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控制强度的主要参数有三个,弹性模量E、断裂表面能和裂纹尺寸c。
E是非结构敏感的。 单相材料的微观结构对的影响不大。因此,唯一可以控制的是材料中的微裂纹。
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提高无机材料强度及改善韧性的途径
微裂纹可以理解为各种缺陷的总和。所以,材料的强化主要从消除缺陷以及阻止其发展考虑。
微晶、高密度和高纯度
微晶、高密度和高纯度陶瓷,如热压工艺制备的氮化硅陶瓷,密度接近理论值,气孔率几乎为零。
将块体材料制成细纤维,强度大约提高一个数量级,而制成晶须则提高两个数量级。晶须提高强度的主要 原因之一就是提高了晶体的完整性。晶须强度随晶须截面直径的增加而降低。
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人为地预加应力,在材料表面造成一层压应力层,可以提高材料的抗拉强度。
脆性断裂通常是在拉应力作用下,自表面开始断裂。如果在表面预加一层压应力,表面受到拉伸破坏之前首先要克服表面上的残余压应力。
通过加热、冷却,在表面层中引入残余压应力的过程叫做热韧化。(钢化玻璃 及氧化铝 P93-94)
提高抗裂能力与预加应力
当热韧化无法达到更高的表面残余应力时,采用化学强化,即离子交换的办法。
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通过改变表面化学组成,使表面的摩尔体积比内部大。由于表面体积膨大而受到内部材料的限制,产生两向状态的压应力。(通常是用一种大的离子置换小的离子,压力层厚度在数百微米内 )
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将表面抛光及化学处理以消除表面缺陷也能提高强度。
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化学强化
利用多晶多相陶瓷中某些成分在不同温度的相变,从而增韧的效果,统称为相变增韧。 (ZrO2 P95)
在基体中,四方ZrO2是高温稳定相,单斜ZrO2是低温稳定相。在低于相变温度的条件下,由于受到基体约束力的抑制,未转化的四方ZrO2相保持其介稳状态;当基体的约束力在外力作用下减弱或消失,粒子从高能态转化为低能态的单斜相(发生相变),并在基体中引起微裂纹,吸收主裂纹扩展的能量。
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在基体中加入 (或原位生成) 具有一定颗粒尺寸的微细粉料,达到增韧的效果,称为弥散增韧。
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添加的粉末可以是金属粉末和陶瓷粉末。前者利用其塑性变形来吸收弹性应变能的释放,增加了断裂表面能,改善了韧性。后者多存在于基体的晶界中,以高弹性模量和高温强度增加复合材料的断裂表面能,特别是高温断裂韧性。
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不同Si含量试样的断口SEM照片 (a) Pure B4C;(b) B4C-4wt.%Si;
B4C-8wt.%Si;(d) B4C-12wt.%Si
B4C基复合材料的裂纹扩展 (a, b) Pure B4C;(c, d) B4C-8wt.%Si
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