碍作用；若是增强相的塑性较大或者有一定的延展性，可通过变形对裂纹尖端的应力起到消耗的作用，从而影响裂纹的扩展过程。图1-7裂纹扩展示意图[74]（2）桥接作用。晶须及纤维的桥接作用是指一般发生在裂纹尖端尾部的一种增韧现象，增强体由于其本身模量或强度较大，对裂纹的扩展起到的阻碍的作用，由于基体已发生开裂现象，增强体存在如同桥梁一般对基体起到了牵引的作用，对基体开裂区域部分起到了桥接的效果。同时，增强体对裂纹的表面施加了闭合应力，对裂纹区域起到了钉扎的作用，造成弹性不连续的现象。因此裂纹继续扩展需要较大的能量，从而阻碍了裂纹扩展，起到了增韧的作用。图1-8晶须桥接示意图[74]（3）纤维或晶须的拔出。在复合材料中引入增强相后，在材料受到载荷的作用时，在增强体和基体的界面处会产生较大的剪切应力，而当外力达到基体的和界面结合的剪切屈服强度时，会造成增强体和基体的分离从而导致增强体从基体的拔出。而作为增强体，其抗拉强度较高，因此在拔出过程中不会造成结构上的破坏，因此会出现增强体基于基体一定程度的结构位移变化，在这个过程中，纤维与基体之间产生摩擦，从而消耗的部分能量；另外载荷也会转移至增强体上，开始下一阶段的以增强体为主要承载体的受力过程，因此会在很大程度上提高复合材料抵抗裂纹扩展的能力，从而提高复合材料的韧性。1.2陶瓷中裂纹扩展现象陶瓷作为硬脆性材料，与其他材料不同，其对断裂强度及韧性对内部应力的状态更为敏感，因此内部应力的大小及分布对陶瓷材料的力学性能会造成较大的影响，也就是反映在裂纹的萌生以及扩展过程中。对于陶瓷材料来说，裂纹的存在会影响材料在服役过程中的使用寿命以及性能，因此材料强韧性与裂纹扩展的过程关系紧密，对于裂纹扩展现象的表征也具有较大的意义。对于裂纹扩展的表征，常用的方法是裂纹扩展曲线（R曲线）的分析，R曲线是指材料对裂纹扩展产生的阻力与裂纹扩展长度之间的非线性关系的曲线。其理论基础为Dugdale-Barenblatt模型[74]，内容为裂纹尺寸与裂纹尖端附近的应力场的非线性区域尺寸相似，那么材料内部由于微观结构对裂纹起到的闭合应力σ(x)就会与裂纹的长度产生一定的关系，因此在裂纹扩展的规程中，闭合应力也就会发生着变化，反映在R曲线的变化上，因此根据R曲线，可判断裂纹扩展过程中在材料不同的区域内对其阻力的变化，从而与微观结构的变化相关联，判断不同区域内韧性的大小。分析其内部的关系可知，当裂纹的初始长度为c0时，假设其受到的阻力为K0，为材料本身的断裂韧性，而随着裂纹的扩展外部施加的应力因子K1将会随之变化，导致裂纹前端的应力因子KR随之变化，而扩展阻力可由裂纹长度c表征的前提条件是： K1=K0 dK1dc=通过实验的测量与分析，归纳出几种R曲线的基本类型，如图1-9所示，其中a曲线代表的是平直阻力曲线行为，指随着裂纹的扩展，受到的阻力变化不大，当应力强度达到或者超过临界值时，才会发生失稳的现象，一般这种情况发生在理想的线弹性材料或者是内部组织分布均匀的细晶陶瓷材料中。而b,c曲线指的是大多数材料中裂纹扩展行为，随着扩展距离的增大，裂纹尖端受到的阻力也随之变化，从而反映出内部微结构对强韧性的影响。图1-9R曲线的基本类型[75]1.3陶瓷中裂纹扩展模拟分析由于脆性材料中裂纹扩展的速率较快，因此观测裂纹扩展的过程对实验的设备起到了较高的要求，因此相对于实验研究，通过数值模拟的方法建立宏观和微观的关系，准确性较高，便于理论分析，并且成本较低。另一方面，由于纤维周围界面的尺度较小，通过实际的观察，很难看到其结构因素对于裂纹扩展过程的实质影响，通过模拟可以更深入的对中间结构进行设计与调整。其中有限元分析常用于模拟微裂纹以及微观结构等因素对于材料受力过程中内部应力分布及非线性接触问题的模拟分析。对裂纹扩展进行模拟的前提，是设计与实际材料结构相近似的理论模型，对于理论模型的设计应参考实际因素，因为微观材料的结构具有复杂和随机分布的特点，因此在理论建模的时候应充分考虑这些因素，通过灵活运用有限元分析软件的功能力求最大限度的还原实际结构。基于材料内部结构与应力分布的关系，目前模拟脆性断裂的方法可以归结为依赖于正规化技术的非局部方法、内聚力模型、弹性断裂力学法以及损伤渐进模拟的方法。而在实际应用中，这几种方法将会灵活组合，来对材料中的断裂行为进行模拟。比较常用的方法有虚拟裂纹闭合技术法（VCCT），其原理是以常规单元为基础来模拟裂纹的扩展，基于弹线性断裂力学相关理论知识，主要解决裂纹扩展过程中的弹性介质中的裂纹扩展问题。Banks-Sills等人[76]以VCCT法为基础分析了能量释放速率对界面裂纹虚拟裂纹扩展尺寸的依赖性，当使用精细有限元网格以及虚拟裂纹扩展时，可以根据这种方法准确获得应力强度因子。以纤维外层的中间层结构为例，合理分析中间层结构的强度以及与基体的结合能力，是相关工作的重点,其中内聚力模型多用于来模拟材料中中间层结构的力学行为[77]。内聚力模型的原理为在界面两端施加力为前提，该模型遵循牵引-位移模型，直到裂纹扩展完全时两端的约束力消失，这种方法多用于解决不连续场的问题。如图1-10所示，Hyde[78]等人利用内聚力模型结合渐进损伤模型模拟了纤维周围的中间层结构，并且，模拟在裂纹扩展过程复合材料与基体的界面的损伤行为，并且预测了材料的理论最大强度。通过有限元软件还可以将裂纹扩展前端的应力状态合理简化，有效解决由于内部应力释放造成的瞬变行为，Chen[79]等人利用有限元软件ABAQUS分析计算了弹性模量以及内部残余应力集中情况对于Al2O3-YSZ陶瓷的断裂韧性的影响。图1-9微观单胞模型及压缩强度[77]参考文献ZhangD,LiY,GaoW,etal.Developmentandapplicationofhightemperatureradomematerials[J].AerospaceMaterials&Technology,2001,6.HsiangHI,ChenCC,YangSY.MicrowavedielectricpropertiesofCa0.7Nd0.2TiO3ceramic-filledCaO-B2O3-SiO2glassforLTCCapplications[J].JournalofAdvancedCeramics2019;8(3):345-51.PirzadaTJ,LiuD,EllJ,BarnardH,SulakI,GalanoM,MarrowTJ,RitchieRO.Insituobservationofthedeformationandfractureofanalumina-aluminaceramic-matrixcompositeatelevatedtemperatureusingx-raycomputedtomography[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety2021;41(7):4217-30.IqbalT,MostafaM,IshtiaqueMS,RahmanMJ,ChoudhuryS.EffectofCe-MnCodopingontheStructural,MorphologicalandElectricalPropertiesoftheBaTiO3BasedCeramics[J].BiointerfaceResearchAppliedChemistry2021;11(4):12215-26.LeiY,WangQ,HuoJ.Fabricationofdurablesuperhydrophobiccoatingswithhierarchicalstructureoninorganicradomematerials[J].CeramicsInternational,2014,40(7):10907-14.LiY,ZhangD,ChenY,etal.Progressinhighperformanceradome&antennamaterialsforaerospace[J].AerospaceMaterials&Technology,2000,5.WangY,LiuJ.Aluminumphosphate–mullitecompositesforhigh-temperatureradomeapplications[J].InternationalJournalofAppliedCeramicTechnology,2009,6(2):190-4.HarisM,LailaD,ZainudinE,etal.Preliminaryreviewofbiocompositesmaterialsforaircraftradomeapplication[J].KeyEngineeringMaterials,2011,471:563-7.张学斌,何利华,漠杰.复合材料在导弹天线罩连接环上的应用[J].制导与引信,2012,33(01):33-6.LiHB,ZhangHM,ChangAM,MaXH,RongJH,YangLY.Anovelcore-shellstructureNTCceramicwithhighstabilityfabricatingbyanin-situink-jetprintingmethod[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety2021;41(7):4167-74.Al-ZahraniYA,MehboobK,MohamadD,AlhawsawiA,AbolabanFA.NeutronicperformanceoffullyceramicmicroencapsulatedofuraniumoxycarbideanduraniumnitridecompositefuelinSMR[J].AnnNuclEnergy2021;155:13.YanJM,HeNL,ChenXJ,XiaoCJ,ZhaoLJ,GaoT.Design,synthesisandcharacterizationofadvancedtritiumbreeder:Li4Si1-xTixO4ceramics[J].CeramicsInternational2021;47(10):14178-82.KavazE,ElAgawanyFI,TekinHO,PerisanogluU,RammahYS.Nuclearradiationshieldingusingbariumborosilicateglassceramics[J].JournalofPhysicsandChemistrySolids2020;142:9.YaoC,AhmedMH,DeGraveL,YoshiharaK,MercelisB,OkazakiY,VanLanduytKL,HuangC,VanMeerbeekB.Optimizingglass-ceramicbondingincorporatingnewsilanetechnologyinanexperimentaluniversaladhesiveformulation[J].Dentalmaterials:officialpublicationoftheAcademyofDentalMaterials2021,37:894-904.SimbaBG,RibeiroMV,AlvesMFRP,AmaranteJEV,StreckerK,dosSantosC.Effectofthetemperatureonthemechanicalpropertiesandtranslucencyoflithiumsilicatedentalglass-ceramic[J].CeramicInternational2021,47