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
1 山东工业陶瓷研究设计院有限公司, 淄博 255000
2 济南大学材料科学与工程学院, 济南 250022
以羧甲基纤维素(CMC)为黏结剂, 通过挤出成型的方式制备氮化硅陶瓷管材, 并研究了黏结剂含量对陶瓷管材生坯性能的影响, 烧结温度对氮化硅陶瓷相对密度、弯曲强度和微观形貌的影响, 以及氮化硅陶瓷的高温强度性能。结果表明: 黏结剂含量为7%(质量分数)时, 可制得干燥收缩均匀、表面光滑、无微裂纹的陶瓷管材生坯; 烧结温度在1 740 ℃时, 氮化硅陶瓷的相对密度和弯曲强度达到最大值, 分别为96%和(684±23) MPa, 其1 200 ℃时的弯曲强度达(380±21) MPa, 具有良好的高温强度性能。
陶瓷 氮化硅 挤出成型 弯曲强度 显微结构 烧结温度 ceramics silicon nitride extrusion flexural strength microstructure sintering temperature
太原科技大学机械工程学院,山西省冶金设备设计理论与技术重点实验室,太原 030024
为了增韧Si3N4基陶瓷材料, 以钨(W)作为第二相材料, Y2O3-Al2O3作为烧结助剂, 采用气压烧结法制备了W/Si3N4复合陶瓷材料。研究了W含量对W/Si3N4复合陶瓷材料致密性、力学性能以及结构的影响。结果表明: 在W含量小于5%(质量分数)时, 样品致密度均达97%以上; 在W含量为5%(质量分数)时, 获得的W/Si3N4复合陶瓷材料综合性能最佳, 弯曲强度、硬度和断裂韧性分别为(670.28±40.00) MPa、(16.42±0.22) GPa和(8.04±0.16) MPa·m1/2, 相比于未添加金属W的Si3N4陶瓷材料分别提高了38.08%、13.08%和44.34%; 通过分析W/Si3N4复合陶瓷材料样品抛光面和压痕裂纹的微观结构, 发现W的引入能促使裂纹在扩展路径上更易发生偏转、分叉等增韧机制, 消耗裂纹扩展能量, 从而改善Si3N4陶瓷的断裂韧性。
Si3N4陶瓷 钨 气压烧结 微观结构 致密性 弯曲强度 断裂韧性 Si3N4 ceramics tungsten pneumatic sintering microstructure compactness bending strength fracture toughness
1 1.中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 绵阳 621900
2 2.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
激光诱导损伤是导致熔石英真空光学元件突发破裂的根本原因。本工作采用神光-Ⅲ原型装置终端光学组件的熔石英真空光学元件制作了标准样品, 统计分析了熔石英玻璃样品表面损伤形貌特征, 探究了激光诱导损伤对熔石英玻璃样品弯曲强度的影响。结果表明: 激光诱导熔石英玻璃损伤点形貌为典型的半椭球体, 损伤点深度随其长度增大呈上升趋势, 深度极限基本不超过2 mm; 损伤点对熔石英玻璃弯曲强度影响非常明显, 含损伤点的样品平均弯曲强度仅为不含损伤点样品平均弯曲强度的41%。随着损伤点长度和深度增大, 熔石英玻璃的弯曲强度总体呈下降趋势, 但当损伤点长度大于15 mm, 弯曲强度下降趋势明显缓和, 损伤点长深比对弯曲强度无明显影响。熔石英玻璃真空窗口光学元件安全设计, 应考虑玻璃弯曲强度离散性及持久应力作用综合影响, 且在损伤点位置处的最大弯曲拉应力不应超过其弯曲强度设计值。
真空窗口光学元件 熔石英玻璃 激光诱导损伤 弯曲强度 安全设计 vacuum window optical element fused silica glass laser-induced damage bending strength safety design
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
中国建筑材料科学研究总院有限公司，北京 100024
熔盐中少量的Na+并不会对玻璃的离子交换效果产生明显影响，但当熔盐中Na+浓度不断增大时，化学增强钠铝硅酸盐玻璃的性能开始受到影响。本文采用一步法离子交换工艺研究了熔盐中Na+浓度对不同厚度化学增强钠铝硅酸盐玻璃表面压应力、应力层深度和弯曲强度等性能的影响。研究表明：熔盐中Na+浓度不断增大时，化学增强钠铝硅酸盐玻璃的表面压应力、弯曲强度下降；弯曲强度下降最多可达175 MPa，此时玻璃的表面压应力下降了57.4 MPa；熔盐中Na+浓度变化未对化学增强钠铝硅酸盐玻璃的应力层深度和可见光透过率产生明显影响。
钠铝硅酸盐玻璃 Na+浓度 离子交换 弯曲强度 离子互扩散系数 半无限扩散模型 sodium aluminosilicate glass Na+ concentration ionexchange bending strength interdiffusion coefficient of ion semiinfinite diffusion model
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
中国航发北京航空材料研究院先进复合材料国防科技重点实验室，北京 100095
分别在500 ℃、700 ℃、900 ℃及1 100 ℃空气条件下，对石墨及渗硅石墨进行氧化实验，以分析熔融渗硅对等静压石墨氧化行为的影响。采用扫描电镜(SEM)分析了样品表面及内部形貌，通过压汞法表征了样品的孔隙结构，并对材料的力学性能进行了测试分析。结果表明：500 ℃条件下，石墨和渗硅石墨均未发生明显的氧化失重现象；温度为700 ℃时，石墨的氧化失重率随时间延长明显增加，而该温度下渗硅石墨的氧化失重率变化较小。而且，渗硅石墨在700 ℃时仍能保持较好的强度，而此温度下，石墨随氧化时间的延长，强度明显降低，甚至被氧化成粉末状。因此，熔融渗硅在提高材料抗氧化性能的同时能够显著提升材料的强度。
石墨 抗氧化 孔结构 熔融渗硅 硅 弯曲强度 graphite oxidation resistance pore structure silicon infiltration silicon bending strength
哈尔滨工业大学 机器人技术与系统国家重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150080)
结合空间索杆铰接式伸展臂在航天工程中的应用，基于伸展臂从航天器伸出且前端支撑负载的在轨工作状态，运用欧拉梁理论建立了悬臂式伸展臂理论分析模型。分析了工作状态下伸展臂与负载系统的固有频率和根部弯曲强度，提出了基于伸展臂固有频率限制和根部弯矩限制的伸展臂参数设计方法。通过算例分析了伸展臂线密度、半径、纵杆截面面积等主要设计参数与伸展臂固有频率和根部弯矩之间的关系。研制了伸展臂原理样机，其弯曲刚度和抗弯强度分别为0.388 MN·m2和562.12 N·m，验证了伸展臂具有较高的刚度和强度。对伸展臂物理样机的地面重复展开定位精度进行了测量实验,其轴向、水平、竖直方向上的重复展开精度分别为0.127 mm、0.645 mm和0.588 mm，证明了伸展臂具有较高的重复展开定位精度。
空间索杆铰接式伸展臂 模型 固有频率 弯曲强度 定位精度 space cable-strut deployable articulated mast model natural frequency bending strength orientation precision
