1 中国建筑材料科学研究总院有限公司，北京 100024
2 中国国检测试控股集团股份有限公司，北京 100024
陶瓷材料的预应力增强已经被证明有效，但是这种表面预应力对其他力学性能的影响如何仍不明晰，本工作将探讨表面残余压应力对复合构件的综合力学性能的影响，包括弯曲强度、弹性模量、断裂韧性、硬度以及损伤容限。为了实现表层压应力以及相适配的界面剪切应力，按质量分数比1∶1将莫来石和氧化铝混合磨成浆料涂覆在预烧后的氧化铝基体上，经无压烧结后，涂层与基体紧密结合，随着温度下降，2种材料不同的收缩率和界面约束形成表层残余压应力，从而实现氧化铝复合陶瓷的预应力强化，进而测试了该材料的各项力学性能。结果表明：预应力涂层有效提高了基体材料的弯曲强度，提高了38.9%；断裂韧性提高了36.5%，弹性模量稍降、硬度下降代表了涂层材料的性能。通过这些力学参数，计算得到复合氧化铝陶瓷的损伤容限从0.389 4 m1/2提升至0.452 7 m1/2，提高了16.26%。
损伤容限 预应力强化 氧化铝陶瓷 莫来石涂层 damage tolerance prestressed reinforcement alumina ceramics mullite coating
1 陕西科技大学材料科学与工程学院, 陕西省无机材料绿色制备与功能化重点实验室, 西安 710021
2 中国科学院上海硅酸盐研究所, 高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室, 上海 200050
六硼化钇(YB6)高温下结构不稳定限制了其在超高温领域的应用, 通过引入Yb元素, 可形成高温稳定的(Y1-xYbx)B6固溶体。本文以(Y0.5Yb0.5)2O3和B4C为原料采用硼/碳热还原法制备了(Y0.5Yb0.5)B6粉体, 通过无压烧结实现了陶瓷致密化, 并结合密度泛函理论计算综合分析了材料的晶体结构、微观形貌和力学性能。结果表明, 在1 650 ℃下热处理, B4C过量6.25%时合成的(Y0.5Yb0.5)B6粉体纯度最高。在2 000 ℃下无压烧结获得的(Y0.5Yb0.5)B6陶瓷致密度为95.80%, 但晶粒尺寸偏大, 可达(80.71±35.51) μm。通过两步烧结法所得陶瓷致密度、晶粒尺寸、硬度和断裂韧性分别为95.47%、(14.54±6.31) μm、(14.53±1.37) GPa和(2.81±0.34) MPa·m1/2。陶瓷断口处与典型的高损伤容限陶瓷Ti3SiC2、Hf3AlN的断口形貌十分类似, 表明(Y0.5Yb0.5)B6具有良好的损伤容忍度, 有望提高超高温陶瓷的韧性与延性。
硼化钇 超高温陶瓷 硼/碳热还原法 第一性原理计算 损伤容忍度 yttrium boride ultra-high temperature ceramics boron/carbon thermal reduction method first principle calculation damage tolerance
1 1.中国建材检验认证集团股份有限公司, 北京 100024
2 2.中国建筑材料科学研究总院, 绿色建材国家重点实验室, 北京 100024
3 3.清华大学 材料学院, 新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室, 北京 100084
本研究在ZrO2基体表面涂覆一薄层Al2O3涂层, 利用基体与涂层之间热膨胀系数不匹配, 在Al2O3-ZrO2预应力陶瓷(简称ACZS预应力陶瓷)表层引入压应力。采用维氏压痕法评价残余应力对ACZS预应力陶瓷的表层和基体中裂纹扩展阻力的影响。理论分析结合实验结果表明: 表层的压应力使得ACZS预应力陶瓷的裂纹扩展阻力增大, 最终导致强度和损伤容限提高; 且ACZS预应力陶瓷表层的压应力和裂纹扩展阻力随着基体截面积与涂层截面积比值的增加而增大。当ZrO2基体表层的Al2O3涂层厚度为40 μm时, 表层压应力使ACZS预应力陶瓷的弯曲强度达到(1207±20) MPa, 相比于同种工艺下制备的ZrO2陶瓷强度提高了32%, 同时也是Al2O3强度的3倍。此外, ACZS预应力陶瓷也表现出很好的抗热震性能。
Al2O3-ZrO2预应力陶瓷 压应力 弯曲强度 损伤容限 Al2O3-ZrO2 pre-stressed ceramics compressive stress flexural strength damage tolerance
1 中国建筑材料科学研究总院 绿色建筑材料国家重点实验室, 北京 100024
2 景德镇陶瓷大学 材料科学与工程学院, 景德镇 333403
同步提升陶瓷材料强度及损伤容限是陶瓷发展的核心问题。一百多年前预应力技术大幅提高混凝土和玻璃的弯曲强度, 并在世界上广泛应用以来, 预应力增强陶瓷材料的设计就成为一个百年梦想。本文总结了增强陶瓷的国内外研究进展, 并提出了全新的高强度高损伤容限复合陶瓷的预应力设计及模型, 通过优化表面预应力设计, 在陶瓷构件表面能够形成一层高度压缩应力, 从而阻止裂纹扩展, 并抵消外加拉应力, 达到提高陶瓷的强度及损伤容限的目的。这种预应力设计理论和规程可应用到结构陶瓷、建筑陶瓷和日用陶瓷等不同领域, 具有明显的通用性和广泛性, 且简单、经济, 不受构件尺寸和形状的限制, 因此极具应用前景。
预应力设计 陶瓷 高强度 损伤容限 综述 pre-stressed design ceramics strength damage tolerance review
