李海燕 1,2旷峰华 2吴昊龙 1,2刘小根 1,2[ ... ]万德田 1,2,*
作者单位
摘要
1 1.中国国检测试控股集团股份有限公司, 北京 100024
2 2.绿色建材国家重点实验室, 中国建筑材料科学研究总院, 北京 100024
为研究以高膨胀系数的陶瓷为涂层, 低膨胀系数的陶瓷为基体的预应力陶瓷的高温力学性能, 本工作以氧化锆为涂层, 氧化铝为基体, 制得表层为拉应力的“三明治”结构ZrO2-Al2O3(简称ZcAs)预应力陶瓷。同时选用基体与涂层截面比值相近的Al2O3-ZrO2(简称AcZs)预应力陶瓷、纯ZrO2和纯Al2O3陶瓷为参照样。结合不同温度下的弯曲强度测试结果及维氏压痕结果, 阐明预应力的存在形式及其对裂纹扩展行为的影响, 并研究预应力的温度依赖性。结果表明: ZcAs预应力陶瓷的表层受拉应力, 基体受压应力; 而AcZs预应力陶瓷的表层受压应力, 基体受拉应力。由于拉应力能够促进裂纹扩展, 而压应力能够抑制裂纹扩展, 因此室温下, ZcAs的强度比纯Al2O3陶瓷降低13.2%, 而AcZs的强度比纯ZrO2陶瓷提高25.0%。此外, 无论表层是拉应力还是压应力, 都随着温度升高而降低, 这主要归因于高温导致的预应力松弛。
ZrO2-Al2O3预应力陶瓷 拉应力 弯曲强度 温度依赖性 ZrO2-Al2O3 pre-stressed ceramics tensile stress flexural strength temperature dependence 
无机材料学报
2023, 38(11): 1265
吴昊龙 1,*曹大可 1,2李俊峰 1邱岩 1[ ... ]包亦望 1,2
作者单位
摘要
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 
硅酸盐学报
2023, 51(3): 750
作者单位
摘要
1 景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院, 中国轻工业功能陶瓷材料重点实验室, 江西景德镇 333403
2 中国建筑材料科学研究总院, 北京 100024
以福建龙岩高岭土、安徽钾长石、江西星子石英为陶瓷主要原料, 添加适量的硅酸锆为增强相, 研究了硅酸锆引入量、烧成温度、保温时间等因素对日用陶瓷性能的影响, 探究了硅酸锆颗粒弥散分布对日用陶瓷的强化机理。结果表明: 当引入硅酸锆含量为 6% (质量分数 ), 烧成温度为 1 300℃、保温时间为 30 min时, 强化效果最好, 抗弯强度从基础配方的(58±6) MPa提升至(106±11) MPa, 提升幅度为 83%。硅酸锆颗粒弥散分布在基体内部, 由于其与基体热膨胀系数的差异, 冷却过程中在基体内部产生径向压应力与切向张应力, 使裂纹在颗粒处钉扎, 从而提高了陶瓷强度。
日用陶瓷 硅酸锆 预应力 基体强化 porcelain zirconium silicate prestress matrix reinforcement 
硅酸盐学报
2022, 50(12): 3251
作者单位
摘要
在陶瓷表面引入含压应力的涂层是一种有效的增强技术。本研究将氧化铝和石英粉混合浆料涂覆在预烧后的氧化铝坯体上, 无压共烧原位合成了热膨胀系数较低的莫来石-氧化铝涂层。利用降温过程中涂层内形成的残余压应力实现了氧化铝陶瓷的预应力强化。结果表明:随着涂层中石英掺量增加, 预应力氧化铝的强度出现先增大后减小的趋势; 当涂层中掺入石英的质量分数为15%时, 预应力增强效果最好, 涂层与基体界面结合紧密, 预应力氧化铝陶瓷的弯曲强度达到(549.44±27.2) MPa, 比普通氧化铝的强度提高了37.19%; 当涂层中掺入石英的质量分数增大到15%以上, 由于烧结收缩不匹配反而引起强度下降; 这种预应力增强效果会随着温度升高逐渐减弱, 当测试温度达到并超过1000 ℃时, 预应力氧化铝和普通氧化铝会具有大致相等的抗弯强度。由于表层压应力的存在, 预应力氧化铝还展现出更好的抗热震性能和损伤耐受性。
预应力强化 氧化铝陶瓷 低膨胀系数 弯曲强度 抗热震性能 pre-stressed strengthening alumina ceramics low coefficient of thermal expansion flexural strength thermal shock resistance 
无机材料学报
2022, 37(12): 1295
李海燕 1,2郝鸿渐 1,2田远 1,2汪长安 3[ ... ]万德田 1,2,*
作者单位
摘要
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 
无机材料学报
2022, 37(4): 467
作者单位
摘要
1 中国建筑材料科学研究总院有限公司, 绿色建筑材料国家重点实验室, 北京 100024
2 中国国检测试控股集团股份有限公司, 北京 100024
3 景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院, 景德镇 333403
本文提出了一种简单有效的预氧化处理方法, 用来强化反应烧结碳化硅(RBSC), 研究了800~1 300 ℃预氧化处理对其微观结构和力学性能的影响, 探究了含不同尺寸压痕裂纹的材料在氧化前后残余弯曲强度的变化规律。结果表明, 随着氧化温度的升高, RBSC的室温强度和Weibull模数均存在先下降后上升, 然后再下降的趋势, 主要原因是不同温度氧化后的RBSC表面形貌不同。在1 200 ℃下预氧化2 h, RBSC的弯曲强度和Weibull模数都明显变大, 强度提升了19.9%, Weibull模数由7.3提升到11.8。然而, 800 ℃低温氧化不完全和1 300 ℃高温氧化反应过于强烈均会导致弯曲强度和Weibull模数下降。在最优氧化条件(1 200 ℃氧化2 h)下, 含压痕裂纹(载荷20 N)的RBSC试样的残余弯曲强度在氧化后由201.1 MPa提高到324.2 MPa, 强化机理是高温氧化生成的SiO2能够消除材料表面缺陷和微裂纹。
反应烧结碳化硅 预氧化 裂纹自愈合 弯曲强度 Weibull模数 维氏压痕 reaction boned silicon carbide pre-oxidation crack self-healing flexural strength Weibull modulus Vickers indentation 
硅酸盐通报
2022, 41(8): 2889
马德隆 1,2包亦望 1,2,*万德田 1,2邱岩 2[ ... ]付帅 2
作者单位
摘要
1 1.中国建筑材料科学研究总院有限公司 绿色建筑材料国家重点实验室, 北京 100024
2 2.中国建材检验认证集团股份有限公司, 北京 100024
预制长度可控的裂纹以及原位观察裂纹扩展是研究陶瓷薄基板抗断裂行为的两大重点。本研究提出应变诱导法, 通过将基板与黄铜梁粘结形成复合体, 利用黄铜梁弯曲变形带动侧面陶瓷薄板受拉侧拉伸变形产生可控裂纹。在工具显微镜下对复合体进行四点弯曲, 原位观察样品的裂纹扩展情况, 通过调节黄铜梁宽度来控制初始裂纹长度, 在初始裂纹萌发后继续加载, 使裂纹达到测试断裂韧性的标准长度。将这种测试方法与块体材料断裂韧性的测试标准进行了对比, 结果表明: 采用该方法预制裂纹后测试断裂韧性具有简易性和可靠性。应变诱导法预制裂纹成功率高, 裂纹萌发位置及长度可控, 且操作方便, 可推广应用于超薄玻璃等其他超薄脆性材料的断裂韧性评价和分析裂纹扩展阻力。
陶瓷薄基板 预制裂纹 原位观察 断裂韧性 ceramic thin plates pre-crack in situ observation fracture toughness 
无机材料学报
2021, 36(7): 733
作者单位
摘要
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 
无机材料学报
2020, 35(4): 399
作者单位
摘要
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 中国建材检验认证集团股份有限公司, 北京 100024
基于变形协调关系及均强度理论, 定量计算了硫化镍相变体积膨胀对玻璃的挤压应力、因硫化镍和玻璃热膨胀系数不匹配导致的内应力及以上两者协同作用下导致的硫化镍颗粒周边的局部集中应力的影响, 分析了硫化镍直径、玻璃局部强度及环境温度对钢化玻璃自爆的影响, 确定了引发钢化玻璃自爆的硫化镍颗粒的临界直径。研究结果表明: 硫化镍颗粒周边的周向集中应力(拉应力)是导致钢化玻璃自爆的根本原因。随着硫化镍直径的增大, 其周向应力也增大, 但不呈线性关系, 当颗粒直径小于0.2 mm时, 其周向应力迅速降低, 而当颗粒直径大于0.5 mm时, 其周向应力增大幅度变缓。随着钢化玻璃表面应力的增大, 引发自爆风险的硫化镍临界直径逐渐减小, 直径小于0.1 mm的硫化镍很难引发钢化玻璃自爆。周向应力与环境温度升高呈线性增长趋势, 且大颗粒尺寸的硫化镍周向应力增长速率更快。
钢化玻璃 自爆 硫化镍相变 临界尺寸 tempered glass spontaneous breakage phase change of the NiS critical size 
无机材料学报
2020, 35(2): 211

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