Как справиться с хрупкостью керамических материалов?

Как мы все знаем, керамические материалы имеют фатальный общий недостаток - хрупкость. Хрупкость керамических материалов определяется химической связью и микроструктурой и является неотъемлемой характеристикой керамических материалов. В следующих параграфах мы обсудим хрупкость керамических материалов и способы их улучшения.

Почему керамика хрупкая?

Керамические материалы представляют собой поликристаллические структуры, состоящие из ионных или ковалентных связей, поэтому в них отсутствуют системы скольжения, способные деформировать материалы. В процессе подготовки на поверхности материала неизбежно остаются микродефекты, которые могут стать источником трещин. Когда материал подвергнется внешней нагрузке, напряжение будет сконцентрировано на вершине этих трещин. В керамических материалах, если нет другой системы, которая могла бы потреблять внешнюю энергию, может происходить только обмен новой свободной энергией. Так называемая новая свободная энергия - это энергия, поглощенная новой поверхностью, образовавшейся при распространении кончика трещины, что приводит к быстрому распространению трещины и так называемому хрупкому разрушению.

Как повысить хрупкость керамики?

Хрупкость керамических материалов в значительной степени влияет на надежность и стабильность свойств материала. Поэтому изучение хрупкости керамических материалов и предложение эффективных способов ее повышения является ключевой задачей многих исследователей керамики. Ниже приводится простая подборка данных.

1. Создание слабой системы взаимодействия в керамических материалах

Поскольку в керамических материалах нет механизма, способного поглощать внешнюю энергию, возможно ли искусственно создать в керамических материалах слабые интерфейсные структуры, чтобы при распространении трещин внешняя энергия поглощалась за счет их диссоциации без повреждения всего материала? После многих лет практики появилось много осуществимых решений.

* D-армированные керамические матричные композиты

Волокно (или вискер) добавляется в керамическую матрицу определенным образом. С одной стороны, высокопрочное волокно (вискер) может разделить дополнительную нагрузку; с другой стороны, слабый интерфейс между волокном (или вискером) и керамической матрицей может быть использован для создания системы поглощения внешней энергии, чтобы улучшить хрупкость керамических материалов.

Например, керамические матричные композиты могут быть применены в Leap, компоненты CMC введены в обшивку корпуса турбины двигателя. Усовершенствованный двигатель требует гораздо меньше охлаждающего воздуха, чем суперсплавы на основе никеля, и имеет более низкий удельный вес, что позволяет экономить около 15 процентов топлива, используемого в предыдущих двигателях.

* Композитные керамические материалы

При соединении двух различных материалов между ними возникает напряжение из-за различий в коэффициенте теплового расширения и модуле упругости, и напряжение на границе раздела зерен является основной причиной слабой границы раздела. Многие исследования показали, что при наличии наноразмерных зерен одного вещества в микроразмерных зернах другого, что называется нано-микронной внутрикристаллической рекомбинацией, прочность и вязкость материалов удивительным образом повышаются.

Например, исследования показали, что добавление нанокарбида кремния (5%) и оксида циркония(15%) в матрицу из глинозема позволяет достичь прочности 1200 МПа (прочность обычных глиноземных керамических материалов составляет всего около 300 МПа).

* Самоупрочняющийся керамический материал

Как уже упоминалось выше, волокна или вискеры добавляются в матрицу керамики для усиления и придания жесткости. Однако трудно добиться равномерного распределения волокон или вискеров в гранулированной керамической матрице с большим аспектным отношением, что приводит к рассеиванию свойств композита. Поэтому люди предполагают, что если можно сформировать форму с определенным соотношением сторон в матрице керамики, то можно достичь того же эффекта, что и при армировании керамики волокном или вискером.

Таким образом, часть керамического тела может сама сформировать определенное соотношение сторон путем специальной обработки. Например, небольшое количество жидкой фазы в процессе спекания глиноземистой керамики может вызвать анизотропный рост зерен глинозема, а прочность и вязкость глиноземистых керамических материалов может быть значительно улучшена за счет формирования большого количества стержнеобразных кристаллов с большим аспектным отношением в глиноземистой матрице.

* Ламинированные композиционные материалы

Идея слоистого композитного материала основана на микроструктуре конха в природе, то есть два материала из разных компонентов складываются в сэндвич, образуя многослойный слоистый композит с параллельными интерфейсами. Структура материала образца имеет множество слабых интерфейсов, перпендикулярных направлению напряжений. Эти слабые интерфейсы являются основной причиной искажения главного пути распространения трещины, а также важным фактором для повышения вязкости материала. В то же время, из-за различий в материалах с обеих сторон слоя, остаточное напряжение должно возникать из-за разницы в модуле упругости и коэффициенте теплового расширения между ними, и это остаточное напряжение в определенном пределе является основной причиной для усиления и упрочнения.

2. Циркониевый упрочненный керамический материал

С тех пор как была выдвинута идея создания керамической стали, исследования упрочненных керамических материалов из диоксида циркония развиваются полным ходом. Соединения циркония имеют три кристаллических типа: кубический при высокой температуре, тетрагональный при средней температуре, моноклинный при нормальной температуре. Однако тетрагональный цирконий мезотермального типа может сохранять стабильность при комнатной температуре под воздействием внешних напряжений. Как только материал подвергается воздействию внешней силы, сдержанный мезо-стабильный тетрагональный диоксид циркония претерпевает фазовый переход. В процессе фазового перехода будет поглощаться определенная энергия, что, несомненно, играет роль в расходовании внешней энергии. В то же время в процессе фазового перехода произойдет изменение объема на 3% ~ 5%. В результате вокруг вершины трещины будут образовываться мелкие трещины, что является проявлением увеличения вязкости материала.

Таким образом, фазовый переход диоксида циркония будет способствовать увеличению прочности и вязкости материала. Эта особенность диоксида циркония делает его очень эффективной добавкой для усиления и упрочнения керамических материалов, что позволяет сформировать серию циркониевой упрочняющей керамики. Тетрагональный поликристалл циркония (TZP) является одним из наиболее важных циркониевых упрочненных керамических материалов, который, как считается, обладает наилучшими механическими свойствами при комнатной температуре.

3. Функционально-градиентный материал

В процессе нанесения керамических покрытий часто требуется градиентное изменение состава покрытия для получения керамического покрытия с хорошими эксплуатационными характеристиками и высокой прочностью сцепления, чтобы получить более толстое покрытие или из-за большой разницы в тепловых и механических свойствах между металлической матрицей и керамическим покрытием.

4. Нанокерамический материал

С точки зрения микроструктуры, существует прямая зависимость между размером зерна и свойствами материала. Когда размер зерна керамического материала достигает наноуровня, характеристики керамического материала становятся очевидно превосходными. Например, частично стабилизированная циркониевая керамика изготавливается из порошков твердого раствора 3% (моль) оксида иттрия и циркония путем атмосферного спекания, в котором оксид гадолиния диспергирован в цирконии в мелких кристаллах со средним диаметром 0,3 мкм. При нагревании до температуры выше 1200 ℃ циркониевая керамика может удлиняться при определенной скорости растяжения 12%.