硅酸盐工业进展课程论文(3)

硅酸盐工业进展课程论文

2.1.2 “晶内型”结构的形成

微米—纳米复合材料中，大部分纳米颗粒由于其粒径与基体颗粒存在数量级的差异，其烧结活性温度往往高于基体，所以在一定温度下基体颗粒以纳米颗粒为核形成晶粒，将纳米颗粒包裹在基体晶粒内部，形成“晶内型”结构。王丽丽等人通过研究发现，SiC 纳米级弥散体抑制了氧化物基体晶粒的明显长大。晶粒的细化一方面减小了材料中缺陷的尺寸，另一方面纳米SiC 的加入强化了晶界，Al2O3 晶粒内的张应力促使断裂的扩展由沿晶转变为穿晶，同时裂纹尖端遇到SiC 产生偏转，从而达到提高材料强度和断裂韧性的目的，表明晶内型的结构有利于提高纳米复合材料的力学性能。

2.1.3 纳米颗粒对基体晶粒形状的影响

对某些纳米复合陶瓷，纳米颗粒的存在促使基体晶粒呈细长的棒状生长。这种棒状晶粒的作用类似于晶须，微细纤维，与基体晶粒、晶界牢固结合在一起，可以引起裂纹偏转和桥联，增加裂纹路径，吸收更多的能量，从而提高材料韧性。

2.2断裂模式的改变

由微米复合陶瓷的沿晶断裂到纳米复合陶瓷的穿晶断裂是断裂模式的发展过程。纳米复合陶瓷的断裂模式兼有沿晶断裂和穿晶断裂，以穿晶断裂为主。穿晶断裂时，裂纹扩展需要消耗更多的能量，从而导致复合材料断裂韧性和抗弯强度的提高。郭小龙等认为：由于“内晶型”结构中存在大量次晶界，且基质颗粒与纳米颗粒的热膨胀系数及弹性模量失配，在次界面处将存在较大的残余应力，在Al2O3/SiC 复合材料中，晶粒内SiC 颗粒周围产生局部张应力，这种张应力通过Al2O3 晶粒传到晶界上，产生残余应力，从而强化晶界。同时，这种残余应力还可引发位错，纳米相使位错钉扎或堆积，起到分散、阻碍裂纹的作用，达到强化效果。Ohji 和张巨先等赞同Al2O3/SiC(n)内晶型结构易形成穿晶断裂，认为当Al2O3 晶粒中存在SiC 粒子时，由于其内存在较大的拉应力和因位错交截、组合导致形成微裂纹源，使裂纹很容易沿着晶内SiC 粒子径向方向扩展产生非平面穿晶断裂。

1.2残余应力

由于纳米弥散相颗粒和陶瓷基体间存在热膨胀系数和弹性模量的失配，在陶瓷材料中形成有利的应力分布，可以有效地吸收能量，提高裂纹扩展的阻力。纳米弥散相颗粒周围残余应力的存在无论是引起裂纹偏转或是钉扎裂纹，均会吸收更多能量，使基体材料的强度、韧性提高。在Al2O3/SiC 纳米复合陶瓷中，当分析二维残余应力时，尽管从总体上看，SiC 颗粒受压应力而Al2O3 基体受拉应力，但在Al2O3 基体晶粒中既存在压应力区也存在拉应力区，裂纹在压应力区受阻而在拉应力区扩展，因而裂纹扩展的路径曲折，起到增韧补强效果。张国军等分析了第二相颗粒与基体之间的应力状态及其对裂纹扩展的影响，发现当第二相颗粒的热膨胀系数大于基体材料时，如Si3N4/SiC，裂纹倾向于绕过颗粒继续扩展；当第二相的热膨胀系数小于基体材料时，如Al2O3/SiC，裂纹倾向于在颗粒处被钉扎或穿过颗粒。

三、纳米复合陶瓷材料的制备方法

为制备出具有高性能的纳米复合陶瓷，必须使纳米增强颗粒均匀分散在陶瓷基质

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