磷酸鑭包覆氧化鋁復(fù)合可加工陶瓷裂紋擴(kuò)展機(jī)理的研究.pdf

1、為了提高可加工陶瓷的性能，我們對LaPO4/Al2O3復(fù)合陶瓷進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使LaPO4均勻的分布在陶瓷基體中，減少他的團(tuán)聚，這樣會(huì)在減少LaPO4用量的同時(shí)，大大增加LaPO4/Al2O3之間的弱界面；這樣能使其具有較好的加工性能，同時(shí)保持良好的力學(xué)性能。
　　 我們首先用非均勻成核法合成了LaPO4包覆α-Al2O3粉體。通過XRD來檢測該粉體的物相組成，煅燒之前的包覆粉體中含有α-Al2O3和無定型的LaPO4兩種物質(zhì)。而

2、煅燒后的LaPO4包覆α-Al2O3粉體是明顯的單斜相LaPO4和α-Al2O3，這也更加驗(yàn)證了煅燒之前的包覆粉體中無定型的LaPO4的存在。
　　 在LaPO4含量不變的情況下，用包覆方法制備的LaPO4/Al2O3復(fù)合陶瓷的相對密度、斷裂韌性較用傳統(tǒng)方法制備的LaPO4/Al2O3復(fù)合陶瓷均得到了提高，而硬度和抗彎強(qiáng)度有所下降，但是可加工指數(shù)也得到了較大提高。通過斷口形貌分析，我們可以清晰的看到LaPO4是層狀結(jié)構(gòu)，材料發(fā)生

3、斷裂時(shí)LaPO4晶粒發(fā)生的層片狀或臺階狀剝離，斷口的表面有很明顯的氧化鋁晶粒拔出的痕跡，說明材料的斷裂形式是以沿晶斷裂為主。LaPO4/Al2O3復(fù)合陶瓷材料加工過程中，LaPO4的這種層片狀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生沿層片方向的解理，這樣只會(huì)產(chǎn)生很淺的裂紋層，而不是穿晶斷裂留下的深的裂紋層。這樣包覆LaPO4/Al2O3復(fù)合陶瓷即提高了材料可加工性，同時(shí)又能留下較少的加工損傷。
　　 我們對包覆LaPO4/Al2O3復(fù)合陶瓷進(jìn)行了裂紋擴(kuò)展行為

4、的研究。復(fù)合陶瓷的強(qiáng)度和壓痕載荷的之間的斜率為-0.26，說明其具有裂紋阻力曲線效應(yīng)。Kr由4.153MPa.m12增加到4.281MPa.m1/2，在后期又略有下降。當(dāng)材料裂紋擴(kuò)展時(shí)，兩個(gè)晶面會(huì)產(chǎn)生相對的位移，裂紋在凸凹不平的晶粒相互擠壓，就產(chǎn)生了自鎖現(xiàn)象，提高了裂紋擴(kuò)展的阻力。當(dāng)裂紋擴(kuò)展至長氧化鋁晶粒時(shí)，其擴(kuò)展的路徑將會(huì)發(fā)生明顯地變化，產(chǎn)生橋連，兩個(gè)相對裂紋面之間距離的增大勢必會(huì)受到氧化鋁晶粒的抑制，從而提高了材料的裂紋擴(kuò)展阻力，材

5、料性能得到提高。由于界面效應(yīng)或熱錯(cuò)配產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力的影響，特別是內(nèi)應(yīng)力的不均勻性和界面裂紋的相互作用，在主裂紋尖端產(chǎn)生微裂紋時(shí)，微裂紋會(huì)與主應(yīng)力軸垂直，隨后微裂紋間又可能形成連接，發(fā)生裂紋偏轉(zhuǎn)。這會(huì)增加裂紋擴(kuò)展的路徑，消耗大量的裂紋擴(kuò)展能。我們建立壓痕試驗(yàn)的力學(xué)模型，根據(jù)力學(xué)模型我們可以得到應(yīng)力場中任一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)可以進(jìn)行分析陶瓷材料壓痕裂紋的形成過程。根據(jù)公式我們得出常規(guī)方法制備的LaPO4/Al2O3復(fù)合陶瓷材料產(chǎn)生裂紋的臨界壓

6、力為1.3N，包覆方法制備的LaPO4Al2O3復(fù)合陶瓷材料產(chǎn)生裂紋的臨界壓力為3.2N;包覆方法制備的LaPO4/Al2O3陶瓷復(fù)合材料的起始裂紋長度為3.46μm，常規(guī)方法制備的LaPO4/Al2O3復(fù)合陶瓷材料的起始裂紋長度為2.14μm。
　　 同時(shí)我們分析了ZTA陶瓷和LaPO4/Al2O3復(fù)合陶瓷的增韌機(jī)理。ZTA陶瓷以相變增韌為主。LaPO4/Al2O3復(fù)合陶瓷的增韌機(jī)理是：在壓力作用下，會(huì)在界面處產(chǎn)生大量的微裂紋