二次弹性相对含孔隙纳米复相陶瓷力学性能的影响
[化学] 纳米复相陶瓷研究
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近几年来,纳米复相陶瓷越来越引起了材料学专家的广泛注意。
纳米复相陶瓷是指第二相纳米颗粒以某种方式弥散于陶瓷主晶相中形成的一种纳米复合材料,分为晶内型、晶界型和纳米一纳米复合型3种,纳米复相陶瓷现已成为提高陶瓷材料性能的一个重要途径。
研究表明,在微米陶瓷基体中引入纳米分散相进行复合,可使陶瓷材料的强度、韧性、硬度、弹性模量、抗蠕变性、抗疲劳性和高温性能等都有不同程度的改善,对材料的电、磁等性能也产生较大影响。
纳米复相陶瓷是当今高温结构陶瓷研究的热点之一。
一.纳米复相陶瓷的制备方法制备纳米复相陶瓷的目标是使陶瓷基体结构中均匀分散纳米级颗粒,并使这些颗粒进入基体内部形成“内晶”结构。
常见制备纳米复相陶瓷的方法有:1.1 机械混合分散一成形一烧结法将纳米粉末掺入到基体粉末中进行混合、球磨、成形、烧结得到纳米复相陶瓷。
该方法的优点是制备工艺简单,不足之处是球磨本身不能完全破坏纳米颗粒间的团聚,不能做到2相组成的均匀分散。
若在机械混合的基础上使用大功率超声波以破坏团聚,并调整体系的pH值或使用适量分散剂,可使最终的分散性有一定的改善。
另外,由于球磨介质的磨损,会带入一些杂质给纳米复相陶瓷的性能带来不利影响,如将A1O、TiC、Cr2O 按一定比例在酒精介质中球磨72 h,在真空中干燥,采用石墨模具在 1 750℃、25 MPa压力下N 气氛热压烧结20 min,得到A1O 一TiC复相陶瓷;由氩气保护,利用该方法可制得AIO 与合金的复相陶瓷。
1.2 复合粉末一成形一烧结法复合粉末的制备是利用化学、物理过程直接制取基质与弥散相在一起完成的。
该复合粉末均匀分布,对其进行成形后采取不同的方法进行烧结,可获得纳米复相陶瓷。
制备纳米复合粉末的方法有:化学气相沉积法、碳热还原氧化法以及溶胶一凝胶法等。
......目录一.纳米复相陶瓷的制备方法二.纳米复相陶瓷研究的实例三.纳米复相陶瓷的性能参考资料参考文献1 梁忠友.纳米复相陶瓷研究进展.全国性建材科技期刊——陶瓷,1999(4):10—112 曾照强,胡晓清.添加Cr2O对TiC陶瓷烧结及纳米结构形成的影响.硅酸盐学报,1998,26(5):178 1813 Osso D,TiUement 0,Legaer G,et a1.Alumina—alloy llano。
两步烧结对SiC/纳米SiB6复合陶瓷性能的影响

两步烧结对SiC/纳米SiB6复合陶瓷性能的影响张玲洁;盛建松;郭兴忠;杨辉【摘要】SiC/SiB6 composite ceramics were synthesized by pressureless liquid phase sintering, using SiBe nanoparticles as the reinforcement and YAG as the sintering aid. The effects of two-step sintering on their sintering properties and mechanical performance were studied. Results show, two-step sintering could affect the sintering properties and mechanical performance of the composite ceramics. When the temperature of the first sintering rose from 1850℃ to 1900℃, the contractiveness, mass loss and relative density of SiC/SiBe composite ceramics increased, but the flexural strength and Vickers hardness decreased; when the temperature of the second sintering rose from 1850℃ to 1900℃, the mass loss increased, the con travenes and relative density decreased, but the flexural strength and Vickers hardness were enhanced.%以纳米SiB6颗粒为增强相,YAG为烧结助剂,采用无压液相烧结技术制备了SiC/纳米SiB6复合陶瓷,主要研究两步烧结对复合陶瓷烧结特性和力学性能的影响。
Al2O3(W,Ti)纳米复合陶瓷材料的力学性能与强韧化机理

2
山
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第3 卷 8
纳米材料技术的发展, 在陶瓷材料中加入纳米颗粒 可以有效提高复合陶瓷材料的力学性能和高温性 能 , 纳米复合陶瓷材料的研究已成为刀具材料 研究的热点 . 本研究通过在亚微米级 A l O 2 3 基体中
【 】 5 ~ 8
型扫描电境( ) 和日立 H T X A 8 4 0 S E M 8 0 0透射电镜 ( ) 观察材料显微组织 . T E M
2 . 1 复合材料的力学性能 图1 为基体中不同体积分数( 纳米 A ~ 3 l O 2 3 φ) 与复合材料的抗弯强度( ) 、 维氏硬度( ) 和断裂 H V σf 韧性( 的关系 . 材料制备工艺参数: 烧结温度为 K I C) 压力为 3 、 保温 1 下得到的 1 6 5 0 ~ 1 7 0 0℃、 0 M P a 0 m i n 由图 1 和图 2 可知, 基体中纳米 A 力学性能 . l O 2 3的 体积分数为 1 1 %时复合材料的抗弯强度和维氏硬 度最优, 分别为 8 和2 由图 3 可见, 纳 5 0 M P a 0 . 1 G P a . 米A 复合材 l O 1 %, 1 8 %, 2 7 %时, 2 3 的体积分数为 1
第3 卷 第1 期 8 V o l . 3 8 N o . 1
山 东 大 学 学 报 ( 工 学 版) ) J O U R N A LO FS H A N D O N GU N I V E R S I T Y( E N G I N E E R I N GS C I E N C E
年2 月 2 0 0 8 F e b . 2 0 0 8
, 】 1 2 工材料领域得到了日益广泛的应用【 但是, 由于 .
新型陶瓷复合材料的力学性能研究

新型陶瓷复合材料的力学性能研究当谈到材料科学领域的研究,复合材料无疑是一个备受关注的话题。
复合材料由两种或多种不同类型的材料组成,能够充分发挥各自原材料的优点,弥补缺点,从而获得更好的性能。
其中,新型陶瓷复合材料引起了广泛的兴趣。
本文将讨论新型陶瓷复合材料的力学性能研究,以及它们在各个领域的应用前景。
首先,我们需要明确什么是陶瓷复合材料。
陶瓷复合材料是由陶瓷基质和增强相或填充相组成的复合材料。
陶瓷基质通常具有优良的耐热性和耐腐蚀性,而增强相或填充相则能够提供强度和韧性。
这种组成结构使得陶瓷复合材料具有独特的力学性能。
在研究陶瓷复合材料的力学性能时,许多关键因素需要考虑。
首先是材料的组分和形状。
不同成分和形状的复合材料会导致不同的力学性能。
例如,使用纳米颗粒作为增强相可以提高材料的强度和硬度。
其次是界面的结合情况。
良好的界面结合能够有效传递应力,并提高材料的韧性。
因此,通过合理的界面设计可以优化材料的力学性能。
另一个关键因素是材料的微观结构。
在传统的陶瓷材料中,晶界缺陷和孔隙是常见的缺陷,它们会导致材料的脆性。
而通过现代技术,例如单晶陶瓷和纳米陶瓷,可以减少这些缺陷,提高材料的韧性。
此外,研究者还对陶瓷复合材料的晶粒大小、晶粒分布等因素进行了深入研究,以了解其对力学性能的影响。
通过对新型陶瓷复合材料的力学性能研究,人们发现它们在许多领域有广泛的应用前景。
首先是汽车工业。
陶瓷复合材料具有优异的耐磨性和耐高温性,可以应用于发动机和刹车系统等关键部件。
其次是航空航天领域。
由于陶瓷复合材料的轻质高强特性,它们可以用于制造飞机的结构件和发动机叶片,提高飞机的性能。
此外,新型陶瓷复合材料还可以应用于医疗领域的人工关节和牙科材料,以及能源领域的高温燃烧设备等。
在研究新型陶瓷复合材料的力学性能时,我们也面临一些挑战。
首先是制备工艺的问题。
陶瓷复合材料的制备过程相对复杂,涉及到高温、高压等条件。
在这个过程中,如何实现优化的复合材料结构并避免产生缺陷是一个重要的研究方向。
ZrB2对Al2O3-ZrB2-SiC复相陶瓷室温力学性能影响

CHl NA CERAMl C I NDUSTR Y
F e b. 2 0 1 3 Vo 1 . 2 0 。 No . 1
文章编号 : 1 0 0 6 — 2 8 7 4 ( 2 0 1 3 ) 0 1 — 0 0 2 2 — 0 3
m m× 4 m m× 3 6 m m( h X b X 1 ) ; 断裂韧性采用单边直通切 口 A I 2 0 。 陶瓷的脆性大, 断裂韧性较低( 断裂韧性一般为 3 MP a ・ 3 梁 法( S E P B )  ̄ J J 试 , 即在试样 中部沿横截面方向用金刚石 内圆 m ) , 限制了其应用。 硼化锆 ( z r B ) 为六方晶系 C 3 2 型准金属 锯 切一个切 口, 切 口 a一 0 . 5 h , 切 口宽度不大 于 0 . 2 m m, 测试 结构化合物 , 熔点高; Z r B 。 陶瓷具有良好的高温性能、 导热性 跨距 L为2 4 m m。 试样规格为 6 mm×4 amX r 3 6 m m( hX b×1 ) , 能和较高的硬度附 。如果将 Z r B 。 加入到 ( ) 3 基体中形成复 采用 A r c h i me d e s 法测定烧结样品的密度 , 用扫描 电子显微镜 合陶瓷 , 则既可以发挥 Z r B 。 优 良的高温性 能 、 又可 以利用硼 ( 德 国L E O 一 1 5 3 0型 S E M) 分析 AZ S复相陶瓷 室温 断裂面表 化物对单相 A l 2 0 。 具有颗粒增韧 的作用 。 然而 , Z r B 不易烧结 面微观 形貌 , 探讨材料 的性能 与其微观结构的关系。 致密 , 一些研 究表 明四 , Z r B 。 中加 入一 定量的碳化 硅 ( S i C) 有 利于其烧结的致密化 以及提高抗氧化性 。
陶瓷的力学性能.

陶瓷的力学性能陶瓷材料的化学健大都为离子键和共价健,健合牢固并有明显的方向性,同一般的金属相比,其晶体结构复杂而表面能小。
因此,它的强度、硬度、弹性模量、耐磨性、耐蚀性和耐热性比金属优越,但塑性、韧性、可加工性、抗热震性及使用可靠性却不如金属。
因此搞清陶瓷的性能特点及其控制因素,不论是对研究开发还是使用设计都具有十分重要的意义。
本节主要讨论弹性、硬度、强度、韧性及其组织结构因素、环境因素的影响。
一.弹性性能1.弹性和弹性模量陶瓷材料为脆性材料,在室温下承载时几乎不能产生塑性变形,而在弹性变形范围内就产生断裂破坏。
因此,其弹性性质就显得尤为重要。
与其他固体材料一样。
陶瓷的弹性变形可用虎克定律来描述。
陶瓷的弹性变形实际上是在外力的作用下原子间里由平衡位置产生了很小位移的结果。
弹性模量反映的是原子间距的微小变化所需外力的大小。
表11.3给出一些陶瓷在室温下的弹性模量。
2.温度对弹性模量的影响由于原子间距和结合力随温度的变化而变化,所以弹性核量对温度变化很敏感、当温度升高时。
原子间距增大,由成j变为d,(见图11.2而该处曲线的斜率变缓,即弹性模量降低。
因此,固体的弹性模量一般均随温度的升高而降低。
图11.3给出一些陶瓷的弹性模量随温度的变化情况。
一般来说,热膨胀系数小的物质,往往具有较高的弹性模量。
3.弹性模量与熔点的关系物质熔点的高低反映其原子间结合力的大小。
一般来说,弹性模量与熔点成正比例关系。
不同种类的陶瓷材料样性模量之间大体上有如下关系氧化物<氯化物<硼化挪<碳化物。
泊松比也是描述陶瓷材料弹性变形的重要参数。
表11.4给出一些陶瓷材料和金属的泊松比。
可以看出除BeO与MgO外大多数陶瓷材料的泊松比都小于金属材制的泊松比。
4.弹性模量与材料致密度的关系陶瓷材料的致密度对其弹性模量影响很大。
图11.5给出AL2O3陶瓷的弹性模量随气孔率的变化及某些理论计算值的比较。
Fros指出弹性模量与气孔率之间将会指数关系E=E0exp(-BP式中B--常数。
纳米颗粒增强陶瓷复合材料的力学性能研究

纳米颗粒增强陶瓷复合材料的力学性能研究纳米材料的出现和应用给材料科学领域带来了巨大的革命,尤其是在复合材料方面。
其中,纳米颗粒增强陶瓷复合材料因其独特的力学性能备受关注。
本文将探讨纳米颗粒对陶瓷复合材料力学性能的增强作用,并分析其机理。
1. 纳米颗粒强化效应纳米颗粒作为增强材料能够显著提高陶瓷复合材料的强度和硬度。
这是由于纳米颗粒尺寸较小,具有更高的比表面积和较大的界面能,能够有效阻拦晶界滑移以及裂纹扩展,增强材料的断裂韧性。
另外,纳米颗粒还能够改变陶瓷复合材料的晶体结构,使其具备更好的导电性和光学性能。
2. 纳米颗粒增强机制纳米颗粒增强陶瓷复合材料的机制主要可以从界面相容性、晶体结构和微观应力场几个方面解释。
首先,纳米颗粒与陶瓷基体之间的界面能够增加复合材料的界面相容性,使得陶瓷基体更好地吸附纳米颗粒,从而增强界面的结合强度。
其次,纳米颗粒的晶粒尺寸比陶瓷基体小得多,这种尺寸差异将在晶界上产生一定的应力场,限制晶界滑移和晶体的扩散。
最后,纳米颗粒与陶瓷基体的相互作用还可以通过增强材料的界面钳制效应,使得裂纹扩展受到限制。
3. 纳米颗粒增强陶瓷复合材料的应用纳米颗粒增强陶瓷复合材料已经被广泛应用于多个领域。
其中最具代表性的是陶瓷基复合材料,如碳化硅增强陶瓷复合材料、氧化铝增强陶瓷复合材料等。
这些复合材料在航空航天、汽车制造、电子设备等领域中发挥了重要作用。
此外,纳米颗粒增强陶瓷复合材料还可用于涂层材料、生物医学器械等方面。
4. 纳米颗粒与陶瓷基体的相互作用纳米颗粒与陶瓷基体之间的相互作用对于纳米颗粒增强陶瓷复合材料的力学性能至关重要。
研究发现,纳米颗粒的分散均匀性、界面结合强度以及晶粒尺寸等因素都会影响纳米颗粒增强效果。
因此,如何控制纳米颗粒在陶瓷基体中的分布以及界面的结合强度成为了研究的重点。
目前,研究者们通过改变纳米颗粒的形状、大小、表面修饰等手段来实现对其分散以及与陶瓷基体之间的相互作用的调控。
陶瓷材料力学性能和测试方法

线膨胀系数(0-1000oC) /X10-6/℃-1 4.5 2.7 0.5 9.3
10.8
0.5
9.0
6.0 5.5 9.0 2.5 -6.4 1.0 2.5 9.0
4.5
抗热震性 陶瓷材料热应力大小取决于材料的热学性能和 力学性能,并且还受构件几何形状和环境介质的影响。所以作 为陶瓷材料抵抗温度变化能力大小标志的抗热震性,也必将是 其力学性能和热学性能对应于各种受热条件的综合表现。陶瓷 材料抗热震性的评价理论主要有:临界应力断裂理论、热震损 伤理论和裂纹形成与扩展理论等,这些理论不同程度地存在着 局限性。
高性能结构陶瓷是指具有高强度、高韧性、高硬度、耐 高温、耐磨损、耐腐蚀和化学稳定性好等优异性能的一类先 进的结构陶瓷,已逐步成为航天航空、新能源、电子信息、汽 车、冶金、化工等工业技术领域不可缺少的关键材料。
根据材料的化学组成,高性能结构陶瓷又可分为: 氧化物陶瓷(如Al2O3、ZrO2)、 氮化物陶瓷(如Si3N4、AlN)、 碳化物陶瓷(如SiC、TiC)、 硼化物陶瓷(如TiB2、ZrB2)、 硅化物陶瓷(如MoSi2) 及其他新型结构陶瓷(如Cf/SiC复合材料)。
弹性模量 热应力是弹性模量的增值函数,陶瓷材料的弹 性模量比较高,所产生的热应力也较高。一般弹性模量随原子 价的增多和原子半径的减小而提高,因此选择适当的化学组分 是控制陶瓷材料弹性模量的重要途径之一。
影响弹性模量的因素:温度、材料的熔点和致密度等。 温度 由于原子间距以及结合力随温度的变化而变化,所以 弹性模量对温度变化很敏感。温度升高,原子间距离增大,弹 性模量降低。一般来说,热膨胀系数小的物质往往具有较高的 弹性模量。
熔点 物质熔点的高低反映其原子间结合力的大小,熔点
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+k� d
- 1 2
(2 ) (3)
h G = h G + a� d
- 1 2
了一个关于金属基颗粒增强复合材料的应变梯度增 � � (G ) , k, h G 和 a 是对应于无限大或单晶的材料常数. y 强理论, 并建立了相应的位错模型, 但该模型的缺点 晶界相的流变应力至今仍是一个没有完全解决 是只局限于两相复合的材料. 本文的目的就是要建立 的问题, 因为生产晶界试样和对其进行力学测试都是 一个能描述和评价二次相对含孔隙多相纳米陶瓷性
晶粒相的变形机理主要是由位错堆积和受晶界 影响的位错亚结构控制的 . 本文在混合各向同性硬化
1] 规律的基础上, 采用 Ji an g 和 W e n g[ 提出的与应变速
率无关的应力 - 应变方程来作为晶粒相的本构方程:
(G ) p G
述性和预见性的力学模型来评价二次相对含孔隙多 � = +h G � ( G y
计算得到, K i=
s
E i 3( 1- 2v i)
s
s
;G i=
s
E i 2( 1+v i)
s
s
(13 - 14)
3 二次弹性相和孔隙的力学性能
� 并进一步假设每一相中的应力和总应力 � 是相 等的:
� ���i(i =1 n ) ( 15 ) 不同于基体相能够承受塑性变形, 模型假设二次 当施加不同的总应力时, 每一个单独相的总的割 相只能承受弹性变形, 在给定弹性模量 E , 晶粒尺寸 e de,和泊松比 v e 之后,它的体积模量 K e 和剪切模量 G e 可以分别表示如下: K e= E 3 (1- 2v e) e/ (6 ) 线杨氏模量和总的应变可以分别计算得到, 然后相应 的多相纳米陶瓷的总的割线杨氏模量可表示如下:
(G B ) [ 5]
a= 1 3
1+v ;b= 2 s 15 1- v
s s s
s
4- 5 v s 1- v
s
(10- 11)
s v = 3 K s - 2G 6 K +2G
( 12)
这里, f ,f 相, 二次相和孔隙的体积 i e 和 f p 分别是第 i +m� p+h G B � (�G B )
p p n
G B
(4 )
分数, 对于小的塑性变形 , 第 i相的体积模量 K i和剪
6] 切模量 G i可根据我们已发的论文 [ 由其杨氏模量 E i s s
s
(G B )
和 � G B 分别为晶界相的流变应力 ,
屈服应力和塑性应变, hG B , n G B 和 m 是晶界相材料常 数, 静水压力 p 表示如下: p= (- 1/ 3 ) �kk (5)
s E = 3 K s(1- 2v s)
( 16 )
G e= E 2(1+v e) � (7 ) e/ 在一给定的总应力下, 其总应变 (� ) 可按如下 孔隙存在于大多数的纳米陶瓷中, 在含孔隙多相 公式计算: 纳米陶瓷中孔隙将被视为单独一相,并认为它的强 度, 割线体积模量和割线剪切模量均为零 .
沈 峰 周剑秋 江 华
(南京工业大学机械与动力工程学院, 南京: 210009)
摘 要
二次相常存在于多种纳米晶体材料中. 为评价二次相对含孔隙多相纳米陶瓷力学性能的影响, 提出了一个可计算含孔隙多相 纳米陶瓷的弹性模量和屈服强度的力学模型.该模型假设在多相纳米陶瓷中, 一些相可以发生塑性变形, 而对二次弹性相只考虑 弹性变形. 在该模型中, 每一相都被认为是由晶粒相和晶界相组成的复合体, 孔隙为单独一相. 在等应变假设和割线模量方法的基 础上, 将 B udi a n sk y 的自协调模型进一步扩展应用, 最终 建立了一个描述二次相性能的含孔隙多相纳米陶瓷的本构模型.研究了 二次相对多相纳米陶瓷弹性模量和屈服强度的影响, 以及这种影响与二次相的晶粒尺寸, 硬度和体积分数的关系. 关键词 纳米陶瓷, 二次相, 屈服强度, 杨氏模量, 孔隙 中图分类号: TQ174.75 文献标识码: A
收稿日期: 20 0 9 - 0 4- 21 基金项目:国家自然科 学基金 ( 编号: 10 5 0 20 25 , 10 8 720 8 7),霍英东青年教师基金 (编号: 10 10 0 5 )和江苏省 自然科学基金创 新人才项目 (编号: B K 20 0 75 28 ) 通讯联系人: 沈峰, 男, E - mai l :shen f en g100 @ 126 . c om
能影响的力学模.
1 前 言
纳米陶瓷与传统陶瓷相比,在保留其耐腐蚀 , 耐 高温 , 耐高压等特性的前提下, 具有象金属一样的韧 性, 可进行加工和切削, 陶瓷的脆性问题得到了很好 的处理. 众所周知, 添加二次相是提高纳米陶瓷力学 性能的最有效途径之一. 因此需要一个具有很强的描
2 晶粒相和晶界相的本构方程
对于含孔隙多相纳米陶瓷总的割线体积模量可以在budiansk自协调方法的基础上由每一相的割线体积模量k101112这里f分别是第i相二次相和孔隙的体积分数对于小的塑性变形第i相的体积模量k1314并进一步假设每一相中的应力和总应力15当施加不同的总应力时每一个单独相的总的割线杨氏模量和总的应变可以分别计算得到然后相应的多相纳米陶瓷的总的割线杨氏模量可表示如下
�陶瓷学报� 2009 年第 3 期
���
不可能的.大量的原子模拟[3- 4]表明: 晶界区的原子结 构是无定型的. 这样, 晶界可以被认为是具有金属性 的玻璃态物质, 它的强度可近似的认为是晶界相的强 度 .在本文中, 我们把 D ruc ke r 的本构方程作为晶界 相的本构模型: �G B = �y 这里 � G B , � y
第 3 0 卷第 3 期 200 9 年 9 月
�陶瓷学报� JO URN A L O F C E RA M I CS
V ol .3 0,N o. 3 Sep. 20 09
文章编号: 10 00 - 2278 (20 09 ) 0 3 - 0 272- 04
二次弹性相对含孔隙纳米复相陶瓷力学性能的影响
(G )
)
n
G
(1 )
p
相纳米陶瓷力学性能的影响. 已有一些国内外研究者 � 这里 G , y , hG , n G 和 G 分别表示流变应力, 屈服 在这方面做过研究,但为数不多且其各有其缺陷 . 应力, 强度系数, 工作硬化指数和晶粒的塑性应变, 其 1] Ji a n g 和 W en g [ 提出了一个基于微观 机制的复合模 (G ) � 中与晶粒尺寸相关的 y 和 h G 可以用 Ha l l -P etc h 表达: 型, 并利用该模型对一种含人工引入二次相的多相纳 米陶瓷的压缩屈服强度进行了计算, � 然而, 该模型的 (G ) = y y 缺点是在应力 - 应变曲线的计算过程中需要进行多