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
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
