陶瓷颗粒增强环氧树脂复合涂层的力学性能及断裂机理分析
先进陶瓷材料培训课件：结构陶瓷的力学性能、热学性能、抗热震性、陶瓷材料的断裂过程
的关系符合Hall-Petch关系式：
b ＝ o ＋kd-1/2
(1-6)
式中o为无限大单晶的强度，k为系数，d为晶粒直径。从
上式可以看出，细晶组织对提高材料的室温强度有利无害，而
晶界相的性质与厚度、晶粒形状对强度的影响则较为复杂。
温度 陶瓷材料的一个显著特点是高温强度比金属高很多。
当温度T<0.5Tm时，基本保持不变；当温度高于0.5Tm时，才出
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）。
1.2 高性能陶瓷的基本特性
陶瓷材料的特性主要由其化学键、晶体结构以及晶体缺陷 等决定。从晶体结构看，陶瓷材料的原子间结合力主要为离子 键、共价键或离子–共价混合键。这些化学键不仅结合强度高， 而且还具有方向性。
晶体缺陷（特别是线缺陷和位错）可以在晶体中运动，位 错沿最密排面、最密排方向运动所需的临界切应力很小。这种 位错的大量运动，使晶面产生明显的滑移现象，并产生宏观塑 性变形。
研究结果表明，陶瓷超塑性与金属超塑性的不同点如下： (1) 超塑性陶瓷的应变速率和应力之间既没有金属超塑性那 样的依赖关系，也无单一的 n 值。 (2) 当存在晶间玻璃相时，陶瓷的 n 值几乎随玻璃相增加而 减小；而超塑性金属的n值几乎随初始晶粒尺寸增大而减小。
陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法及研究进展
陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法及研究进展陶瓷颗粒增强金属基复合材料是一类具有优良性能的新型材料，它不仅具有金属材料的优良导热性和导电性，还具有陶瓷材料的高硬度、耐磨性和耐腐蚀性，因此在航空航天、汽车、机械制造等领域具有广泛的应用前景。
本文旨在探讨陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法及研究进展，为该类材料的进一步研究和应用提供参考。
1. 粉末冶金法粉末冶金法是制备陶瓷颗粒增强金属基复合材料的常用方法之一。
选取合适的金属基体粉末和陶瓷颗粒进行混合，并添加适量的增强剂和成型剂进行混合压制，然后通过烧结、热压等工艺最终制备成复合材料。
粉末冶金法可以制备出具有较高密度和良好界面结合的复合材料，但制备工艺复杂、成本较高。
2. 溶液浸渗法溶液浸渗法是一种在金属基体表面形成陶瓷涂层的方法，通过浸渗、烧结等工艺将陶瓷颗粒固定在金属基体表面，形成陶瓷颗粒增强的金属基复合材料。
这种方法制备的复合材料具有优良的耐磨性和耐腐蚀性，但陶瓷颗粒与金属基体的结合强度较低。
1. 界面改性技术界面是陶瓷颗粒增强金属基复合材料中的关键问题，在材料的性能和稳定性方面起着至关重要的作用。
近年来，界面改性技术成为了该领域的研究热点之一，主要包括化学镀法、溶液法、电沉积法等，通过在界面上形成一层化学反应层或添加一层助熔金属来改善陶瓷颗粒与金属基体之间的结合强度，从而提高复合材料的性能。
2. 热处理工艺热处理工艺是影响陶瓷颗粒增强金属基复合材料性能的重要因素之一。
通过热处理工艺可以调控材料的组织结构和晶粒尺寸，进而影响材料的力学性能、耐磨性和耐腐蚀性能。
研究表明，适当的热处理工艺可以明显提高复合材料的性能，成为目前研究的重点之一。
3. 新型复合材料随着纳米科技的发展，纳米陶瓷颗粒增强金属基复合材料成为了当前研究的热点之一。
纳米材料具有尺寸效应、表面效应和量子效应等特点，可以显著改善复合材料的力学性能和耐磨性能，因此备受关注。
除了纳米材料，纤维增强复合材料、层状复合材料等新型复合材料也在不断涌现，为陶瓷颗粒增强金属基复合材料的研究和应用带来了新的发展机遇。
陶瓷材料的应变率敏感性及其对力学性能的影响
陶瓷材料的应变率敏感性及其对力学性能的影响引言：陶瓷材料作为一种重要的结构材料，在工业和科学领域中扮演着重要的角色。
然而，陶瓷材料的脆性和易碎性限制了其在某些领域的应用。
为了改善陶瓷材料的力学性能，研究人员一直致力于寻找陶瓷材料的增韧机制。
其中，应变率敏感性是一个重要的研究方向，本文将探讨陶瓷材料的应变率敏感性及其对力学性能的影响。
一、应变率敏感性的定义和影响因素应变率敏感性是指材料的应变率对其力学性能的影响程度。
陶瓷材料的应变率敏感性主要受以下几个因素影响。
1. 晶体结构：陶瓷材料的晶体结构决定了其原子的排列方式和结构稳定性。
不同的晶体结构对应变率敏感性有不同的影响。
例如，具有面心立方结构的陶瓷材料通常具有较高的应变率敏感性，而具有体心立方结构的材料则相对较低。
2. 晶界和缺陷：晶界和缺陷对陶瓷材料的力学性能和应变率敏感性起着至关重要的作用。
晶界可以限制位错的运动，从而影响材料的塑性变形能力。
而缺陷如孔洞、裂纹等则会导致应力集中，增加材料的脆性。
3. 温度和应变速率：温度和应变速率也是影响陶瓷材料应变率敏感性的重要因素。
通常情况下，高温和高应变速率会使陶瓷材料的应变率敏感性增加，而低温和低应变速率则相对较低。
二、应变率敏感性对力学性能的影响应变率敏感性对陶瓷材料的力学性能有着重要的影响。
下面将从强度、韧性和断裂行为三个方面进行讨论。
1. 强度：应变率敏感性的增加通常会导致陶瓷材料的强度增加。
这是因为在高应变率下，材料的位错运动受到限制，使得材料更难发生塑性变形，从而增加了其抗拉强度和抗压强度。
2. 韧性：与强度相反，应变率敏感性的增加往往会降低陶瓷材料的韧性。
这是由于高应变率下，材料更容易发生脆性断裂，而难以发生塑性变形。
因此，虽然材料的强度增加，但其韧性却相对较低。
3. 断裂行为：应变率敏感性的变化也会影响陶瓷材料的断裂行为。
在低应变率下，材料通常会发生韧性断裂，即发生大范围的塑性变形和能量吸收。
陶瓷基复合材料的增韧机理
1.定义：陶瓷基复合材料是以陶 瓷为基体与各种纤维复合的一 类复合材料。
陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀 具、滑动构件、发陶动机制件、能源构件等。法国 已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制造高速列 车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满
意的使用效果。
3.晶须类：晶须是人工条件下制造出的细小 单晶，由于其具有细小组织结构，缺陷少， 具有很高的强度和模量。
4.陶瓷基复合材料的制备方法
传统制备方法： 1.冷压和烧结法 2.热压法 新的制备方法： 1.渗透法 2.直接氧化法 3.原位化学反应法 4.溶胶-凝胶法和热解法
5.陶瓷基复合材料的性能
现代陶瓷材料具有耐高温、耐磨损。耐 腐蚀及重量轻等许多优良的性能。
但是，陶瓷材料同时也具有致命的缺点， 即脆性，这一弱点正是目前陶瓷材料的 使用受到很大限制的主要原因
6.陶瓷基复合材料的增韧机理
1.颗粒增韧机理： 1）微裂纹增韧 影响第二相颗粒增韧效果的主要因素是基体与
第二相颗粒的弹性模量、热膨胀系数以及两相 的化学相容性。其中相容性是符合的前提，同 时保证具有合适的界面结合强度。弹性模量只 在材料受外力作用是产生微观应力再分布效应。 热膨胀系数失配在第二相颗粒及周围机体内部 产生残余应力场是陶瓷得到增韧的主要根源
4.金属丝：高强度高模量的钢丝、钨丝等。
5.片状物：主要是陶瓷薄片，，使复合材料 具有很高的韧性
3.陶瓷基复合材料的种类
1）按材料作用分： 结构陶瓷复合材料 功能陶瓷复合材料 2）按增强材料形态分类： 颗粒增强陶瓷复合材料 纤维增强陶瓷复合材料 片材增强陶瓷复合材料
按基体材料分类： 氧化物基陶瓷复合材料 非氧化物基陶瓷复合材料 微晶玻璃基陶瓷复合材料 碳/碳复合材料
陶瓷基复合材料增强机制机理
陶瓷基复合材料增强机制、机理的研究现状及展望陶瓷基复合材料（CMC），一般是指相变增韧、颗粒增韧陶瓷和纤维及晶须增韧陶瓷材料。
这是目前备受重视的新型耐高温结构材料。
本文将介绍陶瓷基复合材料这种新型复合材料的机理和研究现状及展望。
与常规材料和非陶瓷复合材料相比，陶瓷材料具有耐高温、抗腐蚀、超硬度抗氧化和抗烧结等优异性能。
作为高温结构材料，尤其作为航空航天飞行器需要承受极高温度的特殊部位结构用材料具有很大的潜力。
因此世界各国都把结构陶瓷看作是对未来工业革命有重大作用的高技术新材料而给以重点研究和发展并相继开展了陶瓷汽车发动机、柴油机和航空发动机等大规模高温陶瓷热机研究计划，出现了陶瓷热，然而，常规结构陶瓷还存在缺陷和问题，主要是材料的脆性，可靠性不高等，应用于现在科技领域还有许多问题急需研究解决。
陶瓷基复合材料引起人们关注的重要原因就在于他可以改善陶瓷基材料的力学性能，特别是脆性，因此陶瓷基复合材料的发展和研究将成为陶瓷大规模应用计划取得成功的关键。
陶瓷基复合材料是在陶瓷基体中引入第二相材料，使之增强、增韧的多相材料，又称为多相复合陶瓷或复相陶瓷。
陶瓷基复合材料是2O世纪8O年代逐渐发展起来的新型陶瓷材料，包括纤维(或晶须)增韧(或增强)陶瓷基复合材料、异相颗粒弥散强化复相陶瓷、原位生长陶瓷复合材料、梯度功能复合陶瓷及纳米陶瓷复合材料。
其因具有耐高温、耐磨、抗高温蠕变、热导率低、热膨胀系数低、耐化学腐蚀、强度高、硬度大及介电、透波等特点，在有机材料基和金属材料基不能满足性能要求的工况下可以得到广泛应用，成为理想的高温结构材料。
连续纤维增强复合材料是以连续长纤维为增强材料，金属、陶瓷等为基体材料制备而成。
金属基复合材料是以陶瓷等为增强材料，金属、轻合金等为基体材料而制备的。
从20世纪60年代起各国都相继对金属基复合材料开展了大量的研究，因其具有高比强度、高比模量和低热膨胀系数等特点而被应用于航天航空及汽车工业。
什么是陶瓷涂层的增韧其方法有哪些？
什么是陶瓷涂层的增韧其方法有哪些？引言陶瓷涂层是一种常用于增强材料表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性的技术。
然而，由于其脆性，陶瓷涂层容易出现开裂和断裂的问题。
为了解决这个问题，人们提出了多种方法来增强陶瓷涂层的韧性和耐久性。
本文将介绍陶瓷涂层的增韧和一些常见的增韧方法。
什么是陶瓷涂层的增韧？陶瓷涂层是一种由陶瓷材料制成的薄膜，常用于增强材料表面的硬度和耐磨性。
然而，由于陶瓷材料本身的脆性，陶瓷涂层在受到外力作用时容易出现开裂和断裂的问题。
增韧是指通过改变陶瓷涂层的结构和组成，使其具备更好的韧性和耐久性。
增韧方法1. 网状增韧网状结构可以在陶瓷涂层中引入一定量的缺陷，使其具备更好的韧性。
通过在涂层中添加纳米颗粒或纳米纤维，可以形成网状结构，有效增加陶瓷涂层的延展性和抗裂性能。
此外，还可以通过控制陶瓷涂层的厚度和颗粒分布来调节网状结构的特性。
2. 复合增韧复合增韧是指在陶瓷涂层中引入其他材料，如金属或聚合物，以改善其韧性。
通过在涂层中添加金属或聚合物颗粒，可以形成复合结构，提高陶瓷涂层的韧性和耐久性。
此外，还可以通过表面处理或界面改性来提高复合增韧效果。
3. 化学增韧化学增韧是通过改变陶瓷涂层材料的组成和结构来提高其韧性。
例如，可以引入微观结构的特定阻尼或缺陷，从而促进裂纹的扩展和分散。
此外，还可以通过调节烧结温度、添加特定的化学物质或改变热处理方式来实现化学增韧。
4. 结构增韧结构增韧是指通过改变陶瓷涂层的结构来增强其韧性。
通过调节烧结工艺参数、改变晶体结构和晶界结构，可以提高陶瓷涂层的韧性和耐久性。
此外，还可以通过添加增韧相、增加晶粒尺寸和调控晶界结构等方法来改善结构增韧效果。
结论陶瓷涂层的增韧是为了解决其脆性问题而引入的一系列方法。
通过网状增韧、复合增韧、化学增韧和结构增韧等方法，可以增加陶瓷涂层的韧性和耐久性。
在使用陶瓷涂层时，应根据具体需求选择合适的增韧方法，以提高涂层的使用寿命和性能。
以上就是陶瓷涂层的增韧及其方法的介绍，希望对您有所帮助。
陶瓷颗粒对高铬铸铁基复合材料的组织与耐磨性能的影响
陶瓷颗粒对高铬铸铁基复合材料的组织与耐磨性能的影响* Effect of Ceramic Particle on Structure and Wear Resistance of High Chromium Cast IronMatrix Composites广州有色金属研究院金属加工与成型技术研究所 郑开宏 王 娟 徐 静 王海艳西安交通大学金属材料强度国家重点实验室 高义民[摘要] 用重力铸造的方法制备了不同粒径（20~30目，20~12目，8~12目）陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合材料。
分析了复合材料宏观、微观组织，复合层铸渗良好，无缩孔、裂纹等缺陷，复合材料三体磨损性能表明：粒径为8~12目的复合材料耐磨性能最佳。
关键词：复合材料陶瓷颗粒高铬铸铁三体磨损[ABSTRACT]High chromium cast iron matrix composites reinforced with different ceramic particles (20~30 mesh, 20~12 mesh, 8~12 mesh) were fabricated by gravity casting. The macrotructure and microstructure of the composites were investigated. The casting infiltration property of the composite layer is excellent, and there are no defects such as shrinkage vavity, crack and so on. The results of the three-body abrasive resistance tests show that the wear resistance of the composites with the particle di-ameter (8~12 mesh) is optimal.Keywords: Composites Ceramic particles High chromium cast iron Three-body abrasive resistance高铬铸铁由于其优异的耐磨性能，在水泥、电力、矿山等行业广泛应用于磨辊、衬板、板锤等耐磨部件，但在高硬质磨料、高冲击等恶劣的三体磨损工矿下，耐磨件迅速失效，其仍不能满足用户的要求。
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料的复合机理、制备、生产、应用及发展前景摘要：材料是科学技术发展的基础，材料的发展可以推动科学技术的发展，材料主要有金属材料、聚合物材料、无机非金属材料和复合材料四大类。
其中复合材料是是最新发展地来的一大类，发展非常迅速。
最早出现的是宏观复合材料，它复合的组元是肉眼可以看见的，比如混凝土。
随后发展起来的是微观复合材料，它的组元肉眼看不见。
由于复合材料各方面优异的性能，因此得到了广泛的应用。
复合材料对航空、航天事业的影响尤为显著，可以说如果没有复合材料的诞生，就没有今天的飞机、火箭和宇宙飞船等高科技产品。
本文从纤维增强陶瓷基复合材料C f/SiC入手，综述了陶瓷基复合材料（ceramic matrix composite，CMC）的特殊使用性能、界面增韧机理、制备工艺作了较全面的介绍，并对CMC的的研究现状、未来发展进行了展望。
正文1、陶瓷基复合材料的定义与特性陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。
陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。
这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。
而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。
纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。
陶瓷基复合材料(CMC)由于具有高强度、高硬度、高弹性模量、热化学稳定性等优异性能，是制造推重比10 以上航空发动机的理想耐高温结构材料。
一方面，它克服了单一陶瓷材料脆性断裂的缺点，提高了材料的断裂韧性；另一方面，它保持了陶瓷基体耐高温、低膨胀、低密度、热稳定性好的优点。
陶瓷基复合材料的最高使用温度可达1650℃，而密度只有高温合金的70％。
因此，近几十年来，陶瓷基复合材料的研究有了较快发展。
目前CMC 正在航空发动机的高温段的少数零件上作评定性试用。
ZrO2增强聚合物先驱体SiCNO_复合陶瓷的制备和力学性能
第 4 期第 34-42 页材料工程Vol.52Apr. 2024Journal of Materials EngineeringNo.4pp.34-42第 52 卷2024 年 4 月ZrO 2增强聚合物先驱体SiCNO 复合陶瓷的制备和力学性能Preparation and mechanical properties of ZrO 2-reinforced polymer -derived SiCNOcomposite ceramics费轩，余煜玺*，严远高，魏永金，赵刚，黄柳英*（厦门大学 材料学院 福建省特种先进材料重点实验室，福建 厦门 361005）FEI Xuan ，YU Yuxi *，YAN Yuangao ，WEI Yongjin ，ZHAO Gang ，HUANG Liuying *（Fujian Key Laboratory of Advanced Materials ，College of Materials ，Xiamen University ，Xiamen 361005，Fujian ，China ）摘要：聚合物先驱体陶瓷（polymer -derived ceramics ，PDCs ）技术具有制造简单、成分可调等优点，为制备新型陶瓷提供了有效途径。
然而，由于热解过程中微小分子的逃逸形成孔洞缺陷，先驱体技术制备的无定形聚合物衍生SiCNO 陶瓷（PDCs -SiCNO 陶瓷）的力学性能较差。
为解决上述问题，通过向陶瓷基体添加第二相（颗粒强化）来实现增强先驱体陶瓷。
对聚乙烯基硅氮烷（PVSZ ）和ZrO 2进行先球磨后热解，制备ZrO 2颗粒增强PDCs -SiCNO 复合陶瓷（PDCs -SiCNO -ZrO 2），研究PDCs -SiCNO -ZrO 2复合陶瓷的结构和力学性能。
结果表明：引入的ZrO 2填料作为增强体嵌入SiCNO 陶瓷基体中，不仅能有效降低线收缩率，还能大幅提高PDCs -SiCNO -ZrO 2复合陶瓷的力学性能。
陶瓷基复合材料综述
陶瓷基复合材料综述报告Z09016124 王帅摘要：综述了陶瓷基复合材料增强体的种类陶瓷基复合材料界面和界面的增韧，并且介绍了陶瓷基复合材料的复合新技术以及发展动态关键词：陶瓷基增强体强韧1陶瓷基复合材料增强体复合材料中的增强体，按几何形状划分，有颗粒状（简称零维）、纤维状（简称一维）、薄片状（简称二维）和由纤维编织的三维立体结构。
按属性划分，有无机增强体和有机增强体，其中有合成材料也有天然材料，复合材料最主要的增强体是纤维状的。
复合材料中常见的纤维状增强体有玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和金属纤维等。
它们有连续的长纤维、定长纤维、短纤维和晶须之分。
玻璃纤维有许多品种，它是树脂基复合材料最常用的增强体，由玻璃纤维增强的复合材料是现代复合材料的代表，但是，由于它的模量偏低，而且使用温度不高，通常它不属于高级复合材料增强体。
2.1陶瓷基复合材料的界面陶瓷基复合材料作为新一代高性能耐高温结构材料,在航空航天领域具有广阔的应用前景。
然而,由于其固有的脆性,陶瓷材料在外载作用下极易发生脆性断裂。
为了改善材料的韧性,不仅要使用高强纤维,还需要在纤维与基体之间增加界面相,从而引入裂纹桥联、裂纹偏转、纤维脱粘滑移等增韧机制。
纤维与基体之间的热解碳界面层对于陶瓷基复合材料是至关重要的。
大量拉伸试验均表明,强界面材料模量高而强度低,断裂应变较小,断口整齐;弱界面材料模量低而强度高,断裂应变较大,纤维拔出较长,可见,界面可以起到增强和增韧的效果,这得益于弱界面的脱粘作用。
界面脱粘可以减缓纤维应力集中,偏转基体裂纹扩展路径,避免裂纹沿某一横截面扩展,并阻止应力和能量在材料局部集中,使得材料韧性增加,不发生灾难性破坏。
然而,基体裂纹的扩展也具有一定的随机性,与材料的初始缺陷有关。
基体裂纹的连通会导致裂纹发生失稳扩展,最终造成材料的断裂失效。
界面对陶瓷基复合材料拉伸性能的影响在20世纪就是研究热点,因此,这方面的文献报道较多,但主要成果是基于统计强度理论和剪滞理论建立起来的细观力学模型,其中包括模量和强度的计算模型。
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陶瓷颗粒增强环氧树脂复合涂层的力学性能及断裂机理分析王莉容;吴燕明;陈小明;伏利;毛鹏展;周夏凉【摘要】采用不同含量的Al2O3、ZrO2、SiC、WC这4种陶瓷颗粒分别制备了陶瓷颗粒增强环氧树脂涂层(陶瓷/环氧复合涂层),测试了所制涂层的洛氏硬度与结合强度.通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)观察拉伸试验后涂层断裂面的形貌,探讨了涂层的断裂失效方式和断裂机理.结果表明,4种陶瓷/环氧复合涂层的洛氏硬度均较纯环氧涂层高,达到77～107 HR,呈现WC涂层＞Al2O3涂层＞ ZrO2涂层＞SiC涂层的趋势.除了陶瓷颗粒本身的硬度,其与环氧树脂的相容性对涂层洛氏硬度的影响很大.适当的陶瓷颗粒加入量能提高涂层的结合强度,加入过多反而使结合力下降.涂层的气泡或孔隙等薄弱部位作为断裂源,在外应力的作用下形成宏观裂纹,裂纹沿着薄弱区域扩展并发生偏转,最终导致涂层的断裂脱落.【期刊名称】《电镀与涂饰》【年(卷),期】2015(034)022【总页数】5页(P1288-1292)【关键词】陶瓷;环氧树脂;复合涂层;硬度;结合强度;断裂机理【作者】王莉容;吴燕明;陈小明;伏利;毛鹏展;周夏凉【作者单位】水利部杭州机械设计研究所,浙江杭州 310012;水利机械及其再制造技术浙江省工程实验室,浙江杭州 310012;水利部产品质量标准研究所,浙江杭州310012;水利部杭州机械设计研究所,浙江杭州 310012;水利机械及其再制造技术浙江省工程实验室,浙江杭州 310012;水利部产品质量标准研究所,浙江杭州310012;水利部杭州机械设计研究所,浙江杭州 310012;水利机械及其再制造技术浙江省工程实验室,浙江杭州 310012;水利部产品质量标准研究所,浙江杭州310012;水利部杭州机械设计研究所,浙江杭州 310012;水利机械及其再制造技术浙江省工程实验室,浙江杭州 310012;水利部杭州机械设计研究所,浙江杭州310012;水利部杭州机械设计研究所,浙江杭州 310012【正文语种】中文【中图分类】TQ63First-author’s address:Hangzhou Mechanical Design Research Institute, Ministry of Water Resources, Hangzhou 310012, China陶瓷颗粒增强环氧树脂复合涂层具有收缩率低、机械强度高、抗蠕变、耐腐蚀等优异的性能，因此被广泛用于冲蚀磨损防护、胶粘剂、复合材料等方面[1]。
近年来，国内外一些研究者将陶瓷增强环氧涂层应用在水轮机、泥浆泵、过流泵、输煤管道、粉选机衬板等部件上[2-3]，均取得了较好的使用效果。
董柳杉等[4]用改性纳米SiO2增强环氧树脂基体，通过优化配方，制备出耐高温胶粘剂，在经过1 000 °C高温处理后，其剪切强度达到9.68 MPa；陈立贵[5]用二硫化钼、氧化铝及SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)作为填料来改善环氧树脂的性能，通过表面硬度和附着力来表征耐磨涂层的性能，发现当填料含量为60%时，涂层表面硬度最好，且耐磨性和附着力也较好。
目前对陶瓷增强环氧树脂涂层的研究有很多[6-9]，但主要集中在配方及工艺的优化和涂层硬度、结合强度、耐磨、耐蚀等性能的提升，关于涂层断裂机理方面的研究却很少，而在实际使用时，涂层在应力作用下发生断裂是其主要失效形式，因此有必要进一步研究断裂机理，以利于其在耐磨防腐等领域内的推广和应用。
本文选用Al2O3、ZrO2、SiC、WC 这4种陶瓷颗粒增强环氧基涂层(即制备陶瓷/环氧复合涂层)，表征了它们的洛氏硬度、微观组织结构等，并用微机控制电子万能试验机对涂层进行拉伸试验，测试其拉伸结合强度，观察陶瓷颗粒分布情况及涂层与基体断裂部位的微观形貌，探讨了涂层在拉应力作用下的断裂失效机理。
1. 1 原料α-Al2O3(纯度99.99%，粒径0.2 ～1.0 μm)、ZrO2(纯度99.99%，粒径0.5 ～2.0 μm)、SiC(纯度99%，粒径0.5 ～0.7 μm)、WC(纯度99.9%，粒径≤1.0μm)，均由上海晶纯生化科技公司提供。
E-51双酚A型环氧树脂(环氧值0.48 ～0.54)、低分子650聚酰胺树脂[胺值(220 ± 20) mgKOH/g]，均由无锡树脂厂提供。
消泡剂BYK-066N，德国毕克公司。
硅烷偶联剂KBM-903，日本信越公司。
1. 2 基材前处理采用ZG06Cr13Ni4Mo高强不锈钢作为基体，用乙醇对其表面进行超声波清洗以除去油污。
为提高表面涂层的粘附力，再用30目的白刚玉对喷涂面进行喷砂粗化处理至Sa2.5级。
1. 3 陶瓷/环氧复合涂层的制备先将环氧树脂E-51、占体系总质量0%、10%、20%和30%的陶瓷颗粒(Al2O3、ZrO2、SiC、WC)、助剂等调匀，再按照m(E-51)∶m(固化剂) = 2∶1加入聚酰胺树脂，充分调和并静置1 h，以使气泡上浮直至完全消失。
采用刮涂法涂覆涂料，刮片与基体表面呈一定的锐角，沿着同一个方向缓慢刮涂，反复几遍，在(25 ± 5) °C下固化3 d。
控制膜厚约150 μm，并保持平整均匀。
1. 4 涂层表征与性能测试1. 4. 1 微观形貌采用卡尔蔡司的SUPRA55场发射扫描电子显微镜(FESEM)观察涂层断口处的微观形貌，由于涂层不导电，需进行喷金(Pt)处理。
1. 4. 2 洛氏硬度依据GB/T 9342-1988《塑料洛氏硬度试验方法》采用北京时代TH300洛氏硬度计测试陶瓷/环氧复合涂层的洛氏硬度，测试条件为直径1/2″钢球压头，试验力为588.399牛(HRR标尺)。
试样直径50 mm，测试时点与点的间距大于10 mm，点到边缘的距离大于10 mm。
1. 4. 3 结合力通过涂层与金属基体的抗拉结合强度(结合强度)来表征涂层的结合力。
用济南法恩试验仪器有限公司的WDW-50型5t慢拉伸试验机采用粘结对偶试样拉力测试法测试最大载荷，按式(1)计算结合强度。
拉伸速率为0.5 mm/min。
将涂料涂覆在清理干净的直径25 mm对偶试样柱表面，并将配对的2个胶粘面慢慢压合在一起，前后错动几次以便排出气泡和接触紧密，在固化期内置于定中心装置内定位，完成结合力试样制备。
式中，RH为抗拉结合强度，MPa；FM为最大载荷，N；A为断裂面横截面积，mm2。
2. 1 涂层的洛氏硬度表1显示了Al2O3、ZrO2、SiC、WC陶瓷/环氧复合涂层的洛氏硬度。
可见不论是哪种陶瓷颗粒增强涂层，其洛氏硬度都远大于纯环氧涂层(49.8 HR)，达77.5 ～107.2 HR。
这说明加入陶瓷颗粒能够明显地提高复合涂层的硬度。
随着陶瓷颗粒含量增加，复合涂层的洛氏硬度逐渐增大，二者成正比。
对比含量相同的陶瓷/环氧复合涂层可知，按洛氏硬度从大到小为WC涂层＞ Al2O3涂层＞ZrO2涂层＞ SiC涂层，而依据陶瓷颗粒本身的硬度，是SiC ＞ WC ＞ ZrO2＞Al2O3，复合涂层硬度与陶瓷颗粒硬度并不成正比，这与陶瓷颗粒和环氧涂层间的相容性有关，自身硬度最高的SiC陶瓷颗粒因与环氧树脂的相容性较差(对于偶联剂适配型对涂层相容性的影响这个问题会在后续的研究中进行探索)，复合涂层的洛氏硬度反而最低。
2. 2 涂层与基体的结合强度涂层与基体的结合强度是评价涂层性能的重要指标。
与基体结合强度低的涂层，在应用环境中容易脱落，无法保证持续使用。
图1显示了各涂层与基体的结合强度。
从图1可见，纯环氧涂层与基体的结合强度是17 MPa，适当加入陶瓷颗粒能够增强涂层的结合强度，但是加入过多反而会降低结合力。
当Al2O3加入量为10%时，Al2O3/环氧复合涂层的结合强度最大，达18 MPa；当ZrO2加入量为20%时，ZrO2/环氧复合涂层的结合强度最大，达20 MPa；当SiC加入量为10%时，SiC/环氧复合涂层的结合强度最大，为18 MPa；而当WC加入量为10%时，WC/环氧复合涂的结合强度最大，为15 MPa。
4种涂层中仅WC/环氧复合涂层的结合强度始终低于纯环氧涂层，说明WC/环氧涂层与基体的结合力较差，而其余3种陶瓷颗粒的环氧复合涂层均能在适当的加入量下获得与基体较佳的结合力。
2. 3 涂层微观组织分析图2为4种陶瓷/环氧复合涂层的表面形貌。
从图2可见，复合涂层由陶瓷颗粒、环氧树脂基底以及少量气泡构成。
作为增强相的陶瓷颗粒均匀分布在环氧树脂基底中，带来更好的强度、硬度、耐磨蚀等性能。
其中，ZrO2含量为20%时所得ZrO2/环氧复合涂层的致密度最高(见图2a)，仅观察到为数不多的几个气泡，这说明ZrO2陶瓷颗粒与环氧基底的相容性较好，能够均匀分布于环氧树脂基底中，且不会给复合涂层带来多余的气泡。
2. 4 涂层断裂机理选取力学性能较佳的陶瓷颗粒添加量为20%的ZrO2/环氧复合涂层研究涂层的断裂机理。
在结合力试验中，涂层内部发生断裂，其宏观形貌见图3。
从图3可见，在拉伸应力作用下，两边基体上均粘附有涂层，说明涂层并不是整块断裂，而是局部断裂脱落。
适当的陶瓷颗粒的加入对陶瓷/环氧复合涂层的结合强度有一定的提高，这是因为细小的陶瓷颗粒均匀地分散于环氧树脂基体中，陶瓷颗粒与基体之间产生微裂纹(银纹)，同时陶瓷颗粒间的基体也产生塑性变形，吸收了大量能量，所以提高了结合强度。
但若陶瓷颗粒加入量过大，微裂纹易发展成宏观开裂，使复合涂层性能变差。
另有研究表明[10]，刚性粒子的存在会产生应力集中效应，易引发周围环氧树脂基体产生微裂纹，吸收更多的能量。
图4为复合涂层断口的微观形貌。
由图4a画圈的部分可清晰地看出断口部位存在大量的凸起和微裂纹(银纹)，增加了断裂所需吸收的能量，裂纹带聚集着较多的陶瓷颗粒，正是这些刚性的陶瓷颗粒对宏观裂纹的扩展起到阻碍作用，从而提高复合涂层的结合强度[11-13]。
在图4b画圈的部分可观察到断裂部位附近有较多的气孔及孔隙，进一步说明涂层宏观裂纹是沿着陶瓷颗粒间的薄弱处扩展的。
宏观裂纹在外力作用下发生扩展，裂纹沿着气泡或孔隙等薄弱部位扩展，没有方向性。
当裂纹遇到气泡或孔隙时，扩展方向便会发生偏转。
因此复合涂层的断裂并不是发生在某一平面，而是会随着宏观裂纹扩展方向的偏转跳跃至另一平面，进而形成阶梯状断裂，表现为宏观下的局部涂层断裂脱落。
要提高涂层的抗断裂性能，延长其使用寿命，需要从消除气泡及内应力入手。
消除气泡需要充分改善环氧树脂基体与陶瓷颗粒的相容性，使环氧树脂基体尽可能地填充到陶瓷颗粒的空隙中。
而消除内应力则需要选择尺寸较小且规则的陶瓷颗粒，使其能均匀分布在环氧树脂基体中，以避免颗粒太大或不规则引起应力集中而成为裂纹源。