磷酸镧包覆氧化铝复合可加工陶瓷裂纹扩展机理的研究

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为了提高可加工陶瓷的性能,我们对LaPO4/Al2O3复合陶瓷进行结构设计,使LaPO4均匀的分布在陶瓷基体中,减少他的团聚,这样会在减少LaPO4用量的同时,大大增加LaPO4/Al2O3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LaPO4包覆α-Al2O3粉体。通过XRD来检测该粉体的物相组成,煅烧之前的包覆粉体中含有α-Al2O3和无定型的LaPO4两种物质。而煅烧后的LaPO4包覆α-Al2O3粉体是明显的单斜相LaPO4和α-Al2O3,这也更加验证了煅烧之前的包覆粉体中无定型的LaPO4的存在。在LaPO4含量不变的情况下,用包覆方法制备的LaPO4/Al2O3复合陶瓷的相对密度、断裂韧性较用传统方法制备的LaPO4/Al2O3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LaPO4是层状结构,材料发生断裂时LaPO4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。LaPO4/Al2O3复合陶瓷材料加工过程中,LaPO4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LaPO4/Al2O3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LaPO4/Al2O3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-0.26,说明其具有裂纹阻力曲线效应。Kr由4.153MPa·m1/2增加到4.281MPa·m1/2,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LaPO4/Al2O3复合陶瓷材料产生裂纹的临界压力为1.3N,包覆方法制备的LaPO4/Al2O3复合陶瓷材料产生裂纹的临界压力为3.2N;包覆方法制备的LaPO4/Al2O3陶瓷复合材料的起始裂纹长度为3.46μm,常规方法制备的LaPO4/Al2O3复合陶瓷材料的起始裂纹长度为2.14μm。同时我们分析了ZTA陶瓷和LaPO4/Al2O3复合陶瓷的增韧机理。ZTA陶瓷以相变增韧为主。LaPO4/Al2O3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。
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