南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094
熔融生长的Al2O3-ZrO2共晶陶瓷具有优异的高温性能。采用激光粉末床熔融（LPBF）直接制备Al2O3-ZrO2共晶陶瓷，研究了不同激光功率下的单道形貌特征及块体表面质量、物相组成、微观组织结构的演变规律和力学性能。结果表明，激光功率的提升将增加熔池的长度和单沉积道的宽度。Al2O3-ZrO2共晶陶瓷的表面粗糙度（Ra）和气孔率均随着激光功率的增加先降低后升高。在没有添加Y2O3等稳定剂的条件下，Al2O3-ZrO2共晶陶瓷的物相主要包括α-Al2O3、m-ZrO2和亚稳相t-ZrO2。随着激光功率的增加，m-ZrO2逐渐减少，这是由于LPBF的快速冷却过程抑制了马氏体相变。样件的晶粒尺寸随着激光功率的增加呈增大趋势，晶界密度减小，因此测量的显微硬度和断裂韧性呈现下降的趋势。当激光功率为60 W时，得到硬度为Hv=17.19 GPa和断裂韧性为KIC=6.67 MPa·m1/2的最优力学性能样品。
激光技术 激光粉末床熔融 Al2O3-ZrO2共晶陶瓷 熔池 晶粒尺寸 断裂韧性 中国激光
2024, 51(10): 1002316
1 华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点试验室，武汉 430074
2 华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点试验室，武汉 430074，
SiC陶瓷凭借其高强度、高硬度和低密度等优势，在航空航天、核电工业等领域有着广阔的应用前景。但由于SiC加工难度高、韧性低，阻碍了其广泛应用。为解决上述问题，本研究采用黏结剂喷射增材制造(BJAM)结合液硅反应熔渗技术(LSI)制备了不同碳化硅晶须含量(SiCw)的SiCw/SiC复合材料。结果表明，当SiCw含量达到7.5% (体积分数)时，材料的弯曲强度和断裂韧性达到最大值分别为215.29 MPa和3.25 MPa?偸m1/2，硬度则在SiCw为5%达到23.06 HV的峰值。但当SiCw含量继续升高后，材料内部残余硅相含量提升，力学性能发生恶化。对打印初坯进行2次增碳可有效降低材料内部硅相含量，弯曲强度、断裂韧性和硬度最大分别提升10.15%、10.46%和10.58%。引入的SiCw通过偏折裂纹、拔出和折断等方式起到了对复合陶瓷材料的增强增韧作用。
黏结剂喷射 碳化硅 碳化硅晶须 液硅反应熔渗 断裂韧性 增材制造 binder jetting silicon carbide silicon carbide whisker reaction sintering fracture toughness additive manufacturing
1 1.武汉大学 土木建筑工程学院, 武汉 430072
2 2.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 上海 200050
铁电陶瓷的力学性能直接决定了其加工性能和铁电器件的可靠性。目前, 无论是实验还是理论报道的压电陶瓷材料的断裂韧性都与30年前的报道接近, 限制了压电器件在高可靠性要求的情况下的应用。本研究试图揭示可用于优化铁电陶瓷断裂性能的参数。利用单轴压缩方法、裂纹尖端张开位移(Crack-tip opening displacement, COD)技术和单边V型缺口梁(Single-side V-notch beam, SEVNB)技术分别测定三种典型PZT陶瓷的应力-应变曲线、本征断裂韧性和长裂纹断裂韧性。结果表明, 本征断裂韧性与材料的杨氏模量正相关, 说明提高铁电体的杨氏模量是提高其本征韧性的有效途径。长裂纹断裂韧性与本征韧性和非本征铁弹性畴变/相变增韧有关, 说明优化铁电陶瓷的铁弹翻转行为可以改善其非本征效应。软掺杂PZT相较于硬掺杂PZT具有较低的矫顽应力和较高的残余应变, 呈现较强的铁弹性翻转和较高的屏蔽韧性; 在不同PZT材料中观察到的断裂模式也被认为与材料不同的铁弹性翻转行为有关, 软PZT陶瓷呈现沿晶断裂, 铁弹性翻转较弱的硬PZT呈现穿晶断裂。综上所述, 优化铁电材料的杨氏模量和铁弹翻转行为有望提升其断裂韧性。
锆钛酸铅 裂纹尖端断裂韧性 铁弹性畴翻转 单边V型缺口梁 lead titanate zirconate crack-tip fracture toughness ferroelastic domain switching single-edge V-notch beam
为研究加载速率对高吸水性树脂(SAP)混凝土断裂性能的影响,本文浇筑了不同内养护水灰比SAP混凝土试件,采用三种加载速率开展缺口梁三点弯曲试验,测量和分析不同试件的断裂模式、裂纹开口位移和断裂韧性。试验结果表明:SAP混凝土和普通混凝土均具有应变率效应,且适量的SAP和内养护水可以提高混凝土的断裂能; 随着内养护水灰比的增加,SAP混凝土的峰值强度比持续下降,起裂韧度和失稳韧度都呈逐渐降低的趋势; 随着加载速率的增加,两种韧度都呈增长的趋势。本文提出的基于内养护水灰比和加载速率双因素影响的峰值强度比和断裂韧性拟合模型可为SAP混凝土在实际工程中的应用提供参考。
混凝土 内养护 三点弯曲试验 断裂能 断裂韧性 SAP SAP concrete internal curing three-point bending test fracture energy fracture toughness
1 海南大学, 海南省特种玻璃重点实验室, 海口 570228
2 海南大学, 南海海洋资源利用国家重点实验室, 海口 570228
3 海南海控特玻科技有限公司, 澄迈 571924
4 特种玻璃国家重点实验室, 澄迈 571924
5 特种玻璃国家重点实验室, 澄迈 571924)
本文以SiO2、Al2O3、ZnO、CaO、MgO为主要原料制备锌尖晶石-透辉石体系微晶玻璃, 利用自增韧技术提高了该体系微晶玻璃的力学性能。采用正交试验研究各热处理工艺参数对该体系微晶玻璃力学性能的影响, 探究了微晶玻璃的晶相比例、微观形貌与其力学性能之间的关系。结果表明, 提高透辉石相比例可显著提高微晶玻璃断裂韧性, 但比例过高则会降低微晶玻璃抗弯强度, 因此制备高韧性、高抗弯强度的微晶玻璃时需要柱状晶体交错和粒状晶体填充其间隙, 起到协同强化的作用。基础玻璃经750 ℃保温2 h+810 ℃保温2 h+880 ℃保温2 h+950 ℃保温2 h后, 微晶玻璃断裂韧性达5.1 MPa·m1/2, 抗弯强度达255 MPa, 维氏硬度为8.3 GPa。
锌尖晶石-透辉石微晶玻璃 自增韧 断裂韧性 抗弯强度 热处理工艺 正交试验 gahnite-diopside glass-ceramics self-toughening fracture toughness bending strength heat treatment process orthogonal test
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
华南农业大学水利与土木工程学院, 广州 510642
基于修正的Furnas堆积模型和骨料紧密堆积试验设计了一种高弹性模量混凝土, 并利用微细钢纤维改善高弹性模量混凝土的韧性,研究了钢纤维体积掺量对骨料紧密堆积状态下混凝土流动性能、强度、弹性模量及弯曲韧性的影响规律。结果表明: 采用紧密堆积骨料和适量微细钢纤维可以构筑高弹性模量韧性混凝土, 其静弹性模量和动弹性模量最高分别可达50.15 GPa和53.23 GPa, 断裂能可达5 680.45 N/m, 残余弯曲韧度比从0增加到0.43; 高弹性模量混凝土的流动性能随着钢纤维掺量的增加而降低, 抗折强度、弹性模量及弯曲韧性则均随着钢纤维掺量的增加而增加, 混凝土的抗压强度随着钢纤维掺量增加先增加后降低。在骨料紧密堆积状态下, 综合考虑流动性能、力学性能和工程经济性, 高弹性模量混凝土中微细钢纤维的合理掺量为0.4%（体积分数）。
高弹性模量混凝土 微细钢纤维 Furnas模型 堆积密度 弹性模量 断裂韧性 high elastic modulus concrete steel microfiber Furnas model packing density elastic modulus fracture toughness
1 钢铁研究总院，北京 100081
2 中国钢研科技集团有限公司，北京 100081
采用溶胶凝胶法制备得到系列Ca2+掺杂堇青石((Mg1-xCax)2Al4Si5O18)陶瓷粉体，研究Ca2+取代Mg2+对堇青石陶瓷的烧结特性、结构组成、微波介电性能及力学性能的影响。结果表明，Ca2+的引入会提升粉体的烧结活性，能够有效促进样品的致密化烧结。当x≤0.1时，Ca2+会全部进入堇青石结构中形成固溶体，为单一α-堇青石相；当x＞0.1时，检测到有钙长石相的存在。Ca2+取代Mg2+能有效降低堇青石陶瓷的介电常数，提高品质因数、谐振频率温度系数及断裂韧性。当x=0.1时，(Mg1-xCax)2Al4Si5O18陶瓷获得最优性能，介电常数为4.61，品质因数为9 949 GHz，谐振频率温度系数为-26×10-6 ℃-1，断裂韧性为4.76 MPa·m1/2。
堇青石陶瓷 掺杂 微波介电 断裂韧性 cordierite ceramic doping microwave dielectric mechanical properties
1 硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉理工大学，武汉 430070
2 武汉理工大学材料科学与工程学院，武汉 430070
水泥基材料脆性突出、易开裂是其工程应用亟须解决的关键难题。对水泥基材料各物相的微观脆性进行解析，并建立与其水泥基材料整体脆性之间的联系，是对水泥基材料进行增韧设计的基础和关键。采用微米划痕实验，获得断裂韧性-位移曲线，并联合高分辨扫描电子显微镜分析划痕区域所对应的物相，实现了水泥浆体及其微观物相断裂韧性的定量表征，从而建立了水泥浆体整体脆性与水化硅酸钙凝胶脆性之间的联系。
微米划痕 水化硅酸钙 断裂韧性 水泥基材料 micro-scratch calcium silicate hydrate fracture toughness cement based material
浙江理工大学材料科学与工程学院, 先进陶瓷材料与纤维研究所, 杭州 310018
以SiC纳米纤维(SiCnf)为增强体, 通过化学气相沉积在SiC纳米纤维表面沉积裂解碳(PyC)包覆层, 并与SiC粉体、Al2O3-Y2O3烧结助剂共混制备陶瓷素坯, 采用热压烧结工艺制备质量分数为10%的SiC纳米纤维增强SiC陶瓷基(SiCnf/SiC)复合材料。研究了PyC包覆层沉积时间对SiCnf/SiC陶瓷基复合材料的致密度、断裂面微观形貌和力学性能的影响。结果表明: 在1 100 ℃下沉积60 min制备的PyC包覆层厚度为10 nm, 且为结晶度较好的层状石墨结构; 相比于纤维表面无包覆层的复合材料, 复合材料的断裂韧性提高了35%, 达到最大值(19.35±1.17) MPa·m1/2, 抗弯强度为(375.5±8.5) MPa, 致密度为96.68%。复合材料的断裂截面可见部分纳米纤维拔出现象, 但SiCnf/SiC陶瓷基复合材料界面结合仍较强, 纳米纤维拔出短, 表现为脆性断裂。
SiC陶瓷基复合材料 SiC纳米纤维 裂解碳包覆 化学气相沉积 断裂韧性 热压烧结 SiC ceramic matrix composite SiC nanofiber pyrolysis carbon coating chemical vapor deposition fracture toughness hot pressing
