陶瓷强化与韧化资料

第四章

高温结构陶瓷的强化与韧化 第一节 概述

γth E σ=

a

γσc E =

2c

1、无缺陷陶瓷（微晶、高密度、高纯度）

γ

γ≈1C c 2

c

c c

K 2E 2E σ=

=π(1-ν)a πa πa

A.A.Griffith

-1/2

f 01σ=σ+K d

，

Al 2O 3: 46J/m 2, 18J/m 2

f 0σ=σexp(-np)， n=(4~7)

p=10%, n=(4~7), 67~50%

2、提高抗裂能力和预加应力（表面压应力）

K

c

C

c a K σπσ+=

1

（1）淬火

96%Al 2O 3:388MPa →1500℃, ↓5%硅油+95%水→649MPa SiC Si 3N 4 99.85% Al 2O 3+0.15%MgO （2）热处理

SiC 1315℃ 50h ↑50~60% Si 3N 4 1350℃ 766MPa →922MPa （3）调整工艺 原位生长

Si-Al-O-N, β- Si 3N 4 , β’-Sialon , AlN α-Si 3N 4→β- Si 3N 4

Al 2O 3-TiB 2-TiC 0.5N 0.5 ，TiO 2, BN, B 4C, Al M(Ti 、Zr)-Al-Si-C (TiB 2 + TiC)/Ti 3SiC 2

（4）化学强化

A 涂层

a.上釉

96% Al2O3α=6.5×10-6/℃,

1500℃,1h,330MPa→470MPa

b. CVD

ZrB2+SiC (SiC) Si3N4(SiC)

B离子交换

EΔV

σ=×

2(1-2μ)V

2%, E=70GPa, μ=0.25 →σ= 930MPa

96% Al 2O 3 上釉 Na,(Li),B,Al,Si, →NaNO 3,KNO 3 or K 2SO 4熔盐， 300-500℃，15-60min, →300MPa ↑500-580MPa C 低膨胀固溶体表面层

avg surf E ΔT σ=(α-α)

1-ν

Al 2O 3-Cr 2O 3 1650℃,1h 193MPa ↗ 250MPa TiO 2-SnO 2(SnCl 4)

1400℃,1h 129MPa ↗163MPa MgAl 2O 4-MgCr 2O 4

MgO-NiO, MgO-Fe 2O 3+NiO, MgO-MnO Si 3N 4-Al 2O 3,

D 化学反应在形成低膨胀系数的表面层 Al 2O 3(CaCO 3), 1250-1450℃, 3h σ↑40% Al 2O 3(SiC), 1300-1500℃, σ↑40%

3、纤维与晶须补强增韧

临界应力强度因子

化学相容性、弹性模量匹配E w＞E m、

热膨胀系数匹配αw＞αm

负荷传递、基质预应力化、裂纹弯曲偏转、

晶须拔出、裂纹桥架

纤维补强陶瓷复合材料

C fiber/SiO2, C fiber/Si3N4, SiC fiber/LAS, C fiber/LAS, 晶须补强陶瓷复合材料

SiC w/ Si3N4, SiC w/ Al2O3, SiC w/ 莫来石，

SiC w/ Y-TZP

4、相变增韧

o

1170C

ZrO ZrO

2(m)2(t)

应力诱导相变增韧微裂纹增韧裂纹分枝增韧

裂纹偏转和弯曲增韧表面增韧

5、弥散强化

SiC p/Y-TZP, SiC p/莫来石，SiC p/ Si3N4,

TiB2 p/ SiC, BN p/ Sialon

6、纳米陶瓷

第二节

马氏体相变原理

o o o

1170C2370C2680C 2(m)2(t)2(c)

ZrO ZrO ZrO液相一、马氏体相变的特征

1、无扩散型相变

2、相变不是在固定温度下完成，

而是在一个温度范围内进行

3、新旧相之间保持一定的位相关系

(110)m‖(100)t,[100]m‖[001]t,

(100)m‖(100)t,[001]m‖[001]t

4、马氏体内往往存在有亚结构

孪晶位错层错微裂纹

5、相变涉及剪切应变和体积变化

8% 3-5%

6、相变的可逆性

7、习惯面

二、马氏体相变的起始与终止温度M s、M f

T0ΔG t→m＜0

影响M s的因素：

（1）母相的化学组成（2）晶粒尺寸（3）应力状态三、无扩散相变和扩散相变

1、立方母相中t-ZrO2的析出

Mg-PSZ、

Ca-PSZ

0.04um, 0.1um

2、有序化合物的析出

Φ1 CaZr4O9

Φ2 Ca6Zr19O44

Zr3Y4O12

Mg2Zr5O12

3、 低共熔分解

t-ZrO2 + MgO m-ZrO2 + MgO

4、 c →t ’ 位移相变

t ’→ c + t 为扩散相变

第三节 ZrO 2马氏体相变热力学

1、无应力状态下

s

se c t s m s t

se m se c t c m m t U U G U U U U G G G ∆+∆+∆=-+-+-=∆→0≤∆→m t G ，s m se c U U G ∆+≥∆-

t ij I ij m

se

U εσ2

1=，V V t ij ∆=

31ε，

V

V K

I ij

∆=σ

2

6⎪⎭

⎫ ⎝⎛∆=V V K U m

se

，

1

2212

1)21(2)1(2E E E E K νν-++=

2、残余应力的影响