陶瓷/金屬層狀復合材料的設(shè)計及力學性能研究
陶瓷材料具有強度高、耐高溫、耐磨損等優(yōu)異性能，但是陶瓷材料的脆性大、韌性低而導致的使用可靠性和抗破壞能力差等問題限制了它的應用。因此，材料研究者進行了大量的研究以尋找切實可行的增韌方法。人們受自然界生物材料結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，提出在脆性陶瓷中加入**相材料制備出層狀復合材料，以達到提高陶瓷的韌性、改善使用性能的目的。 本工作首先理論分析了陶瓷/金屬材料的殘余應力，以指導后續(xù)的材料制備。然后利用水基流延和熱壓燒結(jié)成功制備出層厚可控的陶瓷/金屬層狀復合材料。討論了陶瓷/金屬層狀材料的增韌機理，系統(tǒng)的研究了殘余應力、陶瓷和金屬層厚度比等因素對材料力學性能的影響。并結(jié)合**相增韌機制，成功的制備出具有較好綜合力學性能的材料。此外簡要研究了利用化學鍍法在陶瓷基片上沉積金屬薄層及利用放電等離子體燒結(jié)制備陶瓷/金屬層狀復合材料。 有限元及彈性均勻應變和非均勻應變理論均可以分析陶瓷/金屬層狀材料中的殘余應力分布，三種方法得到的應力值為相同數(shù)量級，且殘余應力分布的趨勢是一致的，即隨著陶瓷和金屬層厚度比的減小和層數(shù)的增加，陶瓷層的壓應力逐漸增加。根據(jù)理論分析結(jié)果，實驗中選取有較大的熱脹系數(shù)和合適熔點的金屬鎳作為Al2O3層狀材料的中間層，此時陶瓷層中存在較大的壓應力。制備的層狀材料的厚度和長度比小于0.5，使不同尺寸的試樣的力學性能具有一定的可比性。為避免大量的制備工作，層狀材料的層厚比控制在145。當添加陶瓷金屬復相材料作為夾層時，含20wt％Ni的材料的厚度應較小，而含50wt％Ni的材料的厚度應較大。 以聚丙烯酸鉀為分散劑可以制備出56.4wt％的高固含量的Al2O3水基流延漿料，素坯密度為1.9g/cm3。由水溶劑及粘結(jié)劑PVA組成的電解Ni粉流延漿料的固含量可以達到45.0wt％，素坯的密度為1.5g/cm3。水基流延還可以制備出素坯密度分別為1.3g/em3和1.6g/cm3的陶瓷金屬復相材料。實驗表明，流延漿料在20℃-35℃時真空除氣，素坯表面質(zhì)量*好。流延素坯無宏觀缺陷，干燥后有良好的柔韌性，可以進行切割和疊層。金屬素坯脫粘溫度不宜高于600℃，否則會在金屬顆粒上形成碳沉積，影響燒結(jié)體的力學性能。1400℃25MPa熱壓燒結(jié)1h的Al2O3/Ni層狀材料表面無宏觀缺陷，且相同層的收縮率均勻一致。Ni在Al2O3陶瓷層中的擴散距離約10-25μm，位于Al2O3的三角晶界處。界面無新的金屬化合物相生成，避免了金屬層的硬化、脆化。 壓痕法可以檢測出陶瓷/金屬層狀材料存在殘余應力，且殘余應力的變化趨勢與理論分析的結(jié)果相同，對分析材料的力學性能具有指導意義。Al2O3/Ni層狀材料的強度存在著*大值，且韌性及斷裂功隨著層厚比的增加而下降。所有層狀材料的韌性和斷裂功都高于純Al2O3材料，Al2O3/Ni層狀材料的*高強度和韌性分別為439.8MPa(A/N-2909)和12.6MPa·m1/2(A/N-2902)，分別是單相Al2O3材料的1.24和3.63倍。多層材料的韌性低于3層材料，而29層材料的強度*好。力學性能結(jié)果表明層數(shù)為29層和15層的A/N材料，分別在層厚比值為9和38附近存在一個強度較好的值；在層厚度比2附近出現(xiàn)*高的韌性和斷裂功值(例如A/N-2902的韌性和斷裂功分別為12.6MPa·m1/2和6.25KJ/m2)。通過對斷裂曲線的分析，發(fā)現(xiàn)殘余應力主要影響具有較大層厚度比的材料，而小層厚比的材料的性能主要由金屬的延展性決定。隨著金屬含量的增加，金屬的塑性形變在能量耗散中占的比重越來越大。Al2O3/Ni層狀材料的界面斷裂能約為94.2J/m2，表明材料界面結(jié)合很好。層厚比≥3的材料，易發(fā)生單一裂紋擴展。Al2O3/Ni層狀材料中的陶瓷的斷裂方式為脆性斷裂，Ni層是典型的韌性斷裂。 研究了Al2O3/Al2O3+Ni/Ni及Al2O3+Ni/Ni層狀材料的力學性能，通過引入**相增韌機制，進一步提高了材料的力學性能。金屬以團聚體形式分布在流延法制備的陶瓷金屬復相材料的陶瓷基體中，Ni可以抑制基體晶粒的生長，增加晶界的強度，從而提高了材料的強度和韌性。基體中添加20wt％Ni的效果好于添加50wt％Ni的效果。Al2O3/Al2O3+Ni/Ni及Al2O3+Ni/Ni層狀材料具有優(yōu)良的力學性能，強度和韌性高于單相陶瓷材料和具有相同層厚度比的Al2O3/Ni材料。Al2O3+20wt％Ni/Ni層狀材料的強度和韌性分別可達到466.3MPa和12.4MPa·m1/2；其中Al2O3+20wt％Ni/Ni-0302和Al2O3+20wt％Ni/Ni-2907具有較好的綜合力學性能。Al2O3/Al2O3+50wt％Ni/Ni-030202層狀材料的韌性是純Al2O3和具有相同層厚度比的Al2O3/Ni材料的韌性的5.8倍和2.4倍。 化學鍍是一種成本較低的制備層狀材料的新方法。利用酸性鍍液可以在經(jīng)過預處理的Al2O3陶瓷基片上沉積出均勻、致密的Ni薄膜?；瘜W鍍層是以Ni納米級胞狀顆粒的層狀結(jié)構(gòu)方式生長變厚的。初步確定陶瓷表面鍍鎳層單位面積單位時間的平均增重與時間的關(guān)系，為制備層厚可控的Al2O3/Ni層狀材料提供了依據(jù)?；瘜W鍍15h，1400℃30MPa真空下SPS燒結(jié)的Al2O3/Ni層狀材料的相對密度為97.5％，強度和韌性分別為359.0MPa和4.4MPa·m1/2